汽车铸件的计算机仿真压铸工作 析模科技

      传统的模具设计方法都必须以实际生产形式制造出来，一方面要不断修改校正，另一方面，这方法收集的数据未必完全准确，所涉及的时间及金钱相当大。利用计算机仿真方法试模可节省时间及提供有系统及可靠的数据。本文以汽车铸件生产厂使用计算流体力学技术改善模具设计问题作为案例，道出计算机仿真进行压铸工作的成效。
      利用计算机仿真的压铸操作为汽车铸件生产厂家节省金钱，减低废品。加拿大Amcan Castings公司应用工程经理Boris Lukezic估计，如果模具是用传统的反复试验法（Trial and error） 设计，会有3%由气孔产生的废品。Lukezic 用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）仿真流体填充过程，并确定初始的模具设计在哪里会卷气和产生空穴。经13次计算机模型的修改，逐步解决气孔问题，最终找到一个完整的设计方案。模具加工后进行试模，结果跟预先仿真的一样，省去了每次改模需要的成本5000至10,000美元，使气孔产生的废品率降至近乎0。由于试验的成功，该公司扩大对每件新产品均进行仿真的工作，并考虑对已投产的设计都改以仿真的方法，改善工作效率。
     Amcan Castings 公司 于1936年在加拿大Ontario成立，当时名为Barber Die Casting 有限公司。该公司生产的汽车铸件范围很广，包括机架、行李架、盖子、托架、容器、叉子、盘子及容器等。在Amcan公司，专业技术人员、X光射线工艺、金属光谱分析、冶金学实验室、三坐标测量仪、专用检测仪和光学比较仪等保证了产品的质量。
以往的反复试验法
    以上所述的铸件生产例子是为美国三大汽车厂商之一生产的汽车发动机的叶轮，该件看起来像一个有多刀片和一个外圆组成的推进器。该件对气孔的要求非常严格，因为气孔会导致发动机燃烧室之间的泄漏，或使铸件强度削弱而失效，Amcan的责任是设计一个模具可以稳定生产符合汽车厂质量要求的产品。传统的方法是利用工程师的经验和猜度来设计模具，问题在于唯一能确定该模具设计能否正常生产的方法是将模具做出来并试模，在质量未达到要求前可能需要更改许多次，每次改模花费约为5000至10,000美元。时间和金钱往往耗费在改模上，实际上，试模本身未必可提供该设计不能正常生产的资料数据，这使工程师被迫在仍产生废料的情况下作出结论。
     为了寻找一个更有效的设计方法，Amcan工程师们在过去几年试用计算流体力学技术。在模具制造之前，利用计算机评估设计概念，从而获得原设计失败的详细原因，更快找到解决方案。计算流体力学包括在流动区域内大量计算网格点上求解流动和传热控制方程。
     计算流体力学分析允许工程师观察模具内的金属液体的流动，确定流体前沿的准确位置及模具内任何一点金属液的温度和压力。这方法将比从车间试验所获得信息更多，并且使工程师明白在何处及为什么出现问题。仿真的模具可在计算机上迅速更改，重新分析后便可确定更改的效果。这样，工程师可在几天内解决气孔问题，而不必像传统方法可能需要几个星期甚至几个月的时间。
软件选择
       Amcan工程师选择了Flow Science Inc.的Flow3d软件作为仿真工具。Flow3d是通用的、三维的计算流体力学程序，能够预测在充型过程中有自由表面的流体的流动情况。它是用流体体积法（Volume of fluid, VOF）来预测自由表面流动行为、表面张力和复杂流动。尤其是该程序应用正确的法线和切线方向应力边界条件，提供了跟踪急剧变化的流体界面的运算，这是有别于其它流体动力学程序的一个特色。
     由于Amcan以前从来没有做过叶轮，故他们对于生产该压铸件的原设计概念是基于推测估计。工程师们利用手册公式计算浇口面积和浇口速度、填充时间和压力，主要问题仍是确定浇口位置和入水方向。原始设计中有六个进料口呈放射状间隔分布在铸件的周围。主流道在型腔与金属液进口中间分开为两个支流道。利用CAD系统完成模具设计，输出成STL文件，之后将其输入Flow3d软件。软件自动将型腔分成矩形网格，该步骤大约需要30分钟，然后Lukezic输入边界条件，包括380铝合金注射温度（670℃）和模具温度（275℃）。仿真并非使用紊流模型而是使用增强有效黏性层流模型，该公司表示，这种仿真方法得到的结果和试验结果最接近。
解决方案
      观察仿真结果，Lukezic看见有两股金属液互相混合，其中气体无法排出。这表明如果按照这原始设计，气孔可能会成为该件的主要问题。于是他修改水口位置和入料方向，从而获得一个比较好的流动模式。四股金属液汇合于铸件的一个断面，且入料口都指向相同切线方向以便让液体同时通过每一个入水口，产生一个循环流动的模式，这样仅有一个流体前沿填充整个工件，这表明了改动有效。接下来Lukezic做了一系列小型的改动，包括调整浇口位置，入料角度和浇道分开位置，以稳步改善流动模式和减少卷入的气体。在整个过程中，输入的数据由工艺及模具工程师提供，以保证模具容易加工及可用于生产。
      在第14次完成的设计中，气孔几乎或完全消失。这位应用工程经理利用仿真结果做成动画证明该设计已就绪并可进行加工。根据仿真结果加工出模具，发现第一个铸件已没有气孔，解决传统的反复试验法可能出现最少3%的废品率的问题，减少在压铸过程中所耗费的金钱，且可优化设计。
汽车铸件使用镁合金材料
      在汽车领域上，目前科学家和工程师在改善燃料的效率问题上寻求解决方法，其中一个方案是使用镁合金材料减轻汽车的重量。现时已证明镁合金可用于各种交通工具，在可接受的成本下减低重量。不过，镁合金所具备的轻量优点在汽车动力系统上仍未完全实现。
      美国The United States Council for Automotive Research/ Automotive Materials Partnership （USCAR/USAMP），是由三大汽车公司和十数家包括合金冶炼厂、压铸厂、工具模具厂、实验室和流体/固体仿真模型软件商共同组成的组织。目前，该组织正进行一项本文资料由富来远东有限公司提供为期四年的镁合金动力系统铸件计划（Magnesium Powertrain Cast Components Project, MPCC），该项目的目标是论证在动力系统部件中使用轻量镁合金，尤其是抗高温镁合金材料的的优点和可行性。最终目标是通过减轻汽车部件重量使汽车生产商得到高燃料效能和低消耗成本。（目标是比现在的铝合金设计降低20％的重量）。该项目主要针对目前镁合金铸件在汽车动力系统中使用时的局限，并解决关键性的问题，发展所需技术和将镁合金广泛应用于汽车动力系统。Flow Science Inc. 就是其中参与开发镁合金汽车铸件的仿真软件公司，并提供Flow3d仿真软件以及技术上的支持和造型服务。

注：本文来源于中国压铸网博友 yanyxq