引言
近年在華南地區(qū)流行生產(chǎn)鎂壓鑄件的本港廠商,可以引用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)解決模具
設(shè)計(jì)上的棘手問題.鎂壓鑄件質(zhì)輕耐用的特點(diǎn),成為3C產(chǎn)品外殼的首選物料.3C產(chǎn)品
外型復(fù)雜而且纖薄,是制模技術(shù)上的一大挑戰(zhàn).本港廠商若要打開這個高增值的市場,
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)設(shè)備是不可或缺的工具.
在目前多種解決薄壁鎂壓鑄件的方案中,計(jì)算機(jī)仿真投扮演重要的角色.限制薄壁
成型的技術(shù)因素眾多,包括產(chǎn)生冷隔,氧化層部位及困氣位置等.從前上述問題必須經(jīng)
過重復(fù)試模辦法方可解決,所以工程師可能需要花上六個星期的時間去改進(jìn)試產(chǎn)模具的
內(nèi)澆口,橫澆道和排氣系統(tǒng),甚至不知道需要經(jīng)過多少次的改動,才能穩(wěn)定地生產(chǎn)高質(zhì)
量的零件.
德國Laichingen的Werkzeugbau Schaufler壓鑄模具制造商為解決鎂壓鑄的缺陷問題,
采用計(jì)算流體動力學(xué)( CFD)軟件,在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行多種的壓鑄仿真,從中挑選最好的
模具設(shè)計(jì)方案.計(jì)算機(jī)仿真可以迅速且精確地計(jì)算設(shè)計(jì)方案,提供壓鑄模具型腔內(nèi)部特
定條件下的詳細(xì)資料.采用這種方法,Werkzeugbau Schaufler近年成功生產(chǎn)五十多種高
質(zhì)量的薄壁鎂鑄件.
Schaufler專門從事鋁和鎂壓鑄件的模具制造,其設(shè)備占地超過五萬平方英尺;可提
供重達(dá)35噸的傳動及離合器機(jī)架,機(jī)體結(jié)構(gòu)件和進(jìn)氣歧管的模具.該公司最近成立技
術(shù)中心,以滿足客戶縮短開發(fā)時間的要求,并減少用砂型鑄造模型,改為用壓鑄件原型.
其Lajchingen壓鑄中心(DCL)的特色,在于擁有一組以2700噸鎖模力壓鑄機(jī)為基礎(chǔ)的
自動壓鑄單元 — Buhler SC 270N,當(dāng)中還包括鋁及鎂合金熔爐,半固態(tài)壓鑄(SSM)金
屬塊加熱站,ABB噴涂料和取件機(jī)器人,冷卻池及加工中心.
制造薄壁鎂壓鑄件充滿挑戰(zhàn)
在過去數(shù)年,Schaufler和其它壓鑄模具制造商因應(yīng)汽車生產(chǎn)商的要求,制造薄壁壓
鑄件的模具,從而降低汽車重量.其中令人最感興趣的是結(jié)合減輕重量及改善性能兩項(xiàng)
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優(yōu)點(diǎn)的薄壁鎂合金進(jìn)氣歧管.但是,鑄造這些零件并不容易,鎂的比熱容較小,比鋁還
要小,換言之鎂冷卻速度非常快,令充型過程存在過早凝固的危險,尤其是目前流行的
1.8至2 mm壁厚壓鑄件而言,這問題顯得更具挑戰(zhàn)性.
為避免過早凝固的問題,從前工程師采用高速
充填,速度經(jīng)常達(dá)到內(nèi)澆口60m/s和薄壁區(qū)域
100m/s以上.不幸的是,高的流動速度會引起
卷氣和漩渦,產(chǎn)生困氣,導(dǎo)致出現(xiàn)氣孔和氧化
夾雜的情形.在一般情況下,這些問題可通過
改變壁厚或在鑄件適當(dāng)?shù)牡胤皆黾恿鲃有诺纴?
克服.然而,所謂適當(dāng)?shù)母淖儾⒉豢梢暂p易判
斷出來.過去,只有試模這種辦法來評估模具
設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)新模或改模的效果;并且生產(chǎn)部份
零件,透過X光確定零件是否存在不能通過汽車商OEM質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部缺陷.
既有的困難和耽擱
這種試模的結(jié)果只能提供少量,甚至不能提供有關(guān)充型過程中臨界流動模型的資
料,工程師不得不依靠直覺和猜測其流動細(xì)節(jié).幸好情況近年有所改變.隨著計(jì)算流體
動力學(xué)(CFD)軟件發(fā)展成熟,工程師可于第一次分析測試,便能精確地仿真壓鑄的高
速流動過程.計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)通過將流動區(qū)域分解為數(shù)十萬個的計(jì)算網(wǎng)格單元,
根據(jù)流體力學(xué)和傳熱學(xué)方程,求解最終結(jié)果.
