【技術電子報】脫蠟鑄造製程參數影響性

一、緒論


脫蠟鑄造是歷史悠久的鑄造製程之一,古代是將金屬熔湯澆注到陶瓷殼模中用來生產金、銀、銅和青銅合金的珠寶和雕像。在19世紀末,牙醫開始使用脫蠟鑄造製作牙冠和嵌體,而現今脫蠟鑄造製程用於生產表面精度高和尺寸誤差小的近淨形鑄件。


脫蠟鑄造製程有四個主要的步驟:

1.建置蠟模形,然後用澆注系統進行組裝成為蠟樹

2.將蠟樹反覆地沾塗漿料以獲得陶瓷殼模

3.將殼模乾燥後加熱使蠟熔出,然後預熱以增加強度並準備澆注

4.將要澆注的合金熔化並倒入預熱的殼模中,待凝固後將殼模破壞獲得鑄件


脫蠟鑄造製程所生產的鑄件常用於許多關鍵的應用,因此需要較高的品質不可有縮孔等缺陷,在脫蠟鑄造常發生的主要缺陷有陶瓷夾雜物、裂縫、變形、收縮、包渣和冷隔紋,為了預測鑄件的品質,需要研究鑄造製程參數的影響性,例如金屬模具的熱傳係數、澆注溫度、殼厚度…等,故本研究將針對輻射熱傳的影響、FLOW-3D生成殼模的實用性、殼模厚度以及澆道和澆口的位置的影響進行探討。


二、研究方法


在本研究中模擬使用的幾何如圖1所示。並利用FLOW-3D建立殼模,操作步驟如下:


圖1.幾何模型(單位:m)

1. 將幾何導入FLOW-3D中,並在幾何周圍建立一個網格區塊

2. 將幾何類型改為“complement”

3. 從固體材料庫定義此模具材料屬性

4. 定義“熱穿透深度”,此值可以定義殼厚度

5. 進行預處理計算

6. 在“Iso-surface”和“color variable”,選擇“thermally active component volume”並按下“Render”顯示殼模

7. 輸出殼模STL檔


在建置完殼模模型後,將STL檔導入新的模擬中作為新的組件,並將類型更改為“hole”,殼模幾何如圖2所示。


圖2.殼模模型

接著需要建立網格區塊作為軟體的計算區域,並在入口處規劃一個進料區域,如圖3所示,,在模具與熔湯材質可有軟體中的材料庫導入,如表1所示,在製程參數上須考慮熔湯與殼模的熱傳及殼模與30℃的環境空氣之間的熱傳,各項製程參數如表2。



圖3.建立網格區塊示意圖

表1.材料性質


表2.製程參數

三、 結果與討論


實驗結果與驗證

在本研究中利用五個位置來觀察填充和凝固過程的溫度曲線如圖4所示,這五個點分別為C1、C2和S11、S12和S21,C1和C2位於鑄件的中心,S11、S12、S21位於殼模中。由圖4可以看出分析的溫度曲線數值與文獻的實驗結果比較是接近的。探針C1和C2在凝固期間的數值和實驗結果誤差在5%內,在凝固後冷卻的誤差為12%,對於殼中點S11、S12、S21的數值結果比實驗結果高約5%,這可能是因為殼模材質的物理性質或是殼模的傳熱係數所影響,這兩項參數將會在下面章節進行探討。



圖4.充型與凝固過程的溫度變化曲線

兩種不同澆道的充填與凝固

利用兩個不同的澆道位置的來觀察充填過程的影響性如圖5所示,由結果可看出澆道在左側的流況會產生較多的飛濺,可能導致卷氣及氧化膜捲入造成鑄件有缺陷。當澆道位於中間時,流動較均勻並且在兩個鑄件有類似的溫度分佈。另外在凝固的分析結果(如圖5c和圖5d)可看出凝固後2D剖面的溫度分布是澆道在中間的結果較為平均,從收縮位置也可清楚的看出兩種澆道位置都將產生缺陷。





圖5.不同澆道設計的結果比較

殼模厚度的影響

為了研究殼模厚度對脫蠟鑄造的影響,本研究考慮殼模厚度7.2、10、15和20mm。 圖6a和6b是過程中的曲線,可以觀察到殼模的厚度從7.2mm增加到15mm有降低了冷卻速率導致凝固時間較長。


圖6.不同殼模厚度的過程溫度曲線

殼模熱傳係數的影響

殼模的熱傳係數ha是表示輻射從殼模的外壁向周圍空氣的散熱速率,為了研究這種效應本研究將設定熱傳係數從20變化到80W / m2K,從圖7a和7b可以看出ha的變化對熔湯和殼模的冷卻速率具有明顯的影響,當熱傳係數從20增加到80W / m 2 K時,可以看出C1處的固化時間從812s減少到334s(減少約44%),因此,改變ha的值將對鑄造產品的結構產生影響。


圖7.不同熱傳系數的過程溫度曲線

四、結論


脫蠟鑄製程的填充和凝固模擬使用FLOW-3D來進行參數的研究,研究製程參數對鑄造過程的影響性。從本研究中可以得到以下的結論:

1. FLOW-3D在脫蠟鑄造製程模擬數據與文獻中的實驗進行比對,發現預測的溫度曲線和實驗數據的差距是在可接受的誤差範圍內。

2. 由殼模厚度可以看出兩種情況,第一種是殼模具有臨界厚度,超過該厚度熱傳特性會相反。第二種情況是隨著殼厚度增加凝固的時間也會增加,直到臨界厚度後然後開始降低。

由結果可看出殼模與環境空氣之間的熱傳係數(ha)對於凝固結果有明顯的影響性。當熱傳係數從20增加4倍至80W / m 2 K時,在澆道中心的凝固時間減少了40%。

泓崴科技FB粉絲團,FLOW-3D軟體
FLOW-3D軟體資訊-泓崴科技

聯絡資訊

地址:241 新北市三重區興德路86號9樓

E-mail:hyperinfo.sales@gmail.com

TEL:+886-8512-1686

FAX:+886-2995-8917

Copyright © 2019 hyperInfo Corp.