應對“時間就是市場”商業(yè)環(huán)境的壓鑄關鍵技術

2017-01-07  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

“時間就是市場” (Time To Market, TTM),對工業(yè)界而言,這是一個嶄新而又永恒的話題,既是挑戰(zhàn),也是各大廠商的發(fā)展目標。隨著社會的進步與經(jīng)濟的發(fā)展,這一主題將更為突出。例如,去年全球有500個新車型上市,平均2天就有一款新車呈現(xiàn)在您的面前。又如惠普公司,80%以上的利潤來源于新近不超過兩年的產品。所以,快速、高效地開發(fā)新產品是競爭取勝的一個關鍵因素。

和其他行業(yè)一樣,鑄造業(yè)也正經(jīng)受著前所未有的挑戰(zhàn)。歸結起來,這種挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在:

1. 人才短缺,且員工流失率高,這對壓鑄業(yè)的發(fā)展帶來了嚴重的影響。以長三角、珠三角為例,這一帶累計有近萬臺壓鑄機,對壓鑄人才需求極大。但技術人員流動性大,社會上又缺乏扎實的基礎理論培訓體系和機構,嚴重影響著技術人員水平的提升。

2. 企業(yè)普遍依賴于少數(shù)有經(jīng)驗的師傅。由于壓鑄技術參數(shù)難以控制,并互相影響,解決問題要靠經(jīng)驗累積,而目前高等院校有鑄造專業(yè)的已經(jīng)不多,而深入的壓鑄課程培訓基本沒有。

3. 壓鑄在職業(yè)競爭中并不具備太大優(yōu)勢,而且需要長時間培訓,對年青人吸引力較低。

4. 對國際買家來說,中國是生產成本低的地區(qū),適宜在此尋找平價產品;但對高要求的買家,他們會擔心質量問題而選擇其他區(qū)域。這種認識上的偏差,使得壓鑄產業(yè)一直在低水平徘徊,也阻礙了壓鑄產業(yè)的升級。

在未有大量的經(jīng)驗技術人才出現(xiàn)之時,系統(tǒng)化的計算機軟件將是最有效而實用的工具,這不僅可建立一套模具設計及壓鑄技術的知識系統(tǒng),同時亦可讓新一代的技術人員及模具工程師更快地掌握。本文擬針對“時間就是市場”這一商業(yè)環(huán)境中的特點,對突破壓鑄企業(yè)所面臨困境的有效關鍵技術進行討論,并側重在企業(yè)信息技術的應用方面。

1,產品可制造性評估

產品可制造性評估(Design For Manufacturing, DFM)是伴隨“時間就是市場”和“質量就是市場(Quality For Market, QFM)”商業(yè)環(huán)境的直接產物。由于產品的實效性和高質量要求,所以必須在產品設計層面就加以把控。這種意義體現(xiàn)在最終產品的“舒暢制造”和價格優(yōu)化上。

主機廠在設計的過程中,首要關注的是產品的功能與結構。但由于設計員經(jīng)驗和精力的局限,某些產品并未能充分考慮其可制造性,從而大大增加了工藝設計的難度。如果能從新產品的初步規(guī)劃起,就展開DFM分析,通過全面的評估并及時修改產品設計,就能得到可制造的最佳設計方案,為一次設計即能生產制造提供了可能。這樣,在提高產品質量的同時也縮短了開發(fā)周期。

然而,DFM分析所面臨的問題也不言而喻。首先,高度依賴于工程師的經(jīng)驗,并且處于市場前端的往往是銷售工程師,對制造工藝的了解非常有限;其次,缺乏必要的軟件手段,目前存在的DFM軟件寥寥無幾,且基本上是以往制造數(shù)據(jù)是羅列,面臨新產品則無從下手。再次,采用目前的三維CAD軟件缺乏足夠的分析能力,如只能手動切取橫斷面進行評估,不僅耗費時間精力也容易忽視一些重要的特征。最后,這種評估的模式往往需要在前端銷售人員、產品報價人員和后端模具設計工程師中頻繁交互討論和修訂,不僅效率低下而且在面臨新客戶時完全沒有靈活性。

