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)計對壓鑄件的產(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、產(chǎn)品設(shè)計以及工藝開發(fā)。
本文以一個壓鑄結(jié)構(gòu)件為例，展示了MAGMASOFT ® 5.4自主設(shè)計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，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。
穩(wěn)健的產(chǎn)品和工藝
在結(jié)構(gòu)件中，除資源和成本效率目標(biāo)之外，有絕對優(yōu)先級的是嚴(yán)格滿足定義的質(zhì)量要求。為了評估開發(fā)的鑄造系統(tǒng)的穩(wěn)健性和定義的標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)，虛擬模型通過關(guān)鍵工藝參數(shù)及其變量得到擴展。工程師定義了目標(biāo)、要改變的自由度以及評估改進的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。MAGMASOFT ®中試驗或工藝窗口的最終虛擬設(shè)計分析是自主進行的，不需要用戶的進一步操作，參見圖16。
圖16：借助于高壓壓鑄中的虛擬工藝窗口分析，進行系統(tǒng)的和有效的穩(wěn)健性分析的示意圖
為了能夠更簡單地評估鑄造質(zhì)量，通過考慮評估區(qū)域來擴展鑄造節(jié)點的模擬模型。這些評估區(qū)域衡量了特別感興趣區(qū)域的計算質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在該示例中，這適用于底部的關(guān)鍵功能性厚壁連接點（“評估區(qū)域1”）或?qū)τ诔湫瓦^程至關(guān)重要的薄壁厚度（“評估區(qū)域2”），參見圖17。根據(jù)從經(jīng)驗中獲得的專門知識，計劃目標(biāo)過程的壓射曲線包括充型結(jié)束時的沖頭減速，以避免毛邊，參見圖17中的壓射曲線。
圖17：通過“評估區(qū)域”擴展模擬模型，以便有針對性地評估關(guān)鍵鑄造區(qū)域。連接節(jié)點目標(biāo)過程的壓射性質(zhì)包括充型結(jié)束時的大幅度沖頭減速，以避免毛邊。
在下一步中，模擬模型通過關(guān)鍵工藝參數(shù)擴展，以進行變更和分析，從而獲得相關(guān)的工藝窗口。在該示例中，模型的擴展考慮了給料量的變化（在模擬模型中定義為料餅厚度）、+/- 15 ℃的澆注溫度變化、不完全擠壓（第三階段）以及底部關(guān)鍵功能性厚壁連接點區(qū)域中點冷卻強度的變化。指定了變量的下限和上限以及步長。定性參數(shù)或幾何變化可以定義為可變的、有效的或無效的，參見圖18。
圖18：用于評估生產(chǎn)工藝穩(wěn)健性的虛擬試驗設(shè)計的變量。每個變量的變化通過下限和上限以及步長來定義。
對于鑄造節(jié)點，在全因子試驗設(shè)計中對試驗/工藝窗口虛擬設(shè)計的所有可能變量進行了分析。圖19所示的相關(guān)矩陣總結(jié)了所有主要影響，即分析的過程變量對為結(jié)構(gòu)部件定義的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的影響。作為質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對于模型中的所有材料（鑄件、澆注系統(tǒng)、模具），可以使用MAGMASOFT ®中可用的所有結(jié)果。
通過使用統(tǒng)計方法對所有變量進行定量比較，得到了可靠的結(jié)果，而且沒有主觀影響。斜率越大，單個圖表的顏色越強烈，所考慮的參數(shù)對相應(yīng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的影響就越大。
圖19：相關(guān)矩陣概述了所有分析的過程變量對規(guī)定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的主要影響。個體相關(guān)性的斜度和顏色強度描述了相應(yīng)變量對質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的影響程度。
對于鑄造節(jié)點來說，精確的給料過程對于所有相關(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。過小的給料量會將整個壓射曲線（加速開始到第二階段和減速點）移至更早的時間，導(dǎo)致減速點從充型結(jié)束轉(zhuǎn)移到鑄造腔中。其結(jié)果是充型時間顯著增加，同時也存在流痕和冷隔的相應(yīng)風(fēng)險。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。
工藝變化的系統(tǒng)虛擬分析允許在鑄造第一個零件之前就能生成真實的工藝知識。當(dāng)然，全面的虛擬工藝分析比單獨的模擬運行需要更長的時間。但是，在生產(chǎn)現(xiàn)場進行這樣的分析是不可行的，或者沒有經(jīng)濟意義。獲得的知識支持穩(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，實現(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，這是壓鑄機一直追求的目標(biāo)。因此，即使在計劃階段的早期，對于復(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，而且?guī)缀鯖]有經(jīng)濟或生產(chǎn)風(fēng)險。
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)計穩(wěn)健、經(jīng)濟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是CAE開發(fā)過程的基礎(chǔ)，在該過程中，設(shè)計者和模具鑄造者同時對部件和鑄造工藝進行優(yōu)化。
