Courtesy of Buhler
高压铸造工艺(HPDC)对铸造仿真提出许多苛刻地挑战。FLOW-3D CAST具有几个重要的特征,显著的改善模具填充分析的准确性,让用户能够严苛地分析填充过程,包括追踪金属流动前沿的高精度的TruVOF算法和精确解析复杂形状的FAVOR™方法。FLOW-3D CAST还提供多种检测缺陷模型,比如气孔、热应力和变形、缩孔、缩松、褶皱和夹杂物等。
热平衡分析
热平衡分析对高压铸造是必不可少的一环,模具被重复使用多达上万次。随着时间的推移,模具的翘曲导致产品尺寸不稳定,维持稳定的模温更具有挑战性。FLOW-3D CAST可以考虑模具加热、喷涂、吹气、冷却水路、镶嵌件等因素,更准确、更有效的预测模温分布。
压射曲线最佳化
在高压铸造中,冲头以高速压射入金属铸型内,在压力条件下结晶。对于卧室冷室压铸工艺,将熔融合金倒入压室内,然后冲头将熔融合金快速向前推动,以避免过早凝固,发生浇不足或冷隔缺陷。如果压射速度过快,液态金属包裹气体,最终铸件内部出现气孔缺陷。
充型过程
最复杂的挑战是精确追踪金属在高压、高速条件下进入型腔的过程。由此产生的飞溅金属伴随着整个填充过程,预测由此产生的缺陷是一个重大挑战。
利用FLOW-3D CAST的特有的TruVOF方法,我们可以确定内浇口位置以保证最佳流态,可以确定溢流槽位置以保证缺陷不留在铸件上,可以确定合适工艺参数以预防过早凝固问题。
凝固过程
利用FLOW-3D CAST协助铸造工程师调查铸件内部缩孔形成过程和合金偏析的机理。通过详细的热电偶温度数据分析,确定模具是否需要增加或删除冷却系统,确定是否需要改变金属浇注温度,以保证生产出无缩孔、无缩松、无热应力集中、低变形量和成分均匀的合格铸件。
工艺亮点
1、先进的模具热管理系统,动态的冷却道,动态喷涂冷却工艺和多节拍的热平衡
2、六个自由度的浇包的动态运动
3、先进的流态解决方案,提供准确的含气量和微小气孔粒子分析
工艺概述
重力金属型铸造提供了一个直观的建模环境,旨在帮助工程师成功地使用FLOW-3D CAST对金属型铸造应用进行建模。在浇注过程中可以考虑浇包的运动、排气过程及背压困气等多种因素,可以准确的预测卷气和气孔缺陷。同时模具热管理系统和最先进的凝固模型,可以将工艺无缝连接到整体解决方案中。FLOW-3D CAST以其简单、多功能的建模环境,为客户提供了一个完整而准确的解决方案。
铸件含气量和温度分布
液相区和孔隙率
模具温度
铸件温度分布
热平衡模具温度分布
产品实物
模具变形
模具变形
低压铸造(LPDC)是一种将陶瓷升液管上面与模具连接,下面延伸至熔融炉内的工艺。缓慢地向坩埚炉内通入干燥压缩空气,熔体受气体压力作用,由下而上沿着升液管和浇注系统充满型腔。一旦铸件凝固,空气压力就会降低,升液管内的液态金属退回熔炉。低压铸造可用于厚达2.5毫米零件,并获得更好的表面质量,也适合高温热处理工艺提高铸件强度。
FLOW-3D CAST可以通过热平衡、充型、凝固(包括热应力和热变形)过程,为最佳设计低压铸造工艺提供有效帮助。最佳设计有助于试产或量产前减少试错,更快地投入生产。这有助于节省开发产品周期和降低成本。
热平衡分析
热平衡分析对低压铸造是必不可少的一环,模具被重复使用多达上万次。随着时间的推移,模具翘曲导致产品尺寸不稳定,模具温度影响连续生产节拍,维持稳定模具温度具有挑战性。FLOW-3D CAST可以考虑模具加热、不同冷却条件(水冷、气冷)、吹气、开模顺序、涂料厚度、镶嵌件等因素,更准确、更有效的预测模具温度分布。
生产前预热循环的评估
开模时各个部件模具温度
充型过程
最复杂的挑战是精确追踪低压及慢速条件下进入型腔过程。伴随熔体快速降温和U型结构引起卷气问题,精准的预测欠铸和气孔缺陷是一个重大挑战。
