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[铸造工艺及数值模拟] FLOW3D铸造缺陷预测-熔模铸造收缩缺陷预测(凝固、缩松、...

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发表于 2018-5-14 17:18:43 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 湖北武汉
本帖最后由 zxxwind 于 2018-5-14 17:20 编辑

案例原文附件下载(论文附图)


如何预防铸造缺陷?FLOW3D仿真分析,模拟工艺过程,预测凝固、缩松、卷气、夹渣。熔模铸造工艺是公元前4000年左右流行的最古老铸造工艺之一。它涉及将液态金属浇铸到围绕消耗性(蜡)图案创造的陶瓷壳模中。此前它被用来生产金,银,铜和青铜合金的珠宝和偶像。1897年,投资铸造过程作为一种现代工业流程被使用,当时牙医开始使用它制作冠和镶嵌物,如1897年爱荷华州议会布拉夫斯的巴纳巴斯弗雷德里克菲尔布鲁克所描述的那样。在二十世纪40年代,二战期间由于对传统方法不能成形的特殊合金的精密网状制造技术的需求增加,或者需要太多机加工,所以增加了熔模铸造工艺的使用。
投资铸造过程包括四个主要步骤:
  • 创建蜡模,然后用浇注系统进行清洁和装配以形成图案簇或“树”
  • 或者用精细和粗砂颗粒的浆料涂覆树木以获得陶瓷壳
  • 将壳干燥,加热熔化蜡,然后预热以增加其强度并准备浇注
  • 最后将铸造合金熔化并倒入预热的壳体中; 凝固后壳体破裂以获得铸件


图1.铸造几何的实体模型
从投资铸造过程中获得的零件被用于许多关键应用,因此它们需要没有内部缺陷。在熔模铸造过程中出现的主要缺陷是陶瓷夹杂物,裂纹,变形,飞边,失控,收缩,夹渣和冷关闭为了预测所得铸件的质量,有必要研究各种铸造工艺参数的影响,如金属模传热系数,浇注温度,壳厚度和壳体传热系数。随着现代计算机系统和仿真软件的出现,模具填充和凝固的模拟越来越多地用于铸造厂,以预测铸造缺陷并优化设计以获得最大产量。


这项工作的主要目的是调查是否特有的熔模铸造工艺可以有效实施辐射传热是在熔模铸造工艺主要因素,而成型外壳  FLOW-3D。通过使用FLOW-3D对简单几何模型进行熔模铸造过程的模具填充和凝固模拟,也可以对这两个过程组件的不同影响进行研究  。在不同地点获得的温度的数值通过文献[1]报道的实验结果进行验证。还研究了辐射传热系数,壳模厚度以及浇口和入口的位置的影响。



图2.壳模
方法
本研究中使用的计算几何图如图1所示。使用以下步骤创建壳模:
  • 将几何图形作为组件1导入到  FLOW-3D中,  并使用指定的单元大小在导入的几何图形周围创建网格块。
  • 创建类型为“complement”的component1的第一个子组件,使子组件外的所有内容都可以达到网格的范围。
  • 从固体数据库中定义此固体块的模具材料属性。
  • 有一个选项可以在固体属性GUI中的组件属性下定义“热渗透深度”。在那里可以定义壳厚度值。
  • 现在运行预处理器。
  • 转到分析选项卡> 3D选项卡,然后打开 上一步中创建的  prpgrf文件。在“Iso-surface”和“color variable”下,选择“thermal active component volume”并选择“Render”。
  • 现在在Display中它应该只显示几何的外壳部分。
  • 通过在对象列表(左侧,窗口底部)中选择“component 1”,右键单击“component 1”并选择“export to stl”,将该曲面保存为STL文件。



图3.用离散化创建空隙的两个网格块的视图
在创建壳模的STL文件后,将该文件作为组件1导入到一个新的模拟中,之前创建的铸造几何作为子组件导入,并将该类型选为“孔”。图2显示了铸造几何形状以及壳模。这是我们的计算领域。接下来的任务是创建一个网格来将计算域离散化为立方体/矩形单元格。网格在FLOW-3D中 生成 通过创建一个网格块。对于目前的工作,我们选择了图3所示的均匀网格选项,其中选择2.5mm的固定单元尺寸。为当前模拟创建两个网格块,其中网格块2用于入口位置周围。在壳体周围形成空隙区域,以解释壳体与环境空气之间在30℃下的传热。这被选择为具有’传热类型1’的空隙区域,并且分配壳体和环境空气之间的传热系数值。传热类型1将是包括辐射的集总传热系数。
选择用于壳模的材料是锆石,热性能可以从Sabau和Vishwanathan [2]进行的实验中获得。表1显示了在研究中使用的材料分配的值。


材料属性单元
Fluid-AluminiumA35**金密度 2437公斤/立方米
导热系数116.8W /(m K)
比热1074J /(kg K)
潜热433.22千焦/立方米
液相线温度6080℃
固相线温度552.40℃
锆石模具导热系数1.09W /(m K)
比热*密度1.63E + 06J /(m³K)


