基于邁格碼模擬軟件分析下的鋁合金橫梁開發(fā)
劉琪明
邁格碼（蘇州）軟件科技有限公司
摘要:本文以壓鑄鋁合金橫梁的開發(fā)過程為例，通過使用MAGMASOFT®軟件將開發(fā)過程可視化，透明化。通過對(duì)鑄件進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和結(jié)構(gòu)分析，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)最佳可鑄造性。然后在軟件里可同時(shí)導(dǎo)入多種進(jìn)澆方案，選擇出最優(yōu)化的澆排系統(tǒng)。根據(jù)DoE大數(shù)據(jù)對(duì)比分析獲得最佳的壓鑄工藝參數(shù)。這種方式可以提前預(yù)測產(chǎn)品將會(huì)出現(xiàn)的問題，并在方案前期進(jìn)行改善措施，以此減少試模次數(shù)。以軟件推薦的最優(yōu)方案為指引進(jìn)行試制，結(jié)果表明，原本需要多次試制和改善的方案，實(shí)現(xiàn)了T0試模后直接量產(chǎn)的狀態(tài)，最大限度的節(jié)約了成本，壓縮了開發(fā)周期。
關(guān)鍵詞：鋁合金；壓鑄；模擬；自動(dòng)優(yōu)化；邁格碼模擬軟件
The Development of an Aluminum Crossbeam based on MAGMASOFT®
Jack Liu
MAGMA Engineering (Suzhou) Co.,Ltd
Abstract: The traditional casting development process always uses a trial-and-error method to constantly improve and optimize the design based on experience. This usually wastes a lot of manpower, material resources, energy and time. Using MAGMASOFT® in the early stage of development, when only the geometry of the part is available allows a first simulation of process parameters and structure analysis to optimize the design of the casting. In a second step, multiple gating systems are imported all at once into the software which will choose the optimal layout. Finally the optimum process parameters will be decided based on a virtual DoE.
With the above-described development process, the mold testing, which originally required T3, T4 or even T6 and T7, can reach the state of direct mass production after the T0 mold testing phase which saves substantial costs, significantly improves the efficiency and innovates the technology.
Key Words: Aluminum Alloy; Die Casting; Optimization; MAGMASOFT®
汽車輕量化的要求，導(dǎo)致了零部件向著功能集成化，重量輕量化，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的方向發(fā)展。目前零部件的開發(fā)周期要求越來越短。傳統(tǒng)的根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的新產(chǎn)品制造開發(fā)更像是一種試錯(cuò)法，通過多次試制驗(yàn)證來進(jìn)行方案的優(yōu)化，進(jìn)而改善產(chǎn)品質(zhì)量。這種方式消耗了大量的人力，物力，精力和時(shí)間，造成了嚴(yán)重的浪費(fèi)，已經(jīng)不滿足新項(xiàng)目的開發(fā)需求。
本文以壓鑄鋁合金橫梁的開發(fā)過程為例，通過使用MAGMASOFT®將開發(fā)過程可視化，透明化，通過對(duì)不同的工藝參數(shù)和不同的工藝方案對(duì)比分析，進(jìn)而得到最佳的工藝方案組合。這種方式可以提前預(yù)測產(chǎn)品將會(huì)出現(xiàn)的問題，并在方案前期進(jìn)行改善措施，以此減少試模次數(shù)。以軟件推薦的最優(yōu)方案為指引進(jìn)行試制，結(jié)果表明，原本需要多次試制和改善的方案，實(shí)現(xiàn)了T0試模后直接量產(chǎn)的狀態(tài)，最大限度的節(jié)約了成本，壓縮了開發(fā)周期。本文還原產(chǎn)品的壓鑄方案開發(fā)過程，系統(tǒng)的展示開發(fā)思路，以期給行業(yè)內(nèi)相關(guān)工程技術(shù)人員以參考。
