制芯工藝

在日益增加的質(zhì)量要求和薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)化的趨勢(shì)下，導(dǎo)致更嚴(yán)苛的品質(zhì)要求和復(fù)雜化砂芯結(jié)構(gòu)。本文闡述了仿真如何優(yōu)化芯盒設(shè)計(jì)，建立包括射砂、冷芯盒和熱芯盒用的有機(jī)和無(wú)機(jī)粘結(jié)劑的吹氣和固化過(guò)程在內(nèi)的穩(wěn)健工藝條件和解決方案。

制芯工藝流程

射砂過(guò)程

在射砂過(guò)程中，一個(gè)裝滿(mǎn)砂的罩子的頂端被壓縮空氣加壓，導(dǎo)致砂子流化，從而形成一種由空氣、砂子和粘合劑的混合物。砂流通過(guò)射嘴進(jìn)入芯盒內(nèi)，并且最終通過(guò)排氣塞逸出到大氣中去。目標(biāo)是盡可能獲得均勻的、更緊實(shí)的芯盒密度。FLOW_3DCAST采用兩相流理論模擬整個(gè)射砂過(guò)程，準(zhǔn)確的分析高速氣體的流動(dòng)以及砂粒的流動(dòng)，為其提供科學(xué)指導(dǎo)。借助FLOW-3D CAST軟件，您可以?xún)?yōu)化參數(shù)(射砂壓力、排氣塞的大小及位置、射嘴的數(shù)量大小及位置)以獲得穩(wěn)健的設(shè)計(jì)參數(shù)和低磨損的模具，可以在不犧牲砂芯品質(zhì)下盡可能少的使用射嘴，從而大大節(jié)省成本。通過(guò)仿真可以分析不同射嘴及排氣塞的配置對(duì)砂芯密度分布的影響。通過(guò)預(yù)測(cè)速度和剪切應(yīng)力，工程師可以得出磨損和壽命的結(jié)論。

在有機(jī)粘結(jié)劑體系中，需要砂子與有機(jī)樹(shù)脂均勻混合。樹(shù)脂固化是由r種氣體催化劑完成的，通常將胺氣體從射嘴中注入，吹氣需要足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使胺氣體能夠到達(dá)每個(gè)部分，以確保砂芯全部硬化。同時(shí)為了節(jié)省有毒氣體，吹氣時(shí)間不應(yīng)該過(guò)長(zhǎng)。仿真可以預(yù)測(cè)砂芯內(nèi)胺氣體濃度分布.以評(píng)估砂芯強(qiáng)度。工程師借此確定一個(gè)合理吹氣時(shí)

無(wú)機(jī)砂芯干燥過(guò)程

由于環(huán)保要求越來(lái)越高，越來(lái)越多的鑄件使用無(wú)機(jī)的、水性的粘結(jié)劑替代有毒的、有機(jī)的粘結(jié)劑。其優(yōu)點(diǎn)是可以接近零排放的工藝，同時(shí)減少鑄造過(guò)程中砂芯發(fā)氣，提高了鑄件質(zhì)量。對(duì)于砂芯硬化必須從砂芯中將水去除，通常通過(guò)注入加熱空氣方式實(shí)現(xiàn)。對(duì)于無(wú)機(jī)粘結(jié)劑系統(tǒng)，砂芯的殘留水分是硬度測(cè)量指標(biāo)。FLOW-3D CAST不僅可以考慮砂芯內(nèi)空氣流動(dòng)，還可以考慮水和蒸汽的蒸發(fā)和冷凝過(guò)程，以及蒸汽與熱空氣的輸送過(guò)程。

熱芯盒和Croning的加熱裝置

在些砂芯制備， 比如熱芯盒和Croning熱固性樹(shù) 脂砂，砂芯硬化是通過(guò)加熱裝置的芯盒中，加熱到180~ 250C,使貼近芯盒表面的砂料受熱，在溫度作用下，其粘結(jié)劑在很短時(shí)間內(nèi)即可縮聚而硬化粘合劑的熱反應(yīng)來(lái)完成的。加熱過(guò)程是通過(guò)加熱管和電加熱元件進(jìn)行的。為了獲得高品質(zhì)的芯盒，控制系統(tǒng)是一個(gè)得到均勻溫度分布的核心。FLOW-3D CAST可以預(yù)測(cè)加熱裝置在工作條件下模具溫度分布，為獲得熱量分配均勻提供了可靠依據(jù)。