初始和边界条件如表2所示。


模具温度430℃
熔融温度680℃
填充时间7秒
界面传热系数850 W / m 2 K
环境与模具之间的传热系数(辐射效应)30 -100 W / m 2 K


表2.用于模拟的初始和边界条件
进入浇口盆的熔体的初始速度和温度以网格块2顶部边界处的速度边界条件给出。默认情况下所有其他边界被设置为对称类型。
结果与讨论验证报告的实验结果



Sabuet.al [1]在填充和凝固过程中获得冷却曲线的实验中选择了四个位置用于验证目的。它们被称为C1,C2和S11,S12和S21。点C1和C2位于双板铸件的中心,S11,S12和S21都位于壳体中。图4显示了这些位置的温度演变情况。
可以看出,温度分布的数值和实验结果的比较在可接受的范围内。对于探测点C1和C2,数值和实验结果之间的变化在凝固过程中在5%以内,在凝固后在12%以内。对于壳中的点,数值结果比实验结果高5%左右。这可能是由于为壳材料分配热物理性质和壳体传热系数的值所做的假设。
为两个不同的浇道位置填充序列和凝固图案

在图5a和5b中示出了在两个不同浇口位置的模具填充期间的填充序列。可以观察到,最后的直浇道产生更多的飞溅,这可能导致夹杂型缺陷。当浇道位于中间时,流动更加均匀并且在两个浇铸区段中显示类似的温度分布。对于两种情况,图5c和5d显示了50%固化后的温度分布的2D视图。从收缩位置,非常清楚,两个浇道位置都会导致缺陷。



图5a。当浇道位于一端时,以不同的时间间隔填充序列

图5b。当浇道位于中间时,以不同的时间间隔填充序列
在图5a和5b中示出了在两个不同浇口位置的模具填充期间的填充序列。可以观察到,最后的直浇道产生更多的飞溅,这可能导致夹杂型缺陷。当浇道位于中间时,流动更加均匀并且在两个浇铸区段中显示类似的温度分布。对于两种情况,图5c和5d显示了50%固化后的温度分布的2D视图。从收缩位置,非常清楚,两个浇道位置都会导致缺陷。



图5c。当浇口位于一端时,50%固化后的2D温度分布

图5d。当浇道位于中间时,50%固化后的2D温度分布
壳厚度的影响
为了研究壳厚度对熔模铸造的影响,考虑壳厚度为7.2,10,15和20mm的铸件。图6a和6b显示了在铸件中的特定位置处的冷却曲线,其被描绘为C1并且在壳模具中的特定位置处,其在凝固期间被描绘为S11。可以看出,陶瓷壳体的厚度从7.2mm增加到15mm降低了冷却速率,因此导致更长的凝固时间。


壳体传热系数的影响
壳体传热系数h a代表通过辐射从壳模外壁向周围空气散热的速率。为了研究这种效应,传热系数的值从20到80W / m 2 K变化。从图7a和图7b可以看出,h a的变化 对铸造材料和壳体的冷却速率有显着影响。当传热系数从20增加到80 W / m 2 K时,可以看出C1处的凝固时间从812秒减少到334秒(减少了大约44%)。因此,改变h a的值 将影响铸造产品的微观结构。



图6a。位置C1处的温度分布(铸造),用于铸造几何形状,其中浇口位于一端以获得各种壳厚度值




图6b。位置S11(外壳)的温度剖面图,用于浇口几何形状,其中浇口位于一端,用于各种外壳厚度值





图7a。位置C1处的温度分布(铸造),用于浇口几何形状,其中浇口位于一端,用于壳模和环境之间的各种传热系数值




图7b。位置S11(外壳)的温度分布,用于浇口几何形状,其中浇口位于一端,用于壳模和环境之间的各种传热系数值




结论
使用FLOW-3D进行熔模铸造过程的模具填充和凝固模拟  。已经进行了参数研究以研究铸造参数对铸造过程的影响。本研究可得出以下结论:
  • FLOW-3D  能够模拟多腔模具中的填充和凝固,用于熔模铸造过程。探头位置的预测温度分布在实验数据的可接受范围内。
  • 对于壳体厚度,可以看出,在两种情况下壳体都存在临界厚度,超过该厚度,传热特性反转。随着壳体厚度的增加,可以看到凝固时间增加,直至临界厚度,然后开始减小。对于原始几何形状,临界厚度位于15至20毫米之间,而对于修改后的几何体,位于10至15毫米之间。
  • 发现壳与环境空气之间的传热系数h a对传热特性具有最显着的影响。当h a  增加4倍时,从20到80 W / m 2 K,浇口中心的凝固时间减少了40%以上。
参考
Sabau,AS,“熔模  铸造过程的数值模拟”,美国铸造协会会刊,vol。113,第05-160号文件,2005年。
Sabau,AS,和维斯瓦纳坦,S.,  锆石的热物理性质,并在熔模铸造工艺中使用的二氧化硅基熔融壳,  所述美国铸造学会会刊,第 112,2004年第04-081号文件。










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