铸造工艺模拟分析软件系统--压铸篇

FLOW-3D铸造工艺模拟分析软件系铸造工艺模拟分析软件系统统美国美国FLow ScienceFLow Science公司北京办事处公司北京办事处 梁晓强梁晓强 010-84771660010-84771660 13910575708 13910575708-压铸篇压铸篇FLOW SCIENCEoGravity castingGravity casting重力铸造重力铸造oPrecision CastingPrecision Casting熔模铸造熔模铸造oLow Pressure CastingLow Pressure Casting低压铸造低压铸造oHigh Pressure Die CastingHigh Pressure Die Casting高压高压铸造铸造oTilt CastingTilt Casting倾斜铸造倾斜铸造oLost foam castingLost foam casting消失模铸造消失模铸造oSqueeze CastingSqueeze Casting挤压铸造挤压铸造oCentrifugal CastingCentrifugal Casting离心铸造离心铸造oContinuous CastingContinuous Casting连续铸造连续铸造oInvestment CastingInvestment CastingoThixocastingThixocastingoSemi-solid Semi-solid 半固态成型半固态成型材料材料 MaterialMaterialoIronIron铸铁铸铁oSteelSteel铸钢铸钢oAluminumAluminum铝合金铝合金oMagnesiumMagnesium镁合金镁合金oCopper/BronzeCopper/Bronze 铜合金等铜合金等可模拟的铸造方式可模拟的铸造方式铸件常见的缺陷问题铸件常见的缺陷问题o缩缩孔：孔：铸铸件在件在凝固过凝固过程中程中因为金属融汤因为金属融汤的的固固化，在化，在铸铸件上（表面件上（表面或者是內部）或者是內部）产产生局部凹陷或空孔生局部凹陷或空孔o合金融合金融汤汤充填不良：充填不良：模穴尚未完全填滿，但是融模穴尚未完全填滿，但是融汤汤已已经经固化固化o冷接冷接纹纹：融融汤汤前緣的前緣的温温度度过过低，在金低，在金属属相接相接时时形成形成痕迹痕迹o裂痕：裂痕：因因为热应为热应力分力分布布不均，使得不均，使得铸铸件在局部件在局部区区域域发发生裂痕生裂痕o气气泡：泡：铸铸件在成形件在成形过过程中，因程中，因为为融融汤汤內內卷气卷气量量过过高，使得高，使得铸铸件局件局部部区区域內域內发发生生气气泡集中的泡集中的现象现象铸件缺陷会造成下列问题铸件缺陷会造成下列问题o铸造属于大量量产方式，在量产过程中一旦发生问题，在短时间内铸造属于大量量产方式，在量产过程中一旦发生问题，在短时间内可能会产生大量不良品可能会产生大量不良品o铸件内的气孔聚集状况在铸件成形，进行热处理的时候，会因为气铸件内的气孔聚集状况在铸件成形，进行热处理的时候，会因为气体膨胀而造成铸件表面鼓出而造成不良体膨胀而造成铸件表面鼓出而造成不良o金属的冷却速度快，薄壁铸件或大型压铸件特别容易发生外观上的金属的冷却速度快，薄壁铸件或大型压铸件特别容易发生外观上的缺陷缺陷o压铸模具虽然可以修改，但是不能无限期的进行修改。另外，模具压铸模具虽然可以修改，但是不能无限期的进行修改。另外，模具修改需要额外的金钱及时间成本，会造成产品的开发成本上升修改需要额外的金钱及时间成本，会造成产品的开发成本上升镁合金压铸引擎进气镁合金压铸引擎进气岐管岐管 产品规格产品规格:-材料：材料：AZ91D;AZ91D;-尺寸尺寸精度精度要求非常高，要求非常高，希望减少后续希望减少后续加工加工 -重量重量减轻减轻，希望提升，希望提升燃油效率燃油效率 -公称公称厚度厚度为为 1.5-2.01.5-2.0mmmmAudi V8 4.2 liter engine.Photo reproduced from AdvancedMaterials&Processes,August 2000.