Geo-Designer 是Cast-Designer軟件包中專為產品工程師和模具設計師設計的先端協(xié)同 DFM 分析工具。借助于 Geo-Designer產品工程師能在產品的設計階段,考慮產品功能性的同時,也充分考慮可制造性,使設計成果迅速轉化為批量生產。相比傳統(tǒng)的工具與手段,Geo-Designer 提供了強大的分析功能,簡便與快捷的操作模式,使用戶通過改善設計階段的質量而節(jié)省開發(fā)和生產成本。

Geo-Designer能快速、簡單、準確地確定三維產品模型的關鍵區(qū)域,與產品需求進行比對,進而指導工藝設計。Geo-Designer能分析的內容包括鑄件的基本信息(重量、體積、各方向投影面積)、質量分布檢查、冷卻速率分析、壁厚檢查、澆冒口設計、拔模斜度分析、產品倒角探測、產品重量優(yōu)化和EDM加工確認、熱分布指數(shù)、頂出力大小分布、滑塊檢查等。而另一個非常突出的優(yōu)點是,Geo-Designer非常容易使用,即使是銷售人員和產品報價人員,也能輕松應對。

質量分布是工業(yè)設計中的一個重要關注點,產品厚度決定了零件關鍵區(qū)域的性能表現(xiàn),無論從制造工藝、材料流動、還是零件強度與壽命都是如此。通常要獲得理想的零件厚度對設計人員是一個很大的挑戰(zhàn),尤其是在設計與工藝頻繁變更的過程中引起的厚度變化更是如此。更為復雜的是,在實際復雜產品中,產品厚度是一個三維的量,用質量分布(Mass Distribution)來表征更為合適。

下圖顯示了某個汽車零件的X光探傷圖,顯示了多處的“縮孔”缺陷,這些問題并不僅是來源于生產的制造鏈過程,如模具設計和產品壓鑄。其實早在產品的設計階段,先天性的產品質量設計不良就埋下了隱患。由此可見,“更好的產品設計,是設計與制造出優(yōu)質產品的源頭”。

圖一:產品的質量分布與Geo-Designer DFM預測的結果 (左圖:X光探傷的照片 右圖:Geo-Designer的質量分布指數(shù), 整個分析過程只需要5分鐘) (資料來源:通用汽車)

增強鑄件的DFM評估,并非僅是主機廠的責任。對模具開發(fā)早期,也有著重要的意義。這些信息將直接影響到模具工藝設計的方案選擇,例如確定內澆口的位置、設定第三相保壓來消除縮孔、優(yōu)化冷卻管道排布(帶走模具局部熱量達到溫度平衡)、預先設計局部擠壓銷等特殊模具結構來減少或消除縮孔缺陷、設定滑塊和頂針的位置等等。

2,盡最大努力設計好流道

壓鑄產品的好壞,很大程度決定于流道設計。其進澆的方式、位置與排布、流道模式與尺寸等,都有著舉足輕重的作用。流道設計的優(yōu)劣,直接影響產品的生產性、缺陷與品質和生產效率。

2.1 專家系統(tǒng)的引入

“80%的產品質量問題,來源于工藝設計的好壞”,流道設計可以說是壓鑄模工藝設計中的核心部分。目前,流道設計仍然是一項依賴工程師經(jīng)驗的工作。工程師往往會運用書本上的一些經(jīng)驗公式,通過Excel表格等工具,計算出一些鑄造的工藝參數(shù)。再通過三維CAD軟件,完成造型設計。這種基于經(jīng)驗的設計,為鑄造業(yè)帶來前所未有的挑戰(zhàn)。同時,現(xiàn)有的CAD軟件只提供了三維造型能力,無法計算出設計所必須的鑄造工藝參數(shù),也不能把計算好的參數(shù)與CAD造型聯(lián)動,更不能給出流道設計方案的建議。有鑒于此,引入流道設計專家系統(tǒng),采取規(guī)范化設計非常必要。

CAST-DESIGNER是C3P Software針對壓鑄行業(yè)專門開發(fā)的壓鑄模流道設計分析系統(tǒng)。其內置了流道設計專家系統(tǒng),并提出“基于工程經(jīng)驗的設計”概念,屬于知識型(Knowledge-based)的設計產品。利用這個軟件,三十分鐘即可完成包括澆鑄系統(tǒng)、溢流槽和排氣系統(tǒng)以及冷卻水道的設計。

