CAE模擬分析—應(yīng)對“時間就是市場”商業(yè)環(huán)境的壓鑄技術(shù)

應(yīng)對“時間就是市場”商業(yè)環(huán)境的壓鑄關(guān)鍵技術(shù)

“時間就是市場” (Time To Market)，對工業(yè)界而言，是一個嶄新而又永恒的話題。既是挑戰(zhàn)，也是各大廠商的發(fā)展目標(biāo)。隨著社會的進步與經(jīng)濟的發(fā)展，這一主題將更為突出。例如，去年全球有500個新車型上市，平均2天就有一款新車呈現(xiàn)在您的面前。3C及家電產(chǎn)品更為突出，80%以上的利潤來源于新近不超過兩年的產(chǎn)品。所以，快速、高效地開發(fā)新產(chǎn)品是競爭取勝的一個關(guān)鍵因素。

和其他行業(yè)一樣，鑄造業(yè)也正經(jīng)受著前所未有的挑戰(zhàn)。本文針對“時間就是市場”這一商業(yè)需求，介紹 C3P Cast-Designer完整的鑄造設(shè)計與分析系統(tǒng)，對突破性的壓鑄關(guān)鍵技術(shù)進行討論。

1.?產(chǎn)品可制造性評估

產(chǎn)品可制造性評估（Design ForManufacturing, DFM），直接體現(xiàn)在最終產(chǎn)品的“舒暢制造”上。主機廠在設(shè)計的過程中，首要關(guān)注的是產(chǎn)品的功能與結(jié)構(gòu)。而由于設(shè)計師經(jīng)驗的局限，某些產(chǎn)品并未能充分考慮其可制造性，從而大大增加了后期工藝設(shè)計的難度。

“產(chǎn)品”是源頭，其重要性不言而喻，可DFM分析卻面臨種種困難。首先，高度依賴于工程師的經(jīng)驗；其次，商業(yè)DFM軟件寥寥無幾，目前的三維CAD軟件缺乏專門的判斷能力，只能通過切取橫截面的方式進行分析，不僅耗費時間也容易忽視一些重要的特征。

Geo-Designer?是專為產(chǎn)品工程師和模具設(shè)計師設(shè)計的先端協(xié)同 DFM?分析工具。能快速、簡單、準(zhǔn)確地確定三維產(chǎn)品模型的關(guān)鍵區(qū)域，其內(nèi)容包括鑄件的基本信息（如重量、體積、各方向投影面積等）、質(zhì)量分布檢查、冷卻速率分析、壁厚檢查、澆冒口設(shè)計、拔模斜度分析、產(chǎn)品倒角探測、熱分布指數(shù)、頂出力大小分布、滑塊檢查等。而另一個尤為突出的優(yōu)點是，Geo-Designer非常容易使用，即使是銷售人員和產(chǎn)品報價人員，也能輕松應(yīng)對。

左圖：X光探傷的照片，顯示縮孔缺陷 右圖：Geo-Designer的質(zhì)量分布指數(shù)， 整個分析過程只需要2分鐘 （資料來源：通用汽車）

這些先天性的問題，早在產(chǎn)品設(shè)計階段，即可避免！增強鑄件的DFM評估，并非僅是主機廠的任務(wù)。對模具開發(fā)早期，也有著重要的意義。這些信息將直接影響到模具工藝設(shè)計的方案選擇，例如內(nèi)澆口的位置、第三相保壓、冷卻管道的排布（帶走模具局部熱量達(dá)到溫度平衡）、局部擠壓銷的特殊模具結(jié)構(gòu)來減少或消除縮孔缺陷等。

2.?盡最大努力設(shè)計好流道

“80%的產(chǎn)品質(zhì)量問題，來源于工藝設(shè)計的好壞”，流道設(shè)計可以說是壓鑄模工藝設(shè)計中的核心部分。其設(shè)計的優(yōu)劣，直接影響產(chǎn)品的品質(zhì)。

2.1?專家系統(tǒng)的引入

目前，流道設(shè)計仍然是一項依賴“經(jīng)驗”的工作。工程師往往會運用書本上的一些經(jīng)驗公式，或通過Excel表格等工具，計算出一系列鑄造的工藝參數(shù)。再通過三維CAD軟件，完成造型設(shè)計。這種基于經(jīng)驗的設(shè)計，為鑄造業(yè)帶來前所未有的挑戰(zhàn)。同時，現(xiàn)有的CAD軟件只提供了三維造型能力，無法計算出設(shè)計所必須的鑄造工藝參數(shù)，也不能把計算好的參數(shù)正確傳遞到CAD環(huán)境中，達(dá)到同步與聯(lián)動，更不能給出流道設(shè)計方案的建議。有鑒于此，引入流道設(shè)計專家系統(tǒng)，采取規(guī)范化設(shè)計非常必要。

Cast-Designer的設(shè)計專家系統(tǒng)，提出“基于工程經(jīng)驗的設(shè)計”的概念，屬于知識型（Knowledge-based）的設(shè)計產(chǎn)品。利用這個軟件，三十分鐘即可完成包括澆鑄系統(tǒng)、溢流槽和排氣系統(tǒng)以及冷卻水道的設(shè)計。