模具最佳化模具最佳化设计设计步骤步骤 I:I:流道流道与浇口设计与浇口设计-进浇速度进浇速度 60 m/sec,60 m/sec,较薄区较薄区域速度域速度达到达到 100 m/sec100 m/sec-减少喷流以及流动分离的状况减少喷流以及流动分离的状况-减少空气与氧化膜混入的机会减少空气与氧化膜混入的机会-达到所有的流体可以通过所有浇口区达到所有的流体可以通过所有浇口区域域镁合金压铸引擎进气镁合金压铸引擎进气岐管岐管n由于金属导热速度快，而且产品不厚，充填速度相当快由于金属导热速度快，而且产品不厚，充填速度相当快n最佳化溢流井的分布最佳化溢流井的分布n减少喷流以及流动分离的状况减少喷流以及流动分离的状况n减少空气与氧化膜混入的机会减少空气与氧化膜混入的机会充填过程中的温度变化充填过程中的温度变化困在模穴表面的空气与氧化膜困在模穴表面的空气与氧化膜模具最佳化设计步骤模具最佳化设计步骤 II:II:充填模拟充填模拟镁合金压铸引擎进气镁合金压铸引擎进气岐管岐管-可以设计冷却水路与加热机构可以设计冷却水路与加热机构-可以模拟模具预热与冷却效果可以模拟模具预热与冷却效果固化率分布固化率分布开模后的模具温度分布开模后的模具温度分布模具最佳化设计模具最佳化设计步骤步骤III:III:固化模拟与冷却模拟固化模拟与冷却模拟镁合金压铸引擎进气镁合金压铸引擎进气岐管岐管Audi V8 4.2 liter engine 规格规格:重量重量 7 kg(15 lb)产品公称厚度产品公称厚度 1.5 mm(0.06 in)19971997年一月开始进行开发年一月开始进行开发19971997年十一月进行试量产年十一月进行试量产Advanced Materials&Processes,August 2000FLOW-3DFLOW-3D 配合配合德国德国 Kolbenschmidt Pierburg Kolbenschmidt Pierburg 开发完成开发完成 Audi V6 engine1998 优秀设计奖International Magnesium Association.利用压铸制程开发完成，不需要利用压铸制程开发完成，不需要多余的二次加工多余的二次加工重量重量-4.3 kg(10 lb)只有传统铝合金制品的一半只有传统铝合金制品的一半公称厚度公称厚度 1.5 mm(0.06 in).目前产量每年目前产量每年 300,000 件件Advanced Materials&Processes,December 1998FLOW-3DFLOW-3D 配合配合德国德国 Kolbenschmidt Pierburg Kolbenschmidt Pierburg 开发完成开发完成 戴姆克莱斯勒戴姆克莱斯勒 S-class and CL coupeIntake manifold for the V12 engines公称厚度公称厚度 1.5 mm(0.06 in).Twin ignition systemAutomatic partial cylinder shutdownAnti-lock sensor引引擎擎规格规格：367 hp and 530 Nm torque.Advanced Materials&Processes,July 2000FLOW-3DFLOW-3D 配合配合德国德国 Kolbenschmidt Pierburg Kolbenschmidt Pierburg 开发完成开发完成 高压铸造的卷气现象模拟高压铸造的卷气现象模拟Flow Separation Flow Separation&Breakup During Filling&Breakup During Filling-空气空气-金属金属A.Severe breakup of the metal front.B.Flow separation at the gate.C.Irregular backfilling metal front.AABCCCC高压铸造高压铸造氧化膜氧化膜分布预测分析分布预测分析颜色代表模穴内的困气以及氧化膜分布颜色代表模穴内的困气以及氧化膜分布:-金属金属-含有杂质的金属含有杂质的金属高压铸造高压铸造Defect-Tracking Defect-Tracking 表面缺陷追踪表面缺陷追踪Micro Porosity Micro Porosity 微微缩缩孔分析孔分析高压铸造热点高压铸造热点分析分析HPDC锌合金铸造红色区域为有问题的区域Cavitation potential Cavitation potential 高压铸造气穴预测模拟高压铸造气穴预测模拟高压铸造热应力分布高压铸造热应力分布交流发电机外壳铸造固化过程中交流发电机外壳铸造固化过程中的热应力分布图的热应力分布图Defect Prediction Exampleslikely location of defectsFillingAir Entrainment Comparison:engine