运用 FLOW-3D CAST 在砂模铸造的浇注系统方案设计

作者：J. A. Griffin & P. Scarber, Jr.

Casting Engineering Laboratory (CEL)

The University of Alabama at Birmingham

 

现有的问题

 

问题与讨论

 

• 与铸造厂商检讨后，得知如果浇注温度较高时，该缺陷问题会消除。
• 利用充型分析，先找出发生问题的可能因素。

 

分析参数确认

• 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

 

 

Fig1. 充型温度分布（注意：铸件上有一圈金属先进入型腔并且凝固）

 

Fig2. 充型温度分布（注意：铸件上有一圈金属先进入型腔并且凝固）

 

Fig3. 充型温度分布（当浇注的位置稍微偏离直浇道中心时，充型的方式会与前述浇注不同）

 

Fig4. 充型温度分布（当浇铸的位置稍微偏离直浇道中心时，充型的方式会与前述浇注不同）

 

分析结果讨论

 

• 目前的分析结果显示，当金属进入型腔时，会有一圈金属液进入上半型腔的区域。

• • 先进入的金属液由于比较快冷却，后面进入的金属可能无法将先进入的金属熔化。
  • 仿真也显示浇注的速度以及方式也会影响金属液的充型状况。

 

以 X-Ray 实验进行验证

 

• 以实时的 x-ray 实验观察金属进入模具内的状况。

 

 

根据分析结果以及实验，得到下列结论

 

• 浇注方式的调整（位置及速度）可以避免金属发生喷溅形成提前凝固区域的问题。
• 变更浇注方式会是最好的方法（尽量减少人工调整的问题）。

 

新的浇注系统

 

 

CEL 提出一种新的进料方式设计，能够在不大幅变更现有模具设计下，尽可能的减少金属喷溅的问题。

 

Fig5. 充型温度分布（新的浇注系统设计）

 

Fig6. 充型温度分布（新的浇注系统设计）

 

新的浇注系统与旧的浇注系统差异

 

• FLOW-3D CAST可提供流体的表面积变化量，表面积变化量越大，代表该流场越紊乱，越可能造成充型过程中卷入气体。
• 新的浇注系统明显优于旧的浇注系统设计。

 

 

• FLOW-3D CAST 提供的Velocity Bin Plot 代表流体表面积变化时的速度大小。Surface Momentum 以及 Surface Kinetic 越大，代表流场越紊乱。
• 新的浇注系统的表面移动速度仅为旧的浇注系统的56% 左右。

 

研究结论

• 旧有的浇注系统经过仿真软件（FLOW-3D CAST）的验证，以及采用 X-ray video 进行拍摄，判断出可能发生铸件缺陷的原因。
• 分析显示问题的发生，可能在于浇注过程中，有部分金属液提前进入模具并且提早凝固，后来进入型腔的金属液温度不足以熔化该区域，导致该位置发生铸件缺陷。
• 实时 X-ray 系统也观察到相同的状况。
• 新的浇注系统设计主要的考虑在于减少金属液的喷溅问题。
• 新的浇注系统分析结果显示，在充型过程中，新的浇注系统

• • Liquid free surface area 减少了 1.5%
  • Surface Momentum 减少了 64%
  • Surface Kinetic 减少了 77%

• 新的浇注系统尚未完全优化，这仅是提出一个可解决问题的方向。

 

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