圖1.原始重力鑄造模具底部的金屬液滲漏現(xiàn)象

模具設(shè)計(jì)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的工作，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)時(shí)必須同時(shí)考慮金屬液的流動(dòng)以及金屬凝固順序。除此之外，模具因?yàn)闇囟葻醾髟斐傻膽?yīng)力變形也可能導(dǎo)致其他問題的發(fā)生。CM Taricco 是意大利的一家模具制造商，在開發(fā)新型模具時(shí)發(fā)現(xiàn)在每次鑄造時(shí)，模具底部會(huì)發(fā)生金屬液滲漏問題。在模具開始生產(chǎn)時(shí)，這個(gè)現(xiàn)象僅少數(shù)發(fā)生；隨著生產(chǎn)模次增加，這個(gè)現(xiàn)象會(huì)越來越嚴(yán)重。一旦發(fā)生問題，生產(chǎn)人員就必須立刻進(jìn)行問題排除，因?yàn)檫@會(huì)造成生產(chǎn)時(shí)間無法預(yù)期，并增加鑄件成本

研究問題發(fā)生原因

由于這套重力鑄造模具在初始開發(fā)時(shí)，就已經(jīng)進(jìn)行澆鑄系統(tǒng)及渣包位置的評估及數(shù)值模擬，因此判定問題應(yīng)該不是由金屬液的流動(dòng)造成。Gabriele Taricco (CM Taricco 公司創(chuàng)辦人) 提出疑問，認(rèn)為滲漏問題可能來自于鑄造過程中的熱應(yīng)力。由于進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)未同時(shí)評估模具冷卻路徑，導(dǎo)致模具發(fā)生嚴(yán)重的積熱。而這個(gè)問題造成模具底部發(fā)生不可預(yù)期的嚴(yán)重變形，導(dǎo)致金屬液從該處發(fā)生滲漏。為了確認(rèn)此現(xiàn)象是否真實(shí)發(fā)生，該公司采用 FLOW-3D 進(jìn)行數(shù)值模擬，希望能夠確認(rèn)是否這個(gè)問題能夠在仿真工藝中重現(xiàn)，進(jìn)而從模具設(shè)計(jì)上解決這個(gè)問題。

圖2-1.金屬液發(fā)生滲漏的位置

圖2-2.在模具不均勻溫度分布下，可能造成模具之間發(fā)生間隙

數(shù)值設(shè)定與問題判定

利用 FLOW-3D，整個(gè)數(shù)值模型可在短時(shí)間內(nèi)完成設(shè)定并且進(jìn)行計(jì)算。FLOW-3D 對于網(wǎng)格簡單且高效能的處理能夠讓數(shù)值網(wǎng)格減少，并且提高執(zhí)行效率。與一般軟件傳統(tǒng)網(wǎng)格設(shè)定方式相比較，F(xiàn)LOW-3D 能夠在較短的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)提供高精度的分析結(jié)果。

在此分析案例中，考慮到分模面位置的設(shè)計(jì)，所采用的第一個(gè)技巧是在分割網(wǎng)格前進(jìn)行了圖面旋轉(zhuǎn)，這樣能夠?qū)⒕W(wǎng)格盡量控制在鑄件位置，即便是鑄件上有較細(xì)小的細(xì)節(jié)特征，F(xiàn)LOW-3D 仍然能夠完整的描述。

圖3-1.根據(jù)分模面位置，將模具圖面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)

第二個(gè)技巧是為內(nèi)腔（薄壁）使用新的隨形網(wǎng)格，同時(shí)為整個(gè)區(qū)域保留傳統(tǒng)的較大網(wǎng)格塊。隨形網(wǎng)格適合開放體積，僅限于填充間隙很小的型腔。

模具和型芯的全局視圖及其與網(wǎng)格塊的對齊方式

另外，為了減少網(wǎng)格計(jì)算數(shù)量，在模具圖面旋轉(zhuǎn)20度后，再利用 FLOW-3D 的 “domain removing” 組件移除不需要進(jìn)行計(jì)算的網(wǎng)格區(qū)域。

