应用 FLOW-3D 于砂模铸造的浇铸系统方案设计
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：
n 与铸造厂商检讨后，得知如果金属液的温度较高时，该缺陷问题会消除
n 利用充型分析，先找出发生问题的可能因素
分析参数确认
n Class 30 Gray Iron Thermophysical Properties
n Liquidus: 1518 K (2273 °F)
n Solidus: 1273 K (1832 °F)
n Pouring temperature: 1700 K (2600 °F)
n Pour height: 8 inches
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Fig1. 充型温度分布（注意：铸件上有一圈金属先进入模穴并且凝固）
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Fig2. 充型温度分布（注意：铸件上有一圈金属先进入模穴并且凝固）
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Fig3. 充型温度分布（当浇铸的位置稍微偏离竖浇道中心时，充型的方式会与前述浇铸不同）
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Fig4. 充型温度分布（当浇铸的位置稍微偏离竖浇道中心时，充型的方式会与前述浇铸不同）
分析结果讨论
n 目前的分析结果显示，当金属进入模穴时，会有一圈金属液进入上半模穴的区域。
n 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融化。
n 仿真也显示浇铸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
n 以实时的 x-ray 实验观察金属进入模具内的状况
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根据分析结果以及实验，得到下列结论
n 浇铸方式的调整（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。
n 变更浇铸方式会是最好的方法（尽量减少人工调整的问题）
新的浇铸系统
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。
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Fig5. 充型温度分布（新的浇铸系统设计）
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Fig6. 充型温度分布（新的浇铸系统设计）
新的浇铸系统与旧的浇铸系统差异
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n FLOW-3D 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。
n 新的浇铸系统明显优于旧的浇铸系统设计。
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n FLOW-3D 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。
n 新的浇铸系统的表面移动速度仅为旧的浇铸系统的56% 左右。
研究结论
n 旧有的浇铸系统经过仿真软件（ FLOW-3D ）的验证，以及采用 X-ray video 进行拍摄，判断初可能发生铸件缺陷的原因。
n 分析显示问题的发生，可能在于浇铸过程中，有部分金属液提前进入模具并且提早凝固，后来进入模穴的金属液温度不足以融化该区域，导致该位置发生铸件缺陷。
n 实时 X-ray 系统也观察到相同的状况。
n 新的浇铸系统设计主要的考虑在于减少金属液的喷溅问题。
n 新的浇铸系统分析结果显示，在充型过程中，新的浇铸系统
n Liquid free surface area 减少了 1.5%
n Surface Momentum 减少了 64%
n Surface Kinetic 减少了 77%
n 新的浇铸系统尚未完全最佳化，这仅是提出一个可解决问题的方向。