压铸过程中铸造缺陷预测的模拟外文翻译资料

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压铸过程中铸造缺陷预测的模拟

M.W. Fua and M.S. Yong

在当前的铸造行业，产品的模式正在从车间的“传统试错”模式向运用CAE仿真技术和使用电脑的“概念验证”的模式发展。因此，产品模式转变为大量的数据和经验，以便能进一步的作科学的模拟、评估、分析和计算。CAE仿真在新产品开发模式中发挥着重要的作用，因为它的模型在整个铸造过程中首要的，它揭示了铸造系统在工作条件下的动态方式。此外，对该产品的全部质量和产品缺陷进行模拟，以这样的方式来探索铸造缺陷的根本原因及解决方案，避免直接确定参数。本文给出了CAE技术在铸造过程中的应用，铸造的建模过程是：先阐述出详细的仿真问题,再具体化。并且相关的填充和凝固过程及后处理也是通过CAE模拟显示的。通过案例研究，CAE仿真技术，识别和预测在铸造过程中的相关缺陷是说明其效率最终的验证方式。

关键词：CAE模拟;高压压铸;产品质量保证;缺陷预测

1.介绍

对于现代的铸造产品，其研究发展模式基本上建立在大量的尝试、失败积累的经验之上的，即使这样也需要长年的生产经验和熟练的工艺。铸件的生产模式需要得到发展，于是人们将目光投向了科学模拟，建立在经验基础上的模拟、评估、分析和计算，这一过程比较费时，容易出错，并且需要大量的实验数据的支持和实际生产的验证。目前，铸造制品，尤其是用于高压模铸（HPDC），由于其模型近乎于网状，生产效率高、能够产生复杂的几何形状，而被广泛应用于许多工厂中。由于市场需求上的设计和制造时间的缩短，良好的尺寸精度、产品整体质量和产品设计和工艺配置的快速变化日益显著。如何满足这些需求，一直是铸造生产行业的瓶颈。在这个竞争激烈的市场中，传统的产品开发模式显然是有缺陷的。为了解决这些问题，需要通过有效的使能技术支持高效的产品开发模式。以往，CAD / CAM技术作为有效的使用技术，对于设计目的和解决方案以及物理设计的实现，提供一个重要的解决方案，来解决上述问题。该技术大大提高了设计质量，缩短了设计和制造的时间。然而，它难以解决铸造过程设计中的一些关键性问题，如：模具结构，产品性质的配置，最后的质量控制及单独使用CAD/ CAM技术的保证。

计算机辅助工程（CAE）仿真技术，从另一方面来说，填补了这一差距，因为它以其切实高效的手段实现了产品的设计意图和解决方案。从产品质量和缺陷预测的角度来看，CAE仿真对于技术分析、预测、铸造产品的质量和缺陷的评价等方面，具有最高效的技术和最低的成本。

在CAE仿真中，所述仿真是：在加工过程和条件中，系统的动态行为通过模型作为物理系统的代表。数值模拟采用数值方法，如有限元法（FEM）或有限差分法（FDM），来定量代表物理系统的工作方式。数值结果相应的有关物理系统的物理内容要模拟。以铸造工艺作为一个实例，空腔中的金属的流体动力学、热现象，在填充和固化过程中的熔融物的固态转化必须通过物理和数学模型来建模。最终的模拟结果与浇铸过程的方式、铸造产品的属性有关。从生产工艺的角度来看，数值模拟的结果与产品的结构、质量、性能和缺陷问题相关联。前期处理和铸造系统仿真是至关重要的，因为在前期设计阶段中设计活动的20％承诺产品成本和产品质量问题的80％左右(Fuh等人,2004年)。

此外，据报道，约90％的产品缺陷是在设计阶段中产生的，只有10％的错误是由于制造问题而产生的。（Louvo 1997年）。另外，在前期设计过程中，改变设计后，计算出它所需的费用，发现是在随后的设计和制造工艺中的十倍。从产品质量保证和控制的角度来看，在铸造过程中，这些预测产品的品质和缺陷的任何技术在第一时间确保正确的设计，降低车间试验的错误，将有助于降低产品的开发成本，缩短上市时间。CAE仿真技术是这些技术之一。

目前的CAE仿真技术在注塑产品的开发应用中是一块铁板。它们基本上都集中在铸件设计、工艺确定、流模式预测、工装设计、质量控制和产品应力分析等上。从铸造设计的角度来看，CAE仿真有助于通过填写仿真、凝固分析、应力评估、优化铸造几何形状和功能（Sequeira等，2001，Sturm等，2001，McMillin等人，2002年）以及铸造的设计等。铸造设计是至关重要的，它是设计活动中的第一步骤，影响随后的设计过程。