利用FLOW-3D CAST的特有的TruVOF方法和全传热计算,我们可以确定最佳升压曲线和模具温度,可以确定溢流槽位置以保证缺陷不留在铸件上,以保证铸件温度和含气量达到一个最佳平衡点。
不合理工艺引起欠铸问题
凝固过程
FLOW-3D CAST协助铸造工程师调查铸件内部缩孔形成过程和合金偏析的机理。通过详细的热电偶温度数据分析,确定模具是否需要增加或删除冷却系统,确定是否需要改变金属浇注温度,以保证生产出无缩孔、无缩松、无热应力集中、低变形量和成分均匀的合格铸件。
薄壁产品凝固收缩
倾转式金属型铸造采用可调的倾转机构,当模具处于水平或负角度位置时,将金属液倒入浇盆内,在预先设定浇注时间内,模具和浇盆一起从水平变速转动至垂直位置。倾转浇注法是一个很好的选择,金属液可以以缓慢、连续、低紊流进入型腔,结合了重力金属型铸造的高效率性和低压铸造的低紊流性,大大提高铸件表面质量、尺寸精度,降低铸件废品率,缩短产品开发周期,降低成本。
不当工艺设计很容易造成缺陷。当转速过快,金属容易卷入空气而产生气孔。当转速过慢,金属表面容易形成氧化物和金属温度降温过快而产生夹渣和冷隔。FLOW-3D CAST高精度的TruVOF算法和精确解析复杂形状的FAVOR™方法,让用户能够严苛地分析填充过程和凝固过程。
热平衡分析
热平衡分析对倾转铸造是必不可少的一环,模具被重复使用多达上万次。随着时间的推移,模具的翘曲导致产品尺寸不稳定,维持稳定的模具温度更具有挑战性。FLOW-3D CAST可以考虑模具加热及冷却条件、镶嵌件、模具涂料厚度、砂芯等因素,更准确、更有效的预测模具温度分布及模具变形。
倾转过程
通过对倾转速度的精确控制,可以最大限度地减少在倾转过程中不规则性和产品质量缺陷。 FLOW-3D CAST可以准确预测困气及气压累积升高造成的缺陷、排气是否顺畅、砂芯发气量及所引起的气孔缺陷、流动中热量损失情况,从而为浇冒系统设计和铸造工艺提供了可靠的依据。
凝固过程
通过对模具上不同位置的涂料厚度优化以及冷却系统精确控制,可以最大限度地减少铸件上收缩造成的缺陷和铸件及模具变形情况。 FLOW-3D CAST协助铸造工程师调查铸件内部缩孔缩松形成过程、合金偏析的机理、铸件及模具变形的成因。通过详细的热电偶温度数据分析,确定模具是否需要增加或删除冷却系统,确定是否需要改变金属浇注温度,确定涂料厚度是否合理,确定冒口尺寸是否合适,以保证生产出无缩孔、无缩松、无热应力集中、低变形量和成分均匀的合格铸件。
热平衡中模具和铸件温度
铸件含气量和铸件温度
填充速度和铸件含气量
树脂砂芯发气量
氧化夹渣
金属流动长度
凝固收缩
在离心铸造中,当熔融金属被注入高速旋转的模具时,熔融金属在离心力作用下,金属液沿着径向均匀地充满铸型,随后在离心运动作用下冷却凝固,生产出高致密度、低气孔、低夹渣等缺陷、良好力学性能的铸件。结合离心力作用下较高的压力及无需使用型芯工艺特点,有助于金属液中气体和夹杂物的排除,有助于金属结晶和细化晶粒,从而改善铸件的机械性能和物理性能。FLOW-3D CAST的非惯性参照系模型可以实现离心旋转过程,并具有灵活修改参数的能力,从而产生高精度的仿真结果。
FLOW-3D CAST可以模拟卧式离心铸造和立式离心铸造。预测铸件欠铸、气孔、含气量、缩孔缩松、冷隔、氧化夹渣、偏析、变形、热裂等缺陷,从而为优化设计、改善生产工艺参数、降低研发和生产成本、提高铸件产品质量提供可靠的依据。
卧式离心铸造-温度场分布
卧式离心铸造-固相分数分布
形貌分布(实际与模拟对比)
壁厚和形貌分布(实际与模拟对比)
立式离心铸造-温度场分布
立式离心铸造-温度和固相分数分布
