MAGMA技術(shù)連載（二）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)新的汽車輕量化設(shè)計(jì)對(duì)壓鑄件的產(chǎn)品和工藝開發(fā)提出了更高的要求。這是由于產(chǎn)品開發(fā)周期越來越短，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)的新方法如何滿足壓鑄的以下需求：

-更快地開發(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。

壓室對(duì)氣孔的影響

卷氣或逸出氣體造成的氣孔是報(bào)廢的常見原因。尤其是在熱處理過程中，這些缺陷直接導(dǎo)致報(bào)廢，并對(duì)焊接性和鉚接能力等連接技術(shù)的鑄造要求產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，通常較大且薄壁的結(jié)構(gòu)件在充型過程中易于導(dǎo)致熔體顯著的溫度損失。這導(dǎo)致了錯(cuò)誤流態(tài)，例如流痕和表面缺陷，甚至是鑄件的關(guān)鍵連接區(qū)域出現(xiàn)不可接受的冷隔。

因此，在工藝開發(fā)和鑄件設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，目標(biāo)應(yīng)是模具的最佳充型，同時(shí)避免鑄造系統(tǒng)中的卷氣和過高的溫度損失。目前，對(duì)這些潛在風(fēng)險(xiǎn)的分析和識(shí)別通常是在只考慮料餅的適當(dāng)簡(jiǎn)化模型下進(jìn)行的。避免上述風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)特殊可能性是壓射室中沖頭運(yùn)動(dòng)第一階段的工藝條件的相應(yīng)定義，參見圖4。不便利的工藝條件會(huì)立即導(dǎo)致壓射室中的卷氣。通過沖頭的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，然后這些卷氣不受控制地被輸送到鑄件中。

下面的例子展示了通過使用MAGMASOFT 5.4自主設(shè)計(jì)的新方法，對(duì)倒料和壓射曲線進(jìn)行的系統(tǒng)分析和優(yōu)化，參見圖5。虛擬分析有兩個(gè)目標(biāo)：

1.避免配料過程和沖頭運(yùn)動(dòng)第一階段中的卷氣

2.防止壓射室中金屬液顯著的溫度損失。

為此，第一階段的沖頭速度以0.1m/s的速率從恒定的0.1m/s變化到0.4m/s；同時(shí)，配料過程后的等待時(shí)間以1秒的間隔在1秒鐘到5秒鐘之間變化。評(píng)價(jià)虛擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)/輸出變量包括充型結(jié)束時(shí)壓射室中熔體的平均溫度和壓射室中的卷氣。在一些情況下，由于任務(wù)的復(fù)雜性，基于3D結(jié)果對(duì)壓射室中潛在的卷氣進(jìn)行評(píng)估。

模擬模型的有效簡(jiǎn)化在執(zhí)行系統(tǒng)虛擬工藝分析時(shí)起著至關(guān)重要的作用。在當(dāng)前的案例中，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)零件以及內(nèi)澆口和排氣系統(tǒng)由相同體積的簡(jiǎn)化幾何結(jié)構(gòu)所取代。對(duì)于本例中的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，僅計(jì)算模具充型而不計(jì)算模具預(yù)熱循環(huán)。MAGMASOFT ® 5.4支持方法虛擬統(tǒng)計(jì)分析的執(zhí)行，從單模擬到虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DoE），再到利用遺傳算法的自主優(yōu)化。按照試驗(yàn)的全因子設(shè)計(jì)，對(duì)由自由度產(chǎn)生的虛擬DoE的20個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算。

       圖6示出了恒定沖頭速度從0.1到0.3m/s的試驗(yàn)設(shè)計(jì)的一些組合的不同穩(wěn)料時(shí)間比較。由于過渡到壓射室的橫澆道系統(tǒng)過早關(guān)閉，金屬液在壓射室中的穩(wěn)料時(shí)間導(dǎo)致壓射室中不同的潛在卷氣風(fēng)險(xiǎn)。2秒的穩(wěn)料時(shí)間和0.2m/s的沖頭速度可使流動(dòng)前沿連續(xù)排出空氣，從而防止壓射室中產(chǎn)生卷氣?；旧?，顯而易見的是，對(duì)于每個(gè)沖頭速度都有對(duì)應(yīng)其合適的穩(wěn)料時(shí)間，可使壓射室中產(chǎn)生可接受的充填曲線。但是，隨著沖頭速度的提高，卷氣風(fēng)險(xiǎn)趨于上升。

