|
在壓鑄過程中，金屬液在高壓、高速狀態下充填結構復雜、斷面狹窄的鑄型，金屬液流態極為復雜，鑄件易產生流痕、欠鑄、氣孔等缺陷，同時易造成對不合理的沖蝕，嚴重影響模具的壽命。壓鑄工藝參數計算與模具設計嚴重依賴經驗，使得壓鑄模具設計周期長，勞動強度大，且設計質量與設計者的經驗有直接關系，設計質量波動大。
壓鑄模設計中，工藝參數和模具結構的合理性對壓鑄件的質量和成品率及模具的使用壽命都會產生極大的影響。壓鑄模的造價比較高，一般均在數萬元至幾十萬元，有的高達上千萬元，不合理設計若造成壓鑄模具的報廢，將會帶來很大的經濟損失，同時由于這種設計的不可靠性，很多壓鑄模具需要經過多次的反復試模、修模，增加了模具成本，延長了新產品的研發周期。
改變這種落后狀況的主要途徑是利用新技術，改造傳統的設計、制造方法。采用CAD/CAE/CAM(計算機輔助設計、輔助工程、輔助制造)技術，利用計算機強大的計算和圖形功能輔助模具設計，提高設計精度和設計的可靠性，設計合理的模具結構及合理的澆注系統。在CAD 系統處理后，設計信息送入CAE系統，進行壓鑄過程數值仿真，優化模具設計，探索最佳工藝參數，實現金屬液合理的充型狀態和模具的熱平衡。最后由CAM系統直接利用經過優化的設計信息生成NC 程序，以驅動數控機床快速而高質量地完成模具制造，提高產品的研制和開發能力。現在，借助計算機輔助設計系統，個別企業已經能夠達到2-3 天內提交壓鑄件首件樣品的速度。
一套完整的壓鑄模CAD/CAE/CAM 軟件系統，主要有以下分系統，以實現需要的功能：
1) CAD 軟件系統。
2) 壓鑄工藝知識庫。
3) 模具系列及部分標準件的參數庫。
4) CAE 軟件系統。
5) 初始條件、邊界條件和材料物理特性等的數據庫。
6) CAM加工編程軟件系統
7) 模具加工工藝知識庫。
8) 產品生命周期管理系統(PLM)。
隨著CAD/CAE/CAM 軟件系統的發展，已經有各種成熟的商品化軟件供選用，一般的商品化CAD 軟件能夠實現三維設計、物體質量特性計算、機構運動仿真、二維三維圖形轉換以及數控加工編程等功能。有專用的鑄造CAE 軟件，進行凝固模擬、流動、溫度。
CAE 系統軟件
一、系統組成
目前，國際上壓鑄過程CAE 軟件系統主要由以下幾部分程序組成：模具與壓鑄件的溫度場數值模擬程序;壓鑄模型腔的金屬充填過程流場與溫度場數值模擬;模具與壓鑄件充型與冷卻過程應力場數值模擬等。
目前模具與壓鑄件的溫度場數值模擬已有一批商品化軟件包投入使用，表11-1 列出了目前投入使用的部分凝固模擬軟件，這些軟件主要用于分析模具溫度分布和鑄件凝固過程，以優化模具的設計(主要是冷卻系統)和工藝參數的設計。
以ADSTEFAN 軟件為例，軟件功能主要特點是：
1)操作方便。
前處理輸入CAD 數據進行網格劃分和檢查可在較短時間內完成，澆注系統在網格劃分時可作修改，分析條件的設定用菜單選擇的方式很容易完成。
2) 計算速度快網格劃分算法經過優化，支持并行計算，計算速度和效率高。
3) 計算精度高。內存使用優化進行大規模的解析，可以計算到1 億個網格，計算精度高。
4) 后處理分析功能強。面向鑄造實際工藝分析的需要，可以選擇各種方式輸出和圖形形象化表示計算結果，幫助鑄造工程師預測鑄造缺陷。
二、壓鑄過程數值模擬原理
壓鑄過程數值模擬是一項集三維實體建模、實體網格剖分(前處理)、溫度場計算、流場計算、三維數據
