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​技術暨實例探討電子報

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%

  • 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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