1.鑄件的基本介紹
圖1為鋁合金橫梁的結(jié)構(gòu)圖。鑄件基本尺寸為416mm×182mm×22mm，質(zhì)量為4.45kg，材料牌號(hào)為ADC12。此產(chǎn)品整體壁厚較為均勻，平均壁厚為4.3mm。產(chǎn)品需要裝配和焊接，所以對(duì)孔隙率和輪廓度要求非常高。根據(jù)產(chǎn)品的特性和質(zhì)量要求，需要設(shè)計(jì)一個(gè)最佳的澆注系統(tǒng)，保證金屬液順序充型，最大限度的降低流動(dòng)孔隙率和氣體孔隙率。同時(shí)該產(chǎn)品中間存在非常大的窗口區(qū)域，對(duì)金屬液充型造成了極大的阻礙，所以也要非常關(guān)注產(chǎn)品末端的成型狀態(tài)。
圖1 橫梁產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖
2.前期計(jì)算與分析
在產(chǎn)品前期開發(fā)階段，將毛坯3D導(dǎo)入MAGMASOFT®，軟件可自動(dòng)計(jì)算出包含產(chǎn)品體積，重量，截面積，投影面積等在內(nèi)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)一步計(jì)算出生產(chǎn)該產(chǎn)品所需要的壓鑄機(jī)臺(tái)噸位并與軟件機(jī)臺(tái)數(shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)的機(jī)臺(tái)相匹配，如圖2所示。
圖2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算表
在壓鑄機(jī)臺(tái)確定后，用戶根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)輸入產(chǎn)品平均壁厚，MAGMASOFT®會(huì)計(jì)算出包含料管充填率，低速，高速切換位置，高速，內(nèi)澆口截面積，充型時(shí)間，內(nèi)澆口速度等在內(nèi)的全部工藝參數(shù)。軟件也將會(huì)根據(jù)此數(shù)據(jù)推薦出最佳的成型時(shí)間，成型時(shí)間與低速，高速切換位置，高速，內(nèi)澆口截面積等數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。使用者可以根據(jù)工廠機(jī)臺(tái)的實(shí)際性能，輸入不同的參數(shù)，然后軟件將會(huì)生成內(nèi)澆口截面積和內(nèi)澆口速度等參數(shù)數(shù)據(jù)庫，此數(shù)據(jù)庫可稍后用來進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算，見圖3所示。
圖3 工藝參數(shù)計(jì)算表
3.澆排系統(tǒng)分析
3.1 澆注系統(tǒng)選擇
根據(jù)軟件計(jì)算出來的內(nèi)澆口截面積，再結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，將所有的進(jìn)澆可能性方案全部導(dǎo)入軟件。圖4為不同位置進(jìn)澆分析，其中黃色線為各自的填充區(qū)域，由黑線間隔，粉色線和藍(lán)色線為融合金屬液填充區(qū)域。其中對(duì)4個(gè)方案進(jìn)行分析和判斷如下：方案1共五個(gè)澆口，澆口分布均勻，進(jìn)澆平衡，可實(shí)現(xiàn)整體進(jìn)澆。壓力也相對(duì)傳遞均勻，保證致密度。需注意最末端填充區(qū)域，有冷料堆積充填與排氣不良風(fēng)險(xiǎn)。方案2共三個(gè)澆口，產(chǎn)品大體積區(qū)域?qū)?yīng)大澆口，保證充填質(zhì)量與壓力傳遞。但厚大澆口容易造成局部溫度過高，引起變形及對(duì)模具形成不良影響。同時(shí)此擺放位會(huì)拉長充填行程。方案3共三個(gè)澆口，產(chǎn)品大體積區(qū)域?qū)?yīng)大澆口，保證充填質(zhì)量與壓力傳遞。但厚大澆口容易造成局部溫度過高，引起變形及對(duì)模具形成不良影響 。方案4共三個(gè)澆口，產(chǎn)品大體積區(qū)域?qū)?yīng)大澆口，保證充填質(zhì)量與壓力傳遞。但厚大澆口容易造成局部溫度過高，引起變形及對(duì)模具形成不良影響。
圖4 進(jìn)澆分析
根據(jù)設(shè)置的工藝條件，軟件完成四種方案的計(jì)算后進(jìn)行多維度的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，根據(jù)鋁液流動(dòng)順暢的評(píng)價(jià)，推薦最佳進(jìn)澆方案為方案1，詳見圖5。
圖5 進(jìn)澆方案評(píng)估結(jié)果
3.2 排溢系統(tǒng)確定
在確定進(jìn)澆方案采用推薦的方案1后，進(jìn)行了產(chǎn)品的流動(dòng)分析。根據(jù)流態(tài)的走向，流態(tài)相交匯和流動(dòng)末端的位置，見圖6a所示。在鋁液交匯和流動(dòng)末端增加排溢系統(tǒng)，將冷料進(jìn)行有效的排放，以此確保鑄件成型質(zhì)量，詳見圖6b所示。
