 原標(biāo)題：基于邁格碼模擬軟件分析下的鋁合金橫梁開發(fā) 摘要：本文以壓鑄鋁合金橫梁的開發(fā)過程為例，通過使用MAGMASOFT?軟件將開發(fā)過程可視化，透明化。通過對(duì)鑄件進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和結(jié)構(gòu)分析，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)最佳可鑄造性。然后在軟件里可同時(shí)導(dǎo)入多種進(jìn)澆方案，選擇出最優(yōu)化的澆排系統(tǒng)。根據(jù)DoE大數(shù)據(jù)對(duì)比分析獲得最佳的壓鑄工藝參數(shù)。這種方式可以提前預(yù)測(cè)產(chǎn)品將會(huì)出現(xiàn)的問題，并在方案前期進(jìn)行改善措施，以此減少試模次數(shù)。以軟件推薦的最優(yōu)方案為指引進(jìn)行試制，結(jié)果表明，原本需要多次試制和改善的方案，實(shí)現(xiàn)了T0試模后直接量產(chǎn)的狀態(tài)，最大限度的節(jié)約了成本，壓縮了開發(fā)周期。 汽車輕量化的要求，導(dǎo)致了零部件向著功能集成化，重量輕量化，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的方向發(fā)展。目前零部件的開發(fā)周期要求越來越短。傳統(tǒng)的根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的新產(chǎn)品制造開發(fā)更像是一種試錯(cuò)法，通過多次試制驗(yàn)證來進(jìn)行方案的優(yōu)化，進(jìn)而改善產(chǎn)品質(zhì)量。這種方式消耗了大量的人力，物力，精力和時(shí)間，造成了嚴(yán)重的浪費(fèi)，已經(jīng)不滿足新項(xiàng)目的開發(fā)需求。 本文以壓鑄鋁合金橫梁的開發(fā)過程為例，通過使用MAGMASOFT?將開發(fā)過程可視化，透明化，通過對(duì)不同的工藝參數(shù)和不同的工藝方案對(duì)比分析，進(jìn)而得到最佳的工藝方案組合。這種方式可以提前預(yù)測(cè)產(chǎn)品將會(huì)出現(xiàn)的問題，并在方案前期進(jìn)行改善措施，以此減少試模次數(shù)。以軟件推薦的最優(yōu)方案為指引進(jìn)行試制，結(jié)果表明，原本需要多次試制和改善的方案，實(shí)現(xiàn)了T0試模后直接量產(chǎn)的狀態(tài)，最大限度的節(jié)約了成本，壓縮了開發(fā)周期。本文還原產(chǎn)品的壓鑄方案開發(fā)過程，系統(tǒng)的展示開發(fā)思路，以期給行業(yè)內(nèi)相關(guān)工程技術(shù)人員以參考。 1.鑄件的基本介紹 圖1為鋁合金橫梁的結(jié)構(gòu)圖。鑄件基本尺寸為416mm×182mm×22mm，質(zhì)量為4.45kg，材料牌號(hào)為ADC12。此產(chǎn)品整體壁厚較為均勻，平均壁厚為4.3mm。產(chǎn)品需要裝配和焊接，所以對(duì)孔隙率和輪廓度要求非常高。根據(jù)產(chǎn)品的特性和質(zhì)量要求，需要設(shè)計(jì)一個(gè)最佳的澆注系統(tǒng)，保證金屬液順序充型，最大限度的降低流動(dòng)孔隙率和氣體孔隙率。同時(shí)該產(chǎn)品中間存在非常大的窗口區(qū)域，對(duì)金屬液充型造成了極大的阻礙，所以也要非常關(guān)注產(chǎn)品末端的成型狀態(tài)。
圖1：橫梁產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖 2.前期計(jì)算與分析 在產(chǎn)品前期開發(fā)階段，將毛坯3D導(dǎo)入MAGMASOFT?，軟件可自動(dòng)計(jì)算出包含產(chǎn)品體積，重量，截面積，投影面積等在內(nèi)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)一步計(jì)算出生產(chǎn)該產(chǎn)品所需要的壓鑄機(jī)臺(tái)噸位并與軟件機(jī)臺(tái)數(shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)的機(jī)臺(tái)相匹配，如圖2所示。
