鑄造仿真工藝已成為快節(jié)奏開發(fā)過程中不可或缺的一部分。在這種情況下，開發(fā)重點在于組件的優(yōu)化和工藝流程的改進。而現(xiàn)代化仿真技術(shù)可以提供既可靠又可追溯的結(jié)構(gòu)。第一次仿真過程通常應在詢價階段啟動。盡管公司還沒有收到任何訂單，但企業(yè)應對被詢價的組件開展進一步研究。報價的編制應盡可能地貼合現(xiàn)實和實際情況，以避免在生產(chǎn)啟動時出現(xiàn)意外情況，從而避免不必要的成本增加。因此，在編制報價單時，盡管無法確定客戶最終會在哪家企業(yè)下單，且對企業(yè)的要求較高、時間較少并且完全沒有預付的情況下，得出切合實際的可行性結(jié)論。

開發(fā)階段的仿真

仿真必須要花費盡可能少的費用，同時，結(jié)果應盡快提交并且應盡可能準確地反映實際情況。盡管存在時間壓力，但得出的模具填充、流態(tài)、流速、空氣夾雜物、孔隙率，模具溫度等結(jié)果應盡可能準確且具有說服力。仿真應支持和改進模具或生產(chǎn)成本相關(guān)結(jié)論，以便盡可能準確地制定報價。

在這里，以一款由鋁合金AlSi10MgMn制成的減震塔壓鑄結(jié)構(gòu)件為例進行說明。其重量為5.9千克，壁厚為2.5毫米。該組件采用真空壓鑄工藝制成，并在安裝孔區(qū)域內(nèi)對其進行了CNC加工。此外，還對其進行了熱處理，以增加其強度和延展性。該組件尺寸約為530×520×440毫米。

在車身領(lǐng)域，鋁制壓鑄結(jié)構(gòu)件向來與具有高強度的薄鋼板處于競爭關(guān)系。相較于鋼材料，鋁制結(jié)構(gòu)件具備高功能集成度、突出的尺寸精確度以及特殊能量吸收能力等優(yōu)勢，這使得鋁制組件在成本和增長率方面 仍具有非常大的吸引力。

根據(jù)上文中所提及的要求，直觀且易于操作的界面以及快速輸入規(guī)定參數(shù)，對仿真系統(tǒng)而言至關(guān)重要。對簡單而快速的處理過程而言，系統(tǒng)的“可用性”（“Usability”）是一個必不可少的要素，因為用戶可能并不是每天使用仿真系統(tǒng)工作。為此，在Inspire Cast 2019系統(tǒng)中設(shè)計了相關(guān)特征，以使費用保持盡可能低。

在開始之前，須回答一些基本問題（圖1）：

> 分型（紅色）應置于哪個位置？

> 哪個位置需要溢出口（綠色）？

> 是否需要型芯（藍色）？

> 是否需要擠壓銷（橙色）？

> 冷卻裝置可置于哪個位置？

> 哪個位置處須加熱？

在搞清楚了這些問題之后，我們將在第二個示例中研究澆口概念（從外側(cè)（圖2，左）和中心（圖2，右））。兩者都需要用到不同的工具概念，其中，每個工具概念所產(chǎn)生的成本不同，因此，可以對它們進行對比。這兩個概念在工業(yè)領(lǐng)域都可以找到，根據(jù)要求、數(shù)量等因素的不同，它們均具備許多各自的優(yōu)缺點。

針對仿真過程，CAD數(shù)據(jù)集將被導入到仿真系統(tǒng)Inspire Cast中。為此，可使用Catia、NX、ProEngineer、Inventory和Solid Works本地轉(zhuǎn)換器以及系統(tǒng)中立的STEP和Parasolid轉(zhuǎn)換器作為接口。該系統(tǒng)與現(xiàn)已廣泛應用于工業(yè)領(lǐng)域的Parasolid-Kernel相兼容。在Inspire Cast系統(tǒng)中，只需在鑄件完成CAD導入后點擊幾下即可精確設(shè)置澆口位置。這些功能的設(shè)計方式使相關(guān)幾何元素可以在短短幾分鐘內(nèi)輕松投射和對準規(guī)定截面區(qū)域。因此，不需要在外部CAD系統(tǒng)中對澆口系統(tǒng)進行高成本的CAD設(shè)計。