圖6 充型流態(tài)與排溢系統(tǒng)
3.3 排溢系統(tǒng)優(yōu)化
在確定初始排溢系統(tǒng)后，再次進(jìn)行流動(dòng)模擬，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的排溢系統(tǒng)不夠完善，產(chǎn)品末端存在高氣壓，見圖7a所示。高氣壓區(qū)域有非常大的氣孔風(fēng)險(xiǎn)，將會(huì)嚴(yán)重的影響產(chǎn)品成型，焊接和裝配。于是根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化排溢方案，在高氣壓區(qū)增加排氣道來降低氣體聚集的風(fēng)險(xiǎn)，見圖7b所示。實(shí)際生產(chǎn)中需要輔以真空工藝，按照此工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，再次模擬，觀察和對(duì)比優(yōu)化前后的產(chǎn)品氣壓分布，發(fā)現(xiàn)增加排氣道及增加真空工藝后，原高氣壓區(qū)域的氣壓值由5000mbar降為1000mbar，結(jié)果顯示高氣壓問題得到有效的改善，詳見圖7。
圖7 排溢系統(tǒng)優(yōu)化和優(yōu)化模擬結(jié)果對(duì)比
4.DoE工藝參數(shù)優(yōu)化
在確定好澆排系統(tǒng)之后，還需要對(duì)壓鑄工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。MAGMASOFT®的自主優(yōu)化工具，使得工程師能通過了解工藝變量對(duì)鑄件質(zhì)量的影響，更為省時(shí)省力地探索更大的設(shè)計(jì)空間，進(jìn)而找到最優(yōu)的壓鑄模具和工藝布置方案。與傳統(tǒng)模擬不同，自主模擬只需要工程師設(shè)定一次模擬，但是，很多模擬運(yùn)行將覆蓋全部工藝窗口。該軟件自主地挑出可能的設(shè)計(jì)，進(jìn)行分析并采用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)方式匯總所有結(jié)果。
基于澆排系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)之上，借助DoE自主優(yōu)化工具進(jìn)行壓鑄工藝參數(shù)的優(yōu)化。高速速度是影響鋁液填充和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。以高速速度的DoE優(yōu)化過程為研究對(duì)象，進(jìn)行分析。設(shè)定高速速度在3.5-4.0m/s之間，迭代步長設(shè)定為0.1，以降低澆口速度及減小冷隔缺陷為目標(biāo)對(duì)象。通過軟件進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)后，推薦出最佳成型工藝參數(shù)，選擇高速速度3.5m/s既可以滿足澆口速度低，降低模具充蝕，又可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。詳見圖8所示。
圖8 DoE與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
5.產(chǎn)品試制結(jié)果
通過MAGMASOFT®的澆注方案及參數(shù)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)流程，完成了產(chǎn)品的澆排系統(tǒng)設(shè)計(jì)及壓鑄工藝參數(shù)的優(yōu)化，以此數(shù)據(jù)為指導(dǎo)，用于實(shí)際的驗(yàn)證。首次試制選用1600T壓鑄機(jī)，并輔助以真空系統(tǒng)，按照DoE優(yōu)化設(shè)計(jì)的壓鑄參數(shù)進(jìn)行試制。圖9為首試的鑄件圖。通過對(duì)內(nèi)部品質(zhì)的x光探測發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)部的品質(zhì)比較理想，內(nèi)部品質(zhì)缺陷如氣孔、縮松以及縮孔均符合ASTM F_5051級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品經(jīng)過焊接驗(yàn)證，焊接區(qū)域未發(fā)生有焊接缺陷，證明產(chǎn)品的內(nèi)部含氣量很低。產(chǎn)品首次試制成功。
圖9 首試的鑄件圖
6.小結(jié)
本文以壓鑄鋁合金橫梁的開發(fā)過程為例，通過使用MAGMASOFT®將開發(fā)過程可視化，透明化。通過這種方式可以提前預(yù)測產(chǎn)品將會(huì)出現(xiàn)的問題，并在方案前期進(jìn)行改善措施，以此減少試模次數(shù)。通過對(duì)橫梁的澆排系統(tǒng)及壓鑄工藝參數(shù)的DoE優(yōu)化，以軟件推薦的最優(yōu)方案為指引進(jìn)行試制，產(chǎn)品首次試制就達(dá)到了量產(chǎn)的狀態(tài)，最大限度的節(jié)約了成本，壓縮了開發(fā)周期。
參考文獻(xiàn)
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