FLOW-3D CAST砂型铸造包括填充模式和相关缺陷分析,比如缺陷是否被推至冒口或滞留铸件内部。FLOW-3D CAST允许在投产前进行仿真测试,既验证设计有效性,又节省前期开发成本。精准的填充是非常重要的,可以预测浇注过程中气孔(卷气、砂芯发气等)、夹渣的位置和形成机理,可以获得浇满时准确的热分布用来模拟凝固行为。
在砂型铸造中,控制凝固收缩顺序的重要手段是合理布置冷铁、保温及发热冒口套,以减轻缩孔、缩松问题。FLOW-3D CAST可以导入合适热物性参数,并结合填充时准确的热分布,以确定是否存在凝固收缩问题。
精准的浇注过程
重力砂型铸造常用于制造大型零部件,比如铁、钢、青铜、黄铜或铝。与高压压铸相比,尽管填充过程中紊流强度较小,但铸件品质依然受卷入气体、砂芯发气、表面形成夹渣物等因素影响。FLOW-3D CAST准确地预测金属液前沿的流动、潜在缺陷的位置和温度的演变。
铸件温度场
凝固收缩过程
与凝固有关缺陷范围很广,包括偏析、热应力、机械性能、缩孔和缩松。FLOW-3D CAST提供准确的填充结果,是凝固分析中最重要的一步。准确的填充能够获得正确的热分布,这是凝固建模的初始条件。FLOW-3D CAST提供完整模,可以大幅缩短铸件设计周期,降低废品率。
凝固铸件温度场
凝固冷却铸件变形量
铸铁产品质量取决于熔炼工艺、浇冒系统设计、生产工艺条件等。从铸造原材料质量,到铸件设计工艺性,再到合理铸造工艺,每个环节都无不影响铸件性能。
FLOW-3D CAST提供所有铸铁件的浇注、凝固和冷却的相关判据,评估各项结果,协助铸造人员确定最优设计方案和符合要求的工艺条件。
FLOW-3D CAST协助浇注系统设计,改善铸铁内部夹渣、气孔、冲砂、表面烧结、粘砂。FLOW-3D CAST提供热模数、热节、凝固缺陷判据等结果,确定冒口和冒口套的位置及大小以消除缩松和缩孔,并保持高得料率。FLOW-3D CAST提供热应力、温度梯度、变形等判据结果,确定热裂风险降至最低,尺寸符合装配要求。这使得FLOW-3D CAST成为实施可靠生产过程、减少质量缺陷风险、设定稳定工艺和实现铸件无缺陷的关键所在。
铁模覆砂工艺:铸件法兰面夹渣
砂型工艺:浇注过程涡流分布
1) 开始放热反应 2) 放热物质的燃烧 3) 燃烧 “发光”
砂型工艺:凝固顺序
优化设计:两个方案铸件缩松分布对比
砂型工艺:两个方案残余应力对比
砂型工艺:铸件变形量
DISA工艺:浇包转包-塞棒打开-砂型浇注
铸钢产品质量取决于熔炼工艺、浇冒系统设计、生产工艺条件等。从铸造原材料质量,到铸件设计工艺性,再到合理铸造工艺,每个环节都无不影响铸件性能。
FLOW-3D CAST提供所有铸钢件的浇注、凝固和冷却的相关判据,评估各项结果,协助铸造人员确定最优设计方案和符合要求的工艺条件。
FLOW-3D CAST协助浇注系统设计,改善铸钢内部夹渣、气孔、冲砂、表面烧结、粘砂,提高钢的清洁度和表面质量。FLOW-3D CAST提供热模数、热节、凝固时间、Niyama等缺陷判据,确定冒口和冒口套的位置及大小以消除铸件上收缩造成缺陷,并保持高得料率。FLOW-3D CAST提供热应力、温度梯度、变形等判据,确定热裂风险降至最低,尺寸符合装配要求。这使得FLOW-3D CAST成为实施可靠生产过程、减少质量缺陷风险、设定稳定工艺和实现铸件无缺陷的关键所在。
砂型工艺-不同方案合金元素分布
1) 开始放热反应 2) 放热物质的燃烧 3) 燃烧 “发光”
砂型工艺-铸钢凝固温度场
砂型工艺-铸钢最大热节和模数位置
砂型工艺-铸钢缩松位置
砂型工艺-浇包浇注
砂型工艺-浇注过程温度场分布
工艺亮点
1、整合砂的属性,包括可以考虑砂的透气性、砂的发气、砂的含水量等因素
2、全工艺建模,包括环境气压、排气、背压等因素
3、更先进的金属与砂型的耦合计算,包括填充结束后翻转凝固过程等
工艺概述