从流程确定的角度来看,模拟有助于确定方案过程和参数配置。它还有助于在验证模具设计的基础上,揭示流动性和固化现象。从产品质量控制和保证方面来说，通过在填充和凝固过程中模拟产品质量和缺陷，来提高产品质量以及得到回避物理基础缺陷的有用信息。这些现有的研究，基本上是一块铁板，然而，它们并没有系统地提出一个完整的启用仿真产品缺陷的预测模式，阐明出CAE模拟如何帮助缺陷

的预测和回避。此外，它们也没有揭示出什么信息可以通过CAE仿真显示出来；需要什么样的信息来确定相应的缺陷;什么缺陷在填充和凝固过程中可能会出现;以及如何拿出基于模拟所提供的信息作为产品缺陷回避的补救措施。 在本文中，铸造过程首先通过数值模拟方法、实际过程、建模、模拟和输出变量之间的关联呈现。仿真过程和解决方案生成周期的信息流揭示了铸造缺陷的预测由基于流程的模拟模式提出。通过仿真和缺陷分类，其可以由基于仿真的输出信息来预测分类信息及相关介绍。通过案例研究，在模拟过程中，程序以及在铸造过程中发生的缺陷机制，进行分析来确定仿真过程。

1. 铸造过程的建模

要动态的模拟铸造过程，建模是第一个要解决的问题。从物理和数学的角度，建模是表征铸造过程模型。从数学方面，模型制定控制方程和边界条件。对于大多数的工程问题，模型是对两个铸造系统的几何形状和材料性质方面的非线性进行建模，因而数值方法被作为非线性方程转换为代数方程的一种方法。这些方程进一步表示出物理铸造系统与行为特性的关系。在压铸过程中，快速运动产生的高压金属熔体的行为称作金属熔体的流动。这种行为是通过熔体的流变性质决定的。图1从物理和数学建模的角度提出了这种关系。

此外，图2还示出了真实过程之间的关联，在模拟过程中，对物理现象进行建模，控制方程代表特定的物理行为以及输出变量。在实型铸造工艺中，对材料和材料的性能、设备及工作参数被输入到铸件的物理行为和现象进行建模处理。模拟结果，在另一方面表明了相关的浇铸过程和最终组织、缺陷的质量和性能的物理信息。从造型的角度来看，认为铸件有三种，它们是模具填充，凝固和冷却，以及应力和应变分布。

图1：物理和数学的角度模拟铸造过程：动作行为的性质关系。

图2：过程、建模、仿真和输出变量之间的关联。

以填充过程作为实例的建模，有三种物理现象即：熔融动量平衡，质量平衡和能量平衡，也可以表示建模。

这些现象是由以下控制方程建模：

连续性方程（当T gt;Ts）：

动量方程（纳维-斯托克斯方程，当T gt;Ts）：

能量方程：

其中：

t-时间 lambda;-电导率

x-距离 U-速度

rho;-密度 T-温度

micro;-粘度 Ts-固相线温度

g-重力 Q-热源

Cp-热容

对于开放式表面，流体体积函数（VOF），定义为一个金属熔体的实际容量，用于跟踪运动的自由表面熔化的金属。VOF函数是由以下方程：

控制方程（1）-（4）是非线性的熔体流动路径的几何形状和熔体的材料性质。它需要的数值方法是线性化和离散形，然后联立一组代数方程。通过求解线性方程组，得到了速度、熔体压力和温度。

对于凝固模拟，使用傅立叶热传导方程。考虑相转变焓像热熔。通过热建模，在凝固过程中的平衡，确定浇铸的温度分布和识别该固化方式。

为了确定铸造应力和应变，平衡方程和虎克定律用于表示位移、应力和应变之间的关系。通过求解这些方程，确定位移、应力、应变。

1. 铸造工艺系统的仿真

铸造缺陷的显示，需要对整个铸造系统仿真。图3给出了铸造缺陷的预测流程的仿真框架。从图中，可以看出，铸造产品是根据客户（VOC）、产品的功能要求和设计规范的声音设计的。该产品的几何形状被用于随后的铸造几何设计的基础、铸造工艺判定和工艺参数的配置上。模具被固定后进行设计，然后确定整个铸造系统。因此,整个铸造系统是由产品和铸造形成的设计、流程确定、模具设计、铸造设备选择和工作参数配置等组成。在这个研究中,铸造系统首先通过建立物理模型、系统的数学模型和数值,然后输入到CAE仿真系统中模拟。在CAE建模过程中，物理模型理想化,但从实际工程的问题中提取信息，并遵守假设的某些物理理论。而数学模型指定了微分等数学方程，方程的有限元分析应遵循的物理模型。它还详细描述了边界和初始条件及约束。数值模型描述了元素类型、参数网格密度和解决方案。解决方案的参数进一步提供详细的计算误差、误差范围、迭代收敛规范和标准。目前,大多数CAE仿真软件包含有内置模型内容的一部分,但用户仍需要准备大多数的模型信息输入CAE仿真系统。这些信息包括CAD STL模型、元素类型、网格密度和数量、材料和铸造过程相关参数,如：浇注、液相线和固相线温度等。