圖二是Cast-Designer流道設計的設計向導,通過輸入鑄件的基本信息(如重量、壁厚、材質等),程序將給出一系列的鑄造工藝參數(shù)最佳建議數(shù)值,其中包括最佳充型時間范圍、內澆口速度范圍、內澆口面積與厚度等,用戶可以直接采用或微調確認。在選擇壓鑄機之后,能快速對一速、二速及臨界切換點、整個流道的加速比等提供參數(shù)建議,并能實時調整,形成最后的截面積設計方案。最后通過PQ圖對設計方案與壓鑄設備和模具進行即時校驗,匹配出最佳的模具/設備組合。

對于復雜鑄件,Cast-Designer有一個鑄件分區(qū)設計功能,可以計算出每個內澆口的金屬量和截面積以及金屬流動距離,優(yōu)化后能讓整個充型過程更加平穩(wěn),避免金屬液不平衡和包卷產生的缺陷。

圖二: Cast-Designer流道設計向導(左)和P-Q圖用于實時校驗設計方案(右)

2.2 基于經(jīng)驗的設計,是設計而非畫圖

理論上說,任何三維CAD軟件(如CATIA, 西門子NX, Creo或PRO-E, SOLIDWORKS等)都能進行壓鑄模流道設計,但這些都是通用的CAD系統(tǒng),功能強大但并不專業(yè),特別是進行壓鑄模流道設計時非常費時費力且對使用者的要求很高。在企業(yè)中的應用狀況是“一直在用但一直用不好”。

圖三, CAD流道設計方法與Cast-Designer 流道設計的比較 (左圖:采用Siemens NX/UG設計的流道,工程師具備4年設計經(jīng)驗,設計時間4小時,但橫截面積控制并不合理; 右圖:采用Cast-Designer設計的流道,工程師只有1年設計經(jīng)驗,設計時間只有半小時并能完美地控制流道截面積和加速比)

嚴格的講,第一步的概念設計是在腦海里形成的而不是在電腦中完成的,這就是我們所說的草圖或構思。草圖設計是CAST-DESIGNER中一個比較有特色的功能,因為這種設計更接近自然中的設計模式。這里的草圖并不是通常CAD軟件中所謂的草圖,而是真正意義上的草圖,或者通俗的講就是在草稿紙上畫圖。其作用原理大致如下:用戶在使用CAD進行流道設計前,先在平面圖紙上根據(jù)零件的二維視圖或工程圖大致鉤畫出流道的走向和大小,形成一個比較整體的布局,作為將來三維設計的參考。然后將草圖掃描或拍照到電腦,再采用CAST-DESIGNER轉化為矢量圖,進行后續(xù)的設計。這種方法是值得推崇的,特別是對比較復雜的零件。日常工作中,我們也經(jīng)常需要幾個工程師一起商量設計原則并確定方案,而紙質討論無疑是最有效和最便捷的。

另外一個可圈可點的亮點是一鍵式流道設計功能,這是Cast-Designer的一個獨立設計模塊,也可以說是完成了幾代人的夢想。一鍵式流道設計事實上就是利用經(jīng)驗知識庫進行設計,把常用的流道進行分類并形成經(jīng)驗知識庫,然后數(shù)字化,以后碰到類似的產品即可直接調用,這樣充分借鑒了以往的設計經(jīng)驗并大大縮短了設計和操作的時間。采用這種模式,往往幾分鐘就可以看到一個設計的雛形,在對工程設計上是夢寐以求的。Cast-Designer中特別設立了一種特別的語言CDGL支持客戶定制,用戶可以無限擴充。

圖四, Cast-Designer內置的一鍵式流道設計模板

2.3 反復比對并擇優(yōu)選取設計方案才有進步

任何一個設計,要獲得優(yōu)秀的結果,必須在多個方案中反復比較并擇優(yōu)選取。Cast-Designer提供諸多便利和快捷的設計手段。目的在與將用戶從繁瑣的CAD畫圖中解放出來思索更多更好的設計。從而防止永遠局限在一個方案的禁錮中。