吹芯模型驗(yàn)證

水套芯的實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比

在慕尼黑工業(yè)大學(xué)的鑄造研究所正在進(jìn)行一項(xiàng)射砂實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分析了不同參數(shù)(比如，射砂時(shí)間、射砂壓力、進(jìn)口和排氣塞的數(shù)量等工藝參數(shù))對(duì)砂芯質(zhì)量的影響。實(shí)際砂芯缺陷位置與仿真結(jié)果中的低密度區(qū)域相吻合(見(jiàn)下圖)。

吹芯模型的應(yīng)用

利用FLOW-3D CAST改善后橋殼體鑄件質(zhì)量

質(zhì)保人員檢測(cè)到后橋殼體鑄件上存在缺陷(見(jiàn)下圖)，該缺陷可能是由砂芯表面缺陷造成。仿真結(jié)果也印證了這個(gè)假設(shè)觀點(diǎn)，并根據(jù)仿真結(jié)果做出相應(yīng)的砂芯表面質(zhì)量的改善措施。最終通過(guò)排氣塞優(yōu)化配置(數(shù)量和位置)，達(dá)到改善芯盒和鑄件質(zhì)量的要求。

芯盒的壽命預(yù)測(cè)

芯盒主要是由鋁和聚氨酯樹(shù)脂混合制成。在射砂過(guò)程中砂粒將會(huì)對(duì)表面侵蝕，這是影響芯盒使用壽命。目標(biāo)是分析侵蝕過(guò)程，了解表面處理對(duì)壽命的影響，并開(kāi)發(fā)一個(gè)計(jì)算模型，預(yù)測(cè)由此造成的侵蝕問(wèn)題。通用芯盒( 見(jiàn)下圖)是用不同形狀的嵌件構(gòu)建的。

磨損數(shù)學(xué)模型是對(duì)表面壓力和剪力的積分而推導(dǎo)出侵蝕深度。模擬預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相吻合(見(jiàn)下圖)

離心鑄造

在離心鑄造中，當(dāng)熔融金屬被注入高速旋轉(zhuǎn)的模具時(shí)，熔融金屬在離心力作用下，金屬液沿著徑向均勻地充滿(mǎn)鑄型，隨后在離心運(yùn)動(dòng)作用下冷卻凝固，生產(chǎn)出高致密度、低氣孔、低夾渣等缺陷、良好力學(xué)性能的鑄件。結(jié)合離心力作用下較高的壓力及無(wú)需使用型芯工藝特點(diǎn)，有助于金屬液中氣體和夾雜物的排除，有助于金屬結(jié)晶和細(xì)化晶粒，從而改善鑄件的機(jī)械性能和物理性能。FLOW-3D CAST的非慣性參照系模型可以實(shí)現(xiàn)離心旋轉(zhuǎn)過(guò)程，并具有靈活修改參數(shù)的能力，從而產(chǎn)生高精度的仿真結(jié)果。FLOW-3D CAST可以模擬臥式離心鑄造和立式離心鑄造。預(yù)測(cè)鑄件欠鑄、氣孔、含氣量、縮孔縮松、冷隔、氧化夾渣、偏析、變形、熱裂等缺陷，從而為優(yōu)化設(shè)計(jì)、改善生產(chǎn)工藝參數(shù)、降低研發(fā)和生產(chǎn)成本、提高鑄件產(chǎn)品質(zhì)量提供可靠的依據(jù)。

消失模鑄造

消失模鑄造因其近無(wú)余量、精確成型而越來(lái)越受歡迎，可用于生產(chǎn)高度復(fù)雜的、薄壁和細(xì)小特征的鑄件。由于幾乎不需要在型砂中使用粘合劑，型砂可以重復(fù)使用，從而大大節(jié)省成本。為了成功制造出完好鑄件，工藝參數(shù)必須嚴(yán)苛控制。
FLOW-3D CAST提供消失模鑄造的完整功能，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)褶皺或泡沫分解氣化造成的缺陷。

充型過(guò)程

許多鑄件缺陷是由紊流造成并最終滯留在金屬內(nèi)部的氣體和氧化物。消失模鑄造工藝通過(guò)在型腔內(nèi)放置硬質(zhì)泡沫來(lái)減少這種缺陷，然后在熔體前沿的熱輻射和熱傳遞作用下燃燒氣化。填充速度由熱解速率控制，有助于金屬前沿平穩(wěn)流動(dòng)。FLOW-3D CAST消失模鑄造模塊提供完整物理模型，為產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確及有效的幫助，比如澆注溫度及壓力，澆口尺寸及位置，和泡沫物性。

