接下來分享一篇利用補償技術，解決變形問題的文章。本文曾經在《中國壓鑄》雜志上發表。

基于自動迭代法的鑄件變形補償技術的開發與應用

摘要：鑄件變形是壓鑄生產中經常遇到且難以解決的主要缺陷之一。傳統的人工矯形方法存在效率低、工作量大、工作環境惡劣的問題。本文通過介紹Cast-Designer最新開發的的變形補償求解器DCS（Distortion Compensation Solver），利用計算機自動迭代優化計算技術，提前預測出鑄件變形量并尋找符合公差要求的鑄件產品，有效降低零件的變形量，產品100%滿足機加工要求。完全取代人工矯形方法。

壓鑄作為一種先進的成形制造技術，具有尺寸精度高、力學性能好、生產效率高的優點，在汽車鋁合金和鋁鎂合金零部件的生產中擁有強大的技術和經濟優勢。但是基于各種原因，許多壓鑄鋁合金部件在最初的結構設計時很少考慮鑄造工藝性，其結構復雜、壁厚差異大、精度要求高，給壓鑄技術開發及生產帶來了很大的挑戰。其中變形缺陷是復雜壓鑄件在生產中常見的且不易控制的難題之一。

造成鑄件變形缺陷的原因有很多方面，如鑄件結構設計不當；鑄件頂出不平衡；模具溫度不平衡等。變形缺陷對鑄件質量的影響主要表現在以下幾個方面：1）影響鑄件的尺寸精度；2）影響后續的機加工，變形量過大可能導致鑄件有些面加工過深，有些面加工不到。3）對于加工過深的部位，由于壓鑄件表面致密層被去掉而使鑄件內部的孔洞缺陷（如氣孔、縮松等）外露，影響到鑄件外觀及密封性能（針對有密封要求的零件）。

鑄件變形的傳統消除對策與挑戰

方法一：工藝參數調整：實際生產中，在不改變產品結構的情況下，通過模具設計、噴涂、壓鑄工藝參數的調整等方法，盡可能控制鑄件的變形量在技術要求范圍之內。這種方法，往往不能完全獲得變形量在規定值范圍內的壓鑄毛坯件。且存在加工穩定性的問題。

方法二：增加鑄件的加工余量：對于需要機加工的零件而言，則是增加鑄件的加工余量，保證鑄件在機加工后能達到規定的尺寸精度。對于該方法而言，其帶來的后果是顯而易見的。增加加工余量，相當于增加了鑄件壁厚，壓鑄時鑄件內部缺陷如氣孔、縮松出現的幾率增加；同時鑄件機加工后孔洞缺陷外露的概率也增加。因此增大加工余量對于解決壓鑄件的變形而言，是一個適得其反的措施。

方法三：人工矯形方法：，對于超過變形極限的鑄件，通常采取矯形的方法進行尺寸校正。傳統的人工矯形方法是待鑄件冷卻，去除澆道、溢流槽及飛邊毛刺后，利用木刀、木錘、木凳等工具敲打鑄件，強制減小鑄件的變形程度。此方法效率低、工作量大、噪音大、效果差，并且產品在敲打（矯形）過程中易出現裂紋；易反彈，在實際生產中越來越受到限制。

方法四：熱矯形技術：在機加工前進行矯形，使鑄件降低到規定的變形量以下，以保證所有機加工面有足夠的加工余量。壓鑄件熱矯形的工作原理是利用鑄件剛出模時溫度較高（200℃左右）、塑性較好的特點，通過機器及矯形模具對其強制加壓，以降低變形量。另外，考慮到矯形后鑄件從高溫冷卻到室溫的過程中很容易出現反彈，所以熱矯形的同時需對鑄件強制冷卻。熱矯形基數的局限性：1）熱矯形技術比較適合于對產品平面度有要求的壓鑄件矯形，而對于鑄件內腔尺寸的變化，目前暫時還沒有取得好的效果。2）熱矯形技術只能解決平面度變化在2mm 以下的變形量。3）熱矯形技術需要投入專用的熱矯形機器及模具，一般投入達到10 萬元甚至更高，對于量小的產品或人力成本低的地區并不適用；4）由于熱矯形過程中需要水冷，因此在低溫潮濕天氣條件下，產品表面容易出現發霉的現象。

準確的鑄造應力與變形模擬（熱應力與機械應力）

在進行變形補償計算之前，首先要獲得準確的應力與變形計算結果。鑄件在澆注過程中，液態金屬在凝固和冷卻過程中產生的熱應力對鑄件的變形影響是非常大的。熱應力使冷卻較慢的厚壁處受拉伸，冷卻較快的薄壁處或表面受壓縮，鑄件的壁厚差別越大，合金的線收縮率或彈性模量越大，熱應力越大。定向凝固時，由于鑄件各部分冷卻速度不一致，產生的熱應力較大，鑄件就容易出現變形。

在鑄造過程中，應力通常包含熱應力，機械應力和相變應力。對與鋁合金或鋁鎂合金，前兩種應力占據的比分最大。

Cast-Designer的應力模塊能分析鑄造過程中的熱應力與機械應力，及相應的應力變形。熱應力體現在凝固和冷卻過程中的傳熱與熱分布，而機械應力則表現為開合模過程中模具的約束與后續的幾何約束。Cast-Designer 的應力計算可采用多種材料模型，如剛性材料、彈性材料、彈塑性材料和更復雜的彈粘塑性材料模型。在塑性材料模型中，還可以考慮加工硬化。