圖3-2.利用FLOW-3D的Domain removing 技術(shù)大幅減少計(jì)算所需的數(shù)值網(wǎng)格

其余的設(shè)置遵循傳統(tǒng)的方案，利用軟件的大多數(shù)推薦默認(rèn)值。由于這些特性和 FlOW-3D 中新的區(qū)域分解特性，可以將原計(jì)劃的900萬個(gè)網(wǎng)格減少到流體網(wǎng)格區(qū)域僅184萬個(gè)網(wǎng)格，固體網(wǎng)格區(qū)域僅243萬個(gè)網(wǎng)格。

利用上述網(wǎng)格設(shè)定技巧，成功的將分析網(wǎng)格減少了約80％的數(shù)量，這能夠大幅縮短所需的計(jì)算時(shí)間。

成形分析

填充模擬后，為保證良好的充型，將模擬的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向熱模循環(huán)分析。在這種情況下，設(shè)置快速而簡單，只需要1小時(shí)就可以在一臺(tái)普通臺(tái)式機(jī)（i7 5930K，商業(yè)價(jià)值1500美元）上復(fù)制10個(gè)生產(chǎn)周期。結(jié)果證實(shí)了CM的最初假設(shè)：通過觀察溫度場，從不同的角度和單圖像中的橫截面，利用FlowSight，可以清楚地看到模具的溫度分布很容易導(dǎo)致預(yù)期的變形和金屬液滲漏。

模具熱循環(huán)過程中的模具溫度模擬

利用 FLOW-3D 的模具熱循環(huán)分析技術(shù)，能夠完整地模擬模具在經(jīng)歷充型、凝固冷卻后，因?yàn)闊崃坷鄯e造成的模具溫度分布。在初始設(shè)定時(shí)，預(yù)設(shè)模具經(jīng)歷十次開關(guān)模具的生產(chǎn)工藝。利用FLOW-3D的后處理模塊 FlowSight 進(jìn)行分析結(jié)果輸出，CM Taricco 確認(rèn)在模具底部確實(shí)發(fā)生了溫度不均勻分布造成的積熱現(xiàn)象。而這些區(qū)域應(yīng)該就是造成滲漏問題的主要位置。

圖4-1.模具熱循環(huán)分析

圖4-2.模具溫度分布(歷經(jīng)十次成形后的模具積熱分布)

模具變形分析

在判定問題可能是由模具溫度造成的模具變形，導(dǎo)致金屬液滲漏問題后，CM Taricco 公司希望能夠確認(rèn)模具的變形量，以進(jìn)行模具設(shè)計(jì)變更。XC Engineering 協(xié)助 CM Taricco 公司進(jìn)行FLOW-3D設(shè)置和執(zhí)行計(jì)算，利用FLOW-3D直接計(jì)算因?yàn)槟＞邷囟确植疾痪斐傻哪＞咦冃瘟?，而這些變形結(jié)果可以在FLOW-3D后處理模塊 Flowsight中直接確認(rèn)，并且同時(shí)量測變形量尺寸。

圖5-1.模具變形量計(jì)算

圖5-2.模具之間因?yàn)闊嶙冃卧斐芍g隙尺寸計(jì)算

模具設(shè)計(jì)變更

在確認(rèn)模具積熱確實(shí)會(huì)造成模具發(fā)生變形，導(dǎo)致金屬液滲漏后，CM Taricco 公司進(jìn)行了以下的模具變更設(shè)計(jì)。利用調(diào)整分模面設(shè)計(jì)，讓模具本體在合模時(shí)增加了多余的支撐位置，以減少模具發(fā)生變形的可能性。另外，在設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)考慮溫度不均勻分布造成的熱變形溫度，在模具厚度上做了可適性的調(diào)整。

圖6-1.模具設(shè)計(jì)變更1

圖6-2.模具設(shè)計(jì)變更2

結(jié)論

在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)變更后，CM Taricco 公司再次以 FLOW-3D 進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)模具變形量在可接受范圍內(nèi)后，再進(jìn)行模具修改。新的模具能夠讓熱量均勻的分布到模具本體，不再發(fā)生不均勻的溫度分布造成模具局部熱應(yīng)力集中，而這反應(yīng)的就是完美的鑄件成形。在后續(xù)量產(chǎn)成形時(shí)，該套模具不再發(fā)生模具滲漏問題。不但大幅提高生產(chǎn)效率，也大幅地降低鑄件成形成本。

圖7.完成模具設(shè)計(jì)變更后的新鑄件，不再發(fā)生模具滲漏問題

作者：
Gabriele Taricco, CM Taricco；
Stefano Mascetti, XC Engineering