CAE模拟分析—应对“时间就是市场”商业环境的压铸技术

应对“时间就是市场”商业环境的压铸关键技术

“时间就是市场” (Time To Market)，对工业界而言，是一个崭新而又永恒的话题。既是挑战，也是各大厂商的发展目标。随着社会的进步与经济的发展，这一主题将更为突出。例如，去年全球有500个新车型上市，平均2天就有一款新车呈现在您的面前。3C及家电产品更为突出，80%以上的利润来源于新近不超过两年的产品。所以，快速、高效地开发新产品是竞争取胜的一个关键因素。

和其他行业一样，铸造业也正经受着前所未有的挑战。本文针对“时间就是市场”这一商业需求，介绍 C3P Cast-Designer完整的铸造设计与分析系统，对突破性的压铸关键技术进行讨论。

1. 产品可制造性评估

产品可制造性评估（Design ForManufacturing, DFM），直接体现在最终产品的“舒畅制造”上。主机厂在设计的过程中，首要关注的是产品的功能与结构。而由于设计师经验的局限，某些产品并未能充分考虑其可制造性，从而大大增加了后期工艺设计的难度。

“产品”是源头，其重要性不言而喻，可DFM分析却面临种种困难。首先，高度依赖于工程师的经验；其次，商业DFM软件寥寥无几，目前的三维CAD软件缺乏专门的判断能力，只能通过切取横截面的方式进行分析，不仅耗费时间也容易忽视一些重要的特征。

Geo-Designer 是专为产品工程师和模具设计师设计的先端协同 DFM 分析工具。能快速、简单、准确地确定三维产品模型的关键区域，其内容包括铸件的基本信息（如重量、体积、各方向投影面积等）、质量分布检查、冷却速率分析、壁厚检查、浇冒口设计、拔模斜度分析、产品倒角探测、热分布指数、顶出力大小分布、滑块检查等。而另一个尤为突出的优点是，Geo-Designer非常容易使用，即使是销售人员和产品报价人员，也能轻松应对。

左图：X光探伤的照片，显示缩孔缺陷 右图：Geo-Designer的质量分布指数， 整个分析过程只需要2分钟 （资料来源：通用汽车）

这些先天性的问题，早在产品设计阶段，即可避免！增强铸件的DFM评估，并非仅是主机厂的任务。对模具开发早期，也有着重要的意义。这些信息将直接影响到模具工艺设计的方案选择，例如内浇口的位置、第三相保压、冷却管道的排布（带走模具局部热量达到温度平衡）、局部挤压销的特殊模具结构来减少或消除缩孔缺陷等。

2. 尽最大努力设计好流道

“80%的产品质量问题，来源于工艺设计的好坏”，流道设计可以说是压铸模工艺设计中的核心部分。其设计的优劣，直接影响产品的品质。

2.1 专家系统的引入

目前，流道设计仍然是一项依赖“经验”的工作。工程师往往会运用书本上的一些经验公式，或通过Excel表格等工具，计算出一系列铸造的工艺参数。再通过三维CAD软件，完成造型设计。这种基于经验的设计，为铸造业带来前所未有的挑战。同时，现有的CAD软件只提供了三维造型能力，无法计算出设计所必须的铸造工艺参数，也不能把计算好的参数正确传递到CAD环境中，达到同步与联动，更不能给出流道设计方案的建议。有鉴于此，引入流道设计专家系统，采取规范化设计非常必要。

Cast-Designer的设计专家系统，提出“基于工程经验的设计”的概念，属于知识型（Knowledge-based）的设计产品。利用这个软件，三十分钟即可完成包括浇铸系统、溢流槽和排气系统以及冷却水道的设计。

上图的设计向导将引导工程师完成优质的设计，通过输入铸件的基本信息（如重量、壁厚、材质）程序将给出一系列的铸造工艺参数最佳建议数值，其中包括最佳充型时间范围、内浇口速度范围、内浇口面积与厚度等。在选择压铸机之后，能快速对一速、二速及转换点、整个流道的加速比等提供参数建议，并能实时调整，形成最后的截面积设计方案。通过PQ图的即时校验，匹配出最佳的模具-设备组合。值得一提的是铸件分区功能，可以计算出每个内浇口所需要的金属量，这让整个充型过程更加平稳，避免金属液包卷产生的缺陷。

2.2 基于经验的设计，是设计而非画图

理论上说，任何三维CAD软件都能进行压铸模流道设计，实际上，提供的是“三维造型”能力，而非设计。

左图：采用传统三维CAD设计的流道，工程师具备4年设计经验，但横截面积控制并不合理；右图：采用Cast-Designer设计的流道，能完美控制流道截面积和加速比。

另外一个可圈可点的亮点是一键式流道设计功能，利用经验知识库，把常用的流道进行分类并形成经验知识库，然后数字化，以后碰到类似的产品即可直接调用，这样充分借鉴了以往的设计经验并大大缩短了设计和操作的时间。

2.3 反复对比才能择优选择

“好武功，是练出来的；好方案，是选出来的”，工业没有捷径，任何一个优秀的设计，必须经过多个方案反复比较，才能择优选择！

3. 采用前端分析的工业需求与迫切性

事实证明，在设计阶段，经过越充分的验证，模具制造并投入生产之后，产品缺陷问题越少。因此，许多的企业都已经相继引入了各种商业模拟软件并应用到实际的工作流程中，期盼节约成本，缩短周期。但企业很快就会发现，从三维数模开始，网格划分建立分析模型，到最后获得分析结果，需要3~5天的时间。如果设计方案需要变更，又要几天，这根本无法满足大部分企业对开模时间的要求。所以，CAE分析普遍只用于不容有失的核心模具开发中，或者是上游厂商强烈要求分析报告的时候，才应付了事。更有甚者，则沦为摆设，多年不用。

Cast-Designer的前端分析技术是最近几年在全球广泛使用的热门应用。“快速”“有效”是前端分析的关键词。

上图为某汽车零件工艺设计阶段的前端分析过程，包括充型与凝固。前端分析的美妙之处就在于能在概念设计阶段，迅速评估多个工程方案，在最短时间内提供足够准确的结果，做出正确的工程决策。

与此同时，Cast-Designer也提供了最佳的易用性，超强的CAD容错能力，无需任何CAD修复。多项网格划分的革命性技术，让建模轻而易举。

值得一提的是，对于企业而言，准确的分析结果并未带来直接的价值，传统CAE工具仅提供分析功能，即使结果再准确，再接近现场实物，也只是做到了“确诊”，但企业最需要的是“治疗”的方案。

结论与建议

面对日新月异的市场变化，汽车、3C和各种消费产品的更新换代非常迅速，产品外观也越来越时尚和复杂，如何在有限的设计周期内，获得高质量的设计，成了一线厂家的制胜之道。而要达到这一目标，除了要有丰富的设计经验外，也要依靠科学的工具。

在产品设计阶段，如何有效地提前进行协同设计和制造性评估是顺利制造的关键；在模具设计阶段，如何进行整个流道方案的设计，通过控制入水方式与位置、流道横截面积、调整溢流槽的排布达到预想的流动状态和消除缺陷；应用前端设计分析技术的意义在于，从流道的快速设计，到铸造过程的模拟预测，再到方案修改，都能把控在1至2个小时内。这样，我们几乎能在一个工作日内，完成4到5个流道方案的评估，从中确定最优的设计方案。

审核编辑：符乾江