【技術電子報】應用FLOW-3D Cast 於金屬高壓鑄造件之產品設計與模具設計評估

作者

泓威科技 Hyperinfo Corporation

一、前言


金屬壓鑄成型是將融熔金屬在較高的壓力下,以高速度充填入壓鑄模具,並使金屬液體在高壓狀態下凝固而形成金屬壓鑄件的過程。他是目前所有金屬鑄造成型方法中效率最高的一種。

但是在目前壓鑄成型的應用上,還存在著一些下列限制。

  • 壓鑄模具造價成本較高,製造週期較長,對於批量較少的物件,在應用上受到一定的限制。

  • 壓鑄合金的種類受到限制。由於模具材料要求較高(耐熱性需求),目前以鋁、鋅,及鎂合金的應用較為廣泛。而這些合金的力學性能相對較低,在一些要求力學強度較高的承重件及耐磨件的鑄件,在應用上也受到了限制。

  • 由於在壓鑄成型過程中,金屬融湯在高溫下以極快的速度充填,模具和壓室內的氣體很難完全排出,常以氣孔或疏鬆的形式存在壓鑄件上,這些都會影響使性能以及後續的加工性。


壓鑄鋁合金是目前應用最廣泛的壓鑄材料,壓鑄鋁合金的主要特性如下

  • 密度較小,強度佳

  • 在高溫及常溫下都具有良好的力學強度,尤其是衝擊韌性相當好。

  • 有較好的導電及導熱性,機械切削性能也很好

  • 表面有一層化學穩定、組織緻密的氧化鋁膜,所以大部分鋁合金在淡水、海水、硝酸鹽,以及各種有機物中均具備基本的耐腐蝕性,但是這層氧化鋁膜能夠被氯離子以及鹼離子破壞。

  • 壓鑄性能良好,表面粗糙度佳,熱裂性不高。

但是鋁合金的體積收縮率較大,在壓鑄件冷卻凝固時容易在最後凝固時形成較大的集中縮孔,同時鋁合金對模具有較強的黏附性,在脫出模具時偶爾會產生沾粘現象。


利用數值模擬軟體在壓鑄模具上的開發已經行之有年。越來越多的設計單位、壓鑄廠,以及壓鑄模具廠,都已經導入模擬軟體以協助產品的開發、模具配置設計以及壓鑄問題評估。2008年,Flow Science 推出全新的FLOW-3D Cast V5 這是專門應用於鑄造製程的數值模擬軟體之最新版本。可以讓使用者快速評估產品可能發生的問題、模具配置設計以及製程參數影響等。


二、產品評估 – FLOW-3D Cast 凝固分析與變形分析


圖1為一金屬框體,需要採用壓鑄製程製作。成型材料為 ADC-12,模具材料為H13。以密度 2.7g/cm3換算,重量約為 2600g。長寬高約為 500mm X 400mm X 160mm。


圖1.框體外型

分析軟體不但可應用於模具設計,在此之前可以先利用FLOW-3D Cast 的凝固及變形分析,判斷鑄件成型後的一些問題,以便在進行模具時做更精確的判斷。


2-1 凝固分析+變形分析

在尚未進行任何的澆注系統設計時,我們可以假設鑄件從完全填滿金屬一直到冷卻後取出的狀況。這段過程中主要用來判斷金屬鑄件可能發生的熱點位置及溫度變化,這可以讓模具設計人員在未來進行澆注系統設計時做基本判斷。


FLOW-3D Cast V5將鑄造製程做了細部分類,使用者可以在最短時間內完成基本設定。此處僅需選擇高壓製程,後續相對應的設定項,軟體會自動生成相關參數進行填入。


圖2-1.製程選定

選定製程後,就可決定模擬項目。即便是在還沒有建立流道系統的狀況下,FLOW-3D Cast 仍然可以讓使用者進行凝固及變形計算。先取得部份分析結果進行判斷。


圖2-2.選擇製程

單純執行凝固分析,假設模具等溫,鑄件剛開始也是以等溫形式完成充填。凝固分析可用來判斷鑄件在凝固結束時的溫度分布,進而判斷產品肉厚對於溫度場的影響。


圖2-3.凝固結束時之鑄件溫度分布

再根據凝固率進行判斷,藍色箭頭應該是適合擺放進料點的位置。因為上方左右兩側的 boss 剛好在充型路徑上,評估中間應該不需要架橋 (可減少二次加工)


圖2-4.凝固過程中之凝固率分布

另外,FLOW-3D Cast 提供熱點(Hot spot)分佈資訊。熱點指的是凝固結束時縮孔可能發生的位置,以質點形式表示。顏色代表尺寸,設計人員可根據熱點位置分佈判斷未來哪些位置可能會發生縮孔,在溢料井位置設計時可列入考量。


