本文描述了模擬金屬液通過薄壁截面時(shí)，由于冷卻和高背壓導(dǎo)致的金屬液停止流動(dòng)，活塞不能推動(dòng)金屬液通過這些區(qū)域?？刂企w積法這種新技術(shù)允許幾乎任何設(shè)計(jì)的幾何形狀進(jìn)行網(wǎng)格劃分。利用該仿真技術(shù)可以在非常合理的時(shí)間內(nèi)再現(xiàn)鑄件生產(chǎn)過程。

關(guān)鍵模擬技術(shù)：

 使用體積分?jǐn)?shù)精確定義幾何模型（CVM-控制體積法）

 結(jié)構(gòu)化有限差分網(wǎng)格（FDM-有限差分法）

 使用體數(shù)分?jǐn)?shù)和N-S方程模擬液體流動(dòng)

 模具表面粗糙度

 氣體計(jì)算

有限差分法

控制體積法

上圖中，使用相同的網(wǎng)格數(shù)量劃分同一薄壁壓鑄件，如果采用不同的方法，結(jié)果截然不同。采用有限差分法，由于網(wǎng)格數(shù)量太少，導(dǎo)致幾何完全失真。使用控制體積法即使網(wǎng)格數(shù)量較少，但仍然能夠通過體積分?jǐn)?shù)來精確表達(dá)。

控制體積法網(wǎng)格

圖中是采用控制體積法劃分網(wǎng)格的截面圖中可以看出，青色部分為鑄件金屬液部分，薄壁處網(wǎng)格數(shù)量即使不足一層單元，仍然能夠滿足計(jì)算要求。

計(jì)算效率對(duì)比

NOVACAST早期版本同大多數(shù)鑄造仿真軟件一樣使用的是有限差分法，通過NFS團(tuán)隊(duì)不斷的研究探索，重新開發(fā)軟件后核心技術(shù)改用控制體積法，新的算法不但精度高，而且計(jì)算效率相對(duì)于有限差分法提高了5~10倍以上，大大縮短了工藝人員計(jì)算機(jī)試模的時(shí)間。因此，如論是從模擬精度還是計(jì)算效率上，NOVACAST為實(shí)現(xiàn)又細(xì)又長(zhǎng)的排氣孔模擬驗(yàn)證工作提供可靠的仿真工具

對(duì)于鑄件和排氣孔模擬問題，需要以下詳細(xì)的信息：

   哪些模具需要添加排氣系統(tǒng)；

   排氣孔的位置

   排氣孔的尺寸

   排氣孔位置的冷卻

   冷鐵的材料

   帶冷鐵塊的排氣系統(tǒng)深入研究后得到的模擬結(jié)果如下：

   冷鐵塊的冷卻影響

   金屬液流入排氣孔和空氣排出

   幾何背壓

   氣體背壓

   通過薄壁截面時(shí)的金屬液填充和流動(dòng)

   活塞在充填結(jié)束時(shí)由于填充面積減少而減速

案例一：

某鋁合金高壓鑄件澆鑄系統(tǒng)如上圖所示，需要驗(yàn)證其排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。模擬設(shè)置及工藝參數(shù)如下：

l  網(wǎng)格數(shù)量：120萬

l  鑄件材料：EN AC 46000（澆鑄溫度680℃）

l  模具材料：奧瓦兒（瑞典）產(chǎn)模具鋼（預(yù)熱溫度220℃）

l  冷鐵：鈹銅（初始溫度100℃）

l  壓射速率：第一階段=0.4米每秒；第二階段=2.5米每秒

l  計(jì)算時(shí)間：完整的金屬液充填流動(dòng)和熱平衡過程共花費(fèi)40分鐘

l  計(jì)算機(jī)：四核8G內(nèi)存臺(tái)式機(jī)

l  軟件信息：NovaFlow & Solid CV 4.3r6（截至2017年底最新版本為6.3r3）

模擬結(jié)果如下圖所示金屬液充填過程的速率場(chǎng)，為了方便研究壓鑄模具結(jié)構(gòu)的排氣系統(tǒng)，主要觀察金屬液充滿型腔的后半段?？梢郧宄目吹浇饘僮詈蟪錆M排氣槽，以及充滿型腔時(shí)金屬液的流動(dòng)速率，由于幾何背壓導(dǎo)致的部分位置流動(dòng)速率發(fā)生變化，排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

型腔填充率60%

型腔填充率70%

型腔填充率80%

型腔填充率90%

型腔填充率99.5%

充填完成時(shí)金屬液分布及溫度場(chǎng)

生產(chǎn)實(shí)物

通過最終的模擬結(jié)果與實(shí)物對(duì)比可以看出，在排氣槽中金屬液的充滿狀態(tài)模擬與實(shí)物高度吻合，模擬計(jì)算精度相當(dāng)高。

案例二：

某鋁合金高壓薄壁鑄件，鑄件外型輪廓尺寸900×700×185mm，質(zhì)量4.4kg，如上圖所示，同樣對(duì)其排氣系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。模擬設(shè)置及工藝參數(shù)如下所示：

l 網(wǎng)格數(shù)量：135萬

l 最薄的截面：排氣孔0.5mm，鑄件1.5mm

l 鑄件材料：EN AC 46000（澆鑄溫度660℃）

l 模具材料：奧瓦兒（瑞典）產(chǎn)模具鋼（預(yù)熱溫度220℃）

l 冷鐵：無

l 壓射速率：第一階段=0.5米每秒；第二階段=5米每秒

l 計(jì)算時(shí)間：完整的金屬液充填流動(dòng)和熱平衡過程共花費(fèi)40分鐘

l 計(jì)算機(jī)：四核8G內(nèi)存臺(tái)式機(jī)

l 軟件信息：NovaFlow & Solid CV 4.3r6（截至2017年底最新版本為6.3r3）

模擬計(jì)算結(jié)果如下圖所示，不同充填階段的速率場(chǎng)分布，觀察分析后確認(rèn)當(dāng)前排氣設(shè)計(jì)合理，并且可以看到由于氣體背壓導(dǎo)致的部分截面流動(dòng)速率發(fā)生變化。

型腔填充率60%

型腔填充率70%

型腔填充率80%

型腔填充率85%

型腔填充率90%

型腔填充率95%

型腔填充率99.5%

完全充滿時(shí)的液相體積分?jǐn)?shù)

通過當(dāng)前案例再次驗(yàn)證了NOVACAST軟件CVM控制體積法具有最快的計(jì)算效速度和最高的計(jì)算精度，很好的驗(yàn)證了排氣系統(tǒng)在壓鑄模具中是否發(fā)揮作用。

結(jié)論

√ 帶冷鐵塊的排氣系統(tǒng)中填充和凝固模擬是可以實(shí)現(xiàn)的

 √ 在新的模擬技術(shù)下，計(jì)算時(shí)間是合理可接受的

 √ CVM控制體積法能夠模擬金屬液通過不足一層單元的截面

 √ 軟件可模擬由于幾何和氣體背壓導(dǎo)致的活塞速度降低

 √ 網(wǎng)格自動(dòng)劃分較快，模擬前處理設(shè)置時(shí)間短

來源：安世工仿