圖2：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算表 在壓鑄機(jī)臺(tái)確定后，用戶根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)輸入產(chǎn)品平均壁厚，MAGMASOFT?會(huì)計(jì)算出包含料管充填率，低速，高速切換位置，高速，內(nèi)澆口截面積，充型時(shí)間，內(nèi)澆口速度等在內(nèi)的全部工藝參數(shù)。軟件也將會(huì)根據(jù)此數(shù)據(jù)推薦出最佳的成型時(shí)間，成型時(shí)間與低速，高速切換位置，高速，內(nèi)澆口截面積等數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。使用者可以根據(jù)工廠機(jī)臺(tái)的實(shí)際性能，輸入不同的參數(shù)，然后軟件將會(huì)生成內(nèi)澆口截面積和內(nèi)澆口速度等參數(shù)數(shù)據(jù)庫，此數(shù)據(jù)庫可稍后用來進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算，見圖3所示。
圖3：工藝參數(shù)計(jì)算表 3.澆排系統(tǒng)分析 3.1 澆注系統(tǒng)選擇 根據(jù)軟件計(jì)算出來的內(nèi)澆口截面積，再結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，將所有的進(jìn)澆可能性方案全部導(dǎo)入軟件。圖4為不同位置進(jìn)澆分析，其中黃色線為各自的填充區(qū)域，由黑線間隔，粉色線和藍(lán)色線為融合金屬液填充區(qū)域。其中對(duì)4個(gè)方案進(jìn)行分析和判斷如下：方案1共五個(gè)澆口，澆口分布均勻，進(jìn)澆平衡，可實(shí)現(xiàn)整體進(jìn)澆。壓力也相對(duì)傳遞均勻，保證致密度。需注意最末端填充區(qū)域，有冷料堆積充填與排氣不良風(fēng)險(xiǎn)。方案2共三個(gè)澆口，產(chǎn)品大體積區(qū)域?qū)?yīng)大澆口，保證充填質(zhì)量與壓力傳遞。但厚大澆口容易造成局部溫度過高，引起變形及對(duì)模具形成不良影響。同時(shí)此擺放位會(huì)拉長充填行程。方案3共三個(gè)澆口，產(chǎn)品大體積區(qū)域?qū)?yīng)大澆口，保證充填質(zhì)量與壓力傳遞。但厚大澆口容易造成局部溫度過高，引起變形及對(duì)模具形成不良影響 。方案4共三個(gè)澆口，產(chǎn)品大體積區(qū)域?qū)?yīng)大澆口，保證充填質(zhì)量與壓力傳遞。但厚大澆口容易造成局部溫度過高，引起變形及對(duì)模具形成不良影響。
a．方案1 b．方案2
c．方案3 d．方案4 圖4 進(jìn)澆分析 根據(jù)設(shè)置的工藝條件，軟件完成四種方案的計(jì)算后進(jìn)行多維度的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，根據(jù)鋁液流動(dòng)順暢的評(píng)價(jià)，推薦最佳進(jìn)澆方案為方案1，詳見圖5。
圖5 進(jìn)澆方案評(píng)估結(jié)果 3.2 排溢系統(tǒng)確定 在確定進(jìn)澆方案采用推薦的方案1后，進(jìn)行了產(chǎn)品的流動(dòng)分析。根據(jù)流態(tài)的走向，流態(tài)相交匯和流動(dòng)末端的位置，見圖6a所示。在鋁液交匯和流動(dòng)末端增加排溢系統(tǒng)，將冷料進(jìn)行有效的排放，以此確保鑄件成型質(zhì)量，詳見圖6b所示。
a．方案1流動(dòng)分析
b.初始澆排系統(tǒng) 圖6：充型流態(tài)與排溢系統(tǒng) 3.3 排溢系統(tǒng)優(yōu)化 在確定初始排溢系統(tǒng)后，再次進(jìn)行流動(dòng)模擬，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的排溢系統(tǒng)不夠完善，產(chǎn)品末端存在高氣壓，見圖7a所示。高氣壓區(qū)域有非常大的氣孔風(fēng)險(xiǎn)，將會(huì)嚴(yán)重的影響產(chǎn)品成型，焊接和裝配。于是根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化排溢方案，在高氣壓區(qū)增加排氣道來降低氣體聚集的風(fēng)險(xiǎn)，見圖7b所示。實(shí)際生產(chǎn)中需要輔以真空工藝，按照此工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，再次模擬，觀察和對(duì)比優(yōu)化前后的產(chǎn)品氣壓分布，發(fā)現(xiàn)增加排氣道及增加真空工藝后，原高氣壓區(qū)域的氣壓值由5000mbar降為1000mbar，結(jié)果顯示高氣壓問題得到有效的改善，詳見圖7。