圖2-5.Hot spot 位置分佈

凝固結果用來協助設計人員決定進料位置以及溢料井位置,變形結果則是用來預測產品是否會因為局部肉厚差異造成鑄件變形或凹陷。


鑄件變形計算資料來自於凝固分析的結果,藉由不均勻的溫度分佈與產品的設計強度,可以計算出最後可能的變形方向。FLOW-3D Cast 能夠將變形量大小以顏色分佈的方式顯示在鑄件上,搭配原始未變行前的位置,搭配放大變形倍率,使用者可以很清楚的評估鑄件在成型後可能的變形方向,進而判斷其與未來其他零件的組裝會不會發生不預期的干涉問題。由於這個結果尚未考慮流動充型影響,但是對於鑄件本身肉厚造成不預期的變形可做階段性的評估。


一旦發現不預期的變形,可以從下列幾點先進行考量

  1. 均勻壁厚

  2. 結構強度(支撐設計,Rib,BOSS…等)


圖2-6.變形分析結果(變形量及變形方向預測)

三、產品評估 – FLOW-3D Cast 充填分析


金屬融湯在壓鑄機壓射充頭的壓力作用下,以壓射衝頭的速度推動融熔的金屬融湯,經過澆注系統到達內澆口,然後充填型腔。在同一條件下,融熔金屬通過內澆口的速度可以認為是不變或變化很小。通過內澆口的線速度稱為內澆口速度Vn。


根據連續性原理以及金屬液體的不可壓縮性,金屬液體以壓射衝頭速度Vc流過壓射衝頭截面積為Ac的體積,應該等於內澆口速度Vn流過內澆口截面積An的體積,可以用下列公式表示。







Vn - 內澆口速度

Vc – 壓射衝頭速度

An – 內澆口面積

An – 內澆口面積



影響內澆口速度的主要因素在於壓射衝頭的速度與內澆口截面積。由於壓射衝頭的速度為機台調整速度,對於模具設計人員在設計時的重點,就在於如何控制內澆口截面積,使得機台能夠在常用的使用速度下得到最佳的內澆口速度值。


內澆口速度對於壓鑄件的表面粗糙度以及內部組織緻密度有很大的關係,選擇內澆口應該從以下方面考慮

  • 壓鑄件形狀複雜時,應採用較高的內澆口速度

  • 壓鑄件壁厚較薄時,內澆口速度建議提高

  • 金屬流動長度越長,內澆口速度建議提高

  • 壓鑄件表面要求較高時,內澆口速度建議提高

  • 合金澆注溫度或模具溫度較低時,內澆口速度建議提高


表1-1.內澆口速度建議值

在取得參考資料後,可以先根據之前的模擬結果,進行澆注系統設計。

圖3-1為澆注系統設計圖面(含流道及溢料井)


圖3-1.澆注系統設計

完成圖面設定後,啟動 FLOW-3D Cast 充填模組。


圖3-2.FLOW-3D Cast V5充填模組設定

充填分析結束時,首先必須確認的分析結果是內澆口速度。如前所述,內澆口速度必須在合理範圍內,否則執行分析得到的結果是沒有意義的。


以 Iso-suface / Fluid / Velocity 輸出速度結果,可確認通過內澆口的速度大約是 42m/sec,在鋁合金成型條件建議範圍內。所以後續的結果可以進行判斷及評估。


圖3-3.速度結果

確認速度合理後,再開始檢查相關的結果。

一般而言,鋁合金高壓鑄造至少會檢查下列三項結果。


溫度場、卷氣,以及氧化膜。

圖3-4.溫度場

圖3-5.卷氣

圖3-6.氧化膜

除此之外,FLOW-3D Cast V5多了穴蝕氣泡追蹤,對於卷氣位置可以做更精確的預測。


圖3-7.充填穴蝕氣泡追蹤

四、結論


金屬壓鑄具有其他製程無法相比的優點,在工業技術快速發展的年代,會得到越來越廣泛的應用。尤其在大量生產中,雖然模具成本較高,但是其生產成本可得到大幅度的降低。採用金屬壓鑄製程,有其積極和明顯的經濟價值。


2018年最新發表的 FLOW-3D Cast V5.0,大幅度簡化了數值模擬設定,強大的數值模擬技術以及預測缺陷的新工具更可協助開發人員縮短設計週期,同時降低產品的生產成本。在高壓鑄造製程上,可提供開發人員在進行判斷時有更完整的資料,在產品開發上可以掌握更多的細節,提高產品生產良率。

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