MAGMA技術(shù)連載（二）使用自主設(shè)計在壓鑄中的創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計和穩(wěn)健工藝布局

Dr.-Ing. Horst Bramann, M.Sc. Laura Leineweber, Dr.-Ing. Jörg C. Sturm, MAGMA Gießereitechnologie GmbH, Aachen, Germany

Abstract
摘要

Innovative automotive lightweight designs lead to a higher demand for the product and process development of die cast components. This is attributed to shorter and shorter product development cycles as well as the rising functional integration and complexity of structural die cast parts. The main objectives of the technically complex processes and tools in aluminum and magnesium die casting are cost and resource efficiency along with the robust fulfillment of the defined high-class requirements of the casting. In this context, casting process simulation is a well-established tool used to support tool design, part design as well as process development.

創(chuàng)新的汽車輕量化設(shè)計對壓鑄件的產(chǎn)品和工藝開發(fā)提出了更高的要求。這是由于產(chǎn)品開發(fā)周期越來越短，以及壓鑄結(jié)構(gòu)件的功能集成和復(fù)雜性不斷提高。鋁合金和鎂合金壓鑄的復(fù)雜工藝技術(shù)和模具的主要目標(biāo)是提高成本和資源效益，并嚴(yán)格滿足鑄件的高標(biāo)準(zhǔn)要求。在該背景下，鑄造工藝模擬是一種成熟的工具，用于支持模具設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計以及工藝開發(fā)。

本文以一個壓鑄結(jié)構(gòu)件為例，展示了MAGMASOFT ® 5.4自主設(shè)計的新方法如何滿足壓鑄的以下需求：

-更快地開發(fā)產(chǎn)品和工藝，

-在質(zhì)量、產(chǎn)量和成本方面的最佳工藝和模具設(shè)計，以及

-穩(wěn)健的工藝布局，比以往更佳的最大化質(zhì)量再現(xiàn)性。

壓室對氣孔的影響

卷氣或逸出氣體造成的氣孔是報廢的常見原因。尤其是在熱處理過程中，這些缺陷直接導(dǎo)致報廢，并對焊接性和鉚接能力等連接技術(shù)的鑄造要求產(chǎn)生負面影響。此外，通常較大且薄壁的結(jié)構(gòu)件在充型過程中易于導(dǎo)致熔體顯著的溫度損失。這導(dǎo)致了錯誤流態(tài)，例如流痕和表面缺陷，甚至是鑄件的關(guān)鍵連接區(qū)域出現(xiàn)不可接受的冷隔。

因此，在工藝開發(fā)和鑄件設(shè)計的范圍內(nèi)，目標(biāo)應(yīng)是模具的最佳充型，同時避免鑄造系統(tǒng)中的卷氣和過高的溫度損失。目前，對這些潛在風(fēng)險的分析和識別通常是在只考慮料餅的適當(dāng)簡化模型下進行的。避免上述風(fēng)險的一個特殊可能性是壓射室中沖頭運動第一階段的工藝條件的相應(yīng)定義，參見圖4。不便利的工藝條件會立即導(dǎo)致壓射室中的卷氣。通過沖頭的進一步運動，然后這些卷氣不受控制地被輸送到鑄件中。

下面的例子展示了通過使用MAGMASOFT 5.4自主設(shè)計的新方法，對倒料和壓射曲線進行的系統(tǒng)分析和優(yōu)化，參見圖5。虛擬分析有兩個目標(biāo)：

1.避免配料過程和沖頭運動第一階段中的卷氣

2.防止壓射室中金屬液顯著的溫度損失。

為此，第一階段的沖頭速度以0.1m/s的速率從恒定的0.1m/s變化到0.4m/s；同時，配料過程后的等待時間以1秒的間隔在1秒鐘到5秒鐘之間變化。評價虛擬試驗設(shè)計的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)/輸出變量包括充型結(jié)束時壓射室中熔體的平均溫度和壓射室中的卷氣。在一些情況下，由于任務(wù)的復(fù)雜性，基于3D結(jié)果對壓射室中潛在的卷氣進行評估。

模擬模型的有效簡化在執(zhí)行系統(tǒng)虛擬工藝分析時起著至關(guān)重要的作用。在當(dāng)前的案例中，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)零件以及內(nèi)澆口和排氣系統(tǒng)由相同體積的簡化幾何結(jié)構(gòu)所取代。對于本例中的虛擬實驗設(shè)計，僅計算模具充型而不計算模具預(yù)熱循環(huán)。MAGMASOFT ® 5.4支持方法虛擬統(tǒng)計分析的執(zhí)行，從單模擬到虛擬實驗設(shè)計（DoE），再到利用遺傳算法的自主優(yōu)化。按照試驗的全因子設(shè)計，對由自由度產(chǎn)生的虛擬DoE的20個試驗進行計算。

