鑄造仿真工藝已成為快節(jié)奏開發(fā)過(guò)程中不可或缺的一部分。在這種情況下，開發(fā)重點(diǎn)在于組件的優(yōu)化和工藝流程的改進(jìn)。而現(xiàn)代化仿真技術(shù)可以提供既可靠又可追溯的結(jié)構(gòu)。第一次仿真過(guò)程通常應(yīng)在詢價(jià)階段啟動(dòng)。盡管公司還沒有收到任何訂單，但企業(yè)應(yīng)對(duì)被詢價(jià)的組件開展進(jìn)一步研究。報(bào)價(jià)的編制應(yīng)盡可能地貼合現(xiàn)實(shí)和實(shí)際情況，以避免在生產(chǎn)啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)意外情況，從而避免不必要的成本增加。因此，在編制報(bào)價(jià)單時(shí)，盡管無(wú)法確定客戶最終會(huì)在哪家企業(yè)下單，且對(duì)企業(yè)的要求較高、時(shí)間較少并且完全沒有預(yù)付的情況下，得出切合實(shí)際的可行性結(jié)論。

開發(fā)階段的仿真

仿真必須要花費(fèi)盡可能少的費(fèi)用，同時(shí)，結(jié)果應(yīng)盡快提交并且應(yīng)盡可能準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況。盡管存在時(shí)間壓力，但得出的模具填充、流態(tài)、流速、空氣夾雜物、孔隙率，模具溫度等結(jié)果應(yīng)盡可能準(zhǔn)確且具有說(shuō)服力。仿真應(yīng)支持和改進(jìn)模具或生產(chǎn)成本相關(guān)結(jié)論，以便盡可能準(zhǔn)確地制定報(bào)價(jià)。

在這里，以一款由鋁合金AlSi10MgMn制成的減震塔壓鑄結(jié)構(gòu)件為例進(jìn)行說(shuō)明。其重量為5.9千克，壁厚為2.5毫米。該組件采用真空壓鑄工藝制成，并在安裝孔區(qū)域內(nèi)對(duì)其進(jìn)行了CNC加工。此外，還對(duì)其進(jìn)行了熱處理，以增加其強(qiáng)度和延展性。該組件尺寸約為530×520×440毫米。

在車身領(lǐng)域，鋁制壓鑄結(jié)構(gòu)件向來(lái)與具有高強(qiáng)度的薄鋼板處于競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。相較于鋼材料，鋁制結(jié)構(gòu)件具備高功能集成度、突出的尺寸精確度以及特殊能量吸收能力等優(yōu)勢(shì)，這使得鋁制組件在成本和增長(zhǎng)率方面 仍具有非常大的吸引力。

根據(jù)上文中所提及的要求，直觀且易于操作的界面以及快速輸入規(guī)定參數(shù)，對(duì)仿真系統(tǒng)而言至關(guān)重要。對(duì)簡(jiǎn)單而快速的處理過(guò)程而言，系統(tǒng)的“可用性”（“Usability”）是一個(gè)必不可少的要素，因?yàn)橛脩艨赡懿⒉皇敲刻焓褂梅抡嫦到y(tǒng)工作。為此，在Inspire Cast 2019系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了相關(guān)特征，以使費(fèi)用保持盡可能低。

在開始之前，須回答一些基本問題（圖1）：

> 分型（紅色）應(yīng)置于哪個(gè)位置？

> 哪個(gè)位置需要溢出口（綠色）？

> 是否需要型芯（藍(lán)色）？

> 是否需要擠壓銷（橙色）？

> 冷卻裝置可置于哪個(gè)位置？

> 哪個(gè)位置處須加熱？

在搞清楚了這些問題之后，我們將在第二個(gè)示例中研究澆口概念（從外側(cè)（圖2，左）和中心（圖2，右））。兩者都需要用到不同的工具概念，其中，每個(gè)工具概念所產(chǎn)生的成本不同，因此，可以對(duì)它們進(jìn)行對(duì)比。這兩個(gè)概念在工業(yè)領(lǐng)域都可以找到，根據(jù)要求、數(shù)量等因素的不同，它們均具備許多各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

針對(duì)仿真過(guò)程，CAD數(shù)據(jù)集將被導(dǎo)入到仿真系統(tǒng)Inspire Cast中。為此，可使用Catia、NX、ProEngineer、Inventory和Solid Works本地轉(zhuǎn)換器以及系統(tǒng)中立的STEP和Parasolid轉(zhuǎn)換器作為接口。該系統(tǒng)與現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的Parasolid-Kernel相兼容。在Inspire Cast系統(tǒng)中，只需在鑄件完成CAD導(dǎo)入后點(diǎn)擊幾下即可精確設(shè)置澆口位置。這些功能的設(shè)計(jì)方式使相關(guān)幾何元素可以在短短幾分鐘內(nèi)輕松投射和對(duì)準(zhǔn)規(guī)定截面區(qū)域。因此，不需要在外部CAD系統(tǒng)中對(duì)澆口系統(tǒng)進(jìn)行高成本的CAD設(shè)計(jì)。

