【技術電子報】應用粒子於模擬澆鑄泵體

資料來源:2012歐洲使用者大會

廠商:Allard-Europe


一、前言


Allard-Europe是一間擁有一百多位員工,年營業額1千8百萬歐元的公司,主要生產砂模鑄造的鑄件,廠內的砂箱尺寸從450mm~5800mm,熔煉噸數可達40噸,主要使用的金屬材料為合金鋼、灰鐵、球鐵…等,場內有配備CNC的機台設備進行機械加工,另外在金屬模流軟體採用FLOW-3D來進行鑄造的模擬,主要的應用是針對複雜的鑄件進行開發、生產過程中有問題的鑄件進行修改案例及研發新的鑄造製程。


二、研究案例


本次研究針對一個大型的疏浚泵體(如圖1所示),鑄件總重量為35000公斤,使用的材料是TGS5,這個鑄件主要的問題是鑄件的硬度分布不均,很難控制在公差範圍內,故本文利將設計3種不同的入料方式(如圖2所示)搭配FLOW-3D的粒子來評估鑄件的熔湯混合狀況。


圖1 疏浚泵體


方案1:單一澆池進料

方案2:雙澆池進料(對撞流動)

方案3:雙澆池進料(旋轉系統)

三、鑄件模擬分析


在鑄件模擬過程時我們須給定入料來源,分別為左邊代表26t堵塞器採用Ø100 mm ,初始流速為0.0442m³/s線性降低到0.0072m³/s鑄造時間超過142s,右邊代表9t堵塞器採用Ø80 mm,初始流速為0.0201m³/s 線性降低到0.0033m³/s鑄造時間超過104s,兩個澆池的開始時間都是0秒,粒子的生成在9t澆池這一側。


四、方案評估


由於方案1 是單一個澆池進行進料,當澆池空的時候會再從冒口進行補澆的動作,這樣的方式是在澆鑄系統上最為容易的,而且高溫的金屬液體也能保持在冒口處,但是這樣會造成鑄件內的熔湯不易混合,由圖3可看出粒子在澆鑄最終的分布狀況是非常不均的,造成鑄件的硬度分布不均。




針對方案1無法有效混合金屬熔湯而提出了方案2的設計,利用兩個澆池進行進料使的熔湯較易混合,但在入料過程中方案2的設計可能會使9t端有溢流的風險,由圖4可看出9t端的澆道有壓力集中的現象。



圖4 雙澆池進料(對撞流動)壓力分佈

由於方案2有可能會使9t端有溢流的風險,故提出方案3進行澆道的變更,讓整個流道成為一個旋轉系統,能夠降低溢流的風險,並使鑄件的熔湯能夠有好的混合情況,由圖5可看出模擬的粒子分布在鑄件各處有效的達到熔湯混合,由分析可評估方案3為一個可行的方案。



圖5 雙澆池(旋轉系統)搭配粒子模擬

由方案3的設計進行鑄件的生產,並將鑄件進行剖切來量測硬度,量測的位置如圖6所示,量測的數值如圖7所示,由量測的硬度數據來看,鑄件在澆鑄時液體混合是相當均勻的,使得硬度都有在公差範圍內,最後Allard-Europe成功的製作5個合格的鑄件。



圖6 硬度量測位置

圖7 硬度量測數值

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