模具設計

模具設計是一個相當復雜的工作，因為在設計時必須同時考量金屬融湯的流動以及金屬凝固順序。除此之外，模具因為溫度熱傳造成的應力變形也可能導致其他問題的發(fā)生。CM Taricco 是意大利的一間模具制造商，在開發(fā)新型模具時發(fā)現在每次鑄造時，模具底部會發(fā)生融湯滲漏問題。在模具開始生產時，這個現象僅少數發(fā)生；隨著生產模次增加，這個現象會越來越嚴重。一旦發(fā)生問題，生產人員就必須立刻進行問題排除，不但造成生產時間無法預期，還造成了鑄件成本的增加。

問題發(fā)生原因之研究

由于這套重力鑄造模具在初始開發(fā)時，就已經進行澆鑄系統(tǒng)及渣包位置的評估及數值模擬，因此判定問題應該不是由金屬融湯的流動造成。Gabriele Taricco (CM Taricco 公司之創(chuàng)辦人) 提出疑問，認為滲漏問題可能來自于鑄造過程中的熱應力。由于進行模具設計時未同時評估模具冷卻路徑，導致模具具部發(fā)生嚴重的積熱。而這個問題造成模具底部發(fā)生不預期的嚴重變形，導致金屬融湯從該處發(fā)生滲漏。為了確認此現象是否真實發(fā)生，因此該公司采用 FLOW-3D 進行數值模擬，希望能夠確認是否這個問題能夠在仿真制程中重現，進而從模具設計上解決這個問題。

數值設定與問題判定

利用 FLOW-3D，整個數值模型可在短時間內完成設定并且進行計算。FLOW-3D?對于網格簡單且高效能的處理能夠讓數值網格減少，并且提高執(zhí)行效率。與一般軟件傳統(tǒng)網格設定方式相比較，FLOW-3D 能夠在較短的執(zhí)行時間內提供高精度的分析結果。

在此分析案例中，考量到分模面位置的設計，首先在分割網格前進行了圖面旋轉，這樣能夠將網格盡量控制在鑄件位置，即便是鑄件上有較細小的細節(jié)特征，FLOW-3D?仍然能夠完整的描述。

另外，為了減少網格計算數量，在模具圖面旋轉20度后，再利用 FLOW-3D 的 ‘domain removing’ 元件移除不需要進行計算的網格區(qū)域。

利用上述網格設定技巧，成功的將分析網格減少了約80％的數量，這能夠大幅縮短所需之計算時間。

成形分析

利用 FLOW-3D 之模具熱循環(huán)分析技術，能夠完整的模擬模具在經歷充型、凝固冷卻后，因為熱量累積造成之模具溫度分布。在初始設定時，預設模具經歷十次開關模具之生產制程。利用 FLOW-3D 之后處理模塊 FlowSight 進行分析結果輸出，CM Taricco 確認在模具底部確實發(fā)生了溫度不均勻分布造成的積熱現象。而這些區(qū)域應該就是造成滲漏問題的主要位置。

模具變形分析

在判定問題可能是由模具溫度造成之模具變形，導致融湯滲漏問題后，CM Taricco 公司希望能夠確認模具的變形量，以進行模具設計變更。XC Engineering 協(xié)助 CM Taricco 公司進行 FLOW-3D 變形模塊設定，利用FLOW-3D直接計算因為模具溫度分布不均造成之模具變形量，而這些變形結果可以在 FLOW-3D 之后處理模塊 Flowsight中直接確認，并且同時量測變形量尺寸。

模具設計變更

在確認模具積熱確實會造成模具發(fā)生變形，導致金屬融湯滲漏后，CM Taricco 公司進行了以下的模具變更設計。利用調整分模面設計，讓模具本體在合模時增加了多余的支撐位置，以減少模具發(fā)生變形的可能性。另外，在設計時同時考量溫度不均勻分布造成的熱變形溫度，在模具厚度上做了可適性的調整。

結論

在進行模具設計變更后，CM Taricco 公司再次以FLOW-3D進行驗證，確認模具變形量在可接受范圍之內后，再進行模具修改。新的模具能夠讓熱量均勻的分布到模具本體，不再發(fā)生不均勻的溫度分布造成模具局部熱應力集中，而這反應的就是完美的鑄件成形。在后續(xù)量產成形時，該套模具不再發(fā)生模具滲漏問題。不但大幅提高生產效率，也大幅的降低鑄件成形成本。

作者

Gabriele Taricco, CM Taricco

Stefano Mascetti, XC Engineering

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