如何使用模流分析软件设计压铸浇注系统

对变更后的方案再次进行模流分析，直到满足设计要求。设计变更后的流动状态如图 7 所示，模拟结果显 示，铸件左右两部分的充型更均衡了，潜在的裹气问题已经达到最小。
图 7：设计变更后的流动状态 Figure 7: Filling pattern after inlet gate modifications
6. 在铸件 CAD 三维模型上添加内浇口几何形状 7. 根据内浇口初步设计方案及相应流速，进行初步模流分析 可以看出，除了最后一步，设计阶段 1 中的步骤和传统浇注系统设计方法 1 基本一致。 在第 1、2 步中，内浇口总面积和厚度都是根据北美压铸协会（NADCA）的浇注系统设计手册 1 中的公式 计算得到的。第 3 到 5 步中，确定放置两组主要内浇口，各自面积和长度根据所对应的铸件重量百分比计算得 到，如图 3 所示。
图 2：铸件几何模型 Figure 2: Casting geometry
如表 1 所示，该浇注系统设计可以分为 4 个阶段。
I
内浇口初步设计
II
内浇口二次设计确认
Байду номын сангаас
III
流道设计及内浇口几何形状的调整
IV
溢流槽最终设计及完整模流分析
表 1：上述浇注系统完整的设计流程 Table 1: Proposed complete gating system design procedure
设计阶段 2：内浇口二次设计确认
1. 分析初步设计方案的流动状态 a) 观察铸件所有区域的流动是否均衡，每个区域内的充填是否均匀。 b) 分析可能产生缺陷的裹气位置。评估是否能够通过调整内浇口进行优化 c) 核实充型时间是否与设计标准吻合
2. 根据需要调整内浇口位置 a) 调整内浇口面积，使铸件均匀充填 b) 根据需要调整内浇口厚度和长度
Figure 8: Casting geometry with runner design 图 8：包含流道的设计方案
按照设计要求的工艺参数，对上述流道设计方案进行模流分析，结果如图 9 所示。模拟结果显示该流道设 计完全满足工艺规范要求。金属液基本上同时到达所有内浇口，最早到达和最晚到达内浇口时间相差仅为 0.003 秒。型腔中的流动状态显示充型过程很均衡，充满后铸件上也未发现明显裹气。
3. 对变更后的内浇口设计方案进行模流分析
4. 分析模拟结果，重复设计阶段 2，直到获得均衡的流动状态 第 1 步，使用模流分析观察内浇口初次设计方案的流动状态，发现两个流动相关缺陷和非平衡充型问题， 如图 5 所示。铸件左半部分中间位置充型太慢，对整个铸件来说，左半部分早于右半部分充满。
图 5：初次模拟中的流动问题 Figure 5: Filling concerns from preliminary flow simulation
目前模流分析在压铸件上的应用已经非常普遍，一些软件能够相对准确的模拟出流动状态及相关缺陷的位 置 4,5，可以说模流分析正好弥补了压铸工艺设计经验上的不足。但是由于工程师对目前市场上的模流分析的 准确度没有信心或者还没找到计算准确的模拟软件，因此到目前为止模流分析软件在压铸流道系统设计上的应 用还极其有限。
设计阶段 1：内浇口初步设计
1. 根据 CAD 三维模型得到铸件体积 2. 根据传统内浇口设计公式计算总的内浇口面积
3. 确定分模线及可能的内浇口位置 4. 确定每个内浇口位置，并根据流入铸件重量百分比计算内浇口尺寸 5. 确定每个内浇口的厚度和宽度
→铝合金压铸件典型内浇口厚度 0.060-0.100 英寸（1.524-2.540mm）
图 10：最终浇注系统设计方案的模拟结果 Figure 10: Flow simulation of final gating system design
按照图 10 的模拟结果对溢流槽进行微调，完成最终工艺设计方案三维 CAD 模型如图 11 所示。
图 11：最终浇注系统设计方案 Figure 11: Final gating system design
图 9：带流道的模流分析结果 Figure 9: Flow result with runner design
设计阶段 4：溢流槽的最终设计及完整模流分析
1. 根据设计阶段 3 的模流分析结果确定溢流槽的具体位置 2. 设计溢流槽的形状和尺寸 3. 根据设计要求的工艺参数进行包括压室在内的完整模流分析 4. 按照以下目标，对模拟结果进行分析
在本文中，通过一个全新压铸件的研发过程，介绍了如何将模流分析正确融入浇注系统设计中。大家从中 可以看到，目前的一些模流分析技术已经能够非常准确的模拟流动状态并预测相关缺陷。其分析结果可以直接 指导浇注系统的设计与改进。本文中所使用的是美国 EKK 公司的 EKKcapcast 模拟软件。该软件在北美及日本 享有很高的声誉。由于该软件使用六面体有限元算法（FEM），能够准确的拟合超薄内浇口及其他薄壁复杂 压铸件几何细节又能保证流体计算的准确性，为目前压铸行业提供了最准确的模拟结果。