此外,采用這類屬于知識型(Knowledge-based)的產品,不僅能在較短的時間內設計出專業(yè)的澆注系統(tǒng)直接為設計和生產服務,對企業(yè)而言既是一個培訓的過程也是一個累積的過程。長期地使用這類系統(tǒng),能為企業(yè)累積和建立一套標準化的設計規(guī)則,逐漸擺脫對人的過分依賴。

3,采用前端分析技術進行方案評估

即使是采用專家系統(tǒng)指導下設計的流道系統(tǒng),仍有必要進行即一步的分析和評估,因為經(jīng)驗數(shù)據(jù)也好,專家系統(tǒng)也罷都是基于有限度的樣本進行歸納總結的,而新的產品與這些樣本想必總存在這樣那樣的差別。在進一步的分析方法中,其中一種行之有效的方法就是現(xiàn)代的CAE技術。

3.1采用前端分析的工業(yè)需求與迫切性

在當今的工業(yè)企業(yè)中,CAD與CAE技術已經(jīng)不再是陌生的名詞。事實證明,在設計階段,經(jīng)過充分的驗證,可減少模具制造并投入生產之后才出現(xiàn)的產品缺陷問題。因此,許多的企業(yè)都已經(jīng)相繼引入了各種商業(yè)模擬軟件并應用到實際的工作流程中,期盼節(jié)約成本,縮短周期。但很快就會發(fā)現(xiàn),從三維數(shù)模開始,網(wǎng)格劃分建立分析模型,到最后獲得分析結果,需要2~3天的時間。如果設計方案需要變更,分析就要花1周以上的時間了,還沒有等結果出來,模具都開好了。這就失去了預測和指導方案修改的意義了。

傳統(tǒng)CAE軟件產品的開發(fā)大都起源于上世紀90年代,當時的商業(yè)環(huán)境和今天并不一樣,當時的信息技術與環(huán)境也和今天大不相同。所以大多數(shù)CAE軟件的精力集中在功能開發(fā)上,而對用戶的使用觀感和使用效率上則基本不予重視。

面對“時間就是市場”的挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的CAE分析已經(jīng)無法滿足大部分企業(yè)對開模時間的要求。所以,普遍只用于不容有失的核心模具開發(fā)中,或者是上游廠商強烈要求CAE分析報告的時候,才應付了事。更有甚者,則淪為擺設,多年不用。

前端分析技術是最近幾年在全球廣泛使用的熱門應用,其美妙之處在于能在產品和模具設計的初期,如概念設計階段迅速地提供有效的分析結果和改進指導。因為在這一階段,需要測試的設計思路和方案很多,一種快速而有效的工具就顯得尤為重要。事實上在這一階段,對分析結果的精確度雖有要求并非特別苛刻,因為許多因素還無法完全確定,相比之下,分析效率則顯得非常關鍵。這也是在沒有前端分析技術之前工業(yè)界采用傳統(tǒng)的數(shù)值模擬方法卻并不能非常有效地解決這一階段問題的根源所在。

前端分析與傳統(tǒng)的CAE分析的任務與目的并不完全相同,更不是傳統(tǒng)CAE分析的簡化,下表給出了壓鑄設計中前端分析與傳統(tǒng)CAE分析各個階段的對照。

工作起點

(Start point) 建模時間

(Modeling) 分析時間

(Analysis time) 結果精確度

(Result accuracy)

傳統(tǒng)CAE分析方法 近乎完美的三維CAD數(shù)據(jù),包含澆注系統(tǒng)、溢流槽、冷卻系統(tǒng)甚至是完整的模具,對CAD數(shù)據(jù)質量要求較高。 耗時較長且復雜,必須經(jīng)過專門培訓。CAD清理、建立網(wǎng)格和設置分析模型并非易事。設置計算模型還需要更多的物理參數(shù)與熱學條件,有些參數(shù)獲得并不容易。 很長!根據(jù)模型大小,通常需要幾小時到十幾個小時,有時甚至幾天的時間。對計算機的要求很高。 可獲得相對較高的計算精度,前提是輸入的各項參數(shù)正確。但設置正確的參數(shù)經(jīng)驗性很強,而且需要反復測試和校驗。結果豐富(如溫度場、流動場、應力場等)

