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在壓鑄過程中，金屬液在高壓、高速狀態(tài)下充填結(jié)構(gòu)復(fù)雜、斷面狹窄的鑄型，金屬液流態(tài)極為復(fù)雜，鑄件易產(chǎn)生流痕、欠鑄、氣孔等缺陷，同時易造成對不合理的沖蝕，嚴(yán)重影響模具的壽命。壓鑄工藝參數(shù)計算與模具設(shè)計嚴(yán)重依賴經(jīng)驗，使得壓鑄模具設(shè)計周期長，勞動強(qiáng)度大，且設(shè)計質(zhì)量與設(shè)計者的經(jīng)驗有直接關(guān)系，設(shè)計質(zhì)量波動大。
壓鑄模設(shè)計中，工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)的合理性對壓鑄件的質(zhì)量和成品率及模具的使用壽命都會產(chǎn)生極大的影響。壓鑄模的造價比較高，一般均在數(shù)萬元至幾十萬元，有的高達(dá)上千萬元，不合理設(shè)計若造成壓鑄模具的報廢，將會帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失，同時由于這種設(shè)計的不可靠性，很多壓鑄模具需要經(jīng)過多次的反復(fù)試模、修模，增加了模具成本，延長了新產(chǎn)品的研發(fā)周期。
改變這種落后狀況的主要途徑是利用新技術(shù)，改造傳統(tǒng)的設(shè)計、制造方法。采用CAD/CAE/CAM(計算機(jī)輔助設(shè)計、輔助工程、輔助制造)技術(shù)，利用計算機(jī)強(qiáng)大的計算和圖形功能輔助模具設(shè)計，提高設(shè)計精度和設(shè)計的可靠性，設(shè)計合理的模具結(jié)構(gòu)及合理的澆注系統(tǒng)。在CAD 系統(tǒng)處理后，設(shè)計信息送入CAE系統(tǒng)，進(jìn)行壓鑄過程數(shù)值仿真，優(yōu)化模具設(shè)計，探索最佳工藝參數(shù)，實現(xiàn)金屬液合理的充型狀態(tài)和模具的熱平衡。最后由CAM系統(tǒng)直接利用經(jīng)過優(yōu)化的設(shè)計信息生成NC 程序，以驅(qū)動數(shù)控機(jī)床快速而高質(zhì)量地完成模具制造，提高產(chǎn)品的研制和開發(fā)能力。現(xiàn)在，借助計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)，個別企業(yè)已經(jīng)能夠達(dá)到2-3 天內(nèi)提交壓鑄件首件樣品的速度。
一套完整的壓鑄模CAD/CAE/CAM 軟件系統(tǒng)，主要有以下分系統(tǒng)，以實現(xiàn)需要的功能：
1) CAD 軟件系統(tǒng)。
2) 壓鑄工藝知識庫。
3) 模具系列及部分標(biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)庫。
4) CAE 軟件系統(tǒng)。
5) 初始條件、邊界條件和材料物理特性等的數(shù)據(jù)庫。
6) CAM加工編程軟件系統(tǒng)
7) 模具加工工藝知識庫。
8) 產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)(PLM)。
隨著CAD/CAE/CAM 軟件系統(tǒng)的發(fā)展，已經(jīng)有各種成熟的商品化軟件供選用，一般的商品化CAD 軟件能夠?qū)崿F(xiàn)三維設(shè)計、物體質(zhì)量特性計算、機(jī)構(gòu)運動仿真、二維三維圖形轉(zhuǎn)換以及數(shù)控加工編程等功能。有專用的鑄造CAE 軟件，進(jìn)行凝固模擬、流動、溫度。
CAE 系統(tǒng)軟件
一、系統(tǒng)組成
目前，國際上壓鑄過程CAE 軟件系統(tǒng)主要由以下幾部分程序組成：模具與壓鑄件的溫度場數(shù)值模擬程序;壓鑄模型腔的金屬充填過程流場與溫度場數(shù)值模擬;模具與壓鑄件充型與冷卻過程應(yīng)力場數(shù)值模擬等。
目前模具與壓鑄件的溫度場數(shù)值模擬已有一批商品化軟件包投入使用，表11-1 列出了目前投入使用的部分凝固模擬軟件，這些軟件主要用于分析模具溫度分布和鑄件凝固過程，以優(yōu)化模具的設(shè)計(主要是冷卻系統(tǒng))和工藝參數(shù)的設(shè)計。
以ADSTEFAN 軟件為例，軟件功能主要特點是：
1)操作方便。
前處理輸入CAD 數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分和檢查可在較短時間內(nèi)完成，澆注系統(tǒng)在網(wǎng)格劃分時可作修改，分析條件的設(shè)定用菜單選擇的方式很容易完成。
2) 計算速度快網(wǎng)格劃分算法經(jīng)過優(yōu)化，支持并行計算，計算速度和效率高。