如何使用模流分析软件设计压铸浇注系统
Integration of Flow Simulation into HPDC Gating System Design
J. Shi(施孜江), C.W. Kim, K. Siersma, Kevin.Ma（马军贤）1 ,D. Smith, D. Morin2
(1.EKK, Inc., Farmington Hills, Michigan 2.Auto-Cast, Inc., Grandville, Michigan)
第 2 步，根据图 5 中的问题，需要对内浇口位置和大小进行调整。对于铸件左半部分，图 6 红色圈所示， 增加中间的内浇口的厚度，降低其他内浇口的厚度。对于铸件右半部分，如图 6 蓝色箭头所示，增加内浇口长 度以满足均衡充型。整个调整过程保持总内浇口面积不变，所以浇注时间也不变。
图 6：内浇口变更 Figure 6: Gate inlet modifications
a) 验证溢流槽的位置是否正确 b) 调整低速阶段速度，使压室中的裹气最小化 c) 调整高低速切换时间或位置, 以达到最佳状态。 5. 重复 2~4 步，直到达到第 4 步中的目标。 当流动状态满足工艺规范要求后，根据设计阶段 3 的模拟结果确定溢流槽位置。在三维 CAD 模型加上溢 流槽后，根据设计要求的工艺参数进行包括压室在内的完整模流分析，验证流道、内浇口、溢流槽的设计是否 合理，以及压铸工艺参数是否合理。如图 10 所示，按照初始工艺参数，发现在压室末端有少量裹气，因此需 要提高低速阶段的速度。模拟结果显示铸件左半部分的“窗口”位置的溢流槽进口位置需要微调。
内浇口面积：0.54 in2
内浇口面积：0.18 in2
内浇口长度：6.75 in
内浇口长度：2.25 in
图 3：初始内浇口计算
Figure 3: Initial gate calculations
第 6、7 步，将计算出的内浇口加到铸件三维 CAD 模型上，进行模流分析，结果如图 4 所示。
图 4：内浇口初步设计方案及初始模流分析 Figure 4: Preliminary inlet gating design and initial flow simulation
设计流程
当前压铸件研发流程 图 1 为典型的压铸件研发流程，其中粗箭头表示正常的项目进展，细箭头表示极少的逆向情况。
产品设计
铸件设计
浇注系统设计
模流分析
试验样件
图 1：典型压铸件研发流程
Figure 1: Typical current die casting development
产品工程师设计零件时常常忽略生产工艺性。压铸工程师首先要确定最佳内浇口位置，铸件在模具内的排 布，接下来确定流道设计方案和冷却水道排布。考虑到浇注系统对压铸件质量的影响很大，一般都要进行模流 分析，但大多模流分析是在完成浇注系统设计后才进行的，因此对细节设计过程影响很小。实际上，北美压铸 协会（NADCA）的浇注系统设计手册也是这样写的“[模拟]应该在浇注系统设计完成后进行”。对于那些经 验丰富的压铸工程师设计的浇注系统，模拟工程师一般很难挑战他们的权威性。因此，模拟往往只用于工艺验 证而已，而该工艺未必是经过全面优化的。一旦开始试验样件，要改进浇注系统就必须得改动模具，而这个过 程往往要反复进行，直到获得满足设计标准的铸件。有些特殊情况，只调整浇注系统不能解决所有问题，这时 就必须修改铸件或零件设计。
引言 在全球化竞争的今天，市场对压铸件的质量要求越来越高，压铸产品越来越复杂，而开发周期越来越短。
压铸工程师在基本上不能改动任何产品设计的前提下，只负责浇注系统设计，以及生产工艺参数的制定。对于 压铸产品来说，浇注系统设计及工艺参数的制定是工程师能够控制产品质量的最关键部分。对于浇注系统设 计，前人已经做过大量的研究，并且有很多经典著作可供参考 1,2,3。然而这些研究都是基于简单的公式或经验 法则，很难适用于现实中的复杂铸件。因此工程师不得不在过去经验的基础上，使用一些假设条件完成设计， 通过不断地试模及修改，才能成功的应用到实际铸件上。
设计阶段 3：流道设计及内浇口进一步调整
1. 与模具工程师或模具制造厂商确认最佳内浇口位置，铸件在模具内的排布。 2. 设计包含内浇口、流道、料柄的完整三维 CAD 模型 3. 根据设计要求的工艺参数进行模流分析 4. 从以下几个方面评估模拟结果
a) 流道设计是否能保证液态金属同时到达每个内浇口 b) 每个内浇口的流动状态是否到达设计要求 c) 型腔内部的流动是否稳定 5. 重复以上 2，3，4 步，直到达到第 4 步的目标 当内浇口位置和大小经过验证满足要求后，接下来设计流道。连接内浇口部分的流道形状和弯曲形式可以 通过模拟软件进行分析，以保证金属液进入型腔的方向满足设计要求。在设计流道过程，要保证截面积从压室 向内浇口逐渐减小。该过程可能需要多次重复 2~4 步，多次调整流道细节设计并进行模流分析，以得到最佳流 动状态。该铸件的流道最终设计方案如图 8 所示。