可視化(后處理)為一體的綜合技術。
1. 三維實體建模
三維實體建模是數值模擬中基本的也是重要的
組成部分，是用計算機可識別的方式描述工件、工藝裝備等信息(如鑄件和模具)。現在三維實體造型主要是利用CAD 軟件實現，通過標準數據交換文件讀入到壓鑄CAE 系統。常用標準數據交換格式通常有以下3 種：IGES，STL，STEP。數值模擬采用最多的是STL數據交換格式。
2. 前處理
前處理的任務是為數值模擬準備一個初始的環境及對象。前處理模塊是材料成形過程數值模擬系統的重要組成部分，是對材料成形過程進行準確模擬、分析的前提和基礎，其性能的好壞直接影響到整個系統的實用性及計算的準確性。前處理要對三維實體模型進行網格剖分，為模擬計算提供初始數據。自動剖分網格是分析的關鍵技術，它是材料成形過程數值模擬的前提，也是數值模擬分析的重要組成部分。在幾何形狀復雜或非線性的情況下，有限差分法是求解數學物理偏微分方程的強有力手段。
3. 壓鑄過程溫度場的數學模型
(1)壓鑄過程的傳熱特點
壓鑄生產過程是由一系列周期性操作組成，生產一個壓鑄件所占用的時間稱為一個壓鑄循環周期。以臥式冷室壓鑄機為例，可將一個壓鑄循環周期分成合模等待階段、澆注、壓射、充型、保壓凝固、抽芯與開模、頂出鑄件、噴涂冷卻、合模8 個操作階段。
在這些操作階段中，模具不斷地被加熱和冷卻，尤其是模具的型腔表面承受著急冷急熱。如圖11-3所示為模具型腔表面某點溫度在壓鑄生產一個循環中的變化情況。由圖可以看出，模具表面在極短的充型過程中升至很高的溫度，這是由于液態金屬在短時間內冷卻凝固，將熱量傳遞給型腔表面層;在凝固以后，熱量由型腔表面往模具內部擴散，使型腔表面溫度下降;而開模以后，由于型腔表面與空氣對流換熱加速熱流的散失;在噴涂過程中，型腔表面大量的熱量散失掉，使表面溫度急劇下降至最低點;而合模及合模以后，由于模具內部熱量往型腔表面層擴散，使表面溫度有所回升。
(2)模具的熱平衡從壓鑄生產整個過程來看，壓鑄模由于充型以后與高溫金屬液接觸而獲得熱量，而在以后各個操作循環中及時排出，使模具處于一種穩定的熱平衡狀態，即單位時間輸入系統的熱量= 單位時間輸出系統的熱量。
在壓鑄過程中，模具起著熱交換器和蓄熱器的功能，模具不斷向周圍環境散熱，同時又吸收合金液傳給的熱量。壓鑄過程中，金屬液的熱量QM大部分通過冷卻管道傳遞給冷。
①金屬液傳遞給模具的熱量QM在一個壓鑄周期中, 從熔體傳遞給型腔壁的熱量為
式中，MX 為金屬液質量(kg);Cp 為合金比熱(J/(kg·K));TI 為金屬液壓射時的溫度(K);TE為鑄件頂出時的溫度(K);LH為結晶潛熱(J/kg)。
②模具與周圍環境的熱交換
式中，h1為熱交換系數(J/(m2·s·K));T 為模溫(K);TG為空氣溫度(K);A 為模具表面積(m2) ;τ 為散熱時間( s)。
③模具與冷卻介質之間的熱交換QH 使用冷卻介質的目的是為了在模具中達到熱平衡，并保持模具中所需的溫度場不變。
式中，h2為模具與冷卻液之間的熱交換系數(J/(m2·s·K));TL為冷卻液溫度(K)。
壓鑄展-鑄造展-2015第十六屆廣州國際壓鑄、鑄造及工業爐展覽會-中國最受關注的壓鑄鑄造展會-巨浪展覽-The 16th
Guangzhou Die-casting, Foundry & Industry Furnace Exhibition
|