cover,A380entrained airoxide filmFilling案例说明案例说明oFLOW3DFLOW3D能够在铸造方案设计初期进行模拟验能够在铸造方案设计初期进行模拟验证，从验证结果中再重新修正现有的方案设证，从验证结果中再重新修正现有的方案设计计o以下将以实际案例，说明如何以金属铸造模以下将以实际案例，说明如何以金属铸造模拟系统拟系统FLOW3DFLOW3D进行方案设计进行方案设计铝合金高压铸造铝合金高压铸造(A380)(A380)设计方案检验：流道设计检设计方案检验：流道设计检验验、产品肉厚对于外观的影响、溢流井的、产品肉厚对于外观的影响、溢流井的位置确认位置确认充填模拟（氧化膜分布）充填模拟（氧化膜分布）流道系统设计检验流道系统设计检验进料速度差异造成的卷气现象进料速度差异造成的卷气现象修改一、进料的流道尺寸取角，角度修改一、进料的流道尺寸取角，角度设计则根据模拟结果（减少流道卷气现象）设计则根据模拟结果（减少流道卷气现象）修改二、调整四个进料区的尺寸大小，修改二、调整四个进料区的尺寸大小，减少融汤在进入模穴后的卷气现象减少融汤在进入模穴后的卷气现象产品肉厚设计检验产品肉厚设计检验产品中央发生的卷气现象会在产品中央发生的卷气现象会在产品表面形成明显的冷接痕产品表面形成明显的冷接痕此处设计为一均一厚度的平板区，此处设计为一均一厚度的平板区，但是在铸造过程中，融汤的充填模但是在铸造过程中，融汤的充填模式会在平板中心造成一卷气区，日式会在平板中心造成一卷气区，日后在外观上很难处理后在外观上很难处理溢流槽位置定义溢流槽位置定义GMO GMO 功能应用于铸造过程功能应用于铸造过程Cold Chamber HPDCCold Chamber HPDC冷室压铸冷室压铸Hot Chamber HPDCHot Chamber HPDC热室压铸热室压铸按一下圖片即可播放GMO GMO 功能应用于铸造过程功能应用于铸造过程GMO GMO 功能应用于铸造过程功能应用于铸造过程Demonstration of an HPDC SimulationHigh Pressure Die Castingo铸造材料-AL 383o模具材料-钢o倒入温度为690度(1275 F)o模具温度为204.0 度(400 F)o液相线温度为593.0 C(1099 F)o固相线温度为521.0 C(969 F)这是一个模拟高压压铸样本。该器件是一个引擎的情况。Analysis PerformedoFilling PatternoAir EntrainmentoSurface Oxide(defect)ConcentrationoSolidificationoMicro-porosityoThermal Die CyclingoThermal Induced StressesModel Setup:在Model Setup下有一系列的标签通过定义问题来工作。每一个题目是根据它的目的：Global 仿真类型Physics 选择必需/所需的物理模型Properties 设置选择的模型属性Meshing&Geometry 流域配置Boundaries 设置每个网格块边界条件Initial 在启动的问题下流量和温度条件Output 绘图频率控制Numerics 时间步长控制，压力求解，隐式解选项和平流选项Finalize 检查输入，预处理或运行规划求解Global Setup设置结束时间至0.250秒设置完成时终止的条件，并设置填充完成分数为1.0，因此整个模腔都填充。添加详细的评论文件的问题。在Global选项卡上定义所有问题的类型所有其他都才用默认选项Models选择必需的模型和重要的模型激活Air Entrainment激活绝热泡沫模型，在充填过程占区域，形成泡沫.激活在固体中传热和传导激活粘度和紊流激活凝固和缺陷跟踪激活 GravityProperties为了在物理面板中选择物理模型设置流体性质。液体可以从一个数据库或手工输入中加载.Meshing&Geometry由于其结构化网格和FAVORTM技术,在FLOW-3D计算网格调整和导入几何是很容易的。网格块可以覆盖到几何。下一系列的步骤，体现了技术。首先从子组件菜单创建或导入几何接着，在几何覆盖网格块最后，网格可以通过旋转和缩放检查决议BoundariesBoundaries是为了每个网格块而设置的边界条件。在这个仿真，time-dependent 速度是为冲头而设置的。这个从一速到二速的拍摄。块之间的界限是自动处理，并不需要设定。这将打开该网格块面的边界选项。