图3：模拟过程中的铸造缺陷的预测

在完成模拟、填充、凝固、散热及资金和质量相关的数据和信息可用于分析和识别。在铸造的过程中，铸件可能潜在的产品质量问题和缺陷。造成的缺陷按工艺、模具、产品/铸件的不合理设计，被称为

工艺相关，模具相关，产品/铸件缺陷。对于任何产品质量和缺陷问题，设计需要改变。用新的或修改的设计，新的模拟是必要的，直到是无缺陷铸件。

1. 通过CAE模拟学显示方法和信息

正如上一节所述，整个浇注系统的CAE模拟显示了，在铸造过程中填充和固化方法，并确定相关的产品质量和缺陷形成所需的信息。由于填充、固化和后喷射方式对产品质量和缺陷的形成有显著的影响，所以通过CAE仿真显示的信息与此相关的行为总结如下。

4.1填充过程仿真

在填充过程中，通过建模和模拟的动量、质量和能量平衡来测定金属熔体、熔体速度、流动方向、压力和温度。这些参数揭示了在填充过程中的物理方式和热方法，从而确定填充方法的整个模型图。

• 熔体前沿位置,湍流运动和融化填充光滑；
• 铸造和腔和排气是否滞留空气需要的条件；
• 热方法和在铸造温度分布;
• 铸件中的填充顺序及溢流和排气的测定位置；
• 充填过程中熔体的速度分布及其与模具腐蚀的关系；
• 基于速度分布的表面处理的预测，特别是压铸铸造工艺；
• 不良/不合理的填充行为如分裂熔体流，浇铸不满和在填充过程中冷隔等

通过充填过程模拟，揭示了充填模式是否能确保合理的铸件质量。此外，在模拟结果的基础上，提出了设计改进和提高铸件质量的解决方案。

4.2凝固过程模拟

物理、热学和冶金现象同时发生在凝固过程中，这些现象的相互作用和相互影响是同时的。而用传统技术来揭示个别现象是一件很困难的事情。然而CAE仿真技术提供了一种方法，在工艺条件下，用来揭示这些现象和识别所需的信息来评估和预测产品质量和产品缺陷。通过凝固过程的建模和仿真,整个凝固过程及信息介绍:

• 最后凝固区域和内浇口的位置；
• 铸件凝固过程中的凝固顺序及温度分布；
• 冷却装置设计的合理性；
• 流道系统设计；
• 铸造热点；
• 铸件收缩率和孔隙率分布及解决方案
• 均匀收缩和无气孔铸造；
• 馈线尺寸及其位置定义。

4.3铸造应力分析

铸件凝固后，将铸件从模具中拿出，与此相关过程中的一些物理现象包括：

• 铸件脱模后的温度分布；
• 铸件变形；
• 铸件残余应力及其分布；
• 产品质量及存在的缺陷；
• 优化浇注系统设计，如给料系统设计;
• 模具应力分析与热变形预测及优化设计。

铸造及模具应力和应变是很重要的，因为它们影响铸件几何精度、铸造产品的功能和性能、模具疲劳寿命。应力和应变的准确测定有助于加工铸造质量的改进方案。

1. 案例研究

为了说明填充和凝固过程中，模拟如何帮助识别铸件缺陷和显示缺陷的根本原因，用HPDC的两个工业例子来说明。这两种情况都是四腔HPDC过程。图4显示了熔体流动路径和所述第一壳体的铸造系统的布局。CAD模型如国标库图4中所示,是一个商业CAD / CAM系统产品的设计和开发,然后通过CAD模型转换为STL格式进行数据交换。生成的STL的CAD模型直接导入到铸造CAE模拟填充和凝固过程。在这种情况下，铸造材料是AlSi9Cu3，这是一种广泛使用的压铸材料，模具材料是X38CrMoV5。该CAE仿真是MAGMASOFT，它是一个在商业行业和学术界受欢迎的铸造模拟系统。元素类型是长方体啮合到150万的元素。与此同时，熔体的浇注温度为670摄氏度。液相和固相线

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