MAGMA技術(shù)連載（三）使用自主設(shè)計(jì)在壓鑄中的創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和穩(wěn)健工藝布局

Dr.-Ing. Horst Bramann, M.Sc. Laura Leineweber, Dr.-Ing. Jörg C. Sturm, MAGMA
Gießereitechnologie GmbH, Aachen, Germany

Abstract
摘要

Innovative automotive lightweight designs lead to a higher demand for the product and process development of die cast components. This is attributed to shorter and shorter product development cycles as well as the rising functional integration and complexity of structural die cast parts. The main objectives of the technically complex processes and tools in aluminum and magnesium die casting are cost and resource efficiency along with the robust fulfillment of the defined high-class requirements of the casting. In this context, casting process simulation is a well-established tool used to support tool design, part design as well as process development.
創(chuàng)新的汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)對(duì)壓鑄件的產(chǎn)品和工藝開(kāi)發(fā)提出了更高的要求。這是由于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短，以及壓鑄結(jié)構(gòu)件的功能集成和復(fù)雜性不斷提高。鋁合金和鎂合金壓鑄的復(fù)雜工藝技術(shù)和模具的主要目標(biāo)是提高成本和資源效益，并嚴(yán)格滿(mǎn)足鑄件的高標(biāo)準(zhǔn)要求。在該背景下，鑄造工藝模擬是一種成熟的工具，用于支持模具設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及工藝開(kāi)發(fā)。

      本文以一個(gè)壓鑄結(jié)構(gòu)件為例，展示了MAGMASOFT ® 5.4自主設(shè)計(jì)的新方法如何滿(mǎn)足壓鑄的以下需求：
-      更快地開(kāi)發(fā)產(chǎn)品和工藝，
-      在質(zhì)量、產(chǎn)量和成本方面的最佳工藝和模具設(shè)計(jì)，以及
-      穩(wěn)健的工藝布局，比以往更佳的最大化質(zhì)量再現(xiàn)性。

1.       噴涂工藝的優(yōu)化

       對(duì)于結(jié)構(gòu)件，模擬所用的模型通過(guò)噴涂工藝過(guò)程的真實(shí)顯示得到擴(kuò)展，包括有噴霧錐角的定向噴嘴、噴涂回路和噴涂循環(huán)，參見(jiàn)圖10。
                                                                            

        對(duì)表面附近區(qū)域溫度測(cè)量點(diǎn)的分析說(shuō)明了噴涂工藝與內(nèi)部模具溫度控制相結(jié)合的有效性，參見(jiàn)圖11。假設(shè)理想的模具均勻初始溫度，在由于噴涂工藝而導(dǎo)致的表面熱量散發(fā)之后，由于模具中儲(chǔ)存的能量，在區(qū)域1和4中進(jìn)行表面的再加熱。特別是在內(nèi)澆道附近的區(qū)域3中，在整個(gè)循環(huán)內(nèi)，出現(xiàn)明顯的溫度滯后，這涉及由熱龜裂引起的過(guò)早模具損壞風(fēng)險(xiǎn)。區(qū)域2中添加的內(nèi)部點(diǎn)冷卻從模具中局部提取能量，并減少模具表面的再加熱。
                                                                             

       在應(yīng)用最小噴涂時(shí)，布置合適的冷卻管路尤為重要。由于通過(guò)噴涂介質(zhì)的熱量提取最少，通過(guò)熔體引入的大部分能量需要通過(guò)內(nèi)部冷卻管路消散。冷卻管路應(yīng)同時(shí)確保鑄件中所需的微觀(guān)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)最小的循環(huán)時(shí)間和最小的模具腐蝕，以及確保整體能耗最小的穩(wěn)健的模具充型。

       圖12示出了集成在MAGMASOFT ® 5.4（插入在復(fù)雜的冷卻管路中）中的流動(dòng)模擬。流量計(jì)算可以與充型模擬同時(shí)進(jìn)行，也可以單獨(dú)進(jìn)行。除關(guān)于流動(dòng)方向、速度、壓力和溫度的結(jié)果之外，流動(dòng)計(jì)算主要提供在金屬液界面處局部產(chǎn)生的有效傳熱。
                                                      

      



這些擴(kuò)展的工藝知識(shí)允許對(duì)各種冷卻管路進(jìn)行系統(tǒng)、自動(dòng)化的評(píng)估和優(yōu)化。要分析的可能目標(biāo)包括改善鑄件質(zhì)量、影響工藝時(shí)間（循環(huán)時(shí)間）的工藝條件，以及模具腐蝕減少和能量平衡評(píng)估。在該背景下，可能的自由度可以是幾何形狀、模具中冷卻管路位置以及所有工藝條件的變化。圖13以傳熱系數(shù)為例，示出了冷卻管路中不同流動(dòng)情況對(duì)局部冷卻能力分布的影響。流動(dòng)傳導(dǎo)冷卻管路的使用可使鑲件頂端冷卻能力效果增加。
                                                                           

        為了評(píng)估工藝穩(wěn)定性，在虛擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)中分析了不同流速（5至25 l/min，以5 l/min為速率）對(duì)關(guān)鍵鑄造區(qū)域局部凝固時(shí)間的影響。圖14中相應(yīng)的主要效果圖示出了凝固時(shí)間隨著流速的增加而呈現(xiàn)非線(xiàn)性減少。對(duì)不同流速下冷卻管路中壓力分布的詳細(xì)評(píng)估解釋了這種情況的原因。隨著流速的增加，系統(tǒng)中的壓力損失增加，導(dǎo)致效率越來(lái)越低。
                                                                                

       模具的熱平衡以及整個(gè)系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性可以用MAGMASOFT ® 5.4中集成的能量平衡來(lái)評(píng)估，參見(jiàn)圖15。直觀(guān)的概述允許分析和評(píng)估所有材料/材料組（例如鑄件、鑄造系統(tǒng)、模具的一部分）在整個(gè)工藝周期、各個(gè)工藝階段或規(guī)定時(shí)間段內(nèi)的能量交換。例如，可以直接比較和優(yōu)化排放的能量，同時(shí)考慮通過(guò)內(nèi)部冷卻和外部噴涂在工藝循環(huán)過(guò)程中的成本效率。
                                                                       

       為了經(jīng)濟(jì)高效地使用鑄造工藝模擬，需要使用這些選項(xiàng)。對(duì)于每個(gè)工藝布局階段，模擬應(yīng)“盡可能簡(jiǎn)單和詳細(xì)”。MAGMASOFT ®的自主工程方法支持詳細(xì)任務(wù)的系統(tǒng)工作以及可靠技術(shù)解決方案的確定。對(duì)于變體或工藝條件的系統(tǒng)分析，建議對(duì)模擬模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化或粗化，然后使用詳細(xì)模型驗(yàn)證確定的解決方案或替代方案。

        在高壓壓鑄中，MAGMASOFT的方法虛擬試驗(yàn)或自主是一種突破性的方法，該方法通過(guò)透明和定量的工藝知識(shí)，實(shí)現(xiàn)模具和生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和穩(wěn)健布局。除確定可靠的技術(shù)解決方案之外，這種新方法還提供了質(zhì)量和盈利能力之間的最佳折衷方案，這是壓鑄機(jī)一直追求的目標(biāo)。因此，即使在計(jì)劃階段的早期，對(duì)于復(fù)雜的任務(wù)，也有可能生成關(guān)于鑄件生產(chǎn)參數(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之間相關(guān)性的系統(tǒng)知識(shí)，而且?guī)缀鯖](méi)有經(jīng)濟(jì)或生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。