利用仿真軟件解決鑄件的微縮孔現象【Albany-Chicago Co】利用仿真軟件解決鑄件的微縮孔現象
利用仿真軟件解決鑄件的微縮孔現象【Albany-Chicago Co】利用仿真軟件解決鑄件的微縮孔現象

 

利用仿真軟件解決鑄件的微縮孔現象

作者:艾力克斯瑞克合,奧爾巴尼-芝加哥有限公司的設計工程師

(Alex Reikher, Albany-Chicago Co., Pleasant Prairie, Wisconsin )

近年來,鑄造業者利用仿真軟件不斷的改進鑄件的品質,利用減少鑄造過程中,固化時卷入的氣體量,解決了傳統鑄件的縮孔及縮松問題。但是對于鑄造業務人員而言,另一項問題更復雜,就是微縮孔的問題。微縮孔指的是在固化過程中,縮孔直徑小于1毫米(1.0mm)以下的孔隙。微縮孔現象會造成鑄件的力學性能降低,如果鑄件使用條件需要氣密或者是防水的需求,微縮孔現象還會造成泄漏問題。截至目前為止,微縮孔的形成還未被學界及業界完全了解,不過大部分的研究認為,微縮孔的發生主要是因為當液態金屬固化時,由于體積收縮,使得液態金屬位置的壓力降低,而在鑄件上發生孔隙現象。也就是說,如果在發生縮孔位置附近沒有足夠的金屬可以補償收縮,當液態金屬局部壓力小于氣體溶解壓力時,該位置就會發生微縮孔現象。

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計算流體力學(Computational fluid dynamics, CFD)雖然已經被廣泛應用于鑄件設計仿真工藝中,但是仍然無法預測微縮孔的形成。最大的原因在于這些軟件并沒有計算在固化過程中金屬因為體積變化造成的壓力變化。最近,開始有CFD 軟件重視這個問題,考慮到微縮孔現象的計算與仿真。

我們發現這套軟件可以精確的預測微縮孔發生的位置,讓我們在設計初期就能夠掌握問題點,并且借著設計方案的修改解決問題。因此,我們能夠在開發新模具的同時有效的減少模具試模的次數。

 

傳統模具設計的作法

奧爾巴尼-芝加哥公司以制造復雜的鋁合金鑄件為主。我們目前的壓鑄機設備在2500噸 ~ 4000 噸。我們的客戶大部分是機臺設備的開發商,主要的開發產品包括了柴油引擎、液壓、機電設備、計算機,衛生以及農業設備等。有超過400人在我們20萬平方英尺的廠區內工作。奧爾巴尼-芝加哥的工程開發包括鑄件的制作,提供加工與組裝的解決方案。我們利用仿真軟件協助開發工作的進行,計與量產端之間能夠更緊密的配合。
傳統的設計作法,仰賴工程師的經驗以及猜測。最大的問題在于,要驗證設計是否成功,只能夠等到模具制作完成,并且進行試模后才能夠得知。一般來說,模具需要經過多次修改,才能夠達到令我們滿意的結果,而這些修改模具的費用,至少需要花費數萬美金。由于這些測試中花費的時間以及成本對于工程師來說是必要的作法,因為只能夠透過這樣的作法,才能夠得到設計修正的建議方案。

 

以仿真軟件的結果取代試模

早在二十世紀 90年代起,奧爾巴尼-芝加哥的工程師開始使用簡單的一維流動模具設計軟件。軟件的功能僅能提供簡單的流動信息。軟件提供的信息有助于模具設計,但是仍然無法對整個壓鑄過程進行仿真計算。盡管如此,在壓鑄業界,我們仍然首先投入人力評估軟件的可靠度以及進行使用,我們希望透過軟件解決設計上遇到的問題,尤其是在模具制作前讓工程師能夠提前掌握問題點。我們采用真實的壓鑄結果與市場上能夠取得的CFD軟件的分析結果進行比對,以實際的案例驗證軟件的功能是否能夠達到我們的需求。更重要的,是我們希望能夠找到一套軟件,能夠完整的模擬整個壓鑄工藝。


我們以實際的壓鑄結果評估了多套商用版鑄造仿真軟件,最后由Flow Science開發的 FlOW-3D 軟件勝出。在我們的評估結果中, FLOW-3D 與我們選擇的測試案例結果最為接近。這可能是 FLOW-3D 已經經過了許多鑄造業者以及開發者進行相當多的驗證比對。另一個與其他的市售 CFD 軟件最大的不同,在于 FLOW-3D 的結果中加入了許多對于鑄造業者而言相當重要的判讀結果。這讓 FLOW-3D 能夠完美的預測整個壓鑄的工藝。


