應用 FLOW-3D 于砂模鑄造的澆鑄系統方案設計
應用 FLOW-3D 于砂模鑄造的澆鑄系統方案設計

 

應用 FLOW-3D 于砂模鑄造的澆鑄系統方案設計

作者:J. A. Griffin & P. Scarber, Jr.
Casting Engineering Laboratory (CEL)
The University of Alabama at Birmingham

 

現有的問題

 

問題與討論:

 n 與鑄造廠商檢討后,得知如果金屬液的溫度較高時,該缺陷問題會消除

 n 利用充型分析,先找出發生問題的可能因素

 

分析參數確認

 n Class 30 Gray Iron Thermophysical Properties

   n Liquidus:  1518 K (2273 °F)

   n Solidus:  1273 K (1832 °F)

 n Pouring temperature:  1700 K (2600 °F)

 n Pour height:  8 inches

 

Fig1. 充型溫度分布(注意:鑄件上有一圈金屬先進入模穴并且凝固)

 

Fig2. 充型溫度分布(注意:鑄件上有一圈金屬先進入模穴并且凝固)

 

Fig3. 充型溫度分布(當澆鑄的位置稍微偏離豎澆道中心時,充型的方式會與前述澆鑄不同)

 

Fig4. 充型溫度分布(當澆鑄的位置稍微偏離豎澆道中心時,充型的方式會與前述澆鑄不同)

 

分析結果討論

 n 目前的分析結果顯示,當金屬進入模穴時,會有一圈金屬液進入上半模穴的區域。

  n 先進入的金屬液由于比較快冷卻,后面進入的金屬可能無法將先進入的金屬融化。

  n 仿真也顯示澆鑄的速度以及方式也會影響金屬液的充型狀況。

 

X-Ray 實驗進行驗證

 n 以實時的 x-ray 實驗觀察金屬進入模具內的狀況

 

根據分析結果以及實驗,得到下列結論

 n 澆鑄方式的調整(位置及速度)可以避免金屬發生噴濺形成提前凝固區域的問題。

 n 變更澆鑄方式會是最好的方法(盡量減少人工調整的問題)

 

新的澆鑄系統

 

 

CEL 提出一種新的進料方式設計,能夠在不大幅變更現有模具設計下,盡可能的減少金屬噴濺的問題。

Fig5. 充型溫度分布(新的澆鑄系統設計)

 

Fig6. 充型溫度分布(新的澆鑄系統設計)

 

新的澆鑄系統與舊的澆鑄系統差異

 

 n FLOW-3D 可提供流體的表面積變化量,表面積變化量越大,代表該流場越紊亂,越可能造成充型過程中卷入氣體。

 n 新的澆鑄系統明顯優于舊的澆鑄系統設計。

 

 

 n FLOW-3D 提供的Velocity Bin Plot 代表流體表面積變化時的速度大小。Surface Momentum 以及 Surface Kinetic 越大,代表流場越紊亂。

 n 新的澆鑄系統的表面移動速度僅為舊的澆鑄系統的56% 左右。

 

研究結論

 n 舊有的澆鑄系統經過仿真軟件( FLOW-3D )的驗證,以及采用 X-ray video 進行拍攝,判斷初可能發生鑄件缺陷的原因。

 n 分析顯示問題的發生,可能在于澆鑄過程中,有部分金屬液提前進入模具并且提早凝固,后來進入模穴的金屬液溫度不足以融化該區域,導致該位置發生鑄件缺陷。

 n 實時 X-ray 系統也觀察到相同的狀況。

 n 新的澆鑄系統設計主要的考慮在于減少金屬液的噴濺問題。

 n 新的澆鑄系統分析結果顯示,在充型過程中,新的澆鑄系統

   n Liquid free surface area 減少了 1.5%

   n Surface Momentum 減少了 64%

   n Surface Kinetic 減少了 77%

 n 新的澆鑄系統尚未完全最佳化,這僅是提出一個可解決問題的方向。

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