夾雜缺陷預測
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
夾雜缺陷預測的實例教程
大型混流式水輪機轉輪用鑄鋼件夾雜缺陷預測與工藝優化
沈 旭,魯文濤,殷亞軍,計效園,萬鵬,周建新
(華中科技大學 材料成形與模具技術國家重點實驗室,湖南 長沙 430074)
摘 要：水輪機轉輪用鑄鋼件是大型混流式水輪機的關鍵部件，是水流動能轉化為電能的主要運動裝置，如何高效、高質地制造水輪機轉輪用鑄鋼件是高效、長效發電的基礎。本文以數值模擬為突破點，對水輪機轉輪用部件(上冠和下環)鑄造過程的典型缺陷進行預測，結合缺陷結果對水輪機部件分別進行工藝優化，以期獲得良好的鑄件。分析水輪機轉輪用下環鑄鋼件的典型缺陷，確定了夾雜為其主要缺陷。建立了夾雜粒子運動軌跡預測模型，對原始工藝水輪機轉輪用下環鑄鋼件進行充型過程流動分析及夾雜粒子運動軌跡預測，基于模擬分析手段，對下環鑄鋼件進行工藝優化，對夾雜缺陷的消除與轉移具有良好的效果。通過對下環、上冠兩部分鑄件的鑄造工藝分析優化，可以獲得質量優良的鑄件，為后續焊接成整個轉輪提供了強有力的方案支撐，對其他水輪機轉輪用鑄鋼件提供技術支持。
關鍵詞：缺陷預測；工藝優化；鑄鋼件；
目前水力發電主要采用水電裝機將水力轉換為電力，這些水電裝機核心部件是水輪機。隨著水輪機容量增大，轉輪直徑變大，水輪機的制造也越來越困難。水輪機主要包括底環導水機構、轉輪體、支持蓋和受油器等，其中轉輪體是水輪機的主要運動部件，是控制水電轉換的關鍵，同時也是易于摩損或損壞的關鍵部件。
水輪機輪轉體一般分為三個部分進行鑄造，分別為：上冠、葉片和下環，這三個部分鑄件鑄造的質量決定了轉輪體的質量，進而影響水輪機的運行效率與壽命。因此研究水輪機轉輪體部件鑄造工藝是保證水輪機質量的前提。
水輪機部件鑄造過程中會產生多種缺陷，主要包括夾渣和縮松縮孔等。
展開 夾雜（夾渣）是鑄鐵件中常見的缺陷，其來源主要包括：
熔渣
氧化物
涂料剝落物
砂粒
發生夾雜缺陷的區域通常是澆注時處于鑄型的上方平面區域、以及某些筒壁結構內表面等。
夾雜（夾渣）缺陷的主要原因
概括而言，產生夾渣缺陷的主因可以歸納為八大關鍵詞：
鐵液，流道，型砂，涂料，烘烤，清理，澆注，余量。
鐵液：鐵液中雜質的含量較高，如金屬爐料銹蝕嚴重、熔渣多及鐵液氧化等，澆注前未將鐵液中的熔渣清除干凈。
流道：澆注系統的集渣能力差，使鐵液中的殘余熔渣進入型腔內。
型砂：型砂強度較低。
涂料：涂料強度較低或刷(噴)涂工藝操作不當，引起涂料層剝落。
烘烤：熱風烘烤溫度及時間不當，導致局部砂型(芯)或涂料強度顯著下降等。
清理：在組芯合箱過程中，未將散落的砂粒等雜物清除干凈。
澆注：澆注溫度過低、澆注速度過慢等，影響鐵液中夾雜物上浮。
余量：鑄件側面及頂面的加工量過少，致使殘余夾雜物不能被加工掉等。
夾雜（夾渣）缺陷的主要預防措施
根據以上8大因素，預防措施也分別可以一一對應：
鐵液：提高鐵液的精煉程度，盡量減少鐵液中熔渣等夾雜物的含量，并在澆注前盡量將其清除干凈。
流道：提高澆注系統的擋渣能力，不讓夾雜物流入型腔內，在夾雜物容易停留的部位，設置集渣道；
型砂：提高砂型(芯)強度，以保證不產生掉砂現象。
涂料：提高涂料強度，防止涂料脫落；
烘烤：嚴格控制向鑄型送熱風的溫度和時間防止損壞砂型(芯)和送入粉塵等。
清理：細致、精心操作，將散落在鑄型內的砂粒、粉塵等雜物清除干凈。
展開 投資鑄造過程包括四個主要步驟：
創建蠟模，然后用澆注系統進行清潔和裝配以形成圖案簇或“樹”
或者用精細和粗砂顆粒的漿料涂覆樹木以獲得陶瓷殼
將殼干燥，加熱熔化蠟，然后預熱以增加其強度并準備澆注
最后將鑄造合金熔化并倒入預熱的殼體中; 凝固后殼體破裂以獲得鑄件
圖1.鑄造幾何的實體模型
