应用 FLOW-3D 于砂模铸造的浇铸系统方案设计
应用 FLOW-3D 于砂模铸造的浇铸系统方案设计

 

 

 

 

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

 

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)

 

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)

 

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)

 

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。

 

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

 

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。

Fig5. 充型温度分布(新的浇铸系统设计)

 

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

 

 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。

 

 

 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。

 

作者J. A. Griffin & P. Scarber, Jr.

Casting Engineering Laboratory (CEL)

The University of Alabama at Birmingham