前端分析方法 只需要鑄件的三維CAD數(shù)據(jù)。可采用快速流道系統(tǒng)建立澆注系統(tǒng)、溢流槽和冷卻系統(tǒng)等。同時也可接受STL數(shù)據(jù)格式。對原始數(shù)據(jù)質量要求較低?？梢赃叿治鲞呅薷腃AD數(shù)據(jù)。 非常簡便和快速。幾分鐘內可對任何復雜或不干凈的模型完成網(wǎng)格劃分。設置計算條件非常簡便,幾分鐘即可完成所有設置并完全參數(shù)化。無需特別培訓。非?？?30分鐘到一個半小時即可獲得分析結果。 能獲得合理精度的充填和凝固分析結果,完全滿足前期設計與方案選擇階段的精度需求。獲得的結果同樣豐富(如溫度場、流動場、應力場等)。

3.2技術手段:有限元分析技術

計算力學業(yè)已在應用中逐步形成自己的理論和方法。有限元法(FEM)和有限差分方法(FDM/FVM)是比較有代表性的方法,這兩種方法各有自己的特點和適用范圍。有限元法主要應用于固體力學,有限差分方法先前則主要應用于流體力學。但近年來這種狀況已發(fā)生變化,它們正在互相交叉和滲透,特別是有限元法在流體力學中的應用日趨廣泛。

有限元法和有限差分方法的區(qū)別是有限元法的函數(shù)是變化的,計算比較復雜的情況,計算量比較大;而有限差分方法的函數(shù)是不變的,計算通過變步長來實現(xiàn),計算比較簡單的情況,計算量比較的小。從功能上看,許多鑄造軟件大都基于有限差分法,可以對砂型鑄造、金屬型鑄造、精密鑄造、壓力鑄造等多種工藝進行溫度場、流場的數(shù)值模擬,并可以預測鑄件的縮孔、縮松等缺陷,但對應力場的模擬及裂紋的預測顯得力不從心。

從壓鑄分析的角度來看,采用有限元分析方法是具有巨大優(yōu)越性的:

1) 壓鑄件幾何形狀復雜,且多為薄壁件,有限元分析方法能進行更好的幾何表征;

2) 有限元分析方法能夠進行流場、溫度場、應力場的三場耦合計算。與有限差分法(FDM)相比,進行應力計算時,無需使用兩套網(wǎng)格和網(wǎng)格映射。有限元法具有較大的靈活性,特別適用于模擬復雜鑄件成型過程中的各種物理現(xiàn)象。

3) 采用有限元方法能使用混合網(wǎng)格技術,且容許較大的元素大小比值,這樣有利于優(yōu)化模型大小,獲得較高的有效模擬比(鑄件元素數(shù)/整體模型元素數(shù)),從而提高模擬效率。比如說,在有限差分元方法中,考慮整個模具的網(wǎng)格數(shù)通常在千萬數(shù)量級,而在同等精度下,有限元模型可以降低到近百萬到一兩百萬的數(shù)量。這樣不僅計算時間要節(jié)省,而且避免了龐大模型所造成的后處理困境。

圖五, FEM網(wǎng)格與FDM網(wǎng)格分析技術的比較 (左圖)3D CAD幾何 (中圖)Cast-Designer FEM網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)301,510 (右圖) FDM網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)in 4,803,845.

圖六, FEM網(wǎng)格與FDM網(wǎng)格分析技術的比較, 切面圖。紅線表示CAD幾何輪廓(參考基準),藍色線條代表網(wǎng)格。左圖,Cast-Designer FEM網(wǎng)格,整體網(wǎng)格數(shù)301,510。即使采用比較稀疏的網(wǎng)格,仍能非常優(yōu)秀地表征幾何。右圖:FDM網(wǎng)格,整體網(wǎng)格數(shù)4,803,845。即使采用非常密集的網(wǎng)格,仍可明顯看出其對CAD的表征欠佳。

誠然,有限元法在具備巨大優(yōu)越性的同時也伴隨著諸多的挑戰(zhàn)。其中一個最大的挑戰(zhàn)就是網(wǎng)格劃分特別是復雜網(wǎng)格的裝配。許多有限元分析的軟件都是因為這一瓶頸未能突破而功敗垂成。

