重力鑄造澆注系統(tǒng)的氣泡追蹤 Bubble tracking in a gravity die casting ingate system

公司：HYDRO Aluminum，作者：Andreas Buchholz

創(chuàng)立于 1903 年的 Hydro Aluminum, 是全世界最大的高純鋁生產(chǎn)公司，也是全世界第三大的綜合鋁制品生產(chǎn)公司，公司總?cè)藬?shù)達(dá)三萬六千人，在全世界四十個國家均設(shè)有辦事處。本文應(yīng)用 FLOW-3D CAST，討論在重力鑄造過程中，進(jìn)料區(qū)域的卷氣形成原因。

模具本體說明

澆注系統(tǒng)

澆口設(shè)計

澆口由流道底部與鑄件相連，每個澆口的中間位置設(shè)計氣泡聚集區(qū)。

模具本體的連接位置說明

問題描述

1. 鑄件凝固后在gate1與 gate2之間的區(qū)域發(fā)生縮孔缺陷

2. 希望以FLOW-3D CAST 了解縮孔發(fā)生的原因

檢討

鑄件縮孔發(fā)生的原因

1. 凝固過程中鑄件收縮造成縮孔

    ? FLOW-3D CAST 凝固分析確認(rèn)了該位置的孔洞并非凝固形成的縮孔。

2. 氫氣析出造成氣孔

    ? 成型前對材料進(jìn)行了前處理，排除這個因素。

3. 砂芯產(chǎn)生氣體造成氣孔

    ? 如果是砂芯產(chǎn)生氣體，氣體位置應(yīng)該是均勻分布，而非聚集一處。

4. 澆注過程中卷入氣體

    ? 

    可能原因1. 澆注過程中在澆道區(qū)域造成氣體被『吸入』金屬液內(nèi)。

    可能原因2. 金屬液在澆道流動過程中將氣體『帶入』鑄件。

上述四種縮孔的解決方法檢討

1. 收縮縮孔

2. 凝固過程中考慮補(bǔ)縮的設(shè)計

3. 析出氣體縮孔

4. 澆注前讓金屬液先完成氣體析出

5. 砂芯冒氣縮孔

6. 主要來自于黏接劑產(chǎn)生的氣體

7. 大部分的縮孔以均勻的方式分布

8. 卷氣縮孔

9. 鑄造過程中發(fā)生低壓區(qū)，氣體從分型面位置被吸入

10. 澆道區(qū)域

11. 澆口區(qū)域

12. 澆注過程中，氣泡會不停的產(chǎn)生

原因確認(rèn)

分析一、假設(shè)澆注過程中金屬液體壓力變化將氣體帶入鑄件

1. 如果澆道以及內(nèi)澆口的位置壓力比大氣壓力大 ，不可能從分型面吸入氣體。

2. 如果內(nèi)澆口位置的流速相同，在每個內(nèi)澆口位置應(yīng)該會均勻的產(chǎn)生氣泡。

澆口區(qū)域的流動速度分布

澆道系統(tǒng)的壓力變化

結(jié)果顯示壓差應(yīng)該不至于帶入氣體。

分析二、假設(shè)澆注過程中金屬液在澆道內(nèi)將氣體帶入鑄件

1. 在直澆道區(qū)域存在的氣體

2. 這些氣體會被沖下至澆道區(qū)嗎 ?

3. 如果這些氣體被沖下至澆道區(qū)域，并且進(jìn)入澆口，這些氣體會集中于某些區(qū)域？或者是均勻分布？

4. 氣泡的尺寸大小會影響集中狀況嗎？

5. 分析模擬設(shè)定

6. 氣泡于澆杯位置以均勻的速度產(chǎn)生

7. 密度 : 空氣密度的 10 倍

8. 尺寸設(shè)計 : 0.3 mm, 0.5 mm, 0.8 mm

9. 部分耦合（流體運(yùn)動不會受到氣泡影響）/完全耦合（流體運(yùn)動會受到氣泡運(yùn)動的影響）

打開 Bubble 模擬

• Bubbles generated below inlet with constant rate
• Density: 10 x density of air (oxide skin)
• Size (diameter): 0.3 mm, 0.5 mm, 0.8 mm
• Partial interaction/full interaction

澆口設(shè)計 A , 氣泡尺寸 0.5mm, 完全耦合。

澆口設(shè)計 A, 氣泡尺寸 0.8mm, 完全耦合。

澆口設(shè)計 B, 氣泡尺寸 0.3mm, 完全耦合。

澆口設(shè)計 B, 氣泡尺寸 0.3mm, 部分耦合。

澆口設(shè)計 B, 氣泡尺寸 0.5mm, 完全耦合。

澆口設(shè)計 B, 氣泡尺寸 0.8mm, 完全耦合。

結(jié)論

1. 原本預(yù)測氣泡是在鑄造凝固過程中產(chǎn)生的缺陷。

2. 根據(jù)數(shù)值模擬，確認(rèn)了氣泡真正發(fā)生的原因。

3. 可針對澆注系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以減少氣泡產(chǎn)生的問題。