压铸模CAD/CAE

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欢迎访问e展厅 展厅 5 模具相关产品展厅 模具CAD/CAM, 模具钢材, 模具抛光机, 模具保护器, 模具监视器, ... 在压铸过程中，金属液在高压、高速状态下充填结构复杂、断面狭窄的铸型，金属液流态极为复杂，铸件易产生流痕、欠铸、气孔等缺陷，同时易造成对模具不合理的冲蚀，严重影响模具的寿命。压铸工艺参数计算与模具设计严重依赖经验，使得压铸模具设计周期长，劳动强度大，且设计质量与设计者的经验有直接关系，设计质量波动大。 压铸模设计中，工艺参数和模具结构的合理性对压铸件的质量和成品率及模具的使用寿命都会产生极大的影响。压铸模的造价比较高，一般均在数万元至几十万元，有的高达上千万元，不合理设计若造成压铸模具的报废，将会带来很大的经济损失，同时由于这种设计的不可靠性，很多压铸模具需要经过多次的反复试模、修模，增加了模具成本，延长了新产品的研发周期。 改变这种落后状况的主要途径是利用新技术，改造传统的设计、制造方法。采用CAD/CAE/CAM(计算机辅助设计、辅助工程、辅助制造)技术，利用计算机强大的计算和图形功能辅助模具设计，提高设计精度和设计的可靠性，设计合理的模具结构及合理的浇注系统。在CAD 系统处理后，设计信息送入CAE系统，进行压铸过程数值仿真，优化模具设计，探索最佳工艺参数，实现金属液合理的充型状态和模具的热平衡。最后由CAM系统直接利用经过优化的设计信息生成NC 程序，以驱动数控机床快速而高质量地完成模具制造，提高产品的研制和开发能力。现在，借助计算机辅助设计系统，个别企业已经能够达到2－3 天内提交压铸件首件样品的速度。 一套完整的压铸模CAD/CAE/CAM 软件系统，主要有以下分系统，以实现需要的功能： 1) CAD 软件系统。 2) 压铸工艺知识库。 3) 模具系列及部分标准件的参数库。 4) CAE 软件系统。 5) 初始条件、边界条件和材料物理特性等的数据库。 6) CAM加工编程软件系统 7) 模具加工工艺知识库。 8) 产品生命周期管理系统（PLM）。 随着CAD／CAE／CAM 软件系统的发展，已经有各种成熟的商品化软件供选用，一般的商品化CAD 软件能够实现三维设计、物体质量特性计算、机构运动仿真、二维三维图形转换以及数控加工编程等功能。有专用的铸造CAE 软件，进行凝固模拟、流动、温度。 CAE 系统软件 一、系统组成 目前，国际上压铸过程CAE 软件系统主要由以下几部分程序组成：模具与压铸件的温度场数值模拟程序；压铸模型腔的金属充填过程流场与温度场数值模拟；模具与压铸件充型与冷却过程应力场数值模拟等。 目前模具与压铸件的温度场数值模拟已有一批商品化软件包投入使用，表11-1 列出了目前投入使用的部分凝固模拟软件，这些软件主要用于分析模具温度分布和铸件凝固过程，以优化模具的设计（主要是冷却系统）和工艺参数的设计。 以ADSTEFAN 软件为例，软件功能主要特点是： 1)操作方便。 前处理输入CAD 数据进行网格划分和检查可在较短时间内完成，浇注系统在网格划分时可作修改，分析条件的设定用菜单选择的方式很容易完成。 2) 计算速度快网格划分算法经过优化，支持并行计算，计算速度和效率高。 3) 计算精度高。内存使用优化进行大规模的解析，可以计算到1 亿个网格，计算精度高。 4) 后处理分析功能强。面向铸造实际工艺分析的需要，可以选择各种方式输出和图形形象化表示计算结果，帮助铸造工程师预测铸造缺陷。 二、压铸过程数值模拟原理 压铸过程数值模拟是一项集三维实体建模、实体网格剖分（前处理）、温度场计算、流场计算、三维数据 可视化（后处理）为一体的综合技术。 1. 三维实体建模 三维实体建模是数值模拟中基本的也是重要的 组成部分，是用计算机可识别的方式描述工件、工艺装备等信息（如铸件和模具）。现在三维实体造型主要是利用CAD 软件实现，通过标准数据交换文件读入到压铸CAE 系统。常用标准数据交换格式通常有以下3 种：IGES，STL，STEP。数值模拟采用最多的是STL数据交换格式。 2. 前处理 前处理的任务是为数值模拟准备一个初始的环境及对象。前处理模块是材料成形过程数值模拟系统的重要组成部分，是对材料成形过程进行准确模拟、分析的前提和基础，其性能的好坏直接影响到整个系统的实用性及计算的准确性。前处理要对三维实体模型进行网格剖分，为模拟计算提供初始数据。自动剖分网格是分析的关键技术，它是材料成形过程数值模拟的前提，也是数值模拟分析的重要组成部分。在几何形状复杂或非线性的情况下，有限差分法是求解数学物理偏微分方程的强有力手段。 3. 压铸过程温度场的数学模型 （1）压铸过程的传热特点 压铸生产过程是由一系列周期性操作组成，生产一个压铸件所占用的时间称为一个压铸循环周期。以卧式冷室压铸机为例，可将一个压铸循环周期分成合模等待阶段、浇注、压射、充型、保压凝固、抽芯与开模、顶出铸件、喷涂冷却、合模8 个操作阶段。 在这些操作阶段中，模具不断地被加热和冷却，尤其是模具的型腔表面承受着急冷急热。如图11-3所示为模具型腔表面某点温度在压铸生产一个循环中的变化情况。由图可以看出，模具表面在极短的充型过程中升至很高的温度，这是由于液态金属在短时间内冷却凝固，将热量传递给型腔表面层；在凝固以后，热量由型腔表面往模具内部扩散，使型腔表面温度下降；而开模以后，由于型腔表面与空气对流换热加速热流的散失；在喷涂过程中，型腔表面大量的热量散失掉，使表面温度急剧下降至最低点；而合模及合模以后，由于模具内部热量往型腔表面层扩散，使表面温度有所回升。 （2）模具的热平衡从压铸生产整个过程来看，压铸模由于充型以后与高温金属液接触而获得热量，而在以后各个操作循环中及时排出，使模具处于一种稳定的热平衡状态，即单位时间输入系统的热量= 单位时间输出系统的热量。 在压铸过程中，模具起着热交换器和蓄热器的功能，模具不断向周围环境散热，同时又吸收合金液传给的热量。压铸过程中，金属液的热量QM大部分通过冷却管道传递给冷。 ①金属液传递给模具的热量QM在一个压铸周期中, 从熔体传递给型腔壁的热量为 式中，MX 为金属液质量(kg)；Cp 为合金比热（J/(kg·K)）；TI 为金属液压射时的温度(K)；TE为铸件顶出时的温度(K)；LH为结晶潜热（J/kg）。 ②模具与周围环境的热交换 式中，h1为热交换系数（J/(m2·s·K)）；T 为模温(K)；TG为空气温度(K)；A 为模具表面积(m2) ；τ 为散热时间( s)。 ③模具与冷却介质之间的热交换QH 使用冷却介质的目的是为了在模具中达到热平衡，并保持模具中所需的温度场不变。 式中，h2为模具与冷却液之间的热交换系数（J/(m2·s·K)）；TL为冷却液温度(K)。(end)

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