作者：J. A. Griffin & P. Scarber, Jr.

Casting Engineering Laboratory (CEL)

The University of Alabama at Birmingham

現有的問題

問題與討論

• 與鑄造廠商檢討后，得知如果澆注溫度較高時，該缺陷問題會消除。
• 利用充型分析，先找出發生問題的可能因素。

分析參數確認

• 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. 充型溫度分布（注意：鑄件上有一圈金屬先進入型腔并且凝固）

Fig2. 充型溫度分布（注意：鑄件上有一圈金屬先進入型腔并且凝固）

Fig3. 充型溫度分布（當澆注的位置稍微偏離直澆道中心時，充型的方式會與前述澆注不同）

Fig4. 充型溫度分布（當澆鑄的位置稍微偏離直澆道中心時，充型的方式會與前述澆注不同）

分析結果討論

• 目前的分析結果顯示，當金屬進入型腔時，會有一圈金屬液進入上半型腔的區域。
• 先進入的金屬液由于比較快冷卻，后面進入的金屬可能無法將先進入的金屬熔化。
• 仿真也顯示澆注的速度以及方式也會影響金屬液的充型狀況。

以 X-Ray 實驗進行驗證

• 以實時的 x-ray 實驗觀察金屬進入模具內的狀況。

根據分析結果以及實驗，得到下列結論

• 澆注方式的調整（位置及速度）可以避免金屬發生噴濺形成提前凝固區域的問題。
• 變更澆注方式會是最好的方法（盡量減少人工調整的問題）。

新的澆注系統

CEL 提出一種新的進料方式設計，能夠在不大幅變更現有模具設計下，盡可能的減少金屬噴濺的問題。

Fig5. 充型溫度分布（新的澆注系統設計）

Fig6. 充型溫度分布（新的澆注系統設計）

新的澆注系統與舊的澆注系統差異

• FLOW-3D CAST可提供流體的表面積變化量，表面積變化量越大，代表該流場越紊亂，越可能造成充型過程中卷入氣體。
• 新的澆注系統明顯優于舊的澆注系統設計。

• FLOW-3D CAST 提供的Velocity Bin Plot 代表流體表面積變化時的速度大小。Surface Momentum 以及 Surface Kinetic 越大，代表流場越紊亂。
• 新的澆注系統的表面移動速度僅為舊的澆注系統的56% 左右。

 

研究結論

• 舊有的澆注系統經過仿真軟件（FLOW-3D CAST）的驗證，以及采用 X-ray video 進行拍攝，判斷出可能發生鑄件缺陷的原因。
• 分析顯示問題的發生，可能在于澆注過程中，有部分金屬液提前進入模具并且提早凝固，后來進入型腔的金屬液溫度不足以熔化該區域，導致該位置發生鑄件缺陷。
• 實時 X-ray 系統也觀察到相同的狀況。
• 新的澆注系統設計主要的考慮在于減少金屬液的噴濺問題。
• 新的澆注系統分析結果顯示，在充型過程中，新的澆注系統
• Liquid free surface area 減少了 1.5%
• Surface Momentum 減少了 64%
• Surface Kinetic 減少了 77%
• 新的澆注系統尚未完全優化，這僅是提出一個可解決問題的方向。