排氣閥鑄件的結構、工藝及數值模擬

排氣閥鑄件的結構如圖1所示，其形狀為一長桿件，頂部(菌部)為圓臺形，采用立式離心鑄造方法生產排氣閥，采用感應凝殼熔煉(ISM)方法熔煉TiAl基合金，在真空澆注室澆注，整個澆注系統如圖2所示。熔體經導向板注入中心澆道，然后充填鑄型。鑄型采用金屬型，排氣閥型腔部分采用模具鋼，其余部分采用碳鋼。鑄型的結構采用嵌入式，對分結構，中心澆道的上部略小于下部，可在一定程度上減小熔體的溢出傾向。鑄型的底部固定在離心轉臺上，隨轉臺一同旋轉。排氣閥水平放置在中心澆道的兩側，熔體從菌部注入。一次澆注兩件。

圖1  鑄件結構圖

圖2  澆注系統示意圖

運用計算方程及其相應開發的軟件，對排氣閥鑄件進行了三維充填及凝固過程數值模擬，首先，由于這一過程較復雜，本文只對鑄件部分進行數值模擬，忽略了金屬熔體在直澆道中的流動，并且假設在鑄件入口處完全充滿。根據計算，在入口處熔體以V0=1000mm/s的速度充填，離心鑄造旋轉臺轉速w=300r/min，入口距旋轉軸的距離是L0=100mm。然后對上述系統進行網格剖分，并且將其帶入模擬程序中進行模擬，模擬結果如圖3所示，其選取的截面是D-D截面，D-D截面具體位置如圖1所示，D-D截面全面反映了熔體流動的全過程，包括充填形式，充填位置，及充填過程溫度的變化等。

圖3  D-D截面不同時間充填速度分布

圖3為排氣閥D-D截面充填的速度場，從圖中可以看到熔體自入口處進入型腔，然后沿鑄型的后壁向前流動，抵達遠端后反向充填，反向充填時正反方向的接觸面相對速度很大，易形成渦流，熔體反向充填結束時在入口處形成一個封閉的體積．在向前流動的同時，熔體的截面逐漸減少，而且，自由表面發生旋轉，這一現象反映在圖4當中，圖4為充填過程的截面變化及自由表面旋轉變化的情況。

圖4  熔體不同位置橫截面積及自由表面傾角

圖5  D-D截面不同時間壓力場

在充填過程當中，熔體的相對壓力變化如圖5所示，熔體在正向充填時壓力充填并未體現，體現這一壓力充填的過程是從反向充填開始，形成了壓力在遠端最大，入口處最小的壓力梯度。圖6為充填過程的溫度變化規律，從圖中可以看到，熔體在向前流動中溫度逐漸降低，形成一個從入口到遠端，然后再從遠端到入口的凝固順序，這對補縮不利。

圖6  D-D截面不同時間溫度場

加上排氣閥細長的桿狀結構，容易形成縮松缺陷。上述模擬軟件在以石蠟作為熔體材料的離心鑄造中進行了實際應用，數值模擬運算結果和實驗結果吻合。