經(jīng)過適當(dāng)?shù)尿?yàn)證,CFD分析讓工程師'觀察'模具內(nèi)部的壓鑄過程,并能及時確定
模具型腔中,流體前沿的精確位置及金屬液任何一點(diǎn)的溫度和壓力.模具的幾何模型可
以在計(jì)算機(jī)上快速改變,并重新分析來確定改變的效果.
為壓鑄而設(shè)計(jì)的CFD軟件
Schaufler公司的工序工程師Rolf Krack在仿真分析上采用一套名為 Flow-3D的CFD
軟件. Flow-3D由位于新墨西哥洲Los Alamos的Flow Science Inc.開發(fā)的,改進(jìn)壓鑄仿真
效果的一些重要設(shè)計(jì)特征.
Flow-3D首先利用流體體積(VOF)
法去預(yù)報自由表面流體的運(yùn)動,表面張
力和其它復(fù)雜流動.此方法是進(jìn)行準(zhǔn)確
壓鑄仿真的一項(xiàng)先決條件,讓工程師精
確追蹤模具型腔內(nèi)流動前沿的快速運(yùn)
動.事實(shí)上, Flow-3D提供的算法可以
仿真液體 接口急速的任意變形,它應(yīng)用
了正確的標(biāo)準(zhǔn)和切向應(yīng)力邊界條件,讓
Flow-3D擁有獨(dú)特的準(zhǔn)確性.
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有了 Flow-3D的幫助,模具設(shè)計(jì)師可以容易地發(fā)現(xiàn)會導(dǎo)致金屬表面多次接觸空氣的
旋渦,及流動過程中的過早凝固現(xiàn)象,亦可以提供更多有關(guān)氣孔和夾雜物的信息.
Flow-3D還具備獨(dú)有的「表面缺陷追蹤」功能,可以確定充型過程各階段氧化及夾雜物
的位置,從而制定溢流槽適當(dāng)?shù)拇笮『臀恢?
Krack表示,他們利用 Flow-3D仿真目前Audi V8 引擎的鎂合金進(jìn)氣歧管,他指出:
「盡早在設(shè)計(jì)的初期開始仿真,可確保以最小的費(fèi)用來解決任何設(shè)計(jì)的變更.例如我首
先以進(jìn)行橫澆道和內(nèi)澆口的流動分析作開始,仿真結(jié)果顯示,由于橫截面的陡峭變化,
形成了一個不合理的卷氣區(qū)域;因此把內(nèi)澆口的設(shè)計(jì)作適當(dāng)?shù)男薷膩砀龁栴},再繼續(xù)
進(jìn)行整個鑄件型腔的充填仿真.這次仿真加入了流動金屬液與模具之間的傳熱計(jì)算和熔
化合金的凝固模型,有助發(fā)現(xiàn)過早凝固區(qū)域.」
'觀察'流體在模具內(nèi)部的情況
借著仿真過程,Krack可以在內(nèi)部觀察熔化金屬充填鑄件型腔的流動.他認(rèn)為關(guān)鍵
之處在于:
(1) 鑄件型腔充填是否連續(xù) 或哪個區(qū)域比其它地方充填慢很多
(2) 有否存在任何困氣
(3) 哪個地方存在卷氣或旋渦
(4) 流動前沿是否連續(xù),或者有否存在脈沖和飛濺
Krack 先生指出:「在第一次仿真
分析時,我發(fā)現(xiàn)很多問題,亦可正
確地看到發(fā)生了什么事;然后嘗試
改變不同的設(shè)計(jì),很快便知道效
果.」Krack 先生續(xù)稱:「擁有洞察
力,我便能想出方法去改正問題.
首先利用流動信道和增加或減少壁
厚去消除旋渦;或把氣孔和夾雜物
排到溢流槽(從而保證鑄件的質(zhì)
量).由于這是使用軟件的初期階
段,我關(guān)注到它的準(zhǔn)確性.我們進(jìn)
行了一系列不同水平的實(shí)際充填試
驗(yàn)并和仿真結(jié)果相對比,證明了軟
件的準(zhǔn)確性,讓我們信心根據(jù)經(jīng)過仿真顯示的設(shè)計(jì)來構(gòu)建原型工具,從而生產(chǎn)優(yōu)良的零
件.」
本文作者為Mr. Michael Barkhudarov,Flow Science Inc. ,