由于3D數(shù)據(jù)在進入計算部門之前通常已經(jīng)經(jīng)過了多個接口，因此，內(nèi)部調(diào)整機制可確保在必要時更正錯誤面積數(shù)據(jù)或非內(nèi)部體積數(shù)據(jù)。模型準備和夜間計算所花費的成本可以忽略不計?？蛻艋蜷_發(fā)部門方面提供的規(guī)定格式的純凈CAD數(shù)據(jù)是順利導入和快速計算的前提。根據(jù)FEM方法可在lnspireCast系統(tǒng)中進行聯(lián)網(wǎng)，這意味著鑄件的輪廓可以被非常精確地復制出來。此外，F(xiàn)EM網(wǎng)格在較薄的壁中（例如，在截面內(nèi)）會自動發(fā)生細化，從而可使精確度得以提高。

兩個澆口系統(tǒng)（無結(jié)構(gòu)）仿真過程所花費的時間比：

CAD輸出/輸入step/prasolid：10分鐘

參數(shù)設(shè)置：20分鐘

填充計算/中等載荷：4小時

凝固計算/中等載荷：1小時

總時間（每個仿真過程）：約5.5小時

結(jié)果評估：4小時

得出結(jié)論所需時間合計：9小時

模具填充結(jié)果截面1，側(cè)面

在模具填充開始時，可以在澆口區(qū)域內(nèi)看到典型的壓鑄工藝湍流?？諝饩奂诮孛?zhèn)让?，因此，之后必須對這個位置進行排氣處理。與組件另一端的澆口系統(tǒng)相比，后續(xù)需進行大面積排氣處理（圖3）。從進一步的過程中可以看出，可省去大部分計劃的側(cè)排氣口設(shè)計。

凝固結(jié)果截面1，側(cè)面

凝固計算可顯示螺旋圓頂中的孔隙率，對此，必須使用型芯或必要時用擠壓銷對其進行處理。由于先前已對截面進行了凝固處理，因此，在第3個階段無法進行優(yōu)化（圖4）。

模具填充/凝固結(jié)果截面2，中心

結(jié)果如圖5所示。通過中心澆口進行的模具填充均勻。從圖中可以看出，需要在組件周圍設(shè)計幾個排氣位置（圖6）。凝固情況幾乎與側(cè)面澆口系統(tǒng)完全相同。截面的迅速凝固使我們無法對中心澆口系統(tǒng)的孔隙率施加任何影響。

側(cè)面澆口1和中心澆口2的通風情況對比

由湍流引起的空氣夾雜物的比較表明，相較于截面，側(cè)面澆口系統(tǒng)出現(xiàn)了預期濃度。之后應在該處安裝真空系統(tǒng)（圖7）。

結(jié)果比較

表1列出了針對兩個截面的比較。在這種情況下，根據(jù)當前發(fā)展趨勢，側(cè)面澆口系統(tǒng)是更優(yōu)選擇。如上所述，兩種選擇都可以在實踐中找到，根據(jù)組件幾何形狀或成本因素（如數(shù)量或機器生產(chǎn)率）的不同，此處的設(shè)計有所不同。

