Design and Analysis of Shrinkage Defect for an Investment Casting Pieces by Cast-Designer Software

Abstract

This research focuses on the design of the gating system for the case study of a Body OTC Steady part, which is a component of CNC machines made from AISI 4140 steel using the investment casting process. The software Cast-Designer was used to simulate the behavior during the molten metal filling process in the mold. The scope of the research focuses on analyzing design variables to reduce shrinkage porosity in the workpiece. The design variables considered are as follows: changing the cross-sectional shape of the gate (Gate1), adding a gate (Gate2), changing the height of the gate (HG2), changing the runner spacing (WR), changing the runner length (HR), and changing the runner angle (DR). The analysis includes the behavior of molten metal flow, fill time, solidification time, and the shrinkage porosity. The results showed that the design variables improving the workpiece quality include a rectangular cross-section for the Gate1, using two the Gate2, a gate height (HG2) of 20 mm², a runner spacing (WR) of 86.32 mm², a runner length (HR) of 284.85 mm², and a runner angle (DR) of 10 degrees. The simulation results revealed that the molten metal flow became more uniform and smoother. The fill time increased from 5.158 seconds to 7.385 seconds, while the solidification time decreased from 433.797 seconds to 276.753 seconds due to the reduction in the workpiece volume by 1,899.14 cm³. Shrinkage porosity volume decreased from 13.04 cm³ to 7.19 cm³, a reduction of 44.86%.

งานวิจัยนี้วิเคราะห์การออกแบบระบบทางเข้า (Gating System) สำหรับกรณีศึกษาชิ้นงาน Body OTC Steady ที่เป็นชิ้นส่วนของเครื่องจักรซีเอ็นซีที่ผลิตจากวัสดุเหล็กเกรด AISI 4140 ด้วยกระบวนการหล่ออินเวสต์เมนต์ (Investment Casting) โดยใช้ซอฟต์แวร์ Cast-Designer ในการจำลองพฤติกรรมที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการเติมเต็มของโลหะเหลวในแม่พิมพ์ ขอบเขตการวิจัยคือการวิเคราะห์ตัวแปรด้านการออกแบบเพื่อทำให้ปริมาตรการเกิดโพรงหดตัว (Shrinkage Porosity) ในชิ้นงานลดลง โดยมีตัวแปรในการออกแบบดังนี้ การเปลี่ยนลักษณะหน้าตัดของทางเข้า (Gate1) การเพิ่มทางเข้า (Gate2) การปรับความสูงของทางเข้า (HG2) การปรับระยะห่างของทางวิ่ง (WR) การปรับความยาวของทางวิ่ง (HR) และการปรับองศามุมของทางวิ่ง (DR) โดยมีการวิเคราะห์พฤติกรรมการไหลของโลหะเหลว (Fluid Fraction) เวลาในการเติมเต็มของโลหะเหลว (Fill Time) เวลาในการแข็งตัว (Solidification Time) และปริมาตรการเกิดโพรงหดตัว (Shrinkage Porosity) พบว่าตัวแปรที่ทำให้คุณภาพของชิ้นงานดีขึ้นคือมีหน้าตัดทางเข้า (Gate1) เป็นสี่เหลี่ยมผืนผ้าจำนวนทางเข้า (Gate2) 2 ทาง ความสูงของทางเข้า (HG2) 20 ตารางมิลลิเมตร ระยะห่างของทางวิ่ง (WR) 86.32 ตารางมิลลิเมตร ความยาวของทางวิ่ง (HR) 284.85 ตารางมิลลิเมตร และองศาของทางวิ่ง (DR) 10 องศา ซึ่งผลการวิเคราะห์ทำให้ทราบว่าพฤติกรรมการไหลของโลหะเหลวมีการไหลที่สม่ำเสมอและราบเรียบมากขึ้น มีเวลาในการเติมเต็ม (Fill Time) เพิ่มขึ้นจากเดิม 5.158 วินาที เป็น 7.385 วินาที มีเวลาในการแข็งตัว (Solidification Time) ลดลงจากเดิม 433.797 วินาที เหลือ 276.753 วินาที เนื่องจากปริมาตรของชิ้นงานที่ลดลงถึง 1899.14 ลูกบากศ์เซนติเมตร และผลของการเกิดโพรงหดตัวมีปริมาตรโพรงหดตัวในชิ้นงานจากเดิม 13.04 ลูกบากศ์เซนติเมตร ลดลงเหลือ 7.19 ลูกบากศ์เซนติเมตร คิดเป็น 44.86 เปอร์เซ็นต์