Dr.-Ing. Horst Bramann, M.Sc. Laura Leineweber, Dr.-Ing. Jörg C. Sturm, MAGMA Gießereitechnologie GmbH, Aachen, Germany
Abstract
摘要
Innovative automotive lightweight designs lead to a higher demand for the product and process development of die cast components. This is attributed to shorter and shorter product development cycles as well as the rising functional integration and complexity of structural die cast parts. The main objectives of the technically complex processes and tools in aluminum and magnesium die casting are cost and resource efficiency along with the robust fulfillment of the defined high-class requirements of the casting. In this context, casting process simulation is a well-established tool used to support tool design, part design as well as process development.
創(chuàng)新的汽車輕量化設(shè)計(jì)對(duì)壓鑄件的產(chǎn)品和工藝開發(fā)提出了更高的要求。這是由于產(chǎn)品開發(fā)周期越來越短，以及壓鑄結(jié)構(gòu)件的功能集成和復(fù)雜性不斷提高。鋁合金和鎂合金壓鑄的復(fù)雜工藝技術(shù)和模具的主要目標(biāo)是提高成本和資源效益，并嚴(yán)格滿足鑄件的高標(biāo)準(zhǔn)要求。在該背景下，鑄造工藝模擬是一種成熟的工具，用于支持模具設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及工藝開發(fā)。
本文以一個(gè)壓鑄結(jié)構(gòu)件為例，展示了MAGMASOFT ® 5.4自主設(shè)計(jì)的新方法如何滿足壓鑄的以下需求：
-更快地開發(fā)產(chǎn)品和工藝，
-在質(zhì)量、產(chǎn)量和成本方面的最佳工藝和模具設(shè)計(jì)，以及
-穩(wěn)健的工藝布局，比以往更佳的最大化質(zhì)量再現(xiàn)性。
對(duì)整個(gè)工藝的評(píng)估
除鑄件的模具和工藝布局的方法設(shè)計(jì)之外，結(jié)構(gòu)部件的安全和穩(wěn)健質(zhì)量預(yù)測(cè)需要考慮到整個(gè)工藝。為了可靠地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)部件的屬性和變形，這尤其適用于鑄件從模具中脫出后的工藝步驟。
圖20示意性地示出了從鑄造工藝到鋁減震器熱處理的連續(xù)的性能和變形預(yù)測(cè)。MAGMASOFT ®允許計(jì)算和評(píng)估鑄件的殘余應(yīng)力（這些殘余應(yīng)力是生產(chǎn)過程的結(jié)果）以及過程中任何時(shí)候的相應(yīng)變形。設(shè)計(jì)階段框架內(nèi)潛在風(fēng)險(xiǎn)的早期識(shí)別可使所有可用的自由度實(shí)施預(yù)防措施。此類措施可能包括鑄件設(shè)計(jì)變更、對(duì)模具的預(yù)防性幾何模型優(yōu)化或熱處理工藝的調(diào)整布局。
圖20：結(jié)構(gòu)件整個(gè)工藝的虛擬考慮，包括熱處理
對(duì)于復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)部件，在熱處理過程中實(shí)現(xiàn)所需公差范圍內(nèi)的穩(wěn)定變形是一個(gè)特殊的挑戰(zhàn)。通常，一旦生產(chǎn)的第一批鑄件到達(dá)熱處理處，就會(huì)開始熱處理機(jī)架的設(shè)計(jì)；這通常通過反復(fù)試驗(yàn)來優(yōu)化。但是，虛擬熱處理試驗(yàn)允許在規(guī)劃階段早期對(duì)機(jī)架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
變形的預(yù)測(cè)需要計(jì)算鑄造工藝中任何時(shí)候的局部殘余應(yīng)力以及有效塑性應(yīng)變。在該背景下，考慮了所有相關(guān)的工藝步驟：鑄件的凝固和脫出、移除鑄造系統(tǒng)、加熱、固溶處理、熱處理期間的淬火和回火，直到考慮最終的機(jī)加工步驟。
圖21示出了在由固溶處理、淬火和回火組成的傳統(tǒng)T6熱處理后的結(jié)構(gòu)部件變形。MAGMASOFT ®對(duì)熱處理過程的模擬利用了溫度和應(yīng)變率相關(guān)蠕變模型，該模型考慮了重力對(duì)鑄件的載荷（特別是在固溶處理過程中）以及由此產(chǎn)生的變形。
圖21：熱處理結(jié)束時(shí)，由于固溶處理過程中重力的影響，機(jī)架中的連接節(jié)點(diǎn)在y方向上的變形
在虛擬CAE功能分析之前，用軟件預(yù)測(cè)的整個(gè)生產(chǎn)工藝的局部塑性應(yīng)變和殘余應(yīng)力擴(kuò)展并細(xì)化了對(duì)結(jié)構(gòu)部件狀況的描述，參見圖22。凝固過程中產(chǎn)生的局部塑性應(yīng)變?cè)试S識(shí)別鑄造材料的不可逆預(yù)損傷區(qū)域。熱處理后承受顯著局部Von Mises應(yīng)力（等效應(yīng)力）的區(qū)域補(bǔ)充了FE碰撞模擬的載荷譜。功能模擬中的高載荷與局部降低的鑄造屬性的不便利重疊會(huì)導(dǎo)致碰撞情況下的失效風(fēng)險(xiǎn)增加。
圖22：將鑄造工藝模擬中的信息（局部有效塑性應(yīng)變和殘余應(yīng)力）集成到虛擬功能分析中
在將生產(chǎn)工藝中計(jì)算出的局部鑄造屬性系統(tǒng)地集成到概念開發(fā)的虛擬功能和風(fēng)險(xiǎn)分析中時(shí)，可以進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。虛擬生成的關(guān)于鑄件生產(chǎn)參數(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之間相關(guān)性的系統(tǒng)知識(shí)使得能夠通過早期的安全決策來安排更穩(wěn)健的產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝。
圖23：創(chuàng)新的CAE過程：通過利用鑄造工藝模擬中的局部鑄造屬性，改進(jìn)了功能預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。將虛擬生成的知識(shí)作為概念和設(shè)計(jì)階段中自信決策的基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的產(chǎn)品和工藝。
總結(jié)
在高壓壓鑄中，MAGMASOFT的方法虛擬試驗(yàn)或自主是一種突破性的方法，該方法通過透明和定量的工藝知識(shí)，實(shí)現(xiàn)模具和生產(chǎn)工藝的優(yōu)化和穩(wěn)健布局。除確定可靠的技術(shù)解決方案之外，這種新方法還提供了質(zhì)量和盈利能力之間的最佳折衷方案，這是壓鑄機(jī)一直追求的目標(biāo)。因此，即使在計(jì)劃階段的早期，對(duì)于復(fù)雜的任務(wù)，也有可能生成關(guān)于鑄件生產(chǎn)參數(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之間相關(guān)性的系統(tǒng)知識(shí)，而且?guī)缀鯖]有經(jīng)濟(jì)或生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。
早期的安全決策支持產(chǎn)品開發(fā)人員和模具鑄造人員設(shè)計(jì)穩(wěn)健、經(jīng)濟(jì)有效和資源高效的產(chǎn)品和工藝。在規(guī)劃階段的早期應(yīng)用此類虛擬生成的知識(shí)是CAE開發(fā)過程的基礎(chǔ)，在該過程中，設(shè)計(jì)者和模具鑄造者同時(shí)對(duì)部件和鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化。
