壓射缸行程設定的優化
壓射缸行程設定的優化

 

壓射缸行程設定的優化

高壓鑄造(High Pressure Die Casting, HPDC)工藝中,壓射缸(shot cylinder)的作用在于快速的將金屬液注入模穴內。一般而言,壓射缸保持水平,金屬液從壓射缸上方的開口注入。柱塞頭會在短時間內將金屬液推入模具的充填系統。

圖一,以 FLOW-3D 進行金屬液在柱塞推動下的三維流動計算

 

壓射行程的良好設定,可以避免金屬液在固化前完全注入模穴,同時不能過快;過快的速度會造成空氣卷入金屬液中。如果金屬液中夾雜空氣或者是部分固化的金屬,可能會導致鑄件的強度發生問題,或者是在外觀造成缺陷。

 

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圖二,Case1 與 Case2 的金屬液在壓射缸內的移動狀況

 

壓射行程設定的關鍵,在于讓金屬液可以在不造成空氣卷入的狀況下,以最高速度進入模穴。另外,盡量減少金屬液在初期進入壓射崗石就發生固化,這是另一個解決鑄件缺陷的重點。

預測空氣在何時會卷入金屬液,以及壓射缸內的金屬何時會固化,是一件非常困難的事情。因為這兩種現象都包含了非線性的流體運動模式,以及非線性的溫度變化狀況。幸運的是, FLOW-3D 的使用者不需要擔心這個問題,因為其精確的自由液面計算模型能力能夠順利解決這類型的問題。

一個簡單但是典型的例子可以用來說明這些參數如何影響金屬液在壓射缸內的運動狀況。在這個例子中,壓射缸的直徑為3.25英寸,長度為36英寸。其中大約填滿了50%的金屬液(Al-383),初始的金屬液溫度為682°C。柱塞頭壓射的前進速度為6英寸/秒,柱塞頭以一個平面推動著金屬液前進。在0.67秒后,柱塞頭前進的速度切換至31.5英寸/秒,在這個速度下金屬液的前緣開始發生傾覆的現象(浪頭向下形成卷氣),卷入的氣體會隨著金屬液的運動而進入模穴。

根據之前的結果,在第二階段以較慢的速度向前推進(23英寸/秒)。在這個設定條件下,解決了原本嚴重的卷氣現象。這樣的效果對于壓鑄件的品質是有幫助的。在圖二的 Case2 充型結果中可以看到卷氣的影響減少。在圖二中,可以看到三個主要造成鑄件缺陷的判斷重點:表面氧化膜(surface oxifilm)、卷氣(air entrainment),以及壓射缸內初期形成的固化金屬。為了方便察覺問題,在 FLOW-3D 中可以用截面的方式顯示壓射缸內的金屬液移動狀況。

在圖二結果中,Case1 的卷氣現象比 Case2 的卷氣現象至少嚴重三倍以上。大部分的卷氣現象發生在第一次金屬液發生傾覆現象時。另外,固化區(在壓射缸內發生固化的金屬)最早多半角成于靠近柱塞頭的位置(在 Case1 以及 Case2 中都相同)。另外,Case2中,氧化膜的改善不大。氧化膜的行程與時間有關,Case2 的柱塞頭移動速度比 Case1 慢,因此在同樣的位移量內,Case2 甚至會形成比 Case1 更嚴重的表面氧化膜現象。

FLOW-3D 提供的詳細結果讓高壓鑄造工藝中的壓射行程設定優化不再是件困難的事。工程師能夠減少試模的次數,大幅降低時間成本以及材料成本。

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