生产不变形的大型铸件——这可能吗?

答案是肯定的。MAGMASOFT®能够准确预测大型结构铸件的变形—如,侧梁连接板。该部件位于大众途锐和保时捷卡宴的尾部结构。

德国汽车公司大众集团,最初面临的问题是生产过程中无止境的模具修正循环:要使铸件符合图纸的规格,需要做大量的工作。为确保尺寸的精确度,可以在 MAGMASOFT®中对预测的零件变形进行预矫正。

“预矫正”是指把预测会产生变形的部件几何形状进行反变形,这样生产出的 “变形的”铸件经过有意地“变形”成公称尺寸。这样可以大幅度地减少整形工序成本以及任何无法整形导致的报废零件的数量。

同时,第一次浇注后的模具修模次数显著减少。这样可以节省资源并显著减少工作量。

迄今为止,模具中铸件变形的预矫正数据都是基于经验或来自之前试制或批量生产的测量结果,后者已有现成的模具。

借助铸造工艺模拟,在早期未开模阶段就可以确定此类信息。

图 1: 结构件的模具几何形状

图 1: 结构件的模具几何形状

在下列的研究案例中,来自大众的铝合金结构件用来展示在压铸模中如何用 MAGMASOFT®考虑变形的预矫正。

薄壁结构件的浇注系统是为韧性铝合金设计的。韧性铸造合金的优点是不需要昂贵的热处理工艺,该工艺会导致额外的变形,并通常需要后续的整形工序。

准确的预测铸件变形,重要的是尽可能获取模具充型和凝固的最真实的信息。为此,除了模具镶块的详细布局外,还需要与实际工艺节拍一致的模拟模型中考虑模具的整个热循环过程和多个加热循环。然后,对脱模前后、淬火后、以及切除浇口和溢流后的铸件变形进行计算。接着,计算铸件在模具内、铸件顶出前后、淬火后、移除浇注系统后的变形。从模拟中获取的变形结果可作为用于预矫正模具内铸件变形的基础几何。根据工艺专家的经验,对铸造工艺模拟结果按-0.75( -1表示100% 预矫正,因此-0.75对应 75% 的预矫正)的系数进行输出。然后,将变形的几何形状缩放回型腔尺寸。将调整后的变形结果导出为 CAD 模型,用于模具车间的设计基础。然后在导出的几何上重新设计模具(铸件、流道和溢流口,以及模具镶块)。随后,为了检查预矫正的尺寸,使用修正后的模具几何体(包括预矫正的变形)进行完整的工艺模拟,来检查预矫正的尺寸是否合适。为了评估工艺稳定性,大众使用MAGMASOFT®分析了关键工艺参数,如冷却温度和开模时间对侧梁连接板变形行为的影响。

在最终的模拟过程中,“虚拟”矫正的模具生产的铸件大部分的区域偏差都在容许的范围之内。对模具进行光学测量排除误差后,大众铸造了第一批原始零件,然后对比实际的几何偏差与虚拟预测的变形结果。

接着将制造出的零件的光学测量结果与模拟的变形结果进行比较。

同时,对实际的、当前的铸造过程中选定的工艺参数进行稳健性分析。这里应考虑模具的不同开模时间和模具热循环对部件变形部分的影响。

 

图2:脱模时的温度分布

图2:脱模时的温度分布

图2 显示了铸件顶出时的温度分布。铸造过程中结构件的变形由铸件顶出过程中的“回弹”(当铸件从模具中移除时储存的弹性应力的释放),和冷却至室温诱发的后续(自由)变形组成的。在冷却过程中,局部区域温度越高,影响更强,最终导致热变形。

图3:在 MAGMASOFT® 测量界面未考虑预矫正时的铸件变形评估。铸件中心区域大约偏差 -0.6 毫米;侧梁连接板左端与公称尺寸的最大偏差约为 +2.3mm。

图 3 显示了在 MAGMASOFT®中未考虑预矫正变形的虚拟变形结果。侧梁连接板左端最大偏差约为 +2.3mm。测量是基于所谓的 RPS 定位进行的。参考点系统(RPS) 的任务是在自由空间中明确部件的定位。

图 4:侧梁连接板的变形评估:未进行预矫正模拟计算的变形结果(a),RPS 定位中经过预矫正的模具模拟的变形结果 (b),侧梁连接板铸件的实际测量结果(c)

图 4:侧梁连接板的变形评估:未进行预矫正模拟计算的变形结果(a),RPS 定位中经过预矫正的模具模拟的变形结果 (b),侧梁连接板铸件的实际测量结果(c)

图 4a 显示了使用未预矫正的几何在软件中计算后的变形结果。将模拟过的变形的部件导入大众使用的虚拟测量工具,即可创建虚拟测量报告,类似于在批量生产期间对真实部件进行质量检查。通过这种方式,可以根据产品规范,以任何所需的细节,分析计算部件的变形。结果与MAGMASOFT®中测量界面中的评估(图 3)一致,最大偏差也在侧梁连接板的左端(RPS 定位)。

图 4b 描绘了使用预矫正的模具几何模拟的变形结果,也是基于 RPS 定位。它显示铸件变形显著减少。用于连接和功能面的几乎所有关键区域都在 +/-0.7 mm 的指定公差范围内。

图 4c 显示了与在 MAGMASOFT®进行变形预测使用相同参数生产的侧梁连接板铸件的实际测量结果。零件的尺寸完全在规定的公差范围内,并且在质量和数量上都与模拟预测的几何尺寸一致。

MAGMASOFT®预测的侧梁连接板的变形与优化后的模具生产出的铸件的变形具有良好的一致性。基于模拟修正模具,使铸件大多数区域处于公差范围内,这样就无需在第一次试制后进入额外的模具修模循环。

在使用 MAGMA之前,大众必须经过多次铸造试验来确定模具矫正方案。此方法费钱又费力,有时还会让人误入歧途。

对于大众来说,新的方法不再是单向道:大众现在可以在没有延迟的情况下生产大型铸件。而且最重要的是,铸件不变形。

关于大众汽车公司

大众汽车公司(VW)总部位于德国沃尔夫斯堡,是欧洲主要的汽车制造商之一。大众的全球平均产量约为每天 43,000 辆。大众的产品系列包括摩托车、小型车、豪华车、公共汽车和商用车。此外,大众还提供各种金融服务。