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在壓鑄過(guò)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(shí)易造成對(duì)不合理的沖蝕，嚴(yán)重影響模具的壽命。壓鑄工藝參數(shù)計(jì)算與模具設(shè)計(jì)嚴(yán)重依賴經(jīng)驗(yàn)，使得壓鑄模具設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有直接關(guān)系，設(shè)計(jì)質(zhì)量波動(dòng)大。
壓鑄模設(shè)計(jì)中，工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)的合理性對(duì)壓鑄件的質(zhì)量和成品率及模具的使用壽命都會(huì)產(chǎn)生極大的影響。壓鑄模的造價(jià)比較高，一般均在數(shù)萬(wàn)元至幾十萬(wàn)元，有的高達(dá)上千萬(wàn)元，不合理設(shè)計(jì)若造成壓鑄模具的報(bào)廢，將會(huì)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)由于這種設(shè)計(jì)的不可靠性，很多壓鑄模具需要經(jīng)過(guò)多次的反復(fù)試模、修模，增加了模具成本，延長(zhǎng)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(jì)、制造方法。采用CAD/CAE/CAM(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、輔助工程、輔助制造)技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算和圖形功能輔助模具設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)精度和設(shè)計(jì)的可靠性，設(shè)計(jì)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(jì)信息送入CAE系統(tǒng)，進(jìn)行壓鑄過(guò)程數(shù)值仿真，優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，探索最佳工藝參數(shù)，實(shí)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(guò)優(yōu)化的設(shè)計(jì)信息生成NC 程序，以驅(qū)動(dòng)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(kāi)發(fā)能力。現(xiàn)在，借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，個(gè)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(shí)現(xiàn)需要的功能：
1) CAD 軟件系統(tǒng)。
2) 壓鑄工藝知識(shí)庫(kù)。
3) 模具系列及部分標(biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)庫(kù)。
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(kù)。
6) CAM加工編程軟件系統(tǒng)
7) 模具加工工藝知識(shí)庫(kù)。
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(jì)、物體質(zhì)量特性計(jì)算、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(dòng)、溫度。
CAE 系統(tǒng)軟件
一、系統(tǒng)組成
目前，國(guó)際上壓鑄過(guò)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(chǎng)數(shù)值模擬程序;壓鑄模型腔的金屬充填過(guò)程流場(chǎng)與溫度場(chǎng)數(shù)值模擬;模具與壓鑄件充型與冷卻過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬等。
目前模具與壓鑄件的溫度場(chǎng)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(guò)程，以優(yōu)化模具的設(shè)計(jì)(主要是冷卻系統(tǒng))和工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)。
以ADSTEFAN 軟件為例，軟件功能主要特點(diǎn)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(shí)間內(nèi)完成，澆注系統(tǒng)在網(wǎng)格劃分時(shí)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(jì)算速度快網(wǎng)格劃分算法經(jīng)過(guò)優(yōu)化，支持并行計(jì)算，計(jì)算速度和效率高。
3) 計(jì)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(jì)算到1 億個(gè)網(wǎng)格，計(jì)算精度高。
4) 后處理分析功能強(qiáng)。面向鑄造實(shí)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(jì)算結(jié)果，幫助鑄造工程師預(yù)測(cè)鑄造缺陷。
二、壓鑄過(guò)程數(shù)值模擬原理
壓鑄過(guò)程數(shù)值模擬是一項(xiàng)集三維實(shí)體建模、實(shí)體網(wǎng)格剖分(前處理)、溫度場(chǎng)計(jì)算、流場(chǎng)計(jì)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(shí)體建模
三維實(shí)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(jì)算機(jī)可識(shí)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(shí)體造型主要是利用CAD 軟件實(shí)現(xiàn)，通過(guò)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(gè)初始的環(huán)境及對(duì)象。前處理模塊是材料成形過(guò)程數(shù)值模擬系統(tǒng)的重要組成部分，是對(duì)材料成形過(guò)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(gè)系統(tǒng)的實(shí)用性及計(jì)算的準(zhǔn)確性。前處理要對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，為模擬計(jì)算提供初始數(shù)據(jù)。自動(dòng)剖分網(wǎng)格是分析的關(guān)鍵技術(shù)，它是材料成形過(guò)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(guò)程溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型
(1)壓鑄過(guò)程的傳熱特點(diǎn)
壓鑄生產(chǎn)過(guò)程是由一系列周期性操作組成，生產(chǎn)一個(gè)壓鑄件所占用的時(shí)間稱為一個(gè)壓鑄循環(huán)周期。以臥式冷室壓鑄機(jī)為例，可將一個(gè)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(kāi)模、頂出鑄件、噴涂冷卻、合模8 個(gè)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(diǎn)溫度在壓鑄生產(chǎn)一個(gè)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(guò)程中升至很高的溫度，這是由于液態(tài)金屬在短時(shí)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(kāi)模以后，由于型腔表面與空氣對(duì)流換熱加速熱流的散失;在噴涂過(guò)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(diǎn);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(gè)過(guò)程來(lái)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(gè)操作循環(huán)中及時(shí)排出，使模具處于一種穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)，即單位時(shí)間輸入系統(tǒng)的熱量= 單位時(shí)間輸出系統(tǒng)的熱量。
在壓鑄過(guò)程中，模具起著熱交換器和蓄熱器的功能，模具不斷向周?chē)h(huán)境散熱，同時(shí)又吸收合金液傳給的熱量。壓鑄過(guò)程中，金屬液的熱量QM大部分通過(guò)冷卻管道傳遞給冷。
①金屬液傳遞給模具的熱量QM在一個(gè)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(shí)的溫度(K);TE為鑄件頂出時(shí)的溫度(K);LH為結(jié)晶潛熱(J/kg)。
②模具與周?chē)h(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(shí)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(chǎng)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(guó)際壓鑄、鑄造及工業(yè)爐展覽會(huì)-中國(guó)最受關(guān)注的壓鑄鑄造展會(huì)-巨浪展覽-The 16th
Guangzhou Die-casting, Foundry & Industry Furnace Exhibition
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