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MAGMA技術連載(二)使用自主設計在壓鑄中的創新產品設計和穩健工藝布局

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-01-17  瀏覽次數:93
核心提示:創新的汽車輕量化設計對壓鑄件的產品和工藝開發提出了更高的要求。這是由于產品開發周期越來越短,以及壓鑄結構件的功能集成和復雜性不斷提高。鋁合金和鎂合金壓鑄的復雜工藝技術和模具的主要目標是提高成本和資源效益,并嚴格滿足鑄件的高標準要求。在該背景下,鑄造工藝模擬是一種成熟的工具,用于支持模具設計、產品設計以及工藝開發。

Dr.-Ing. Horst Bramann, M.Sc. Laura Leineweber, Dr.-Ing. Jörg C. Sturm, MAGMA Gießereitechnologie GmbH, Aachen, Germany

Abstract
摘要

Innovative automotive lightweight designs lead to a higher demand for the product and process development of die cast components. This is attributed to shorter and shorter product development cycles as well as the rising functional integration and complexity of structural die cast parts. The main objectives of the technically complex processes and tools in aluminum and magnesium die casting are cost and resource efficiency along with the robust fulfillment of the defined high-class requirements of the casting. In this context, casting process simulation is a well-established tool used to support tool design, part design as well as process development.

創新的汽車輕量化設計對壓鑄件的產品和工藝開發提出了更高的要求。這是由于產品開發周期越來越短,以及壓鑄結構件的功能集成和復雜性不斷提高。鋁合金和鎂合金壓鑄的復雜工藝技術和模具的主要目標是提高成本和資源效益,并嚴格滿足鑄件的高標準要求。在該背景下,鑄造工藝模擬是一種成熟的工具,用于支持模具設計、產品設計以及工藝開發。

本文以一個壓鑄結構件為例,展示了MAGMASOFT ® 5.4自主設計的新方法如何滿足壓鑄的以下需求:

-更快地開發產品和工藝,

-在質量、產量和成本方面的最佳工藝和模具設計,以及

-穩健的工藝布局,比以往更佳的最大化質量再現性。

壓室對氣孔的影響

卷氣或逸出氣體造成的氣孔是報廢的常見原因。尤其是在熱處理過程中,這些缺陷直接導致報廢,并對焊接性和鉚接能力等連接技術的鑄造要求產生負面影響。此外,通常較大且薄壁的結構件在充型過程中易于導致熔體顯著的溫度損失。這導致了錯誤流態,例如流痕和表面缺陷,甚至是鑄件的關鍵連接區域出現不可接受的冷隔。

因此,在工藝開發和鑄件設計的范圍內,目標應是模具的最佳充型,同時避免鑄造系統中的卷氣和過高的溫度損失。目前,對這些潛在風險的分析和識別通常是在只考慮料餅的適當簡化模型下進行的。避免上述風險的一個特殊可能性是壓射室中沖頭運動第一階段的工藝條件的相應定義,參見圖4。不便利的工藝條件會立即導致壓射室中的卷氣。通過沖頭的進一步運動,然后這些卷氣不受控制地被輸送到鑄件中。

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圖4:考慮壓射室的接頭模具充型分析。在沖頭運動的第一階段,所選擇的壓射曲線導致大量的卷氣和金屬液的顯著溫度損失。


下面的例子展示了通過使用MAGMASOFT 5.4自主設計的新方法,對倒料和壓射曲線進行的系統分析和優化,參見圖5。虛擬分析有兩個目標:

1.避免配料過程和沖頭運動第一階段中的卷氣

2.防止壓射室中金屬液顯著的溫度損失。

MAGMA技術連載(二)使用自主設計在壓鑄中的創新產品設計和穩健工藝布局

圖5:相關工藝參數的系統優化,以避免壓射室中的卷氣和溫度損失。該方法支持通過MAGMASOFT ®在鑄造相關任務中實現有針對性和高效的工作。

為此,第一階段的沖頭速度以0.1m/s的速率從恒定的0.1m/s變化到0.4m/s;同時,配料過程后的等待時間以1秒的間隔在1秒鐘到5秒鐘之間變化。評價虛擬試驗設計的質量標準/輸出變量包括充型結束時壓射室中熔體的平均溫度和壓射室中的卷氣。在一些情況下,由于任務的復雜性,基于3D結果對壓射室中潛在的卷氣進行評估。