3.3幾何數(shù)據(jù)兼容性與網(wǎng)格技術

如上所述,網(wǎng)格劃分在有限元鑄造分析中是一個瓶頸問題和難點,能否攻克這一問題和最終實施是否便利是軟件產品能否真正為工業(yè)服務的關鍵。

通過長期的研究和探索,Cast-Designer成功地開發(fā)了一種全新的網(wǎng)格技術,將傳統(tǒng)的非隨形網(wǎng)格和隨形網(wǎng)格劃分手段巧妙地結合在一起,形成了獨一無二的網(wǎng)格劃分模式。其主要特點有:

1) 幾何相容性高。能接受各種原始幾何數(shù)據(jù),如三維實體CAD數(shù)據(jù),STL數(shù)據(jù)或CAD實體與STL的混合數(shù)據(jù)。由于制造鏈本身的原因,模具制造企業(yè)往往獲得的是OEM廠商的轉化數(shù)據(jù),不可避免地會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或不完整。 在這方面, Cast-Designer表現(xiàn)出驚人的相容性。即使原始數(shù)據(jù)不完整或有所丟失,內置的幾何核心都能全自動的重構拓撲結構并進行修復和還原。

2) 自動幾何跟蹤和網(wǎng)格映射。為了追求幾何的完美和準確表述,Cast-Designer內置了獨特的幾何跟蹤技術和網(wǎng)格映射技術,這樣,即使采用簡單的網(wǎng)格,也能非常完美的進行幾何表征。

3) 混合網(wǎng)格與全自動網(wǎng)格裝配技術。通過采用混合網(wǎng)格,能大大提高模型的計算效率。在Cast-Designer中,支持六面體元素,三棱柱元素和三棱錐元素,這樣可以對鑄件采取六面體網(wǎng)格或三棱錐網(wǎng)格,而對模具則采取能結束較大元素比的三棱錐網(wǎng)格。比如圖七中的例子就非常有效率。

圖七, Cast-Designer中的混合網(wǎng)格技術

同樣,這種技術也可以應用在全套模具的網(wǎng)格裝配上。用戶定義模具的各個組件后,系統(tǒng)就能全自動的進行網(wǎng)格裝配,包括鑄件,動模,定模,滑塊,水道和其他附屬結構。這種功能具有非常高的技術水準,以前這樣的工作往往需要數(shù)天甚至數(shù)周的純手工作業(yè),現(xiàn)在一個簡單的按鈕就完成了。當然,這中操作對機器的要求也比較高,通常8G的內存是標準配置。

圖八, Cast-Designer中網(wǎng)格裝配技術

左圖:整套模具的三維CAD幾何 中圖:Cast-Designer 劃分的各部件網(wǎng)格并進行了自動裝配。其中鑄件采用六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)240,788個元素。定模包括 750,200 個三棱錐元素,動模包括 682,000個三棱錐元素。 右圖: 顯示局部的鑄件與模具的網(wǎng)格連接關系。

4) 此外,還有一些專門針對鑄造和壓鑄的網(wǎng)格技術。如局部網(wǎng)格技術用于保護復雜的高曲率或薄壁幾何特征;自動分層技術保障流動模擬的順暢性;自動網(wǎng)格質量檢查與修復用于控制網(wǎng)格的質量等。

3.4 CAD驅動模擬分析

CAE模擬技術是分析驗證的核心,包括充填模擬,凝固模擬和應力變形模擬。但這方面已經(jīng)有非常成熟的技術和諸多的論述,限于篇幅,本文不再重復。

在應對“時間就是市場”的分析模擬中,還有一項非常重要的技術就是CAD驅動模擬分析。由于鑄造產品可能隨著客戶的需求而進行各種微調與改變,如果每一改變都要用戶進行一次全新的建模和模擬,則還是非常繁瑣。Cast-Designer有一個特殊的MCAD模塊,可以直接掛在現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)中,采用獨特的技術將CAE流動分析、熱傳導和凝固分析完全集成在客戶現(xiàn)有的MCAD用戶環(huán)境中, 讓產品設計師、模具設計師在第一時間同時參與到工程決策中來。

