重力鑄造之模具滲漏問題研究

Investigation of Mould Leakages in a Gravity Casting

 

作者

Gabriele Taricco, CM Taricco

Stefano Mascetti, XC Engineering

一、 前言

  模具設計是一個相當複雜的工作,因為在設計時必須同時考量金屬融湯的流動以及金屬凝固順序。除此之外,模具因為溫度熱傳造成的應力變形也可能導致其他問題的發生。CM Taricco 是義大利的一間模具製造商,在開發新型模具時發現在每次鑄造時,模具底部會發生融湯滲漏問題。在模具開始生產時,這個現象僅少數發生;隨著生產模次增加,這個現象會越來越嚴重。一旦發生問題,生產人員就必須立刻進行問題排除,不但造成生產時間無法預期,還造成了鑄件成本的增加。

圖1 原始重力鑄造模具底部的金屬融湯滲漏現象

二、 問題發生原因之研究

  由於這套重力鑄造模具在初始開發時,就已經進行澆鑄系統及渣包位置的評估及數值模擬,因此判定問題應該不是由金屬融湯的流動造成。Gabriele Taricco (CM Taricco 公司之創辦人) 提出疑問,認為滲漏問題可能來自於鑄造過程中的熱應力。由於進行模具設計時未同時評估模具冷卻路徑,導致模具具部發生嚴重的積熱。而這個問題造成模具底部發生不預期的嚴重變形,導致金屬融湯從該處發生滲漏。為了確認此現象是否真實發生,因此該公司採用 FLOW-3D 進行數值模擬,希望能夠確認是否這個問題能夠在仿真製程中重現,進而從模具設計上解決這個問題。

圖2-1 金屬融湯發生滲漏的位置

圖2-2 在模具不均勻溫度分布下,可能造成模具之間發生間隙

三、 數值設定與問題判定

  利用 FLOW-3D,整個數值模型可在短時間內完成設定並且進行計算。FLOW-3D對於網格簡單且高效能的處理能夠讓數值網格減少,並且提高執行效率。與一般軟件傳統網格設定方式相比較,FLOW-3D 能夠在較短的執行時間內提供高精度的分析結果。

 

  在此分析案例中,考量到分模面位置的設計,首先在分割網格前進行了圖面旋轉,這樣能夠將網格盡量控制在鑄件位置,即便是鑄件上有較細小的細節特徵,FLOW-3D仍然能夠完整的描述。

圖3-1 根據分模面位置,將模具圖面進行旋轉

  另外,為了減少網格計算數量,在模具圖面旋轉20度後,再利用 FLOW-3D 的'domain removing'元件移除不需要進行計算的網格區域。

圖3-2 利用FLOW-3D之Domain removing 技術大幅減少計算所需之數值網格

  利用上述網格設定技巧,成功的將分析網格減少了約80%的數量,這能夠大幅縮短所需之計算時間。

 

四、 成形分析

  利用 FLOW-3D 之模具熱循環分析技術,能夠完整的模擬模具在經歷充型、凝固冷卻後,因為熱量累積造成之模具溫度分布。在初始設定時,預設模具經歷十次開關模具之生產製程。利用 FLOW-3D 之後處理模組 FlowSight 進行分析結果輸出,CM Taricco 確認在模具底部確實發生了溫度不均勻分布造成的積熱現象。而這些區域應該就是造成滲漏問題的主要位置。

圖4-1 模具熱循環分析

圖4-2 模具溫度分布(歷經十次成形後之模具積熱分布)

五、 模具變形分析

  在判定問題可能是由模具溫度造成之模具變形,導致融湯滲漏問題後,CM Taricco 公司希望能夠確認模具的變形量,以進行模具設計變更。XC Engineering 協助 CM Taricco 公司進行 FLOW-3D 變形模組設定,利用FLOW-3D直接計算因為模具溫度分布不均造成之模具變形量,而這些變形結果可以在 FLOW-3D 之後處理模組 Flowsight中直接確認,並且同時量測變形量尺寸。

圖5-1 模具溫度分布(歷經十次成形後之模具積熱分布)

圖5-2 模具之間因為熱變形造成之間隙尺寸計算

六、 模具設計變更

  在確認模具積熱確實會造成模具發生變形,導致金屬融湯滲漏後,CM Taricco 公司進行了以下的模具變更設計。利用調整分模面設計,讓模具本體在合模時增加了多餘的支撐位置,以減少模具發生變形的可能性。另外,在設計時同時考量溫度不均勻分布造成的熱變形溫度,在模具厚度上做了可適性的調整。

圖6-1 模具設計變更

圖6-2 模具設計變更2

七、 結論

  在進行模具設計變更後,CM Taricco 公司再次以FLOW-3D進行驗證,確認模具變形量在可接受範圍之內後,再進行模具修改。新的模具能夠讓熱量均勻的分佈到模具本體,不再發生不均勻的溫度分布造成模具局部熱應力集中,而這反應的就是完美的鑄件成形。在後續量產成形時,該套模具不再發生模具滲漏問題。不但大幅提高生產效率,也大幅的降低鑄件成形成本。

圖7 完成模具設計變更後之新鑄件,不再發生模具滲漏問題。

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