选择速度按钮来设置time-dependent值。在这里，设置一速和二速的时间和速度。溢流槽是设置在压力条件下能使空气和气体自由跑掉的地方Initial只有在空腔内设置压力为大气条件。设置为1个大气压(1.013e+06)。Post Processing and Results在以下一系列幻灯片证明后处理/数据输出FLOW-3D的性能和提供从模拟填充和HPDC凝固进程取得的成果。FLOW-3D 具有强大的后处理功能，包括数据输出格式，如在指定地点，数量的能力，广泛的调查，图形输出，简化和数字数据。Air EntrainmentThe quantity of entrained air is based upon a difference between turbulent energy(the mechanism for entraining air)and stabilizing forces such as gravity and surface tension.This model also evaluates jet impingement for its calculation of entrained air.Trapped air can cause problems by creating porous regions within critical locations of a casting.The reliability of this model and others used during the filling process are greatly dependent upon the accuracy of the fluid advection process.FLOW-3D is known for its ability to accurately predict this fluid motion.Air Entrainment蓝色区域都没有被困空气。红色区域显示的最高浓度，有被困空气的可能性。Air Entrainment空气中的浓度最高最终被困在管道及零件的极端地带Defect Concentration这动画显示填充图案颜色浓度的缺陷。表面缺陷跟踪说明在暴露的液体表面上的氧化物组合。这氧化物最终能够成为导致被困在一个劣质的局部区域。当流体喷射跟踪氧化物，突变分离和接合。Surface Defect Concentration由于卷气，表面氧化物往往成为被困在前面表面相遇区域和最后填充区域。所关注的区域是附近的凸台和鳍状。最后填充位置是远离当前的排气口位置。Die is not yet at steady state after 10 cycles.Thermal Die Cycling模型假设：10 个周期铸件连续充填均匀的喷涂和吹风关闭模具的初始温度是100 CThermal Die Cycling高于343上热点（650 F）可能需要更多的冷却。整个铸件温度差异大。通过模壁温度情节颜色Thermal Die Cycling热点位置Thermal Die Cycling更多热点。Solidification Time总凝固时间为14秒。该图考察了凝固量。当量不变时，部分凝固。Micro-porosity微缩孔由许多小孔隙（小于1毫米）组成，在铸件凝固的发展。毛孔会影响机械性能并可能造成泄漏。Thermally-Induced Stresses假设：初始温度统一为450Displacement of 0.19 mm across face from 450 C to 300 C may be significant.ConclusionBased on the results given,these are the recommended changes to improve the casting:Adjust feeder geometry to reduce gate velocities and fan for earlier flow front convergence.Add overflows and vents in last places to fill if possible.Add or turn off waterlines for improved thermal balance.Reduce wall thickness where possible to reduce shrinkage porosity.Thank you！