模擬模型的有效簡化在執行系統虛擬工藝分析時起著至關重要的作用。在當前的案例中,復雜的結構零件以及內澆口和排氣系統由相同體積的簡化幾何結構所取代。對于本例中的虛擬實驗設計,僅計算模具充型而不計算模具預熱循環。MAGMASOFT ® 5.4支持方法虛擬統計分析的執行,從單模擬到虛擬實驗設計(DoE),再到利用遺傳算法的自主優化。按照試驗的全因子設計,對由自由度產生的虛擬DoE的20個試驗進行計算。

       圖6示出了恒定沖頭速度從0.1到0.3m/s的試驗設計的一些組合的不同穩料時間比較。由于過渡到壓射室的橫澆道系統過早關閉,金屬液在壓射室中的穩料時間導致壓射室中不同的潛在卷氣風險。2秒的穩料時間和0.2m/s的沖頭速度可使流動前沿連續排出空氣,從而防止壓射室中產生卷氣。基本上,顯而易見的是,對于每個沖頭速度都有對應其合適的穩料時間,可使壓射室中產生可接受的充填曲線。但是,隨著沖頭速度的提高,卷氣風險趨于上升。

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圖6:對于在壓射室中倒料后不同等待時間,金屬液的溫度分布和位置與第一階段的恒定沖頭運動

 

       相關矩陣可定量評估澆注速度和穩料時間對壓射室中金屬液溫度損失的影響,參見圖7。正如預期的那樣,評估揭示了兩個不同的過程變量和金屬液平均溫度之間的相關性。在最快的參數組合(0.4m/s的沖頭速度,1s的穩料時間)和最慢的參數組合(0.1m/s的沖頭運動,5s的穩料時間)之間,壓射室中熔體的溫差為55 ℃。對于700 ℃的給料溫度,在模具充型結束前,壓射室中的溫度損失至少為66 ℃。這對應于最短的等待時間和最高的沖頭速度

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圖7:對于分析的兩個變量,模具充型結束時壓射室中熔體平均溫度的相關矩陣

 

       在考慮到預期目標時,最佳折衷方案是等待時間為2s,沖頭速度為0.2m/s。對于更復雜的鑄造幾何形狀,使用完整的模型來分析這些參數,參見圖8。將結果與初始變量進行比較。優化的工藝條件示出了空氣從壓射室通過空腔的均勻輸送。在模具充型結束前,壓射室中的溫度損失大約為90 ℃。

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圖8:連接節點的充型與初始工藝參數之間的比較,以及穩料時間為2s、沖頭速度為0.2m/s的虛擬實驗設計最佳折衷方案

 

圖9比較了優化的工藝條件與沒有壓射室的簡化模擬模型。兩種模型的充型操作幾乎相同,這證實了沒有壓射室的簡略(簡化)模擬模型同樣適用于鑄造系統的上游開發過程。如果需要,可以擴展模擬模型,以用于對壓射室中的過程進行詳細分析或過程優化。

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圖9:對于優化的沖頭運動第一階段,考慮和不考慮壓射室充型之間的比較

對于鑄造節點來說,精確的給料過程對于所有相關質量標準的重要性是顯而易見的。造成這種情況的原因是壓射曲線隨著給料量的變化而變化。過小的給料量會將整個壓射曲線(加速開始到第二階段和減速點)移至更早的時間,導致減速點從充型結束轉移到鑄造腔中。其結果是充型時間顯著增加,同時也存在流痕和冷隔的相應風險。過大的給料量將不可避免地導致壓射曲線移至更晚的時間。在最壞的情況下,這將導致編程的減速變得無效,并增加毛邊的風險。

工藝變化的系統虛擬分析允許在鑄造第一個零件之前就能生成真實的工藝知識。當然,全面的虛擬工藝分析比單獨的模擬運行需要更長的時間。但是,在生產現場進行這樣的分析是不可行的,或者沒有經濟意義。獲得的知識支持穩健工藝的布局,并確保順利生產。

總結

在高壓壓鑄中,MAGMASOFT的方法虛擬試驗或自主是一種突破性的方法,該方法通過透明和定量的工藝知識,實現模具和生產工藝的優化和穩健布局。除確定可靠的技術解決方案之外,這種新方法還提供了質量和盈利能力之間的最佳折衷方案,這是壓鑄機一直追求的目標。因此,即使在計劃階段的早期,對于復雜的任務,也有可能生成關于鑄件生產參數和質量標準之間相關性的系統知識,而且幾乎沒有經濟或生產風險。

早期的安全決策支持產品開發人員和模具鑄造人員設計穩健、經濟有效和資源高效的產品和工藝。在規劃階段的早期應用此類虛擬生成的知識是CAE開發過程的基礎,在該過程中,設計者和模具鑄造者同時對部件和鑄造工藝進行優化。

 
 
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