       相關(guān)矩陣可定量評(píng)估澆注速度和穩(wěn)料時(shí)間對(duì)壓射室中金屬液溫度損失的影響，參見圖7。正如預(yù)期的那樣，評(píng)估揭示了兩個(gè)不同的過程變量和金屬液平均溫度之間的相關(guān)性。在最快的參數(shù)組合（0.4m/s的沖頭速度，1s的穩(wěn)料時(shí)間）和最慢的參數(shù)組合（0.1m/s的沖頭運(yùn)動(dòng)，5s的穩(wěn)料時(shí)間）之間，壓射室中熔體的溫差為55 ℃。對(duì)于700 ℃的給料溫度，在模具充型結(jié)束前，壓射室中的溫度損失至少為66 ℃。這對(duì)應(yīng)于最短的等待時(shí)間和最高的沖頭速度

       在考慮到預(yù)期目標(biāo)時(shí)，最佳折衷方案是等待時(shí)間為2s，沖頭速度為0.2m/s。對(duì)于更復(fù)雜的鑄造幾何形狀，使用完整的模型來分析這些參數(shù)，參見圖8。將結(jié)果與初始變量進(jìn)行比較。優(yōu)化的工藝條件示出了空氣從壓射室通過空腔的均勻輸送。在模具充型結(jié)束前，壓射室中的溫度損失大約為90 ℃。

圖9比較了優(yōu)化的工藝條件與沒有壓射室的簡(jiǎn)化模擬模型。兩種模型的充型操作幾乎相同，這證實(shí)了沒有壓射室的簡(jiǎn)略（簡(jiǎn)化）模擬模型同樣適用于鑄造系統(tǒng)的上游開發(fā)過程。如果需要，可以擴(kuò)展模擬模型，以用于對(duì)壓射室中的過程進(jìn)行詳細(xì)分析或過程優(yōu)化。

對(duì)于鑄造節(jié)點(diǎn)來說，精確的給料過程對(duì)于所有相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的重要性是顯而易見的。造成這種情況的原因是壓射曲線隨著給料量的變化而變化。過小的給料量會(huì)將整個(gè)壓射曲線（加速開始到第二階段和減速點(diǎn)）移至更早的時(shí)間，導(dǎo)致減速點(diǎn)從充型結(jié)束轉(zhuǎn)移到鑄造腔中。其結(jié)果是充型時(shí)間顯著增加，同時(shí)也存在流痕和冷隔的相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。過大的給料量將不可避免地導(dǎo)致壓射曲線移至更晚的時(shí)間。在最壞的情況下，這將導(dǎo)致編程的減速變得無效，并增加毛邊的風(fēng)險(xiǎn)。

工藝變化的系統(tǒng)虛擬分析允許在鑄造第一個(gè)零件之前就能生成真實(shí)的工藝知識(shí)。當(dāng)然，全面的虛擬工藝分析比單獨(dú)的模擬運(yùn)行需要更長(zhǎng)的時(shí)間。但是，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行這樣的分析是不可行的，或者沒有經(jīng)濟(jì)意義。獲得的知識(shí)支持穩(wěn)健工藝的布局，并確保順利生產(chǎn)。

總結(jié)

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]有經(jīng)濟(jì)或生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

早期的安全決策支持產(chǎn)品開發(fā)人員和模具鑄造人員設(shè)計(jì)穩(wěn)健、經(jīng)濟(jì)有效和資源高效的產(chǎn)品和工藝。在規(guī)劃階段的早期應(yīng)用此類虛擬生成的知識(shí)是CAE開發(fā)過程的基礎(chǔ)，在該過程中，設(shè)計(jì)者和模具鑄造者同時(shí)對(duì)部件和鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化。