使用ProCAST軟件進(jìn)行壓鑄模擬仿真四個(gè)步驟

ProCAST軟件是一款基于有限元算法的鑄造仿真軟件?；诖怂惴ǎ环矫鍼roCAST網(wǎng)格可以非常精確的貼合復(fù)雜鑄件的幾何外形，另一方面在邊界處的流動(dòng)計(jì)算以及應(yīng)力計(jì)算方面ProCAST軟件的精度更高。

同等條件下，ProCAST軟件在計(jì)算壓鑄件，尤其是薄壁件時(shí)精度比有限差分軟件要高得多。同時(shí)，有限元網(wǎng)格可以很好的處理幾何模型中不同體之間的“接觸”問題，因此ProCAST軟件不僅可以對(duì)鑄件的澆注凝固過程進(jìn)行分析，也可以對(duì)模具進(jìn)行溫度和應(yīng)力分析。

△左圖為模具溫度實(shí)測結(jié)果，右圖為仿真結(jié)果，兩者非常接近

長期以來，絕大多數(shù)國內(nèi)的客戶在進(jìn)行壓鑄仿真時(shí)，很少對(duì)模具進(jìn)行分析。一部分原因是，相當(dāng)多的壓鑄客戶使用有限差分軟件進(jìn)行壓鑄仿真，而有限差分軟件的網(wǎng)格為一個(gè)個(gè)小立方格，有限差分軟件難以處理復(fù)雜鑄件與模具界面的接觸的問題，通常是使用簡單的立方塊或者虛擬鑄型對(duì)完整模具進(jìn)行替代。如果要對(duì)模具結(jié)果進(jìn)行分析，則在邊界處需要?jiǎng)澐址浅＜?xì)的網(wǎng)格，這就會(huì)造成網(wǎng)格數(shù)量很大，計(jì)算時(shí)間過長。同時(shí)，由于有限差分網(wǎng)格不能很好的擬合鑄件的幾何輪廓，因此在計(jì)算鑄件與模具的熱交換上也不如有限元軟件準(zhǔn)確。ProCAST軟件可以很好的處理復(fù)雜鑄件與模具界面的接觸問題，鑄件與模具網(wǎng)格可以完美貼合，因此能對(duì)模具結(jié)果進(jìn)行深入分析。

△有限元（FEM）網(wǎng)格與有限差分（FDM）網(wǎng)格的區(qū)別

△完整模具的ProCAST壓鑄模型

△ProCAST鑄件網(wǎng)格與模具網(wǎng)格匹配良好

△網(wǎng)格的剖面圖

有限差分網(wǎng)格鑄件與模具的接觸面

有限差分網(wǎng)格擬合鑄件的外部輪廓

ProCAST軟件在進(jìn)行壓鑄仿真時(shí)不僅僅只是用于設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證，ProCAST的仿真結(jié)果可以貫穿于壓鑄設(shè)計(jì)的全流程，對(duì)壓鑄設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。通常來說，使用ProCAST軟件進(jìn)行壓鑄模擬仿真分為四個(gè)步驟：

● 零件的可制造性檢查

● 流道設(shè)計(jì)

● 模具熱循環(huán)/熱平衡仿真

● 模具熱循環(huán)/熱平衡仿真&工藝過程驗(yàn)證

第一步：零件的可制造性分析

這一步的目的是對(duì)零件快速分析，包括零件的幾何特征和零件的快速成型分析。ProCAST軟件內(nèi)置了Co-design模塊，能快速分析零件的壁厚以及拔模角度等信息。

快速成型分析是指可以單獨(dú)對(duì)零件進(jìn)行澆注和凝固分析，進(jìn)行澆注分析時(shí)指定理想的內(nèi)澆口，對(duì)零件各部分充型順序，充型后的凝固過程以及凝固過程中形成的缺陷進(jìn)行快速分析。如果在這個(gè)過程中發(fā)現(xiàn)零件存在設(shè)計(jì)問題，比如某處加強(qiáng)筋過厚，則可快速返回幾何模型進(jìn)行修改。

在這一步中可以使用簡單鑄型或者虛擬鑄型來模擬實(shí)際金屬模具。

△幾何特征分析以及零件快速成型分析

第二步：流道分析

在第一步分析的基礎(chǔ)上，更加詳細(xì)的設(shè)計(jì)澆道，溢流道以及排氣孔位置。

ProCAST軟件在進(jìn)行流道分析時(shí)一般要分析料管的進(jìn)料過程，沖頭推動(dòng)金屬液壓進(jìn)型腔的過程以及充滿后鑄件的凝固過程。在這前兩個(gè)過程中要進(jìn)行卷氣分析，沖頭在進(jìn)行慢壓和快壓切換時(shí)，金屬液容易形成波浪，造成卷氣。