凝固過(guò)程

FLOW-3D CAST凝固有助于預(yù)測(cè)和控制鑄造缺陷，如偏析、縮松、縮孔、和受其影響的機(jī)械性能。FLOW-3D CAST協(xié)助確定冒口位置及尺寸，消除縮松及縮孔并保持高得料率，防止凝固冷卻過(guò)程中偏析，盡可能減少鑄造殘余應(yīng)力及鑄件變形量。

連續(xù)鑄造

連鑄工藝是生產(chǎn)半成品的常見(jiàn)工藝，連鑄技術(shù)具有大幅提高金屬收得率和鑄坯質(zhì)量，節(jié)約能源等顯著優(yōu)勢(shì)。其工藝過(guò)程是將裝有精煉好液態(tài)金屬的澆包運(yùn)至回轉(zhuǎn)臺(tái)，回轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到澆注位置后，將液態(tài)金屬注入中間包，中間包或流槽再由水口將液態(tài)金屬注入一個(gè)較短的，配有強(qiáng)冷的、帶石墨襯板的結(jié)晶器中去。在結(jié)晶器末端出現(xiàn)穩(wěn)定凝固結(jié)殼，在拉矯機(jī)與結(jié)晶振動(dòng)裝置共同作用以一定速度將結(jié)晶器內(nèi)的鑄件開(kāi)始拉出，經(jīng)冷卻、電磁攪拌后，切割成一定長(zhǎng)度的板坯。

在20世紀(jì)50年代引進(jìn)連鑄技術(shù)之前，鋼水被倒入固定模具中形成鑄錠。從那以后，連鑄工藝得到廣泛使用并發(fā)展到提高產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本效率。

利用FLOW.3D CAST可以進(jìn)行導(dǎo)流槽和中間包工藝優(yōu)化以減少夾雜物;可以進(jìn)行結(jié)晶器的設(shè)計(jì)優(yōu)化，確定最優(yōu)拉還速度和噴霧冷卻參數(shù)，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定:可以進(jìn)行進(jìn)口處注入條件優(yōu)化及應(yīng)力分布計(jì)算，保證應(yīng)力符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

精密鑄造

工藝亮點(diǎn)

• 流線化殼型生成工具，快速有效產(chǎn)生任意厚度殼模’

• 先進(jìn)輻射計(jì)算模型，全方位考慮模殼表面之間輻射換熱

• 先進(jìn)多體運(yùn)動(dòng)控制，考慮復(fù)雜的布里奇曼法（Bridgman)、澆包運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等動(dòng)力學(xué)

工藝概述

精密鑄造工藝模塊提供了一個(gè)易于使用的工具，可以考慮精密鑄造中大部分的影響因素，包括模殼生成、澆注過(guò)程(靜態(tài)或澆包運(yùn)動(dòng))，凝固及冷卻過(guò)程(使用靜態(tài)或模殼運(yùn)動(dòng)的布里奇曼法)。FLOW-3D CAST模殼工具提供了一種快速、 可靠的模殼幾何生成工具，而全輻射和視因子模型能夠準(zhǔn)確地捕捉殼體不同部分之間的輻射換熱。全新模塊可以實(shí)現(xiàn)定向凝固工藝: 一個(gè)移動(dòng)的烘箱，上 部分是加熱的，下部分是冷卻的，從而獲得了布里奇曼(Bridgman)工藝。通過(guò)直觀的后處理工具，可以更容易地評(píng)估熔體表面的演變過(guò)程、模具運(yùn)動(dòng)過(guò)程、填充流態(tài)細(xì)節(jié)及凝固方式，從而使工藝修改更有信心地實(shí)施。下圖為定向凝固過(guò)程。

馬路科技（RATC）成立于1996年，為FLOW-3D中國(guó)公司授權(quán)總經(jīng)銷(xiāo)商，是以三維測(cè)量、三維掃描、逆向工程以及三維打印等先進(jìn)技術(shù)為導(dǎo)向的科技公司，客戶(hù)主要來(lái)自汽車(chē)、航空航天以及消費(fèi)品等產(chǎn)業(yè)。馬路科技共有八個(gè)服務(wù)點(diǎn)，位于：北京、青島、上海、昆山、寧波、東莞、成都、臺(tái)北、臺(tái)中、臺(tái)南，有超過(guò)200名專(zhuān)家提供在地專(zhuān)業(yè)技術(shù)支持及服務(wù)。