從投資鑄造過程中獲得的零件被用于許多關鍵應用，因此它們需要沒有內部缺陷。在熔模鑄造過程中出現的主要缺陷是陶瓷夾雜物，裂紋，變形，飛邊，失控，收縮，夾渣和冷關閉。 為了預測所得鑄件的質量，有必要研究各種鑄造工藝參數的影響，如金屬模傳熱系數，澆注溫度，殼厚度和殼體傳熱系數。隨著現代計算機系統和仿真軟件的出現，模具填充和凝固的模擬越來越多地用于鑄造廠，以預測鑄造缺陷并優化設計以獲得最大產量。
這項工作的主要目的是調查是否特有的熔模鑄造工藝可以有效實施輻射傳熱是在熔模鑄造工藝主要因素，而成型外殼 FLOW-3D。通過使用FLOW-3D對簡單幾何模型進行熔模鑄造過程的模具填充和凝固模擬，也可以對這兩個過程組件的不同影響進行研究 。在不同地點獲得的溫度的數值通過文獻[1]報道的實驗結果進行驗證。還研究了輻射傳熱系數，殼模厚度以及澆口和入口的位置的影響。
圖2.殼模
方法
本研究中使用的計算幾何圖如圖1所示。使用以下步驟創建殼模：
將幾何圖形作為組件1導入到 FLOW-3D中， 并使用指定的單元大小在導入的幾何圖形周圍創建網格塊。
創建類型為“complement”的component1的第一個子組件，使子組件外的所有內容都可以達到網格的范圍。
從固體數據庫中定義此固體塊的模具材料屬性。
有一個選項可以在固體屬性GUI中的組件屬性下定義“熱滲透深度”。
展開 但是一旦采用鋁合金，縮松（Mirco-porosity）缺陷就可能形成；一旦形成縮松缺陷，零件的機械性能可能會發生問題（例如：疲勞壽命…等）。
理論導讀
鋁合金凝固過程（Solidification process of aluminum alloys）
縮松的形成原因
1.氣體造成的縮松
2. 收縮造成的縮松
FLOW-3D CAST 縮松計算原理
驗證一、CTIF Plate 溫度場計算驗證
操作畫面：
鑄造過程中數值模擬與實驗結果驗證對比
驗證二：汽缸頭（Cylinder head）鑄造對比
FLOW-3D CAST 模具熱循環（Thermal die cycling）模擬
FLOW-3D CAST 充型階段（Filling phase）模擬
FLOW-3D CAST 凝固過程中溫度分布
FLOW-3D CAST 冷卻過程中溫度驗證
FLOW-3D CAST 模擬結果與實測結果對比（模具內放置熱電偶 Thermo couple）
FLOW-3D CAST 縮松（Micro-porosity）分析結果
FLOW-3D CAST 縮松模擬結果對比
展開 常見的金線材料則包含金、銅、鋁等等，由于金線的管徑細小，因此金線缺陷往往是芯片封裝制程最重要的挑戰之一，而金線缺陷包括金線偏移、斷裂以及交叉。而為了確保良率及提升性能，封裝制程廣泛使用多種類的線料。以下將說明如何透過Moldex3D IC封裝模塊，進行多種金線材料定義的偏移分析。
金線材料設定
步驟1：在Moldex3D網格前處理，用戶可產生芯片組件實體網格并設定金線，接著檢查圖層：SRMI$為芯片封裝實體網格圖層，WL$PF1為金線圖層。
步驟2：點選 Wire Material Setting，并按照提示欄顯示的訊息操作。
選擇曲線后，按下Enter。使用者可命名并指定金線材料群組的顏色。
步驟3：輸出項目分析用網格檔，并開啟Moldex3D Studio 建立新的項目。
步驟4：新增分析組別并指定不同群組的金線材料，并開啟下拉選單并點選材料精靈，開啟Moldex3D 材料精靈 。
挑選材料并以右鍵點選加入項目，點選所需材料后，關閉材料精靈。
用戶可下拉選取窗口個別指定金線的材料。
步驟5：確認顯示窗口中的材料信息。
展開 
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在制造業，質量永遠是“事后補救不如事前預防”。但現實卻往往是：
工程師直到產線報警才發現尺寸漂移;
測量室排著長隊，CMM 成為瓶頸;
客戶投訴來了，才發現早已連續超差 3 天…
如果有一臺“時光機”，能在超差前1小時、1班次、甚至1周發出預警，并告訴你“哪里會出問題、哪臺設備需要維護、哪批資源該優先調配”，你會愿意上車嗎？
