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铸造数值模拟，可以帮助工程技术人员在铸造工艺设计阶段对可能出现的各种缺陷及其大小、部位和发生的时间进行有效的预测，从而优化铸造工艺设计，确保铸件的品质，缩短试制周期，降低生产成本。传统上，铸造技术人员通过多次试制和修改模具以实现优化，既浪费时间，又增加成本。如果在未制造模具之前，能有效预测铸造缺陷，并采取相应的解决方案，可以缩短生产周期，降低生产成本。通过采取多次模拟和优化，可以验证模具方案的有效性。接下来以压铸工艺为例，探讨如何应用模拟分析解决铸造品质问题。
1 压铸模拟策略分析
技术人员压铸模拟策略分析见图1，可根据缺陷预测选择计算模块，在实际应用中有明确指导意义。以汽车雨刮器臂为例，讨论如何正确合理使用铸造模拟分析软件。
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图1 压铸模拟分析策略图 2 在汽车雨刮器臂缺陷预测中的应用
该型号汽车雨刮器臂为铝合金压铸件，采用ADC12合金，质量为94g。在零件喷涂和装配后需要进行疲劳测试，要求连续低速工作25h，雨刮器不出现故障。但是，8个零件中有5个在25h内断裂，且所有断裂零件的位置相同，见图2。
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图2 疲劳试验后断裂的雨刮器臂 首先，对断裂零件作了扫描电镜断口分析，在断面上发现了气孔和缩孔，见图3和图4。另外，生产的雨刮臂铸件，经过X光检查和断面观察，再次确认该处存在气孔和缩孔，见图5和图6。（图片） 在断裂处的气孔和缩孔将影响雨刮器臂的强度，是产生疲劳断裂的主要原因。因此，解决断裂处的气孔和缩孔问题非常重要。借助AnyCasting模拟软件来对此气孔和缩孔问题进行分析和解决。
2.1 初始雨刮器臂模拟分析
利用AnyCasting对初始压铸模设计进行模拟。通过对充型流动及凝固模拟结果的分析发现，在雨刮臂断裂位置有卷气及缩孔缺陷，与实际缺陷零件吻合，模拟的结果见图7和图8，在发生断裂缺陷位置有清晰的卷气现象和缩松缺陷。
（图片） 雨刮臂铸件在断裂处存在卷气，气体在此处包卷被压缩形成微小的孔洞，在零件长时间工作后气孔会有扩张倾向，缺陷严重的零件就会发生断裂。
2.2 第一次优化分析
消除热节、降低缩孔缺陷和改善充型避免卷气是模具改进的方向。首先，考虑到解决缩孔问题，在加强筋厚壁对应模具处，在加强筋两侧设置了点冷（见图9），冷却水的速度为0.5L/s。经过凝固分析，缩孔的尺寸由原来的3.2mm×2.2mm缩小到1.8mm×1.3mm。其次，通过零件设计更改对加强筋处的倒角进行了修改。
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图9 加强筋两侧增加点冷 从第一次优化分析（见图10和图11）来看，缩孔倾向减小，但没有彻底解决，还需要进一步分析；由于倒角R的改进，有利于液流在加强筋处比较顺畅地填充，通过充型分析，发现在加强筋断裂处卷气压力减少了13%。
（图片） （图片） 2.3 第二次优化分析
根据第一次模拟分析，继续对流道及冷却管路进行了改进。在凝固方面，在动模和静模上都设计了点冷水管，而且都设计在热节正上方和正下方（见图12），更加靠近加强筋，优化冷却效果。从凝固分析上看，加强筋处缩孔尺寸缩小到1.0 mm×0.5mm，见图13。（图片） 在充型方面，将流道浇口延伸到加强筋的位置，使金属液较早的填充。从模拟结果可知，在断裂处卷气现象已经消除，但是，还有少量的卷气在侧壁靠近加强筋后方，见图14和图15。
（图片） 2.4 第3次优化分析
为了进一步改进冷却效果，将图12的3根点冷水管变为喷冷管（即超点冷），水流量由原来的0.5L/s调整为1.5L/s，从模拟分析上看，缩孔尺寸减小到0.5mm×0.5mm，见图16。考虑到加强筋后方还有部分卷气，对流道又加长了5mm，但是这一方案并没有解决加强筋后方卷气问题，却又在加强筋处产生了微量卷气，见图17。所以，加长流道方案并没有起到预想的结果。
（图片） 2.5 综合分析和实际生产验证
根据以上分析，在充型上，采取了图15的方案，并在图15的少量卷气处使用顶杆辅助排气；在凝固上，采取了图12水管设计方案并采取喷冷管。新模具按此方案开模并试制，所生产的铸件全部经X光机检测，都满足ASTM E505等级1的气孔要求，即X射线上看不到气孔或缩孔。另外，从部分铸件切开目视观察，在铸件截面上没有气孔和缩孔。通过改进后的零件，疲劳测试试验达到50h以上，雨刮器臂没有发生断裂。
3 结语
借助铸造CAE软件对产品现有模具设计进行模拟分析之后，发现问题发生的原因并提出有针对性的优化对策。通过多次对模具方案修改并模拟，得到最佳方案，并在模具上执行此方案。此后，跟踪雨刮器臂疲劳测试验证，未再发生断裂，从而提高了产品品质。
3/29/2012
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