上圖的設(shè)計向?qū)⒁龑?dǎo)工程師完成優(yōu)質(zhì)的設(shè)計，通過輸入鑄件的基本信息（如重量、壁厚、材質(zhì)）程序?qū)⒔o出一系列的鑄造工藝參數(shù)最佳建議數(shù)值，其中包括最佳充型時間范圍、內(nèi)澆口速度范圍、內(nèi)澆口面積與厚度等。在選擇壓鑄機之后，能快速對一速、二速及轉(zhuǎn)換點、整個流道的加速比等提供參數(shù)建議，并能實時調(diào)整，形成最后的截面積設(shè)計方案。通過PQ圖的即時校驗，匹配出最佳的模具-設(shè)備組合。值得一提的是鑄件分區(qū)功能，可以計算出每個內(nèi)澆口所需要的金屬量，這讓整個充型過程更加平穩(wěn)，避免金屬液包卷產(chǎn)生的缺陷。

2.2?基于經(jīng)驗的設(shè)計，是設(shè)計而非畫圖

理論上說，任何三維CAD軟件都能進行壓鑄模流道設(shè)計，實際上，提供的是“三維造型”能力，而非設(shè)計。

左圖：采用傳統(tǒng)三維CAD設(shè)計的流道，工程師具備4年設(shè)計經(jīng)驗，但橫截面積控制并不合理；右圖：采用Cast-Designer設(shè)計的流道，能完美控制流道截面積和加速比。

另外一個可圈可點的亮點是一鍵式流道設(shè)計功能，利用經(jīng)驗知識庫，把常用的流道進行分類并形成經(jīng)驗知識庫，然后數(shù)字化，以后碰到類似的產(chǎn)品即可直接調(diào)用，這樣充分借鑒了以往的設(shè)計經(jīng)驗并大大縮短了設(shè)計和操作的時間。

2.3?反復(fù)對比才能擇優(yōu)選擇

“好武功，是練出來的；好方案，是選出來的”，工業(yè)沒有捷徑，任何一個優(yōu)秀的設(shè)計，必須經(jīng)過多個方案反復(fù)比較，才能擇優(yōu)選擇！

3.?采用前端分析的工業(yè)需求與迫切性

事實證明，在設(shè)計階段，經(jīng)過越充分的驗證，模具制造并投入生產(chǎn)之后，產(chǎn)品缺陷問題越少。因此，許多的企業(yè)都已經(jīng)相繼引入了各種商業(yè)模擬軟件并應(yīng)用到實際的工作流程中，期盼節(jié)約成本，縮短周期。但企業(yè)很快就會發(fā)現(xiàn)，從三維數(shù)模開始，網(wǎng)格劃分建立分析模型，到最后獲得分析結(jié)果，需要3~5天的時間。如果設(shè)計方案需要變更，又要幾天，這根本無法滿足大部分企業(yè)對開模時間的要求。所以，CAE分析普遍只用于不容有失的核心模具開發(fā)中，或者是上游廠商強烈要求分析報告的時候，才應(yīng)付了事。更有甚者，則淪為擺設(shè)，多年不用。

Cast-Designer的前端分析技術(shù)是最近幾年在全球廣泛使用的熱門應(yīng)用。“快速”“有效”是前端分析的關(guān)鍵詞。

上圖為某汽車零件工藝設(shè)計階段的前端分析過程，包括充型與凝固。前端分析的美妙之處就在于能在概念設(shè)計階段，迅速評估多個工程方案，在最短時間內(nèi)提供足夠準(zhǔn)確的結(jié)果，做出正確的工程決策。

與此同時，Cast-Designer也提供了最佳的易用性，超強的CAD容錯能力，無需任何CAD修復(fù)。多項網(wǎng)格劃分的革命性技術(shù)，讓建模輕而易舉。

值得一提的是，對于企業(yè)而言，準(zhǔn)確的分析結(jié)果并未帶來直接的價值，傳統(tǒng)CAE工具僅提供分析功能，即使結(jié)果再準(zhǔn)確，再接近現(xiàn)場實物，也只是做到了“確診”，但企業(yè)最需要的是“治療”的方案。

結(jié)論與建議

面對日新月異的市場變化，汽車、3C和各種消費產(chǎn)品的更新?lián)Q代非常迅速，產(chǎn)品外觀也越來越時尚和復(fù)雜，如何在有限的設(shè)計周期內(nèi)，獲得高質(zhì)量的設(shè)計，成了一線廠家的制勝之道。而要達(dá)到這一目標(biāo)，除了要有豐富的設(shè)計經(jīng)驗外，也要依靠科學(xué)的工具。

在產(chǎn)品設(shè)計階段，如何有效地提前進行協(xié)同設(shè)計和制造性評估是順利制造的關(guān)鍵；在模具設(shè)計階段，如何進行整個流道方案的設(shè)計，通過控制入水方式與位置、流道橫截面積、調(diào)整溢流槽的排布達(dá)到預(yù)想的流動狀態(tài)和消除缺陷；應(yīng)用前端設(shè)計分析技術(shù)的意義在于，從流道的快速設(shè)計，到鑄造過程的模擬預(yù)測，再到方案修改，都能把控在1至2個小時內(nèi)。這樣，我們幾乎能在一個工作日內(nèi)，完成4到5個流道方案的評估，從中確定最優(yōu)的設(shè)計方案。

審核編輯：符乾江