海克斯康質量大數據專家
引言
隨著增材制造技術的不斷成熟，增材制造工藝在電子行業的滲透率不斷增加，其在電子行業的應用主要體現在消費電子、柔性電子、先進封裝等領域，通過高精度增材制造技術實現個性化、復雜結構的零部件的快速制造。
電子產品中的金屬結構件在3D打印過程中會遇到打印變形超差、開裂等問題，尤其在首次打印結構件時，沒有過往經驗可借鑒，只能通過不斷試錯來尋找解決方案。
對于前期工藝開發，借助增材仿真專業軟件
公司：PSA Peugeot Citroen
部門：Direction Technique et Industrielle
作者：NIANE Ngadia Taha
問題定義
為了達到零件輕量化的目標，鋁合金在汽車產業的應用越來越廣。但是一旦采用鋁合金，縮松（Mirco-porosity）缺陷就可能形成；一旦形成縮松缺陷，零件的機械性能可能會發生問題
常見的金線材料則包含金、銅、鋁等等，由于金線的管徑細小，因此金線缺陷往往是芯片封裝制程最重要的挑戰之一，而金線缺陷包括金線偏移、斷裂以及交叉。而為了確保良率及提升性能，封裝制程廣泛使用多種類的線料。以下將說明如何透過Moldex3D IC封裝模塊，進行多種金線材料定義的偏移分析。
金線材料設定
步驟1：在Moldex3D網格前處理，用戶可產生芯片組件實體網格并設定金線，接著檢查圖層
大型混流式水輪機轉輪用鑄鋼件夾雜缺陷預測與工藝優化
沈 旭,魯文濤,殷亞軍,計效園,萬鵬,周建新
(華中科技大學 材料成形與模具技術國家重點實驗室,湖南 長沙 430074)
摘 要：水輪機轉輪用鑄鋼件是大型混流式水輪機的關鍵部件，是水流動能轉化為電能的主要運動裝置，如何高效、高質地制造水輪機轉輪用鑄鋼件是高效、長效發電的基礎。
常見的金線材料則包含金、銅、鋁等等，由于金線的管徑細小，因此金線缺陷往往是芯片封裝制程最重要的挑戰之一，而金線缺陷包括金線偏移、斷裂以及交叉。而為了確保良率及提升性能，封裝制程廣泛使用多種類的線料。以下將說明如何透過Moldex3D IC封裝模塊，進行多種金線材料定義的偏移分析。
金線材料設定
步驟1：在Moldex3D網格前處理，用戶可產生芯片組件實體網格并設定金線，接著檢查圖層
大綱
威斯康辛大學普萊維爾分校的學生利用Moldex3D eDesign仿真刮冰器的制造過程，并藉此觀察塑料的流動行為。首先進行原始設計的模擬分析，接著進行澆口位置和冷卻水路間距的設計變更，并分別模擬兩項變更的結果。學生們藉由此過程，比較三種設計的模擬結果，對塑料射出制程和塑料流動行為有更深入的了解，進而學習如何利用CAE模擬技術，在實際生產制造前，預測產品潛在缺陷，有助于應用在產業
夾雜（夾渣）是鑄鐵件中常見的缺陷，其來源主要包括：
熔渣
氧化物
涂料剝落物
砂粒
發生夾雜缺陷的區域通常是澆注時處于鑄型的上方平面區域、以及某些筒壁結構內表面等。
夾雜（夾渣）缺陷的主要原因
概括而言，產生夾渣缺陷的主因可以歸納為八大關鍵詞：
鐵液，流道，型砂，涂料，烘烤，清理，澆注，余量。
注塑材料的發展中，慢慢的免噴涂材料開始登場。一般是將顏色做亮或者是添加其余粉末來改善塑料材料的本身外觀特征，或者是提升材料本身的物性。最近在新開發的免噴涂材料中發現了原來并沒有出現過的問題。
在新的材料中發現的問題，現暫時稱之為新波痕。寓意為新的澆口打開，出現像水波一樣的一條痕跡。
材料為PS基料，增強物為60um級的鋁粉，具體配比不做透露，現在是這種材料作為一種免噴涂的材料
案例原文附件下載（論文附圖）
熔模鑄造工藝是公元前4000年左右流行的最古老鑄造工藝之一。它涉及將液態金屬澆鑄到圍繞消耗性（蠟）圖案創造的陶瓷殼模中。此前它被用來生產金，銀，銅和青銅合金的珠寶和偶像。1897年，投資鑄造過程作為一種現代工業流程被使用，當時牙醫開始使用它制作冠和鑲嵌物，如1897年愛荷華州議會布拉夫斯的巴納巴斯弗雷德里克菲爾布魯克所描述的那樣。在二十世紀40