a．初始澆排方案模擬結(jié)果
b．排溢系統(tǒng)優(yōu)化示意圖
c．氣壓對(duì)比分析圖 圖7：排溢系統(tǒng)優(yōu)化和優(yōu)化模擬結(jié)果對(duì)比 4.DoE工藝參數(shù)優(yōu)化 在確定好澆排系統(tǒng)之后，還需要對(duì)壓鑄工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。MAGMASOFT?的自主優(yōu)化工具，使得工程師能通過了解工藝變量對(duì)鑄件質(zhì)量的影響，更為省時(shí)省力地探索更大的設(shè)計(jì)空間，進(jìn)而找到最優(yōu)的壓鑄模具和工藝布置方案。與傳統(tǒng)模擬不同，自主模擬只需要工程師設(shè)定一次模擬，但是，很多模擬運(yùn)行將覆蓋全部工藝窗口。該軟件自主地挑出可能的設(shè)計(jì)，進(jìn)行分析并采用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)方式匯總所有結(jié)果。 基于澆排系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)之上，借助DoE自主優(yōu)化工具進(jìn)行壓鑄工藝參數(shù)的優(yōu)化。高速速度是影響鋁液填充和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。以高速速度的DoE優(yōu)化過程為研究對(duì)象，進(jìn)行分析。設(shè)定高速速度在3.5-4.0m/s之間，迭代步長設(shè)定為0.1，以降低澆口速度及減小冷隔缺陷為目標(biāo)對(duì)象。通過軟件進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)后，推薦出最佳成型工藝參數(shù)，選擇高速速度3.5m/s既可以滿足澆口速度低，降低模具充蝕，又可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。詳見圖8所示。
a.DoE參數(shù)設(shè)計(jì)
b.DoE模擬結(jié)果 圖8：DoE與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 5.產(chǎn)品試制結(jié)果 通過MAGMASOFT?的澆注方案及參數(shù)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)流程，完成了產(chǎn)品的澆排系統(tǒng)設(shè)計(jì)及壓鑄工藝參數(shù)的優(yōu)化，以此數(shù)據(jù)為指導(dǎo)，用于實(shí)際的驗(yàn)證。首次試制選用1600T壓鑄機(jī)，并輔助以真空系統(tǒng)，按照DoE優(yōu)化設(shè)計(jì)的壓鑄參數(shù)進(jìn)行試制。圖9為首試的鑄件圖。通過對(duì)內(nèi)部品質(zhì)的x光探測(cè)發(fā)現(xiàn)鑄件內(nèi)部的品質(zhì)比較理想，內(nèi)部品質(zhì)缺陷如氣孔、縮松以及縮孔均符合ASTM F_5051級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品經(jīng)過焊接驗(yàn)證，焊接區(qū)域未發(fā)生有焊接缺陷，證明產(chǎn)品的內(nèi)部含氣量很低。產(chǎn)品首次試制成功。
圖9：首試的鑄件圖 6.小結(jié) 本文以壓鑄鋁合金橫梁的開發(fā)過程為例，通過使用MAGMASOFT?將開發(fā)過程可視化，透明化。通過這種方式可以提前預(yù)測(cè)產(chǎn)品將會(huì)出現(xiàn)的問題，并在方案前期進(jìn)行改善措施，以此減少試模次數(shù)。通過對(duì)橫梁的澆排系統(tǒng)及壓鑄工藝參數(shù)的DoE優(yōu)化，以軟件推薦的最優(yōu)方案為指引進(jìn)行試制，產(chǎn)品首次試制就達(dá)到了量產(chǎn)的狀態(tài)，最大限度的節(jié)約了成本，壓縮了開發(fā)周期。
劉琪明 |
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