由于3D數(shù)據(jù)在進(jìn)入計(jì)算部門之前通常已經(jīng)經(jīng)過(guò)了多個(gè)接口，因此，內(nèi)部調(diào)整機(jī)制可確保在必要時(shí)更正錯(cuò)誤面積數(shù)據(jù)或非內(nèi)部體積數(shù)據(jù)。模型準(zhǔn)備和夜間計(jì)算所花費(fèi)的成本可以忽略不計(jì)。客戶或開發(fā)部門方面提供的規(guī)定格式的純凈CAD數(shù)據(jù)是順利導(dǎo)入和快速計(jì)算的前提。根據(jù)FEM方法可在lnspireCast系統(tǒng)中進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，這意味著鑄件的輪廓可以被非常精確地復(fù)制出來(lái)。此外，F(xiàn)EM網(wǎng)格在較薄的壁中（例如，在截面內(nèi)）會(huì)自動(dòng)發(fā)生細(xì)化，從而可使精確度得以提高。

兩個(gè)澆口系統(tǒng)（無(wú)結(jié)構(gòu)）仿真過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間比：

CAD輸出/輸入step/prasolid：10分鐘

參數(shù)設(shè)置：20分鐘

填充計(jì)算/中等載荷：4小時(shí)

凝固計(jì)算/中等載荷：1小時(shí)

總時(shí)間（每個(gè)仿真過(guò)程）：約5.5小時(shí)

結(jié)果評(píng)估：4小時(shí)

得出結(jié)論所需時(shí)間合計(jì)：9小時(shí)

模具填充結(jié)果截面1，側(cè)面

在模具填充開始時(shí)，可以在澆口區(qū)域內(nèi)看到典型的壓鑄工藝湍流?？諝饩奂诮孛?zhèn)让?，因此，之后必須?duì)這個(gè)位置進(jìn)行排氣處理。與組件另一端的澆口系統(tǒng)相比，后續(xù)需進(jìn)行大面積排氣處理（圖3）。從進(jìn)一步的過(guò)程中可以看出，可省去大部分計(jì)劃的側(cè)排氣口設(shè)計(jì)。

凝固結(jié)果截面1，側(cè)面

凝固計(jì)算可顯示螺旋圓頂中的孔隙率，對(duì)此，必須使用型芯或必要時(shí)用擠壓銷對(duì)其進(jìn)行處理。由于先前已對(duì)截面進(jìn)行了凝固處理，因此，在第3個(gè)階段無(wú)法進(jìn)行優(yōu)化（圖4）。

模具填充/凝固結(jié)果截面2，中心

結(jié)果如圖5所示。通過(guò)中心澆口進(jìn)行的模具填充均勻。從圖中可以看出，需要在組件周圍設(shè)計(jì)幾個(gè)排氣位置（圖6）。凝固情況幾乎與側(cè)面澆口系統(tǒng)完全相同。截面的迅速凝固使我們無(wú)法對(duì)中心澆口系統(tǒng)的孔隙率施加任何影響。

側(cè)面澆口1和中心澆口2的通風(fēng)情況對(duì)比

由湍流引起的空氣夾雜物的比較表明，相較于截面，側(cè)面澆口系統(tǒng)出現(xiàn)了預(yù)期濃度。之后應(yīng)在該處安裝真空系統(tǒng)（圖7）。

結(jié)果比較

表1列出了針對(duì)兩個(gè)截面的比較。在這種情況下，根據(jù)當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)，側(cè)面澆口系統(tǒng)是更優(yōu)選擇。如上所述，兩種選擇都可以在實(shí)踐中找到，根據(jù)組件幾何形狀或成本因素（如數(shù)量或機(jī)器生產(chǎn)率）的不同，此處的設(shè)計(jì)有所不同。

