鑄造數值模擬，可以幫助工程技術人員在鑄造工藝設計階段對可能出現的各種缺陷及其大小、部位和發生的時間進行有效的預測，從而優化鑄造工藝設計，確保鑄件的品質，縮短試制周期，降低生產成本。傳統上，鑄造技術人員通過多次試制和修改模具以實現優化，既浪費時間，又增加成本。如果在未制造模具之前，能有效預測鑄造缺陷，并采取相應的解決方案，可以縮短生產周期，降低生產成本。通過采取多次模擬和優化，可以驗證模具方案的有效性。接下來以壓鑄工藝為例，探討如何應用模擬分析解決鑄造品質問題。
1 壓鑄模擬策略分析
技術人員壓鑄模擬策略分析見圖1，可根據缺陷預測選擇計算模塊，在實際應用中有明確指導意義。以汽車雨刮器臂為例，討論如何正確合理使用鑄造模擬分析軟件。
圖1 壓鑄模擬分析策略圖
2 在汽車雨刮器臂缺陷預測中的應用
該型號汽車雨刮器臂為鋁合金壓鑄件，采用ADC12合金，質量為94g。在零件噴涂和裝配后需要進行疲勞測試，要求連續低速工作25h，雨刮器不出現故障。但是，8個零件中有5個在25h內斷裂，且所有斷裂零件的位置相同，見圖2。
圖2 疲勞試驗后斷裂的雨刮器臂
首先，對斷裂零件作了掃描電鏡斷口分析，在斷面上發現了氣孔和縮孔，見圖3和圖4。另外，生產的雨刮臂鑄件，經過X光檢查和斷面觀察，再次確認該處存在氣孔和縮孔，見圖5和圖6。
在斷裂處的氣孔和縮孔將影響雨刮器臂的強度，是產生疲勞斷裂的主要原因。因此，解決斷裂處的氣孔和縮孔問題非常重要。借助AnyCasting模擬軟件來對此氣孔和縮孔問題進行分析和解決。
2.1 初始雨刮器臂模擬分析
利用AnyCasting對初始壓鑄模設計進行模擬。通過對充型流動及凝固模擬結果的分析發現，在雨刮臂斷裂位置有卷氣及縮孔缺陷，與實際缺陷零件吻合，模擬的結果見圖7和圖8，在發生斷裂缺陷位置有清晰的卷氣現象和縮松缺陷。
雨刮臂鑄件在斷裂處存在卷氣，氣體在此處包卷被壓縮形成微小的孔洞，在零件長時間工作后氣孔會有擴張傾向，缺陷嚴重的零件就會發生斷裂。
2.2 第一次優化分析
消除熱節、降低縮孔缺陷和改善充型避免卷氣是模具改進的方向。首先，考慮到解決縮孔問題，在加強筋厚壁對應模具處，在加強筋兩側設置了點冷(見圖9)，冷卻水的速度為0.5L/s。經過凝固分析，縮孔的尺寸由原來的3.2mm×2.2mm縮小到1.8mm×1.3mm。其次，通過零件設計更改對加強筋處的倒角進行了修改。
圖9 加強筋兩側增加點冷
從第一次優化分析(見圖10和圖11)來看，縮孔傾向減小，但沒有徹底解決，還需要進一步分析;由于倒角R的改進，有利于液流在加強筋處比較順暢地填充，通過充型分析，發現在加強筋斷裂處卷氣壓力減少了13%。
2.3 第二次優化分析
根據第一次模擬分析，繼續對流道及冷卻管路進行了改進。在凝固方面，在動模和靜模上都設計了點冷水管，而且都設計在熱節正上方和正下方(見圖12)，更加靠近加強筋，優化冷卻效果。從凝固分析上看，加強筋處縮孔尺寸縮小到1.0 mm×0.5mm，見圖13。
在充型方面，將流道澆口延伸到加強筋的位置，使金屬液較早的填充。從模擬結果可知，在斷裂處卷氣現象已經消除，但是，還有少量的卷氣在側壁靠近加強筋后方，見圖14和圖15。
2.4 第3次優化分析
為了進一步改進冷卻效果，將圖12的3根點冷水管變為噴冷管(即超點冷)，水流量由原來的0.5L/s調整為1.5L/s，從模擬分析上看，縮孔尺寸減小到0.5mm×0.5mm，見圖16。考慮到加強筋后方還有部分卷氣，對流道又加長了5mm，但是這一方案并沒有解決加強筋后方卷氣問題，卻又在加強筋處產生了微量卷氣，見圖17。所以，加長流道方案并沒有起到預想的結果。
2.5 綜合分析和實際生產驗證
根據以上分析，在充型上，采取了圖15的方案，并在圖15的少量卷氣處使用頂桿輔助排氣;在凝固上，采取了圖12水管設計方案并采取噴冷管。新模具按此方案開模并試制，所生產的鑄件全部經X光機檢測，都滿足ASTM E505等級1的氣孔要求，即X射線上看不到氣孔或縮孔。另外，從部分鑄件切開目視觀察，在鑄件截面上沒有氣孔和縮孔。通過改進后的零件，疲勞測試試驗達到50h以上，雨刮器臂沒有發生斷裂。
3 結語
借助鑄造CAE軟件對產品現有模具設計進行模擬分析之后，發現問題發生的原因并提出有針對性的優化對策。通過多次對模具方案修改并模擬，得到最佳方案，并在模具上執行此方案。此后，跟蹤雨刮器臂疲勞測試驗證，未再發生斷裂，從而提高了產品品質。(end)
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