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Flow-3D协助克服薄壁镁压铸件生产带来的挑战


  

  
  近年流行生产镁压铸件的厂商,可以引用计算机仿真技术解决模具设计上的棘手问题。
  镁压铸件质轻耐用的特点,成为3C产品外壳的首选物料。
  3C产品外型复杂而且纤薄,是制模技术上的一大挑战。
  厂商若要打开这个高增值的市场,计算机辅助设计设备是不可或缺的工具。
  在目前多种解决薄壁镁压铸件的方案中,计算机仿真扮演着重要的角色。
  限制薄壁成型的技术因素众多,包括产生冷隔、氧化层部位及困气位置等。
  从前上述问题必须经过重复试模办法方可解决,所以工程师可能需要花上六个星期的时间去改进试产模具的内浇口、横浇道和排气系统,甚至不知道需要经过多少次的改动,才能稳定地生产高质量的零件。
  德国Laichingen的Werkzeugbau Schaufler压铸模具制造商为解决镁压铸的缺陷问题,采用CAE软件,在计算机上进行多种的压铸仿真,从中挑选最好的模具设计方案。
  计算机仿真可以迅速且精确地计算设计方案,提供压铸模具型腔内部特定条件下的详细资料采用这种方法,Werkzeugbau Schaufler近年成功生产五十多种高质量的薄壁镁铸件。
  Schaufler专门从事铝和镁压铸件的模具制造,其设备占地超过五万平方英尺;可提供重达35吨的传动及离合器机架、机体结构件和进气歧管的模具。
  该公司最近成立技术中心,以满足客户缩短开发时间的要求,并减少用砂型铸造模型,改为用压铸件原型。
  其Lajchingen压铸中心(DCL)的特色,在于拥有一组以2700吨锁模力压铸机为基础的自动压铸单元—Buhler SC270N,当中还包括铝及镁合金熔炉、半固态压铸(SSM)金属块加热站、ABB喷涂料和取件机器人、冷却池及加工中心。制造薄壁镁压铸件充满挑战在过去数年,Schaufler和其它压铸模具制造商因应汽车生产商的要求,制造薄壁压铸件的模具,从而降低汽车重量。
  其中令人最感兴趣的是结合减轻重量及改善性能两项优点的薄壁镁合金进气歧管。
  但是,铸造这些零件并不容易,镁的比热容较小,比铝还要小,换言之镁冷却速度非常快,令充型过程存在过早凝固的危险,尤其是目前流行的1.8至2mm壁厚压铸件而言,这问题显得更具挑战性。为避免过早凝固的问题,从前工程师采用高速充填,速度经常达到内浇口60m/s和薄壁区域100m/s以上。
  不幸的是,高的流动速度会引起卷气和漩涡,产生困气,导致出现气孔和氧化夹杂的情形。
  在一般情况下,这些问题可通过改变壁厚或在铸件适当的地方增加流动来改良,然而,所谓适当的改变并不可以轻易判 断出来。
  过去,只有试模这种办法来评估模具设计师设计新模或改模的效果;并且生产部份零件,透过X光确定零件是否存在不能通过汽车商OEM质量标准的内部缺陷。
  既有的困难和耽搁试模的结果只能提供少量、甚至不能提供有关充型过程中临界流动模型的资 料,工程师不得不依靠直觉和猜测其流动细节。
  幸好情况近年有所改变。随着CAE软件发展成熟,工程师可于第一次分析测试,便能精确地仿真压铸的高速流动过程。
  压铸CAE软件通过将流动区域分解为数十万个的计算网格单元,根据流体力学和传热学方程,求解最终结果。经过适当的验证,CAE分析让工程师‘观察’模具内部的压铸过程,并能及时确定模具型腔中,流体前沿的精确位置及金属液任何一点的温度和压力。
  模具的几何模型可以在计算机上快速改变,并重新分析来确定改变的效果。
    
  Schaufler公司的工序工程师Rolf Krack在仿真分析上采用一套名为Flow-3D的CAE软件。
  Flow-3D由位于新墨西哥洲Los Alamos的Flow Science Inc.开发的,改进压铸仿真效果的一些重要设计特征Flow-3D首先利用流体体积(VOF)法去预报自由表面流体的运动,表面张力和其它复杂流动。
  此方法是进行准确压铸仿真的一项先决条件,让工程师精确追踪模具型腔内流动前沿的快速运动。
  事实上, Flow-3D提供的算法可以仿真液体接口急速的任意变形,它应用了正确的标准和切向应力边界条件,让Flow-3D拥有独特的准确性。
  有了Flow-3D的帮助,模具设计师可以容易地发现会导致金属表面多次接触空气的旋涡,及流动过程中的过早凝固现象,亦可以提供更多有关气孔和夹杂物的信息。
  Flow-3D还具备独有的「表面缺陷追踪」功能,可以确定充型过程各阶段氧化夹杂物的位置,从而制定溢流槽适当的大小和位置。
  Krack表示,他们利用Flow-3D仿真目前Audi V8 引擎的镁合金进气歧管,他指出:「尽早在设计的初期开始仿真,可确保以最小的费用来解决任何设计的变更。
  例如我首先以进行横浇道和内浇口的流动分析作开始,仿真结果显示,由于横截面的陡峭变化,形成了一个不合理的卷气区域;因此把内浇口的设计作适当的修改来更正问题,再继续进行整个铸件型腔的充填仿真。
  这次仿真加入了流动金属液与模具之间的传热计算和熔化合金的凝固模型,有助发现过早凝固区域。
  ‘观察’流体在模具内部的情况,借着仿真过程,Krack可以在内部观察熔化金属充填铸件型腔的流动。他认为关键之处在于:
  (1)铸件型腔充填是否连续?或哪个区域比其它地方充填慢很多?
  (2)有否存在任何困气?
  (3)哪个地方存在卷气或旋涡?
  (4)流动前沿是否连续,或者有否存在脉冲和飞溅?
     
  Krack先生指出:在第一次仿真分析时,我发现很多问题,亦可正确地看到发生了什么事;然后尝试改变不同的设计,很快便知道效果。Krack 先生续称:拥有洞察力,我便能想出方法去改正问题。
  首先利用流动信息和增加或减少壁厚去消除旋涡;或把气孔和夹杂物排到溢流槽(从而保证铸件的质量)。
  由于这是使用软件的初期阶段,我关注到它的准确性,我们进行了一系列不同水平的实际充填试验并和仿真结果相对比,证明了软件的准确性,让我们信心根据经过仿真显示的设计来构建原型工具,从而生产优良的零件。
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