       圖6示出了恒定沖頭速度從0.1到0.3m/s的試驗設(shè)計的一些組合的不同穩(wěn)料時間比較。由于過渡到壓射室的橫澆道系統(tǒng)過早關(guān)閉，金屬液在壓射室中的穩(wěn)料時間導(dǎo)致壓射室中不同的潛在卷氣風(fēng)險。2秒的穩(wěn)料時間和0.2m/s的沖頭速度可使流動前沿連續(xù)排出空氣，從而防止壓射室中產(chǎn)生卷氣?；旧?，顯而易見的是，對于每個沖頭速度都有對應(yīng)其合適的穩(wěn)料時間，可使壓射室中產(chǎn)生可接受的充填曲線。但是，隨著沖頭速度的提高，卷氣風(fēng)險趨于上升。

       相關(guān)矩陣可定量評估澆注速度和穩(wěn)料時間對壓射室中金屬液溫度損失的影響，參見圖7。正如預(yù)期的那樣，評估揭示了兩個不同的過程變量和金屬液平均溫度之間的相關(guān)性。在最快的參數(shù)組合（0.4m/s的沖頭速度，1s的穩(wěn)料時間）和最慢的參數(shù)組合（0.1m/s的沖頭運動，5s的穩(wěn)料時間）之間，壓射室中熔體的溫差為55 ℃。對于700 ℃的給料溫度，在模具充型結(jié)束前，壓射室中的溫度損失至少為66 ℃。這對應(yīng)于最短的等待時間和最高的沖頭速度

       在考慮到預(yù)期目標(biāo)時，最佳折衷方案是等待時間為2s，沖頭速度為0.2m/s。對于更復(fù)雜的鑄造幾何形狀，使用完整的模型來分析這些參數(shù)，參見圖8。將結(jié)果與初始變量進行比較。優(yōu)化的工藝條件示出了空氣從壓射室通過空腔的均勻輸送。在模具充型結(jié)束前，壓射室中的溫度損失大約為90 ℃。

圖9比較了優(yōu)化的工藝條件與沒有壓射室的簡化模擬模型。兩種模型的充型操作幾乎相同，這證實了沒有壓射室的簡略（簡化）模擬模型同樣適用于鑄造系統(tǒng)的上游開發(fā)過程。如果需要，可以擴展模擬模型，以用于對壓射室中的過程進行詳細分析或過程優(yōu)化。

對于鑄造節(jié)點來說，精確的給料過程對于所有相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的重要性是顯而易見的。造成這種情況的原因是壓射曲線隨著給料量的變化而變化。過小的給料量會將整個壓射曲線（加速開始到第二階段和減速點）移至更早的時間，導(dǎo)致減速點從充型結(jié)束轉(zhuǎn)移到鑄造腔中。其結(jié)果是充型時間顯著增加，同時也存在流痕和冷隔的相應(yīng)風(fēng)險。過大的給料量將不可避免地導(dǎo)致壓射曲線移至更晚的時間。在最壞的情況下，這將導(dǎo)致編程的減速變得無效，并增加毛邊的風(fēng)險。

工藝變化的系統(tǒng)虛擬分析允許在鑄造第一個零件之前就能生成真實的工藝知識。當(dāng)然，全面的虛擬工藝分析比單獨的模擬運行需要更長的時間。但是，在生產(chǎn)現(xiàn)場進行這樣的分析是不可行的，或者沒有經(jīng)濟意義。獲得的知識支持穩(wěn)健工藝的布局，并確保順利生產(chǎn)。

總結(jié)

在高壓壓鑄中，MAGMASOFT的方法虛擬試驗或自主是一種突破性的方法，該方法通過透明和定量的工藝知識，實現(xiàn)模具和生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和穩(wěn)健布局。除確定可靠的技術(shù)解決方案之外，這種新方法還提供了質(zhì)量和盈利能力之間的最佳折衷方案，這是壓鑄機一直追求的目標(biāo)。因此，即使在計劃階段的早期，對于復(fù)雜的任務(wù)，也有可能生成關(guān)于鑄件生產(chǎn)參數(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之間相關(guān)性的系統(tǒng)知識，而且?guī)缀鯖]有經(jīng)濟或生產(chǎn)風(fēng)險。

早期的安全決策支持產(chǎn)品開發(fā)人員和模具鑄造人員設(shè)計穩(wěn)健、經(jīng)濟有效和資源高效的產(chǎn)品和工藝。在規(guī)劃階段的早期應(yīng)用此類虛擬生成的知識是CAE開發(fā)過程的基礎(chǔ)，在該過程中，設(shè)計者和模具鑄造者同時對部件和鑄造工藝進行優(yōu)化。