模拟技术对压铸完整排气系统的验证

本文描述了模拟金属液通过薄壁截面时，由于冷却和高背压导致的金属液停止流动，活塞不能推动金属液通过这些区域。控制体积法这种新技术允许几乎任何设计的几何形状进行网格划分。利用该仿真技术可以在非常合理的时间内再现铸件生产过程。

关键模拟技术：

 使用体积分数精确定义几何模型（CVM-控制体积法）

 结构化有限差分网格（FDM-有限差分法）

 使用体数分数和N-S方程模拟液体流动

 模具表面粗糙度

 气体计算

有限差分法

控制体积法

上图中，使用相同的网格数量划分同一薄壁压铸件，如果采用不同的方法，结果截然不同。采用有限差分法，由于网格数量太少，导致几何完全失真。使用控制体积法即使网格数量较少，但仍然能够通过体积分数来精确表达。

控制体积法网格

图中是采用控制体积法划分网格的截面图中可以看出，青色部分为铸件金属液部分，薄壁处网格数量即使不足一层单元，仍然能够满足计算要求。

计算效率对比

NOVACAST早期版本同大多数铸造仿真软件一样使用的是有限差分法，通过NFS团队不断的研究探索，重新开发软件后核心技术改用控制体积法，新的算法不但精度高，而且计算效率相对于有限差分法提高了5~10倍以上，大大缩短了工艺人员计算机试模的时间。因此，如论是从模拟精度还是计算效率上，NOVACAST为实现又细又长的排气孔模拟验证工作提供可靠的仿真工具

对于铸件和排气孔模拟问题，需要以下详细的信息：

   哪些模具需要添加排气系统；

   排气孔的位置

   排气孔的尺寸

   排气孔位置的冷却

   冷铁的材料

   带冷铁块的排气系统深入研究后得到的模拟结果如下：

   冷铁块的冷却影响

   金属液流入排气孔和空气排出

   几何背压

   气体背压

   通过薄壁截面时的金属液填充和流动

   活塞在充填结束时由于填充面积减少而减速

案例一：

某铝合金高压铸件浇铸系统如上图所示，需要验证其排气系统设计。模拟设置及工艺参数如下：

l  网格数量：120万

l  铸件材料：EN AC 46000（浇铸温度680℃）

l  模具材料：奥瓦儿（瑞典）产模具钢（预热温度220℃）

l  冷铁：铍铜（初始温度100℃）

l  压射速率：第一阶段=0.4米每秒；第二阶段=2.5米每秒

l  计算时间：完整的金属液充填流动和热平衡过程共花费40分钟

l  计算机：四核8G内存台式机

l  软件信息：NovaFlow & Solid CV 4.3r6（截至2017年底最新版本为6.3r3）

模拟结果如下图所示金属液充填过程的速率场，为了方便研究压铸模具结构的排气系统，主要观察金属液充满型腔的后半段。可以清楚的看到金属最后充满排气槽，以及充满型腔时金属液的流动速率，由于几何背压导致的部分位置流动速率发生变化，排气系统设计合理。

型腔填充率60%

型腔填充率70%

型腔填充率80%

型腔填充率90%

型腔填充率99.5%

充填完成时金属液分布及温度场

生产实物

通过最终的模拟结果与实物对比可以看出，在排气槽中金属液的充满状态模拟与实物高度吻合，模拟计算精度相当高。

案例二：

某铝合金高压薄壁铸件，铸件外型轮廓尺寸900×700×185mm，质量4.4kg，如上图所示，同样对其排气系统进行验证。模拟设置及工艺参数如下所示：

l 网格数量：135万

l 最薄的截面：排气孔0.5mm，铸件1.5mm

l 铸件材料：EN AC 46000（浇铸温度660℃）

l 模具材料：奥瓦儿（瑞典）产模具钢（预热温度220℃）

l 冷铁：无

l 压射速率：第一阶段=0.5米每秒；第二阶段=5米每秒

l 计算时间：完整的金属液充填流动和热平衡过程共花费40分钟

l 计算机：四核8G内存台式机

l 软件信息：NovaFlow & Solid CV 4.3r6（截至2017年底最新版本为6.3r3）

模拟计算结果如下图所示，不同充填阶段的速率场分布，观察分析后确认当前排气设计合理，并且可以看到由于气体背压导致的部分截面流动速率发生变化。

型腔填充率60%

型腔填充率70%

型腔填充率80%

型腔填充率85%

型腔填充率90%

型腔填充率95%

型腔填充率99.5%

完全充满时的液相体积分数

通过当前案例再次验证了NOVACAST软件CVM控制体积法具有最快的计算效速度和最高的计算精度，很好的验证了排气系统在压铸模具中是否发挥作用。

结论

√ 带冷铁块的排气系统中填充和凝固模拟是可以实现的

 √ 在新的模拟技术下，计算时间是合理可接受的

 √ CVM控制体积法能够模拟金属液通过不足一层单元的截面

 √ 软件可模拟由于几何和气体背压导致的活塞速度降低

 √ 网格自动划分较快，模拟前处理设置时间短

来源：安世工仿