鑄造cae軟件jscast在壓力鑄造中的應(yīng)用

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1、鑄造CAE軟件JSCAST在壓力鑄造中的應(yīng)用朱金東1，村上俊彥2，大中逸雄31:Multi-FlowSoftwareCo.Ltd;2:高力科株式會(huì)社;3:I.E.Solutions摘要：鑄造CAE軟件在發(fā)達(dá)國(guó)家鑄造企業(yè)中已基本普及。國(guó)內(nèi)的鑄造產(chǎn)業(yè)，由于來(lái)自產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)成本及生產(chǎn)周期的國(guó)際及國(guó)內(nèi)同行間的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，越來(lái)越多的鑄造企業(yè)已經(jīng)意識(shí)到了應(yīng)用鑄造CAE軟件的重要性。本文簡(jiǎn)單介紹了由日本高力科公司（舊小松軟件）和日本大阪大學(xué)大中逸雄研究室聯(lián)合研發(fā)的鑄造專用CAE軟件JSCAST。并介紹了JSCAST在壓力鑄造工藝中的一些應(yīng)用實(shí)例。關(guān)鍵詞：JSCAST,鑄造CAE,壓力鑄造

2、，卷氣，背壓，鑄造缺陷JSCAST是由日本高力科公司（舊小松軟件）和日本大阪大學(xué)大中逸雄研究室聯(lián)合研發(fā)的鑄造專用CAE軟件。第1版本的SOLDIA于1986年首次在日本國(guó)內(nèi)開(kāi)始銷售，至今已有20年的研發(fā)歷史。在日本國(guó)內(nèi)，JSCAST已擁有300多家客戶（500多套安裝軟件）。在日本的客戶中，員工人數(shù)為千人以上的大型企業(yè)約占37％，中小企業(yè)占63％。按鑄造工藝劃分，重力鑄造和壓力鑄造客戶最多，各占總用戶的59％和25％，其它有低壓鑄造，精密鑄造，連鑄等。以下以壓力鑄造為例，簡(jiǎn)單介紹JSCAST的數(shù)值計(jì)算原理及JSCAST在壓鑄設(shè)計(jì)及生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)例。1數(shù)值解析方法簡(jiǎn)介JSCAST

3、對(duì)溫度場(chǎng)（Fourier方程）及流場(chǎng)（Navier-Stokes方程和連續(xù)性方程）的數(shù)值計(jì)算，均采用直接差分法1,2)。直接差分法與有限體積法較類似。與有限差分法相比，導(dǎo)入各種物理量和適應(yīng)于各種邊界條件的柔軟性較好。與有限元法相比，其數(shù)值離散化過(guò)程更簡(jiǎn)單且直觀。流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的耦合，采用熱涵法，凝固過(guò)程中，潛熱的釋放處理，采用溫度恢復(fù)法1)。另外，自由表面的移動(dòng)推算，采用了獨(dú)自開(kāi)發(fā)的β法2,3)。JSCAST流動(dòng)計(jì)算采用的主計(jì)算器在1995年倫敦召開(kāi)的國(guó)際會(huì)議上，曾榮獲最佳充型流動(dòng)模擬獎(jiǎng)4)。2考慮背壓的充型流動(dòng)解析5)冷隔，澆不足，流痕，氣孔等是壓力鑄造中常見(jiàn)的鑄造缺陷。這些壓

4、鑄常見(jiàn)鑄造缺陷通常與澆鑄溫度及模具溫度過(guò)低或充型時(shí)間過(guò)長(zhǎng)有關(guān)。另外，由于壓鑄工藝的特點(diǎn)（壓射速度快，充型時(shí)間短，鑄件壁厚薄），澆鑄系統(tǒng)及排氣系統(tǒng)的不合理設(shè)計(jì)易造成卷氣，卷氣通常也是造成各種壓鑄缺陷的主要原因。圖1和圖2是JSCAST計(jì)算背壓（空型腔內(nèi)的氣體壓力）,卷氣和通過(guò)排氣孔的排氣流動(dòng)的示意圖。1)各空型腔部位的背壓將用做液體金屬流動(dòng)計(jì)算的邊界壓力。當(dāng)背壓較高時(shí),液體金屬的流動(dòng)速度就會(huì)受阻而減慢（圖1）。圖1背壓對(duì)液體金屬流動(dòng)影響的示意圖ventmeltgasHighbackpressureLowbackpressuregasGP2GP3ventorejectorpinGP

5、1meltvent圖2充型過(guò)程中，卷氣的發(fā)生（GP1,GP2）,及通過(guò)排氣孔的排氣流動(dòng)（GP3）552)充型過(guò)程中,各未充填部位將按其連續(xù)性分組。圖2中的GP1,GP2和GP3表示3個(gè)不連通的未充填部位，或稱為氣體單元組。GP1和GP2與排氣孔的通道已被液體金屬切斷，因此GP1和GP2即為兩處卷氣發(fā)生部位。3)與排氣孔不連通的氣體單元組（圖2中的GP1,GP2），其現(xiàn)在時(shí)刻的壓力可根據(jù)前一時(shí)刻的氣體含量，壓力，體積和現(xiàn)在時(shí)刻的體積算出。與排氣孔連通的氣體單元組（圖2中的GP3），需首先計(jì)算通過(guò)排氣孔排出的氣體量（質(zhì)量或摩爾量），然后才能計(jì)算出其現(xiàn)在時(shí)刻的最新壓力。3解析實(shí)例3.

6、1鎂合金筆記本電腦殼體壓鑄件（資料提供：富士通）圖3是JSCAST成功預(yù)測(cè)鎂合金壓鑄件孔洞缺陷生成原因及成功修改鑄造方案的實(shí)例。通過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)孔洞缺陷生成的主要原因是卷氣，排除了液體金屬前沿溫度過(guò)低的可能性。從改良鑄造方案（內(nèi)澆口和集渣包）的計(jì)算結(jié)果（圖3-d,e）可見(jiàn)，卷氣缺陷發(fā)生的可能性較小，此計(jì)算結(jié)果在實(shí)際生產(chǎn)中得到了驗(yàn)證，為提高成品率作出了貢獻(xiàn)。(a)舊壓鑄方案及孔洞缺陷(b)充型流動(dòng)模擬結(jié)果(c)左圖(b)的局部放大(d)改良方案的模擬結(jié)果(0.40s)(e)改良方案的模擬結(jié)果(0.45s)55圖3鎂合金壓鑄件的卷氣缺陷預(yù)測(cè)及工藝改良3.2鋁合金硬盤(pán)殼體壓鑄件（資料提

7、供：東芝機(jī)械）圖4是通過(guò)修改壓射條件解決卷氣缺陷的實(shí)例。高速壓射速度由舊方案的1m/s改為4m/s后，從計(jì)算結(jié)果（圖4-d,e）及試生產(chǎn)結(jié)果（圖4-b,c）的比較可見(jiàn)，螺孔加工部位的卷氣缺陷問(wèn)題可成功解決。氣孔缺陷發(fā)生位置(a)壓射條件2低速：0.3m/s高速：4.0m/s切換時(shí)間：40ms斷面圖無(wú)氣孔缺陷(c)壓射條件1低速：0.3m/s高速：1.0m/s切換時(shí)間：40ms斷面圖氣孔缺陷(b)(d)條件1的計(jì)算結(jié)果(e)條件2的計(jì)算結(jié)果55圖4鋁合金壓鑄件的卷氣缺陷預(yù)測(cè)及工藝改良3.3模具