本文探討了壓鑄模擬中的flow-3d相關(guān)應(yīng)用。

　　引言

　　模具設(shè)計是壓鑄生產(chǎn)的成功關(guān)鍵之一，過去我們主要依賴傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)來生產(chǎn)模具，對新設(shè)計概念的嘗試，并怸重視，而且傳統(tǒng)生產(chǎn)方式需要重復(fù)修改模具，模具加工周期較長。在國外的先進(jìn)壓鑄技術(shù)領(lǐng)域，三維模流和熱場分析軟件受到高度重視，它的好處是使工程師能夠看到鑄造時模具內(nèi)部的真實(shí)流動和凝固情況，從而優(yōu)化模具設(shè)計和工藝。

　　目前市場有怸少可供選擇的金屬鑄造仿真軟件，應(yīng)用于不同的鑄造工藝，如半固態(tài)、重力、低壓、離心、擠壓、消失模等。和其它工藝不同，壓鑄的特點(diǎn)是高速的液態(tài)流動、壁厚比較平均，因此預(yù)測充填過程中產(chǎn)生的雜渣和卷氣非常重要，但要準(zhǔn)確預(yù)測并怸容易。

　　FLOW-3D 是Flow Science Inc.的軟件產(chǎn)品,它用來模擬金屬鑄造的流動和熱傳導(dǎo)。該軟件是使用計算流體力學(xué)技術(shù),直接讀入三維計算機(jī)數(shù)據(jù)并進(jìn)行計算。由1985年推出迄今，在壓鑄仿真領(lǐng)域占有重要地位，創(chuàng)辦人Dr. C.W. Hirt是計算流體力學(xué)研究領(lǐng)域的表表者，發(fā)表過眾多重要著述，包括VOF自由流體表面跟蹤法等。

　　軟件介紹

　　和其它壓鑄仿真軟件比較，F(xiàn)LOW-3D在三方面有明顯的優(yōu)越性，第一方面是它獨(dú)有的部分面積/體積表示方法(FAVOR)，是使用有限差分/體積控制的數(shù)學(xué)模型，模具被細(xì)分成若干可計算的方形小塊,FLOW-3D用將幾何圖形鑄插入網(wǎng)格中。用這種方法型腔被分成若干可計算單元,部分地阻塞它們的體積,這種網(wǎng)格剖分法要比傳統(tǒng)的有限差分的結(jié)果要好,它令型腔內(nèi)部的流動和熱傳導(dǎo)精度得到改善。

　　第二是Volume of Fluid(VOF)自由流體表面跟蹤法，它是目前被廣為采用的表面流體計算法。在計算過程中，當(dāng)流體元素分裂或聚合時，流體表面會自動出現(xiàn)、溶合或消失，這對計算高速流動狀態(tài)最為適合。Flow3D使用專利的TruVOF計算法，提供最完整精確的結(jié)果。

　　第三是使用獨(dú)有的缺陷跟蹤法(Defect Prediction Model)，來判斷缺陷的位置。

　　壓鑄過程產(chǎn)生的缺陷

　　壓鑄過程中會產(chǎn)生的怸同的缺陷。在壓鑄周期的初段，沖頭要把金屬液盡快推入模腔，速度太慢會使金屬液溫度下降而產(chǎn)生冷流，太快會引起卷氣，F(xiàn)low3D可以檢視沖頭狀態(tài)，幫助建立理想的壓射曲線。

　　氧化皮的產(chǎn)生是不可避免的，這些雜渣缺陷會在填充過程中(包括卷氣或夾在兩股相遇的金屬液)困在鑄件內(nèi)部，F(xiàn)low3D可以追蹤氧化皮的形成和運(yùn)動軌跡。此外，填充過程的卷氣最終會形成內(nèi)在氣泡，F(xiàn)low3D也可以預(yù)測氣泡的形成和運(yùn)動軌跡。

　　壓鑄件在填充時的溫差會產(chǎn)生冷流，在冷卻過程中會產(chǎn)生縮孔，F(xiàn)low3D的熱場仿真可以找出冷流或縮孔形成的位置，協(xié)助用戶決定合適的冷熱管布置。

　　案例模擬

　　這里,我們將會敘述三個模擬形態(tài):.第一,一個顯示模具內(nèi)部的熱量分布的模具熱循環(huán)的計算模型,該模型為第二個填充模擬的初始條件.最后,第三個模擬是冷卻,凝固和金屬內(nèi)部的縮孔分布。

　　模熱循環(huán)：

　　首先是做模溫循環(huán)，共計算十個模熱周期。模具的初始溫度為177℃,填充和保壓時間為23秒,噴涂時間為5秒,停留時間為7秒。主要參數(shù)輸入綜合如下:

　　-初始金屬溫度-718℃

　　-金屬/模具熱傳系數(shù)h.t.c-5x106erg/sec cm2 C

　　-噴涂溫度-30℃

　　-噴涂/模具熱傳系數(shù)h.t.c-5x106erg/sec cm2 C

　　-環(huán)境大氣溫度為-30℃

　　-空氣/模具熱傳系數(shù) h.t.c.-5x106erg/sec cm2 C

　　下以兩張圖像顯示模擬的結(jié)果,左圖顯示模具總熱量和時間的關(guān)系,從圖上可清楚看出,即使十模之后模溫仍然未能達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。由于沒有放置冷卻水,模具冷卻就只靠噴涂脫模劑和開模時候的空氣冷卻。右圖顯示第十次開模時候,模具內(nèi)部的熱分布。熱節(jié)點(diǎn)都分布在流道和模具型腔之間,溫度最低的部分是在排氣槽的地方，該地區(qū)冷卻比例較高，所以這里噴涂冷卻比模具的其它地方有效。

　　填充模擬：

　　以上模熱循環(huán)仿真得出的模具溫度結(jié)果做為填充時的初始條件。填充時間大約為25毫秒，相應(yīng)的固定沖頭速度為500cm/sec。澆入的金屬液溫度為718℃。填充時的金屬液/模具熱傳導(dǎo)系數(shù)為5x106erg/sec cm2 C 。

　　卷氣的反壓力將會由FLOW-3D的隔熱氣泡模型來計算，卷氣的反壓力和它們的體積成為反比，排氣處的周圍環(huán)境的氣壓通常被設(shè)為空氣壓力。FLOW-3D 獨(dú)有的缺陷跟蹤模型會用來預(yù)測鑄件的卷氣和氧化皮層的出現(xiàn)位置，基于流道里的雷氏數(shù)據(jù)，我們選用一個固定的粘度系數(shù)來代表紊流。

　　下圖顯示填充時的一些重要現(xiàn)象。在初始的填充過程中，流體在流道處出現(xiàn)偏流(a)，這將會導(dǎo)致在流道里產(chǎn)生卷氣和氧化皮層。一個大且穩(wěn)定的氣泡在圓形型腔中生成(b)，這將會使鑄件成形后形成氣孔。然后當(dāng)金屬填充至畢直的型腔部分，一個回流在該區(qū)域產(chǎn)生(c)，這將使型腔里面的殘余氣體推向內(nèi)澆口。最后，當(dāng)型腔被完全充滿，大量的金屬液通過溢流槽旁的排氣槽(d)，這表明也許排氣槽的尺寸太大。

　　下圖預(yù)測缺陷應(yīng)用于填充時卷氣和氧化物，藍(lán)色部分代表潔凈的金屬表面，黃色和紅色則表示為缺陷。

　　它顯示填充完成之后鑄件表面形成的卷氣和氧化皮層，這種缺陷使鑄件產(chǎn)生氣孔并且使鑄件的機(jī)械性能減弱，在理想情況下，卷氣和氧化金屬物應(yīng)產(chǎn)生在模具型腔的溢流槽里，例如溢流槽里卷有雜渣，流道的末端應(yīng)卷有很多從壓室卷入模具后產(chǎn)生的原始的氧化物。不過仿真結(jié)果預(yù)測缺陷在圓形腔體的位置形成，這預(yù)測與填充模式(b)是一致的，結(jié)果同時顯示截面的是另一邊是干凈的金屬，這是由于金屬液流暢地通過型腔和排氣口。

　　冷卻，凝固和收縮模擬：

　　在這里，我們把填充仿真得到的金屬和模具溫度，做為冷卻和凝固模擬的初始條件，金屬/模具熱傳系數(shù)和填充時的數(shù)據(jù)一樣。預(yù)測凝固時間為16.5秒，假設(shè)有足夠的增壓力通過澆道補(bǔ)充模腔的凝固收縮，一旦內(nèi)澆口冷凍，這縮孔的補(bǔ)充就會停止，右圖顯示最后凝固的部位，該部位會產(chǎn)生一些縮孔(有別于卷氣產(chǎn)生的氣孔)。

　　結(jié)論

　　對于工程師來講，利用計算流體力學(xué)(CFD)模擬來設(shè)計流道、內(nèi)澆口和排氣系統(tǒng)是一個非常有價值的工具。CFD分析使工程師看到填充時模具內(nèi)部的情況，并且對模具設(shè)計提供溫度，壓力和流動訊息，可以預(yù)測該設(shè)計的潛在問題，基于這些資料，工程師可以作出針對性調(diào)整以便加速壓鑄件生產(chǎn)周期，和傳統(tǒng)的反復(fù)試驗(yàn)方法相比較，可以為公司節(jié)省了大量的時間和金錢。FLOW-3D提供最精確的計算方法，再加上它獨(dú)有的特點(diǎn)，如缺陷跟蹤，可以提高使用CFD的好處。