這種全集成系統(tǒng)的優(yōu)點在于,可以讓你的CAD幾何數(shù)據(jù)直接驅動整個模擬過程。當你在CAD環(huán)境中(如NX, Creo或SolidWorks中)對幾何進行了修改, 只需一個按鍵和數(shù)十秒鐘的等待,你的CAE模型也就相應地進行了修改。從而可以直接提交求解器進行模擬分析。

圖九, 采用Cast-Designer的流道設計與分析系統(tǒng)進行方案對比

4,重視從產品,到設計到整個制造鏈的系統(tǒng)工程

除以上提到的DFM分析,流道設計與方案驗證等技術外,在鑄造過程中牽涉的其他技術還很多。特別是在設計階段就對整個制造鏈有嚴重影響的一些因素,限于篇幅,本文抽取其中的幾點進行簡單的說明。

4.1快速冷卻系統(tǒng)設計和生產周期評估

冷卻系統(tǒng)在鑄件生產過程中,發(fā)揮非常關鍵的作用。其設計的好壞會直接影響產品的品質(如縮孔疏松和應力變形等),也直接影響生產效率。而且,冷卻水道一旦被加工好后,修改非常困難,傳統(tǒng)的物理試錯方式,難以獲得平衡的溫度及冷卻效率。數(shù)值模擬能預測冷卻系統(tǒng)對熱的影響,但建模與分析都過于繁瑣且需時太長,對實際設計指導意義不大。Cast-Designer中有一個專門的冷卻系統(tǒng)設計和快速分析模塊,為冷卻系統(tǒng)的設計提供專業(yè)的建議,僅需幾分鐘到十幾分鐘即可對冷卻效率進行詳盡的檢查與評估。

4.2產品變形與應力分析

對于薄壁件或超薄件,鑄件變形是不可忽視的,也是工程師最頭痛的問題。為了在鑄造過程中有效分析預測裂紋傾向、變形和殘余應力,從而為鑄造工藝設計人員提供改進、優(yōu)化工藝的科學依據(jù),保證鑄件尺寸精度及穩(wěn)定性,提高鑄件質量, 對鑄件進行應力和變形分析是非常必要的。

利用有限元技術,能輕松完成耦合計算,包括熱、流動和應力。應力分析包括了熱應力和機械應力。采用應力分析可以分析出殘余應力、塑性變形、熱裂和鑄件最終形狀等。

對于一些非常復雜幾何的鑄造,在以上應力和變形的基礎上還可以提出變形補償,通過逐步迭代的方式求出預先的幾何形狀。

4.3產品壽命與耦合分析

對于一些質量要求很高的產品,耦合分析是必要的,比如鑄造缺陷對產品壽命和碰撞性能的影響。這樣,可以采用鑄造模擬軟件對鑄造過程中的卷氣、縮孔和應力等進行分析,并將鑄造產品的缺陷與應力信息傳輸給其他結構分析軟件進行產品性能的進一步評估。一般而言,縮孔等宏觀缺陷較鑄造應力的影響更大。在軟件上,這要求軟件具有非常完備的數(shù)據(jù)接口和協(xié)同分析能力。

5,結論與建議

面對日新月異的市場變化,汽車、3C和各種消費產品的更新?lián)Q代非常迅速,產品外觀也越來越時尚和復雜,如何在有限的設計周期內,獲得高質量的設計,成了一線廠家的制勝之道。而要達到這一目標,除了要有豐富的設計經(jīng)驗外,也要依靠科學的工具。

在產品設計階段,我們如何有效地提前進入進行協(xié)同設計和制造性評估是順暢將來設計和鑄造的關鍵;在模具設計階段,我們如何進行整個流道方案的設計,通過控制入水方式與位置、流道橫截面積、調整溢流槽的排布達到我們預想的流動狀態(tài)和消除缺陷;應用前端設計分析技術的意義在于,從流道的快速設計,到鑄造過程的模擬預測,再到方案修改,都能把控在1到2個小時內。這樣,我們幾乎能在一個工作日內,完成4到5個流道方案的評估,從中確定最優(yōu)的設計方案。

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