【技術電子報】壓鑄製程設計與計算流體動力學之集成

作者 :

Alex Reikher, Ph.D., of Shioh Industries

註：Shioh Industries, 那斯達克(NASDAQ)上市公司 (代號SHLO)

一、前言

在今日的市場環境中，大部分企業都同時面臨舊有完善制度與新的快速增長經濟需求的壓力。市場的全球化強迫企業尋找可以持徐維持競爭優勢的方法，而互聯網技術的快速發展以及信息的自由交換，將是讓公司能夠保持競爭優勢的主要因素。

對於企業而言，在行業中保持領先地位的方法之一，是縮短將創新技術帶入市場所需的時間。為了壓縮壓鑄製程開發時間，使用FLOW-3D進行建模以及模擬分析已成為Shiloh Industries工程部門不可或缺的一部分。

在Shiloh Industries，每一個新項目都必須從澆口與流道系統的概念設計、料管速度-行程估算、料管直徑、最小排氣面積以及製程所需壓力開始檢討。利用數值模擬分析開發出最佳的流動模式以及最小的卷氣設計。完成流道設計後，再進行熱傳分析，以協助決定冷卻水路的配置方案。

FLOW-3D最吸引人的特色，在於其能夠為開發過程的每個階段運行單獨的分析。它能夠讓使用者在短時間內協助決定最佳的料管行程設定、澆口設計，以及水路配置。然後利用單次的流動-熱傳耦合計算，驗證所有的設計都能夠完美的運作。另外，利用FLOW-3D的 GMO模型還能夠真實模擬柱塞在料管壓射階段的運動方式，對於專案開發而言，零件設計已經從單獨的產品轉換成真實的量產。

二、案例說明

圖1.鑄件

圖一的鑄件對於鑄造製程而言，是個較困難的產品。主要的關鍵在於鑄件上凸出的肋件特徵，對於金屬融湯流動及凝固時會造成困難，導致鑄件品質不易兼顧。肋件特徵在凝固及冷卻階段會造成熱應力集中，讓鑄件發生不預期的變形。

在設計初始階段，開發人員提出了二十一種不同的流道方案設計，並且利用FLOW-3D驗證所有的流動模式。圖二為這二十一種方案中其中的三種流道設計。

圖2.流道方案設計

在流道方案設計驗證中，流動模式是決定流道方案成敗的關鍵因素。在初始流道設計階段結束後，決定採用圖二中的第二種及第三種設計進行接續分析。

圖3.第一階段完成後，決定採用的兩種流道設計方案

第二階段的驗證分析則是凝固分析。此時鑄件的溫度分布將是決定方案優劣的關鍵因素。圖四中顯示採用圖三右圖設計方案時，凝固階段結束時之溫度分布結果。

圖4.凝固結束時之鑄件溫度分布結果

三、結論

至目前為止，Shiloh Industries 已經能夠使用FLOW-3D作為標準的壓鑄製程分析工具，並且已經證明 FLOW-3D 能夠協助開發部門提供準確及可靠的預測結果。這些分析結果與實際的鑄件缺陷、溫度分布，以及流動模式之間具有可靠的相關性。

Shiloh Industries 不僅將 FLOW-3D 作為壓鑄製程模擬工具，還同時利用 FLOW-3D 作為計算流體動力學之驗證工具。如果在產品的開發流程中，需要根據客戶的需求提出設計變更， FLOW-3D讓我們能夠快速且可靠地評估這些變化。不僅能夠提供客戶出確實可行的的設計變更方案，還會夠提供客戶在設計變更後這些設變對於零件性能的影響。