3) 計算精度高。內(nèi)存使用優(yōu)化進(jìn)行大規(guī)模的解析，可以計算到1 億個網(wǎng)格，計算精度高。
4) 后處理分析功能強(qiáng)。面向鑄造實際工藝分析的需要，可以選擇各種方式輸出和圖形形象化表示計算結(jié)果，幫助鑄造工程師預(yù)測鑄造缺陷。
二、壓鑄過程數(shù)值模擬原理
壓鑄過程數(shù)值模擬是一項集三維實體建模、實體網(wǎng)格剖分(前處理)、溫度場計算、流場計算、三維數(shù)據(jù)
可視化(后處理)為一體的綜合技術(shù)。
1. 三維實體建模
三維實體建模是數(shù)值模擬中基本的也是重要的
組成部分，是用計算機(jī)可識別的方式描述工件、工藝裝備等信息(如鑄件和模具)。現(xiàn)在三維實體造型主要是利用CAD 軟件實現(xiàn)，通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換文件讀入到壓鑄CAE 系統(tǒng)。常用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式通常有以下3 種：IGES，STL，STEP。數(shù)值模擬采用最多的是STL數(shù)據(jù)交換格式。
2. 前處理
前處理的任務(wù)是為數(shù)值模擬準(zhǔn)備一個初始的環(huán)境及對象。前處理模塊是材料成形過程數(shù)值模擬系統(tǒng)的重要組成部分，是對材料成形過程進(jìn)行準(zhǔn)確模擬、分析的前提和基礎(chǔ)，其性能的好壞直接影響到整個系統(tǒng)的實用性及計算的準(zhǔn)確性。前處理要對三維實體模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，為模擬計算提供初始數(shù)據(jù)。自動剖分網(wǎng)格是分析的關(guān)鍵技術(shù)，它是材料成形過程數(shù)值模擬的前提，也是數(shù)值模擬分析的重要組成部分。在幾何形狀復(fù)雜或非線性的情況下，有限差分法是求解數(shù)學(xué)物理偏微分方程的強(qiáng)有力手段。
3. 壓鑄過程溫度場的數(shù)學(xué)模型
(1)壓鑄過程的傳熱特點
壓鑄生產(chǎn)過程是由一系列周期性操作組成，生產(chǎn)一個壓鑄件所占用的時間稱為一個壓鑄循環(huán)周期。以臥式冷室壓鑄機(jī)為例，可將一個壓鑄循環(huán)周期分成合模等待階段、澆注、壓射、充型、保壓凝固、抽芯與開模、頂出鑄件、噴涂冷卻、合模8 個操作階段。
在這些操作階段中，模具不斷地被加熱和冷卻，尤其是模具的型腔表面承受著急冷急熱。如圖11-3所示為模具型腔表面某點溫度在壓鑄生產(chǎn)一個循環(huán)中的變化情況。由圖可以看出，模具表面在極短的充型過程中升至很高的溫度，這是由于液態(tài)金屬在短時間內(nèi)冷卻凝固，將熱量傳遞給型腔表面層;在凝固以后，熱量由型腔表面往模具內(nèi)部擴(kuò)散，使型腔表面溫度下降;而開模以后，由于型腔表面與空氣對流換熱加速熱流的散失;在噴涂過程中，型腔表面大量的熱量散失掉，使表面溫度急劇下降至最低點;而合模及合模以后，由于模具內(nèi)部熱量往型腔表面層擴(kuò)散，使表面溫度有所回升。
(2)模具的熱平衡從壓鑄生產(chǎn)整個過程來看，壓鑄模由于充型以后與高溫金屬液接觸而獲得熱量，而在以后各個操作循環(huán)中及時排出，使模具處于一種穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)，即單位時間輸入系統(tǒng)的熱量= 單位時間輸出系統(tǒng)的熱量。
在壓鑄過程中，模具起著熱交換器和蓄熱器的功能，模具不斷向周圍環(huán)境散熱，同時又吸收合金液傳給的熱量。壓鑄過程中，金屬液的熱量QM大部分通過冷卻管道傳遞給冷。
①金屬液傳遞給模具的熱量QM在一個壓鑄周期中, 從熔體傳遞給型腔壁的熱量為
式中，MX 為金屬液質(zhì)量(kg);Cp 為合金比熱(J/(kg·K));TI 為金屬液壓射時的溫度(K);TE為鑄件頂出時的溫度(K);LH為結(jié)晶潛熱(J/kg)。
②模具與周圍環(huán)境的熱交換
式中，h1為熱交換系數(shù)(J/(m2·s·K));T 為模溫(K);TG為空氣溫度(K);A 為模具表面積(m2) ;τ 為散熱時間( s)。
③模具與冷卻介質(zhì)之間的熱交換QH 使用冷卻介質(zhì)的目的是為了在模具中達(dá)到熱平衡，并保持模具中所需的溫度場不變。
式中，h2為模具與冷卻液之間的熱交換系數(shù)(J/(m2·s·K));TL為冷卻液溫度(K)。
壓鑄展-鑄造展-2015第十六屆廣州國際壓鑄、鑄造及工業(yè)爐展覽會-中國最受關(guān)注的壓鑄鑄造展會-巨浪展覽-The 16th
Guangzhou Die-casting, Foundry & Industry Furnace Exhibition
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