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(jì)對(duì)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(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及工藝開發(fā)。
本文以一個(gè)壓鑄結(jié)構(gòu)件為例，展示了MAGMASOFT ® 5.4自主設(shè)計(jì)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(jì)，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。
穩(wěn)健的產(chǎn)品和工藝
在結(jié)構(gòu)件中，除資源和成本效率目標(biāo)之外，有絕對(duì)優(yōu)先級(jí)的是嚴(yán)格滿足定義的質(zhì)量要求。為了評(píng)估開發(fā)的鑄造系統(tǒng)的穩(wěn)健性和定義的標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)，虛擬模型通過關(guān)鍵工藝參數(shù)及其變量得到擴(kuò)展。工程師定義了目標(biāo)、要改變的自由度以及評(píng)估改進(jìn)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。MAGMASOFT ®中試驗(yàn)或工藝窗口的最終虛擬設(shè)計(jì)分析是自主進(jìn)行的，不需要用戶的進(jìn)一步操作，參見圖16。
圖16：借助于高壓壓鑄中的虛擬工藝窗口分析，進(jìn)行系統(tǒng)的和有效的穩(wěn)健性分析的示意圖
為了能夠更簡(jiǎn)單地評(píng)估鑄造質(zhì)量，通過考慮評(píng)估區(qū)域來擴(kuò)展鑄造節(jié)點(diǎn)的模擬模型。這些評(píng)估區(qū)域衡量了特別感興趣區(qū)域的計(jì)算質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在該示例中，這適用于底部的關(guān)鍵功能性厚壁連接點(diǎn)（“評(píng)估區(qū)域1”）或?qū)τ诔湫瓦^程至關(guān)重要的薄壁厚度（“評(píng)估區(qū)域2”），參見圖17。根據(jù)從經(jīng)驗(yàn)中獲得的專門知識(shí)，計(jì)劃目標(biāo)過程的壓射曲線包括充型結(jié)束時(shí)的沖頭減速，以避免毛邊，參見圖17中的壓射曲線。
圖17：通過“評(píng)估區(qū)域”擴(kuò)展模擬模型，以便有針對(duì)性地評(píng)估關(guān)鍵鑄造區(qū)域。連接節(jié)點(diǎn)目標(biāo)過程的壓射性質(zhì)包括充型結(jié)束時(shí)的大幅度沖頭減速，以避免毛邊。
在下一步中，模擬模型通過關(guān)鍵工藝參數(shù)擴(kuò)展，以進(jìn)行變更和分析，從而獲得相關(guān)的工藝窗口。在該示例中，模型的擴(kuò)展考慮了給料量的變化（在模擬模型中定義為料餅厚度）、+/- 15 ℃的澆注溫度變化、不完全擠壓（第三階段）以及底部關(guān)鍵功能性厚壁連接點(diǎn)區(qū)域中點(diǎn)冷卻強(qiáng)度的變化。指定了變量的下限和上限以及步長(zhǎng)。定性參數(shù)或幾何變化可以定義為可變的、有效的或無效的，參見圖18。
圖18：用于評(píng)估生產(chǎn)工藝穩(wěn)健性的虛擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)的變量。每個(gè)變量的變化通過下限和上限以及步長(zhǎng)來定義。
對(duì)于鑄造節(jié)點(diǎn)，在全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)中對(duì)試驗(yàn)/工藝窗口虛擬設(shè)計(jì)的所有可能變量進(jìn)行了分析。圖19所示的相關(guān)矩陣總結(jié)了所有主要影響，即分析的過程變量對(duì)為結(jié)構(gòu)部件定義的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的影響。作為質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于模型中的所有材料（鑄件、澆注系統(tǒng)、模具），可以使用MAGMASOFT ®中可用的所有結(jié)果。
通過使用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)所有變量進(jìn)行定量比較，得到了可靠的結(jié)果，而且沒有主觀影響。斜率越大，單個(gè)圖表的顏色越強(qiáng)烈，所考慮的參數(shù)對(duì)相應(yīng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的影響就越大。
圖19：相關(guān)矩陣概述了所有分析的過程變量對(duì)規(guī)定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的主要影響。個(gè)體相關(guān)性的斜度和顏色強(qiáng)度描述了相應(yīng)變量對(duì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的影響程度。
對(duì)于鑄造節(jié)點(diǎn)來說，精確的給料過程對(duì)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(huì)將整個(gè)壓射曲線（加速開始到第二階段和減速點(diǎn)）移至更早的時(shí)間，導(dǎo)致減速點(diǎn)從充型結(jié)束轉(zhuǎn)移到鑄造腔中。其結(jié)果是充型時(shí)間顯著增加，同時(shí)也存在流痕和冷隔的相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。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(shí)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(xiǎn)。
工藝變化的系統(tǒng)虛擬分析允許在鑄造第一個(gè)零件之前就能生成真實(shí)的工藝知識(shí)。當(dāng)然，全面的虛擬工藝分析比單獨(dú)的模擬運(yùn)行需要更長(zhǎng)的時(shí)間。但是，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行這樣的分析是不可行的，或者沒有經(jīng)濟(jì)意義。獲得的知識(shí)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(yàn)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(shí)，實(shí)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(jī)一直追求的目標(biāo)。因此，即使在計(jì)劃階段的早期，對(duì)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(shí)，而且?guī)缀鯖]有經(jīng)濟(jì)或生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。
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(jì)穩(wěn)健、經(jīng)濟(jì)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(shí)是CAE開發(fā)過程的基礎(chǔ)，在該過程中，設(shè)計(jì)者和模具鑄造者同時(shí)對(duì)部件和鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化。
