论文导读：充型过程中型腔内自由液面的演变过程如图4所示。利用数值模拟技术研究了垂直缝隙式浇注系统对铸件充型凝固过程的影响规律。充型过程，垂直缝隙式浇注系统充型特性的数值模拟研究。
关键词：垂直缝隙式浇注系统，充型过程，数值模拟
随着我国航空航天事业的发展，整体铸造大型非铁金属薄壁圆筒构件日益增多，对其质量的要求也越来越高，这类构件通常在低压或差压铸造机上用垂直缝隙式浇注系统铸造。论文大全，充型过程。采用此种浇注系统在充型过程中金属液经直浇道、横浇道由立筒和内浇道进入铸型型腔，由于内浇道的阻流作用使得金属液在立筒中汇集，金属液流动速度降低，有利于氧化渣的上浮，同时金属液缓慢进入型腔，减少了紊流现象的发生，使得金属液在型腔平稳上升[1-3]。论文大全，充型过程。缝隙式浇道设计的好坏直接关系到铸件的成型过程，从而对铸件的质量起着至关重要的作用。本章利用数值模拟技术对圆筒形铸件的缝隙式浇注系统充型特性进行研究，分析缝隙浇道尺寸参数对铸件充型过程的影响。
1实验模型的建立
 该圆筒型铸件的直径为460mm，模型高为1140mm，壁厚为20mm，如图1所示。
通常缝隙式浇注系统的设计顺序如下所示。设缝隙式内浇道处铸件壁厚为δ，如图2所示。
1）立缝厚度a：当δ≥10mm时，取a=(0.8~1.2)δ,当δ≤10mm时，取a=(1.2~1.5)δ
2） 立缝的宽度b：一般取b=15~35mm
3） 立筒直径：D=(4~6)a
 立筒的数量： 其中，P为铸件外圆周长(mm)。
按照上述计算方法，将圆筒铸件的缝隙浇道尺寸确定为缝隙厚度20mm，缝隙宽度为55mm，立筒直径为70mm，横浇道尺寸为120mm×390mm×50mm，升液管直径为100mm如图3所示。选取A356合金作为充填介质，浇注温度为720℃，浇注时间为65s。
2实验结果及分析
2.1型腔和立筒中液面的变化
模拟计算结果表明，采用缝隙式浇注系统时，型腔中液体金属的自由表面在大部分时问内平稳上升，充型过程中型腔内自由液面的演变过程如图4所示。
 在压力作用下金属液自升液管上升并进入横浇道，而后经过内浇道进入立筒。当液头进入立筒后，由于缝隙对液流的阻力较大，同时，由于液头正面遇到型壁的阻碍，立筒中液面要比型腔中液面高，见图4(a)。论文大全，充型过程。随后，液流改变流动方向，沿型腔底面向两侧横向流动，当液头遇到侧壁后，液流沿侧壁向上运动并失去其速度头而形成返回流，与此同时，立筒中的液面也在不断升高见图4(b)。当从缝隙中流入的液流与从型腔末端型壁处返回的液流相遇后，型腔中的液面基本呈水平状态，型腔和立简中的液面相差很小见图4(c)。此后，型腔和立筒中的液面高度差消失，液面平稳上升，直至充型结束见图4(d)。因此，对于缝隙式浇注系统来说，仅在充型初期，液面变化较为剧烈，而在充型过程的大部分时问，液面上升平稳。
2.2型腔中速度场的演变规律
充型过程中自由液面的变化是速度场变化的宏观表现，为了进一步研究充型过程中液体金属的流动状态，还需要进一步分析金属液在充型过程中的速度场变化。
图5为型腔中铝液的速度场的演变过程。金属液通过缝隙式浇道进入铸型时两侧的速度不对称分布，并具有一定的喷射充填效果，见图5(a)所示。当液头遇到侧壁而形成回流后，在型腔底部靠近缝隙处形成一个漩涡，见图5(b)。当缝隙中流入的液流与从型腔末端型壁处返回的液流相遇后，通过缝隙下部进入型腔的液体的速度逐渐减小，而通过缝隙上部进入型腔的液体沿横向流动时由于受到侧壁的阻碍，分别形成两个方向流动，如图5(c)。同时由于两股液流相遇，在铸型底部靠近侧壁一侧又形成一个漩涡，见图5(e)。随着充型的进行，由于型腔侧壁阻力增大，液态金属的线速度逐渐降低，靠近侧壁的漩涡逐渐消失，充型过程进入平稳上升阶段，此时金属液速度大小和流线方向基本保持不变，直至充型结束，见图5(g)。论文大全，充型过程。
 2.3缝隙浇道尺寸对充型状态的影响
从上述分析可以看出，缝隙式浇道的尺寸参数尤其是缝隙厚度对金属液的充型状态具有很大的影响，为考察缝隙厚度对金属液流动状态的影响，设计了两组实验，即缝隙厚度分别为16mm和18mm，为将立筒直径和缝隙宽度的影响降到最低，将这两个值取为最大，即缝隙宽度为65mm，立筒直径为80mm。
图6、7和8分别显示了不同缝隙厚度条件下铸件充型过程模拟结果。文献[3]的作者通过对缝隙式浇注系统金属液上升到一定高度之后随着液面的升高，垂直缝隙内浇道中的阻力铸件减小，而立筒内的压力却铸件增大，从而上升到一定高度之后型腔中的金属液面会趋于水平，所以这里只显示充型到35%的模拟结果。
从模拟结果可以看出，缝隙厚度对金属液流状态具有很大影响。由于缝隙较小，造成入口处金属液流线速度过高，充型过程产生了喷射现象，如图6b和图6c所示。喷射造成了充型过程中金属液与氧气接触的面积增加，从而易产生氧化现象。并且由于金属液翻滚，氧化物又被卷入液态金属中从而形成了夹杂，这将严重影响铸件的质量。
比较图6、图7和图8可知，随着缝隙浇道的尺寸逐渐增大，金属液的充填状态也趋于平缓。论文大全，充型过程。如图8所示，在缝隙浇道厚度较大（20mm）的情况下，金属液充填过程较为平稳，基本上呈水平上升，这样就减少了充型过程中氧化夹杂缺陷，可以有效改善铸件的质量。论文大全，充型过程。
3 结论
利用数值模拟技术研究了垂直缝隙式浇注系统对铸件充型凝固过程的影响规律。试验结果表明，缝隙厚度对金属液流状态具有很大影响。
（1）在缝隙较小的情况下入口处金属液流线速度过高，充型过程产生了喷射现象。
（2）在缝隙浇道厚度较大（20mm）的情况下，金属液充填过程较为平稳，基本上呈水平上升。
（3）随着缝隙浇道的尺寸逐渐增大，金属液的充填状态也趋于平缓。
参考文献
[1]陈立亮，刘瑞祥，林汉同等.低压铸造流动与传热耦合计算的研究[J].特种铸造及有色合金，1998,18(5):27-29
[2]董秀琦，王东，叶荣茂.垂直缝隙式浇注系统的理论分析及模拟验证[J].铸造，1993,42(9):1-8
[3]张启勋，王友序，吴孟怀等.缝隙式浇注系统对铸件凝固过程的影响[J].热加工工艺，1991,20(4):3-6
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