砂芯製作

本篇關於砂芯製造的文章由 Dr.Matthias Todte 以及 Frieder Semler(Flow Science 德國分公司)提供

隨著對鑄件品質的要求以及薄壁鑄件的需求越來越高，幾何複雜的砂芯需求也越來越多。本文說明如何利用數值模擬射砂製程，並且為砂芯製作建立最佳化條件。

關於射砂、排氣，乾燥及回火的基本製程模擬的討論之後，則進行實驗驗證。最後以一個實際案例說明如何利用數值模擬預測砂芯的磨耗及使用壽命。

砂芯製程模擬

◢ 射砂

射砂過程中，利用加壓空氣推動裝滿砂粒的吹頭，讓由空氣/砂子/粘合劑混合物組成的“流體”從吹頭通過噴嘴流入芯盒，再通過排氣噴嘴排出盒內的空氣。射砂的目標在於盡可能的提高箱內的砂粒密度分佈，同時盡可能的讓砂粒均勻分布。可以改變的參數包含了射擊壓力以及射砂/排氣噴嘴的數量和位置。為了節省時間和金錢，希望盡可能少地使用噴嘴而不犧牲砂芯的質量。

可以使用模擬分析射砂和排氣噴嘴的不同配置，得知其對砂粒密度分佈的影響。結果中預測的射砂速度和剪切應力則可以讓工程師確認磨損較大的位置，進而得出能夠得出磨損的結論，從而得出芯盒的壽命。

FLOW-3D CAST

製程模組

◢ 加氣硬化

當採用有機黏合劑製程時，射砂製程時砂粒內包覆著有機樹脂，該樹脂的硬化則是通過氣態試劑（通常是胺）完成的，氣態試劑通常通過用於射砂的噴嘴注入。充氣時間必須足夠使氣體能夠到達砂芯的每個部分，以確保砂芯的各個部分都被硬化。另一方面，為了節省氣體，充氣不應超過必要的時間。

數值模擬顯示了砂心中胺濃度隨著時間經歷的分佈變化，這相當於砂芯核心的硬度。這讓工程師能夠判斷充氣時間是否合理。

◢ 烘乾

越來越多的鑄件，會改以無機水基粘合劑體系代替有毒的有機黏合劑體系。除了無排放核心生產製程的優勢外，應用無機水機黏合劑還可降低鑄造過程中的核心氣體，從而提高鑄件品質。

為了讓砂芯硬化，必須從砂芯中除去水，這通常通過注入熱空氣來完成。對於這些粘合劑而言，砂芯中的殘餘水分是硬度的量度。數值模擬不僅需要模擬通過砂芯的空氣流動，還要模擬水或蒸汽的蒸發和冷凝以及蒸汽與熱空氣的傳輸。

下圖顯示了預測殘餘水分與真實核心強度的相關性。

◢ 芯盒的回火

在某些砂芯製造製程中，例如熱芯盒和覆膜砂(Croning)，砂芯的硬化是通過粘合劑在加熱的芯盒中完成熱反應以達成。芯盒的加熱則是透過加熱通道和電加熱元件進行。此時砂芯的品質需要芯盒提供均勻的溫度分佈。數值模擬能夠預測芯盒內加熱元件的配置隨著時間變化的溫度分佈，並且提供了加熱是否均勻以及是否能夠達到所需溫度之預測。