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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:

•  与铸造厂商检讨后,得知如果金属融汤的温度较高时,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

•  目前的分析结果显示,当金属进入模穴时,会有一圈金属融汤进入上半模穴的区域。

•  先进入的金属融汤由于比较快冷却,后面进入的金属可能无法将先进入的金属融化。

•  仿真也显示浇铸的速度以及方式也会影响金属融汤的充型状况。

 

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。

•  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

•  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。

•  新的浇铸系统明显优于旧的浇铸系统设计。

•  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。

•  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

•  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。

•  分析显示问题的发生,可能在于浇铸过程中,有部分金属融汤提前进入模具并且提早凝固,后来进入模穴的金属融汤温度不足以融化该区域,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。

•  新的浇铸系统设计主要的考虑在于减少金属融汤的喷溅问题。

•  新的浇铸系统分析结果显示,在充型过程中,新的浇铸系统

•  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。

 

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