基于有限元法技術，Cast-Designer能夠在同一個網格模型中，進行熱、流動、應力的三場全耦合分析，從而獲得更高準確度的計算結果。由于同時考慮了熱應力和機械應力的影響，對模具的約束與脫模的影響都能完整分析。

以下是某汽車鑄件，產品尺寸為438 X350 X 145 mm，平均壁厚3.5 mm。由于產品左側結構簡單，且壁厚比較薄而右側結構復雜、產品壁厚較大，產品在凝固過程中，極容易產生變形。因此為保證產品加工后氣孔不外露，產品大面的加工余量預留0.8mm。

圖一：實際測量的尺寸偏差

如圖一，試驗按不同批次隨機抽取6件，在未經過任何矯形的情況下，鑄件平面度差值達到0.8mm，變形量非常大。在應力計算中，考慮了多個物理過程。模具打開時間為22~25秒，同時鑄件頂出。此時，鑄件平均溫度約為400度，然后在冷卻水中激冷。在59.3秒，鑄件自然冷卻至室溫（30度）。如圖二，為等效應力隨時間變化云圖，可明顯觀察到有應力釋放的過程。

圖二，等效應力隨時間變化云圖

對2號、3號和4號鑄件的平面度進行分析并與模擬結果進行比對，如圖三。紅色為2號測試件的平面度測量結果（分別對應22個測量點），綠色為3號測試件的平面度測量結果，紫色為4號測試件的平面度測量結果，淺藍線為模擬的結果。

圖三，零件平面度分析（模擬結果與實際測量結果比較）

變形補償求解器的原理與概念

在模具設計與制造過程中，型腔都會考慮鑄件凝固過程中的收縮而設置一定的補縮量，或稱為“縮水”，但有些情況下，簡單地整體放大縮水并不合適，后加工量將大大增加。例如，立方形的復雜缸體，鑄造后容易產生一個面往外凸，另外一個面往外凹的變形，并非整體收縮變形。又如，幾何結構細長，同時存在薄壁、筋多、特征復雜的鑄件，會產生扭曲變形，并非整體收縮。

針對這些情況，Cast-Designer的變形補償功能，將“被動”預測變形的方式，徹底地改變為“主動”補償變形的方式。把變形后的鑄件，往反方向補償一定比例的修正尺寸。通過多次自動的迭代計算，讓鑄件在變形后，接近實際需求的尺寸精度，減少后加工量。如圖四所示：

圖四，反方向補償一定比例的修正尺寸，讓鑄件在變形后，接近需求的尺寸精度

為了修正鑄造過程中鑄件的變形和扭曲，在模具設計與制造過程中，通常會考慮采用變形逆向補償的方法，但是，對于幾何復雜的鑄件，該方法需要豐富的經驗，且具有很高的風險。

有鑒于此，Cast-Designer開發出全新的變形補償求解器DCS ( Distortion Compensation Solver)。借助于DCS，用戶能模擬鑄造中的變形情況，并根據用戶定義的公差要求，通過多次自動迭代的方法，逐步實現對鑄件變形進行補償，最終獲得滿意的接近公差要求的鑄造產品。

變形補償的關鍵技術：準確的應力變形分析

  如前所述，準確的應力計算與鑄件變形預測是補償技術的基礎。對于高壓鑄造，熱應力和機械應力都必須進行考慮。而且由于零件形狀的復雜性與最終產品的精度要求，有限元方法是目前唯一能接受的分析方法。

  在分析中，還可以考慮模具的熱平衡和冷卻水道等對鑄造產品變形造成的影響，因此應力分析的模型應該盡可能的準確和細致。

變形補償的關鍵技術：自動鑄件與模具幾何修改

  變形補償的計算通常采用迭代的方法，在獲得上次變形和扭曲的基礎上根據補償系數調整下一次的補償量，進而對網格座標進行修正。修正網格時，同樣要采取多次迭代的方法，以保證網格的質量和連續性。同時與鑄件接觸的模具網格座標也要進行修正。由于模具的幾何形狀非常復雜，進行網格修正時必須考慮網格穿插或畸變等因素。

變形補償的關鍵技術：迭代幾何輸出與CAD修改

最終補償獲得的鑄件幾何需要輸出到CAD系統中進行相應的修改，最理想的方法是直接驅動CAD模型的修改，但這樣做的困難是顯而易見的，而且每個CAD系統都不一樣。

在DCS中，用戶定義一些重要的特征點，程序將自動迭代并尋找出符合公差要求的最佳形狀。最后，能將用戶定義的特征點的數據形成報告，并反饋給三維CAD系統。報告的信息包括每個點的調整量與最終幾何偏差等。

變形補償結果

  如圖五所示，白色為原始鑄件（目標尺寸），彩色云圖表示變形后的鑄件。第一次迭代后，變形量嚴重超差，達到0.8mm以上，產品平面度要求為0.5mm。經過四次的自動迭代計算，最后，產品在冷卻到室溫后，平面度可保持在0.05~0.15之間，產品100%滿足直接供給機加工生產的要求。

圖五，四次迭代結果

結論與建議

采用計算機模擬和自動迭代補償的方法能有效地解決鑄造變形和扭曲的問題。利用該方法，對于通信類的散熱器、蓋板和汽車零件等容易收縮變形的鑄件有良好的效果。而對于訂單量大、產品有大平面結構并有平面度要求的汽車類零部件如鏈條蓋、油底殼，電動車的電器蓋等鑄件的生產，應用變形補償技術，可提高效率，降低人力成本。