金屬液壓進(jìn)型腔的過程要重點(diǎn)關(guān)注金屬液的速度，不同內(nèi)澆口進(jìn)入的金屬液流向以及鑄件上各部分金屬液的流動(dòng)長度。鑄件凝固過程中要關(guān)注孤立液相區(qū)的形成位置，缺陷的位置以及熱節(jié)位置等信息。

除了這些，ProCAST還可以分析很多其他的結(jié)果，比如型腔內(nèi)壓強(qiáng)的變化，沖頭所受的反作用力大小,氣體的流動(dòng)過程（VOF）等等結(jié)果，這里不再一一贅述。

△金屬液的速度結(jié)果

△氣體的速度結(jié)果

第三步：模具熱循環(huán)仿真

目前國內(nèi)絕大多數(shù)客戶進(jìn)行壓鑄仿真時(shí)并不計(jì)算模具的結(jié)果，但其實(shí)這一步對(duì)于模具設(shè)計(jì)來說是必不可少的。

對(duì)于壓鑄來說，模具的溫度分布，水路的設(shè)計(jì)，水冷的作用時(shí)間以及各工序的參數(shù)等對(duì)于壓鑄結(jié)果非常重要。尤其是對(duì)于一體化壓鑄，一體化鑄件質(zhì)量大，同時(shí)壁厚薄，模具的溫度分布更容易影響鑄件質(zhì)量。

ProCAST軟件可以對(duì)模具各部分溫度進(jìn)行熱循環(huán)的仿真，在對(duì)模具進(jìn)行初步仿真時(shí)，可以建立簡單的模具外形，預(yù)設(shè)開模時(shí)間，合模時(shí)間以及噴涂時(shí)間等信息來模擬熱循環(huán)過程中模具的溫度分布。

得到模具的溫度分布結(jié)果后，將鑄件上的熱節(jié)與模具上相應(yīng)點(diǎn)位的溫度進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)行下一步的水路設(shè)計(jì)。

△模具上與熱節(jié)對(duì)應(yīng)的位置

△模具上與熱節(jié)對(duì)應(yīng)的位置

第四步：模具的熱循環(huán)分析&工藝過程驗(yàn)證

△水冷管道示意圖

得到第三步的結(jié)果后，需要根據(jù)第三步的結(jié)果對(duì)水道進(jìn)行設(shè)計(jì)，綜合考慮模具各個(gè)區(qū)域的冷卻順序以及冷卻強(qiáng)度等信息。在ProCAST中，設(shè)置水冷有三種方式：

1、1D cooling channel：這適用于對(duì)模具進(jìn)行快速的水路設(shè)計(jì)，使用這種方法不需要在模具上畫出具體的水道，可以僅僅使用坐標(biāo)來進(jìn)行定義，這種方式適用于對(duì)初始水道方案進(jìn)行快速迭代。

△紅色線條為水路位置

2、水道表面施加冷卻條件：這種方法是目前最常用的方法，不僅僅是ProCAST軟件，其他鑄造仿真軟件也使用此方法。此種方法是在水冷管道表面施加冷卻條件，來等效模擬水路對(duì)于模具的冷卻狀態(tài)。

△需要在模具上留出水道的孔位

3、CFD方法：這是一種高精度的水路模擬方法，使用此種方法需要建立水路的幾何模型，如果是點(diǎn)冷，則需要把完整水冷裝置的模型建立出來。模擬時(shí)，軟件可以計(jì)算冷卻水在水路中的流動(dòng)狀態(tài)以及水溫。

△水冷裝置溫度變化

除了水路設(shè)計(jì)，還需要對(duì)模具的噴涂時(shí)間，噴涂順序以及噴涂路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。ProCAST軟件可以對(duì)上述過程進(jìn)行仿真。

△需要定義噴涂定位，噴涂范圍，噴涂路徑以及噴涂作用時(shí)間

△噴涂仿真結(jié)果示意圖

△噴涂過程動(dòng)畫

參數(shù)設(shè)置完畢后，可以對(duì)完整的模具進(jìn)行熱循環(huán)的仿真，查看結(jié)果，進(jìn)行多次迭代。

△完整設(shè)計(jì)方案進(jìn)行迭代仿真，顯示方式為隱藏鑄件以及部分模具

下面是一個(gè)低壓鑄造模具設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)迭代案例，相比于第一次的方案，最終方案可以使缺陷降低44.7%。

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△第一次方案

△最終方案

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ProCAST軟件在一體化壓鑄領(lǐng)域的應(yīng)用

ProCAST軟件相比與其他鑄造仿真軟件，在進(jìn)行薄壁件仿真時(shí)精度更高，同時(shí)又能很好的仿真模具的結(jié)果，因此非常適合于對(duì)一體化壓鑄件進(jìn)行仿真。

△某一體化壓鑄件充型過程（初始設(shè)計(jì)方案）

編輯：黃飛

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