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應用 FLOW-3D 於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:

 與鑄造廠商檢討後,得知如果金屬融湯的溫度較高時,該缺陷問題會消除

 利用充型分析,先找出發生問題的可能因素

 

分析參數確認
Class 30 Gray Iron Thermophysical Properties
 •Liquidus: 1518 K ( 2273 ° F )
 •  Solidus: 1273 K ( 1832 ° F )
Pouring temperature: 1700 K ( 2600 ° F )
Pour height: 8 inches

 

動畫1.充型溫度分布(注意:鑄件上有一圈金屬先進入模穴並且凝固)

 

動畫2.充型溫度分布(注意:鑄件上有一圈金屬先進入模穴並且凝固)

 

動畫3.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)

 

動畫4.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

目前的分析結果顯示,當金屬進入模穴時,會有一圈金屬融湯進入上半模穴的區域。

  •  先進入的金屬融湯由於比較快冷卻,後面進入的金屬可能無法將先進入的金屬融化。

 •  模擬也顯示澆鑄的速度以及方式也會影響金屬融湯的充型狀況。

 

以 X-Ray 實驗進行驗證

以即時的 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

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。

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。

 

動畫5.充型溫度分布(新的澆鑄系統設計)

 

動畫6.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

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捲入氣體。

新的澆鑄系統明顯優於舊的澆鑄系統設計。

 

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。
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
舊有的澆鑄系統經過模擬軟體( FLOW-3D )的驗證,以及採用 X-ray video 進行拍攝,判斷初可能發生鑄件缺陷的原因。
分析顯示問題的發生,可能在於澆鑄過程中,有部分金屬融湯提前進入模具並且提早凝固,後來進入模穴的金屬融湯溫度不足以融化該區域,導致該位置發生鑄件缺陷。
即時 X-ray 系統也觀察到相同的狀況。
新的澆鑄系統設計主要的考量在於減少金屬融湯的噴濺問題。
新的澆鑄系統分析結果顯示,在充型過程中,新的澆鑄系統
Liquid free surface area 減少了 1.5%
Surface Momentum 減少了 64%
Surface Kinetic 減少了 77%