低压砂型铸造(LPSC)工艺模块提供了一个易于使用的工具,可以考虑砂型铸造的大部分因素。有了新的低压砂型铸造模块,用户就拥有了建模和优化工艺参数所需的工具。滤网可放置在填充浇口的底部,以进一步控制填充流态并消除熔体中的杂质。FLOW-3D CAST提供了陶瓷过滤片数据库,用于考虑填充过程中对流动的影响。低压砂型铸造模块提供了发热冒口套和保温冒口套,用于解决铸件凝固收缩过程中孔隙问题。使用FLOW-3D CAST的倾转功能,砂模可以在填充结束后翻转凝固,以直浇道当作冒口进行补缩。如果浇道设计合理情况下,这种方法可以消除额外的冒口需求。
工艺亮点
1、流线化壳型生成工具,快速有效产生任意厚度壳模
2、先进辐射计算模型,全方位考虑模壳表面之间辐射换热
3、先进多体运动控制,考虑复杂的布里奇曼法(Bridgman)、浇包运动及旋转运动等动力学
工艺概述
精密铸造工艺模块提供了一个易于使用的工具,可以考虑精密铸造中大部分的影响因素,包括模壳生成、浇注过程(静态或浇包运动),凝固及冷却过程(使用静态或模壳运动的布里奇曼法)。FLOW-3D CAST模壳工具提供了一种快速、可靠的模壳几何生成工具,而全辐射和视因子模型能够准确地捕捉壳体不同部分之间的辐射换热。全新模块可以实现定向凝固工艺:一个移动的烘箱,上部分是加热的,下部分是冷却的,从而获得了布里奇曼(Bridgman)工艺。通过直观的后处理工具,可以更容易地评估熔体表面的演变过程、模具运动过程、填充流态细节及凝固方式,从而使工艺修改更有信心地实施。
不同浇注系统对比
凝固过程温度分布和孔隙形成
定向凝固过程
模壳生成
辐射单元确认
浇铸过程温度分布
凝固过程固相分数分布
消失模铸造因其近无余量、精确成型而越来越受欢迎,可用于生产高度复杂的、薄壁和细小特征的铸件。由于几乎不需要在型砂中使用粘合剂,型砂可以重复使用,从而大大节省成本。为了成功制造出完好铸件,工艺参数必须严苛控制。FLOW-3D CAST提供消失模铸造的完整功能,精准预测褶皱或泡沫分解气化造成的缺陷。
消失模铸造机理
充型过程
许多铸件缺陷是由紊流造成并最终滞留在金属内部的气体和氧化物。消失模铸造工艺通过在型腔内放置硬质泡沫来减少这种缺陷,然后在熔体前沿的热辐射和热传递作用下燃烧气化。填充速度由热解速率控制,有助于金属前沿平稳流动。FLOW-3D CAST消失模铸造模块提供完整物理模型,为产品和工艺设计提供准确及有效的帮助,比如浇注温度及压力,浇口尺寸及位置,和泡沫物性。
两个方案的最晚填充区域
凝固过程
FLOW-3D CAST凝固有助于预测和控制铸造缺陷,如偏析、缩松、缩孔、和受其影响的机械性能。FLOW-3D CAST协助确定冒口位置及尺寸,消除缩松及缩孔并保持高得料率,防止凝固冷却过程中偏析,尽可能减少铸造残余应力及铸件变形量。
最优方案的收缩区域和最晚凝固区域
在日益增加的质量要求和薄壁复杂结构化的趋势下,导致更严苛的品质要求和复杂化砂芯结构。本文阐述了仿真如何优化芯盒设计,建立包括射砂、冷芯盒和热芯盒用的有机和无机粘结剂的吹气和固化过程在内的稳健工艺条件和解决方案。
水套砂芯
制芯工艺流程
1、射砂过程
在射砂过程中,一个装满砂的罩子的顶端被压缩空气加压,导致砂子流化,从而形成一种由空气、砂子和粘合剂的混合物。砂流通过射嘴进入芯盒内,并且最终通过排气塞逸出到大气中去。目标是尽可能获得均匀的、更紧实的芯盒密度。FLOW-3D CAST采用两相流理论模拟整个射砂过程,准确的分析高速气体的流动以及砂粒的流动,为其提供科学指导。借助FLOW-3D CAST软件,您可以优化参数(射砂压力、排气塞的大小及位置、射嘴的数量大小及位置)以获得稳健的设计参数和低磨损的模具,可以在不牺牲砂芯品质下尽可能少的使用射嘴,从而大大节省成本。通过仿真可以分析不同射嘴及排气塞的配置对砂芯密度分布的影响。通过预测速度和剪切应力,工程师可以得出磨损和寿命的结论。
