【CM Taricco】重力鑄造模具滲漏問題研究
【CM Taricco】重力鑄造模具滲漏問題研究

 

【CM Taricco】重力鑄造模具滲漏問題研究

作者

Gabriele Taricco, CM Taricco

Stefano Mascetti, XC Engineering

一、前言

模具設計是一個相當復雜的工作,因為在設計時必須同時考慮金屬液的流動以及金屬凝固順序。除此之外,模具因為溫度熱傳造成的應力變形也可能導致其他問題的發生。CM Taricco 是意大利的一家模具制造商,在開發新型模具時發現在每次鑄造時,模具底部會發生金屬液滲漏問題。在模具開始生產時,這個現象僅少數發生;隨著生產模次增加,這個現象會越來越嚴重。一旦發生問題,生產人員就必須立刻進行問題排除,因為這會造成生產時間無法預期,并增加鑄件成本。

圖1.原始重力鑄造模具底部的金屬液滲漏現象

 

二、研究問題發生原因

由于這套重力鑄造模具在初始開發時,就已經進行澆鑄系統及渣包位置的評估及數值模擬,因此判定問題應該不是由金屬液的流動造成。Gabriele Taricco (CM Taricco 公司創辦人) 提出疑問,認為滲漏問題可能來自于鑄造過程中的熱應力。由于進行模具設計時未同時評估模具冷卻路徑,導致模具發生嚴重的積熱。而這個問題造成模具底部發生不可預期的嚴重變形,導致金屬液從該處發生滲漏。為了確認此現象是否真實發生,該公司采用 FLOW-3D 進行數值模擬,希望能夠確認是否這個問題能夠在仿真工藝中重現,進而從模具設計上解決這個問題。

圖2-1.金屬液發生滲漏的位置

圖2-2.在模具不均勻溫度分布下,可能造成模具之間發生間隙

 

三、數值設定與問題判定

利用 FLOW-3D,整個數值模型可在短時間內完成設定并且進行計算。FLOW-3D 對于網格簡單且高效能的處理能夠讓數值網格減少,并且提高執行效率。與一般軟件傳統網格設定方式相比較,FLOW-3D 能夠在較短的運行時間內提供高精度的分析結果。

在此分析案例中,考慮到分模面位置的設計,所采用的第一個技巧是在分割網格前進行了圖面旋轉,這樣能夠將網格盡量控制在鑄件位置,即便是鑄件上有較細小的細節特征,FLOW-3D 仍然能夠完整的描述。

圖3-1.根據分模面位置,將模具圖面進行旋轉

第二個技巧是為內腔(薄壁)使用新的隨形網格,同時為整個區域保留傳統的較大網格塊。隨形網格適合開放體積,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格塊的對齊方式

另外,為了減少網格計算數量,在模具圖面旋轉20度后,再利用FLOW-3D 的 “domain removing” 組件移除不需要進行計算的網格區域。

圖3-2.利用 FLOW-3D 的Domain removing 技術大幅減少計算所需的數值網格

其余的設置遵循傳統的方案,利用軟件的大多數推薦默認值。由于這些特性和 FlOW-3D 中新的區域分解特性,可以將原計劃的900萬個網格減少到流體網格區域僅184萬個網格,固體網格區域僅243萬個網格。

利用上述網格設定技巧,成功的將分析網格減少了約80%的數量,這能夠大幅縮短所需的計算時間。

 

四、成形分析

填充模擬后,為保證良好的充型,將模擬的重點轉向熱模循環分析。在這種情況下,設置快速而簡單,只需要1小時就可以在一臺普通臺式機(i7 5930K,商業價值1500美元)上復制10個生產周期。結果證實了CM的最初假設: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致預期的變形和金屬液滲漏。

模具熱循環過程中的模具溫度模擬

利用 FLOW-3D 的模具熱循環分析技術,能夠完整地模擬模具在經歷充型、凝固冷卻后,因為熱量累積造成的模具溫度分布。在初始設定時,預設模具經歷十次開關模具的生產工藝。利用 FLOW-3D 的后處理模塊 FlowSight 進行分析結果輸出,CM Taricco 確認在模具底部確實發生了溫度不均勻分布造成的積熱現象。而這些區域應該就是造成滲漏問題的主要位置。

圖4-1.模具熱循環分析

圖4-2.模具溫度分布(歷經十次成形后的模具積熱分布)

 

五、模具變形分析

熱平衡:有限元驗證

使用FLOW-3DFSI模型驗證和研究了模具的變形位置和變形量

在判定問題可能是由模具溫度造成的模具變形,導致金屬液滲漏問題后,CM Taricco 公司希望能夠確認模具的變形量,以進行模具設計變更。XC Engineering 協助 CM Taricco 公司進行 FLOW-3D 設置和執行計算,利用 FLOW-3D 直接計算因為模具溫度分布不均造成的模具變形量,而這些變形結果可以在 FLOW-3D 后處理模塊 Flowsight中直接確認,并且同時量測變形量尺寸。

圖5-1.模具變形量計算

 

圖5-2.模具之間因為熱變形造成之間隙尺寸計算

 

六、模具設計變更優化

在確認模具積熱確實會造成模具發生變形,導致金屬液滲漏后,CM Taricco 公司進行了以下的模具變更設計。利用調整分模面設計,讓模具本體在合模時增加了多余的支撐位置,以減少模具發生變形的可能性。另外,在設計時同時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整。

圖6-1.模具設計變更1

 

圖6-2.模具設計變更2

 

七、結論

在進行模具設計變更優化后,CM Taricco 公司再次以 FLOW-3D 進行驗證,確認模具變形量在可接受范圍內后,再進行模具修改。新的模具能夠讓熱量均勻的分布到模具本體,不再發生不均勻的溫度分布造成模具局部熱應力集中,而這反應的就是完美的鑄件成形。在后續量產成形時,該套模具不再發生模具滲漏問題。不但大幅提高生產效率,也大幅地降低鑄件成形成本。

圖7.完成模具設計變更優化后的新鑄件,不再發生模具滲漏問題

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