生產(chǎn)準備工作

在開發(fā)階段，仿真過程可能會因最終決定而被終止。客戶下單后的下一步是生產(chǎn)準備工作。為此，首先需要檢查側(cè)面澆口系統(tǒng)的流動特性。在這種情況下，我們會使用一個簡單的殼體，并且會對比不同的截面幾何形狀（圖8）。此處考慮采用的是兩個具有不同入口角的切向截面和兩個具有不同入口橫截面的扇形截面。切向截面似乎完全不適用于我們的殼體。入口正后方形成了來自活塞的負壓區(qū)域，并伴有湍流和進入組件的空氣增多的現(xiàn)象。即使在單側(cè)入口的扇形截面中（例如，在模具頂出器一側(cè)），在側(cè)面擴徑范圍內(nèi)仍可以看到湍流（方案3）。最佳變形結(jié)構(gòu)是在扇形澆口末端使用圓形入口，在仿真過程中，此處再也沒有看到湍流（方案4）（圖9）。仿真證明了扇形截面的優(yōu)勢，即，進入到壓鑄件中的空氣明顯減少了。

由湍流引起的空氣夾雜物當然不是衡量模具填充是否成功的唯一標準。但是，在花費成本相對較低的仿真過程中，可以對每項標準進行更加精確地研究，并對其進行優(yōu)化，從而逐步減少錯誤源。如今，我們的生產(chǎn)模型將增加切合實際的澆口系統(tǒng)及功能性排氣系統(tǒng)（圖10）。此外，在生產(chǎn)條件下進行仿真時，還應將模具或部件的幾何形狀以及熱/冷卻回路等因素考慮在內(nèi)。我們會對模型進行相應調(diào)整，并在Inspire Cast系統(tǒng)中對其進行定義。

模具填充結(jié)果生產(chǎn)模型

我們首先考慮的是將模具填充（圖11）作為計算結(jié)果。通過幾個扇形截面按橫向指定方式進行模具填充。根據(jù)預期，存在于系統(tǒng)中的空氣會聚集于排氣區(qū)域內(nèi)（圖12）。

生產(chǎn)模型的凝固

正如在開發(fā)過程中及前述仿真過程中所確認的那樣，安裝孔區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)不利的孔隙率是一種很難避免的情況。截面系統(tǒng)在1.0秒后已發(fā)生凝固，因此，無法進一步對關(guān)鍵區(qū)域做填充處理（圖13）。因此，在圓形罩內(nèi)，可能只有型芯或擠壓機才能達到預期效果。

仿真過程中冷卻裝置的影響

在仿真過程中對整套冷卻裝置進行了模擬。應根據(jù)區(qū)域來研究冷卻裝置的影響。如需通過有針對性的冷卻裝置對孔隙率施加影響，則應更改和計算安裝孔區(qū)域內(nèi)的冷卻裝置。在模具填充結(jié)束5秒后計算溫度。在計算溫度時，一次與輪廓之間的的距離為25毫米，一次為10毫米。計算得到的溫度差僅為2℃。噴涂或周期時間等其他影響首先被排除在外了。由此，可以看出，壓鑄件邊殼迅速凝固在這里引起的影響預計會很小。對此，可以考慮使用擠壓銷。

結(jié)論

早在鑄件的開發(fā)過程就可以用較少的費用計算出具有說服力的模具填充和凝固仿真結(jié)果。結(jié)果可在幾個小時內(nèi)得出，數(shù)據(jù)輸入和計算工作量所花費的費用可忽略不計。CAD數(shù)據(jù)是這項工作的前提條件。預期生產(chǎn)活動相關(guān)報價或估價的制定可得到?jīng)Q定性支持及更精確的反映。一段時間以來，Inspire Cast提供了一種易于操作且十分具有說服力的工具。

針對生產(chǎn)，需進行更深入的仿真模擬，需對典型的鑄造技術(shù)加以調(diào)整（如澆鑄流道，截面和溢流口設(shè)計等），并對工具中的熱條件優(yōu)化處理，從而保證仿真過程不會出現(xiàn)任何問題并得以進一步優(yōu)化。在Inspire Cast系統(tǒng)中已有相關(guān)預定義功能。工業(yè)企業(yè)的反饋表明，仿真結(jié)果與真實組件之間具有高度一致性。在此基礎(chǔ)上，Inspire Cast的熱機械耦合裝置很快會被推出，因此，更多實際情況將被考慮進去。