砂芯密度分布
2、冷芯盒吹气过程
在有机粘结剂体系中,需要砂子与有机树脂均匀混合。树脂固化是由一种气体催化剂完成的,通常将胺气体从射嘴中注入,吹气需要足够长的时间,使胺气体能够到达每个部分,以确保砂芯全部硬化。同时为了节省有毒气体,吹气时间不应该过长。
仿真可以预测砂芯内胺气体浓度分布,以评估砂芯强度。工程师借此确定一个合理吹气时间。
胺浓度分布
3、无机砂芯干燥过程
由于环保要求越来越高,越来越多的铸件使用无机的、水性的粘结剂替代有毒的、有机的粘结剂。其优点是可以接近零排放的工艺,同时减少铸造过程中砂芯发气,提高了铸件质量。 对于砂芯硬化必须从砂芯中将水去除,通常通过注入加热空气方式实现。对于无机粘结剂系统,砂芯的残留水分是硬度测量指标。FLOW-3D CAST不仅可以考虑砂芯内空气流动,还可以考虑水和蒸汽的蒸发和冷凝过程,以及蒸汽与热空气的输送过程。
残留含水量与实际砂芯强度(模拟与实际对比)
4、热芯盒和Croning的加热装置
在一些砂芯制备,比如热芯盒和Croning热固性树脂砂,砂芯硬化是通过加热装置的芯盒中,加热到180~250℃,使贴近芯盒表面的砂料受热,在温度作用下,其粘结剂在很短时间内即可缩聚而硬化粘合剂的热反应来完成的。加热过程是通过加热管和电加热元件进行的。为了获得高品质的芯盒,控制系统是一个得到均匀温度分布的核心。FLOW-3D CAST可以预测加热装置在工作条件下模具温度分布,为获得热量分配均匀提供了可靠依据。
模具温度分布
吹芯模型验证
水套芯的实验与仿真对比
在慕尼黑工业大学的铸造研究所正在进行一项射砂实验验证,分析了不同参数(比如,射砂时间、射砂压力、进口和排气塞的数量等工艺参数)对砂芯质量的影响。实际砂芯缺陷位置与仿真结果中的低密度区域相吻合(见下图)。
砂芯缺陷(实际与模拟对比)
吹芯模型的应用
利用FLOW-3D CAST改善后桥壳体铸件质量
质保人员检测到后桥壳体铸件上存在缺陷(见下图),该缺陷可能是由砂芯表面缺陷造成。仿真结果也印证了这个假设观点,并根据仿真结果做出相应的砂芯表面质量的改善措施。最终通过排气塞优化配置(数量和位置),达到改善芯盒和铸件质量的要求。
后桥壳体实际铸造缺陷
砂芯表面缺陷(实际与模拟对比)
研究项目:芯盒的寿命预测
芯盒主要是由铝和聚氨酯树脂混合制成。在射砂过程中砂粒将会对表面侵蚀,这是影响芯盒使用寿命。目标是分析侵蚀过程,了解表面处理对寿命的影响,并开发一个计算模型,预测由此造成的侵蚀问题。通用芯盒(见下图)是用不同形状的嵌件构建的。
不同嵌件构成的芯盒
磨损数学模型是对表面压力和剪力的积分而推导出侵蚀深度。模拟预测结果与实验相吻合(见下图)。
磨损分析(实际与模拟对比)
连铸工艺是生产半成品的常见工艺,连铸技术具有大幅提高金属收得率和铸坯质量,节约能源等显著优势。其工艺过程是将装有精炼好液态金属的浇包运至回转台,回转台转动到浇注位置后,将液态金属注入中间包,中间包或流槽再由水口将液态金属注入一个较短的,配有强冷的、带石墨衬板的结晶器中去。在结晶器末端出现稳定凝固结壳,在拉矫机与结晶振动装置共同作用以一定速度将结晶器内的铸件开始拉出,经冷却、电磁搅拌后,切割成一定长度的板坯。
在20世纪50年代引进连铸技术之前,钢水被倒入固定模具中形成铸锭。从那以后,连铸工艺得到广泛使用并发展到提高产量、质量、生产率和成本效率。
利用FLOW-3D CAST可以进行导流槽和中间包工艺优化以减少夹杂物;可以进行结晶器的设计优化,确定最优拉坯速度和喷雾冷却参数,保证产品质量稳定;可以进行进口处注入条件优化及应力分布计算,保证应力符合相关标准。
金属速度矢量方向
等效应力分布及变形量
弧形连铸工艺
水平连铸工艺
金属液注入过程的速度和温度分布
流动时两相糊状区