生產(chǎn)準(zhǔn)備工作

在開發(fā)階段，仿真過(guò)程可能會(huì)因最終決定而被終止?？蛻粝聠魏蟮南乱徊绞巧a(chǎn)準(zhǔn)備工作。為此，首先需要檢查側(cè)面澆口系統(tǒng)的流動(dòng)特性。在這種情況下，我們會(huì)使用一個(gè)簡(jiǎn)單的殼體，并且會(huì)對(duì)比不同的截面幾何形狀（圖8）。此處考慮采用的是兩個(gè)具有不同入口角的切向截面和兩個(gè)具有不同入口橫截面的扇形截面。切向截面似乎完全不適用于我們的殼體。入口正后方形成了來(lái)自活塞的負(fù)壓區(qū)域，并伴有湍流和進(jìn)入組件的空氣增多的現(xiàn)象。即使在單側(cè)入口的扇形截面中（例如，在模具頂出器一側(cè)），在側(cè)面擴(kuò)徑范圍內(nèi)仍可以看到湍流（方案3）。最佳變形結(jié)構(gòu)是在扇形澆口末端使用圓形入口，在仿真過(guò)程中，此處再也沒有看到湍流（方案4）（圖9）。仿真證明了扇形截面的優(yōu)勢(shì)，即，進(jìn)入到壓鑄件中的空氣明顯減少了。

由湍流引起的空氣夾雜物當(dāng)然不是衡量模具填充是否成功的唯一標(biāo)準(zhǔn)。但是，在花費(fèi)成本相對(duì)較低的仿真過(guò)程中，可以對(duì)每項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更加精確地研究，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，從而逐步減少錯(cuò)誤源。如今，我們的生產(chǎn)模型將增加切合實(shí)際的澆口系統(tǒng)及功能性排氣系統(tǒng)（圖10）。此外，在生產(chǎn)條件下進(jìn)行仿真時(shí)，還應(yīng)將模具或部件的幾何形狀以及熱/冷卻回路等因素考慮在內(nèi)。我們會(huì)對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，并在Inspire Cast系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行定義。

模具填充結(jié)果生產(chǎn)模型

我們首先考慮的是將模具填充（圖11）作為計(jì)算結(jié)果。通過(guò)幾個(gè)扇形截面按橫向指定方式進(jìn)行模具填充。根據(jù)預(yù)期，存在于系統(tǒng)中的空氣會(huì)聚集于排氣區(qū)域內(nèi)（圖12）。

生產(chǎn)模型的凝固

正如在開發(fā)過(guò)程中及前述仿真過(guò)程中所確認(rèn)的那樣，安裝孔區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)不利的孔隙率是一種很難避免的情況。截面系統(tǒng)在1.0秒后已發(fā)生凝固，因此，無(wú)法進(jìn)一步對(duì)關(guān)鍵區(qū)域做填充處理（圖13）。因此，在圓形罩內(nèi)，可能只有型芯或擠壓機(jī)才能達(dá)到預(yù)期效果。

仿真過(guò)程中冷卻裝置的影響

在仿真過(guò)程中對(duì)整套冷卻裝置進(jìn)行了模擬。應(yīng)根據(jù)區(qū)域來(lái)研究冷卻裝置的影響。如需通過(guò)有針對(duì)性的冷卻裝置對(duì)孔隙率施加影響，則應(yīng)更改和計(jì)算安裝孔區(qū)域內(nèi)的冷卻裝置。在模具填充結(jié)束5秒后計(jì)算溫度。在計(jì)算溫度時(shí)，一次與輪廓之間的的距離為25毫米，一次為10毫米。計(jì)算得到的溫度差僅為2℃。噴涂或周期時(shí)間等其他影響首先被排除在外了。由此，可以看出，壓鑄件邊殼迅速凝固在這里引起的影響預(yù)計(jì)會(huì)很小。對(duì)此，可以考慮使用擠壓銷。

結(jié)論

早在鑄件的開發(fā)過(guò)程就可以用較少的費(fèi)用計(jì)算出具有說(shuō)服力的模具填充和凝固仿真結(jié)果。結(jié)果可在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)得出，數(shù)據(jù)輸入和計(jì)算工作量所花費(fèi)的費(fèi)用可忽略不計(jì)。CAD數(shù)據(jù)是這項(xiàng)工作的前提條件。預(yù)期生產(chǎn)活動(dòng)相關(guān)報(bào)價(jià)或估價(jià)的制定可得到?jīng)Q定性支持及更精確的反映。一段時(shí)間以來(lái)，Inspire Cast提供了一種易于操作且十分具有說(shuō)服力的工具。

針對(duì)生產(chǎn)，需進(jìn)行更深入的仿真模擬，需對(duì)典型的鑄造技術(shù)加以調(diào)整（如澆鑄流道，截面和溢流口設(shè)計(jì)等），并對(duì)工具中的熱條件優(yōu)化處理，從而保證仿真過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)任何問題并得以進(jìn)一步優(yōu)化。在Inspire Cast系統(tǒng)中已有相關(guān)預(yù)定義功能。工業(yè)企業(yè)的反饋表明，仿真結(jié)果與真實(shí)組件之間具有高度一致性。在此基礎(chǔ)上，Inspire Cast的熱機(jī)械耦合裝置很快會(huì)被推出，因此，更多實(shí)際情況將被考慮進(jìn)去。