我們重新檢驗我們的模具設計流程,在設計初期將設計方案設計完成的圖檔導入 FLOW-3D 進行仿真計算,這套軟件能夠精確的預測壓鑄常見的問題,例如包風及卷氣等現象。一旦我們確認問題后,我們就可以進行設計變更并且評估,從設計上解決這些問題。我們會等到仿真的結果達到完美后,才會開始進行模具制作。借著這樣的方法,我們能夠大幅度的減少模具試模的次數、浪費的時間,以及模具修改的費用。

 

微縮孔問題的挑戰

placeholder imageplaceholder image左列兩個產品是同一個制品,但是采用了不同的模具設計方案。 FLOW-3D 的微縮孔模型能夠精確的預測微縮孔發生的區域以及嚴重性,在兩套模具做出的產品中可以得到合理的驗證。
雖然仿真軟件的信息能夠幫我們在制作模具前解決相當多的問題,在實際的壓鑄過程中,我們仍然發現許多鑄造的問題。我們通知了 Flow Science,我們很高興 Flow Science 已經意識到這個問題,并且已經進行了軟件功能上的加強。在這些問題中,最麻煩的一點就是微縮孔現象。在我們測試各家商用版軟件的過程中,所有的軟件都無法預測這個問題的發生。所謂的微縮孔,發生的原因是在于金屬冷卻時,該區域的密度會提高,收縮力降低了該區域金屬重新溶解,以補償縮孔所需之壓力,在金屬冷卻后,由于這些位置沒有金屬液可以補償收縮,在這些位置就發生了微縮孔。


微縮孔的特征,在于其形成的小孔隙與整體體積的比例相比相當小,大約是百分之一左右。最大的問題,在于在充填結果中,原本以為可以完美充填的區域,發生了微縮孔現象。舉例而言,如果這個鑄件應用于液壓裝置內,這些位置就可能發生泄漏現象。奧爾巴尼-芝加哥的工程師以往解決這些問題,只能夠透過試模的結果來判斷,再進行模具修改(傳統的作法,是在微縮孔的位置增加冷卻管路)。但是這樣的作法往往相當困難而且花費相當多的時間與金錢(因為往往要大幅修改模具現有的設計),最糟糕的狀況是,如果修改的部分相當大,甚至要重新制作一套新的模具以解決這樣的問題。

 

新的微縮孔計算模型協助解決鑄件上的問題

Flow Science 提出了一個新的計算理論,以描述微縮孔模型的發生。這個模型測試的方式,是在固化過程中,檢查每一個網格與其周邊網格相接處的固化率是否已經讓該位置完全固化。一旦周圍網格已經完全固化,表示該網格將無法從周圍的網格中得到液態金屬進行補償收縮,該網格就會發生微縮孔,微縮孔的量則是由該網格區域在固化過程中的體積收縮量加以計算。這個模型僅需要基本的材料物性,而且不需要額外增加非常多的 CPU 負載。微縮孔計算模型可以完美的與 FLOW-3D 現有體積收縮計算模型 – 動態收縮模型( Dynamic shrinkage model) 以及快速收縮模型( Rapid shrinkage model)同時執行。


奧爾巴尼-芝加哥的工程師第一次利用這個新的計算模組于一個三澆口進澆的鑄件,這個鑄件的問題在于經過拉伸測試后,發現在強度關鍵區域有微縮孔形成的現象。以 FLOW-3D 新的微縮孔模型進行仿真測試,發現仿真的模擬結果(微縮孔發生的區域)與實際成品完全一致。我們在模型中加入了冷卻管路,發現對于微縮孔的形成并無法完全解決問題。因此,工程師改變了作法,希望在微縮孔發生的區域周圍能夠維持較高的溫度。而這個作法同樣以 FLOW-3D 進行驗證,這樣的作法能夠減慢冷卻速度,讓液態金屬可以對縮孔位置進行補償收縮。在最后的試模結果中也得到了完全一致的驗證。


我們同樣應用這個新的微縮孔計算模型于柴油引擎底座與上蓋安裝位置的問題。引擎底座與上蓋安裝的位置,有許多的安裝孔位。這些孔位視在鑄件成形后以二次加工確認位置再鉆孔的。測試發現,在這些位置發生了嚴重的微縮孔現象,上蓋與底座安裝后,在這些位置往往發生泄漏問題。同樣的, FLOW-3D 的微縮孔模型精確的預測了微縮孔的發生位置。工程師改變了模型的設計,在不同的位置安裝了冷卻管路再以仿真軟件測試。在這個案例中,目標是讓鑄件上對于冷卻比較敏感的區域先固化。這個解決方法在隨后的模具修改以及試模結果上得到了明確的驗證。奧爾巴尼-芝加哥的工程師目前已經在每一組新的模具上應用 FLOW-3D 加以驗證其設計,新的微縮孔計算模型也證明了其精確的預測能力。大部分的模具能夠在三次試模內就解決問題,開始進行量產。FLOW-3D 讓我們節省了以往需要浪費在試模上的大量金錢以及時間,也縮短了我們新模具的開發周期,讓我們能夠在更短的時間內投入量產。

 

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