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FLOW-3D ®Amcan 公司節省了上百萬美金的材料費用

 

壓鑄擬真分析替汽車零件製造商節省了可能變成廢料的上百萬美金材料費用。有幾家競爭廠商曾說 , 只要是位於安大略的漢彌爾敦的 Amcan 公司有做的汽車零件 , 他們就很難與其競爭。
該公司工程部經理 Boris Lukezic 估計如果使用傳統試誤法設計壓鑄模具 , 就會有 3% 的材料因縮孔問題而變成廢料 .Luezic 先生取而代之的是運用來自位於聖塔菲的 Flow Science 公司 (www.flow3d.com) 所發展的 FLOW-3D R 軟體 , 類比壓鑄融湯充填過程並確認出模內包氣位置。然後修改模具設計達 13 次以比較不同結果 , 最後找出解決問題的最佳設計。當模具完成後 , 試模結果極為接近事前擬真的預估 , 如此一來可節省反復試模次數及試模產生的廢料。
Luezic 說 " 這次計畫成功 , 是 Amcan 公司決定對每一新生產車件都做模擬的主要因素 , 並對於舊有已投產的車件也以軟體類比來改善生產良率。
Amcan 公司在 1963 年開始做鑄件。主要生產車件相當廣泛包括外罩 、 動杆 、 箱蓋 、 托架 、 箱體 、 懸臂 、 前後插 、 底座 、 懸吊等等。運用全面設施 , Amcan 公司以熟練的技術人員 、 X 光科技 、 金相光譜分析 、 材料實驗室 、 完整的量測能力 、 專業的檢測機具及光學比較儀來保證產品的品質。

早期的試誤法

上述所提的車件是為三大車廠之一所生產的傳動渦輪葉片 , 其縮孔問題會導致傳動系統密室間的漏氣及葉片結構受損 .Amcan 公司受命設計能符合車廠生產要求的模具 .Amcan 的傳統模具設計方法依賴于工程人員的經驗及猜測 . 唯一能知道設計是否可行的方法就是開模並試模。通常需經多次修改與測試 , 模具才能達到標準 , 而每次所需發費約 $5000 ~ $10000 不等。甚至試模所能提供模具哪里有問題的資訊極少 . 總的來說 , 此等原因迫使工程人員接受良率不高的模具。

試著要尋求較好的驗證方法 , Amcan 工程人員于數年前開始測試計算流力 (CFD) 仿真軟體 , 以便於在制模前於電腦上先驗證模具設計。

CFD 軟體會涉及流動範圍內成千上萬分散液體的流動控制方程式的解算 .CFD 分析讓工程人員能及時瞭解模具內部任何時間點融湯波前確切位置 , 以及任一點的溫度及壓力值。這種方式所能提供訊息遠遠超過傳統試誤法 , 且能使工程人員充分瞭解問題的位置及原因。模具的幾何可快速的在電腦上變更並再執行模擬 , 以瞭解設計變更的效果 . 結論是 , 工程人員可在一二天內消除縮孔問題而不需耗費數周於試模來解決問題。

軟體的選擇
Amcan工程人員選擇FLOW-3DR軟體作為仿真工具。Lukezic先生說:「我們問了一些鑄造公司及車廠,他們一致認為FLOW-3DR是最精確的鑄造方真軟體。我們感到印象深刻的是德國Aalen大學所作研究的結果顯示,仿真結果非常接近真實情況」。FLOW-3DR能充份預測模內融湯自由液面的充填現象,利用流體體積法則(VOF)預測自由液面流動,表面張力,及其它複合流動現象。最特別的是,FLOW-3DR具有理論以追蹤流體與空氣間任意變形的尖銳點,並且解算其正確的垂線及切線方向應力。這是一項有別於其他CFD軟體的特有精准能力。

Amcan以前未曾做過傳動滑輪葉片,所以他們的初始設計主要是基於猜測。工作人員依手冊公式計算澆口大小、進澆速度、充填時間及反壓,最後的問題是澆口位置及進澆方向。他們初始設計是六個澆口及圍繞式輻射形進澆方向。在一半位置澆道開始分叉成六個進澆道,工程人員只花三十分鐘就在FLOW-3DR中完成網格分割。Lukezic便加入邊界條件包含380鋁合金材料,融湯溫度670度C,及模溫270度C。

達成解決方案

觀察第一次模擬流動結果 , Lukezic 看出二道融湯波前卷著氣,在中央位置接合,使得卷氣無法排除。表示如果依照初始設計會有嚴重的縮孔問題,他修改了澆口位置及進澆方向以產生較好的充填模式。四個澆口集中到同一區,進澆方向都朝著同一切線方向以使融湯同時通過澆口而產生單一波前的流體來完成充填。 Lukezic 接著測試一連串的小變更,包括調整澆口位置,進澆角度,及主澆道開始分叉成各進澆道的位置,以便漸進方式調整流動模式進而逐步減少包氣現象。 (圖 FLOW-3D Ra 模擬結果,以三種顏色分佈萊表示溫度,表面缺陷及壓力 )

文字方塊: FLOW-3DRa模擬結果,以三種顏色分佈萊表示溫度,表面缺陷及壓力在第 14 次的測試模擬他達成幾乎沒有縮孔現象的滿意程度。他向管理部門展現此一可以投產的結果。他們依此結果做出模具在試模後發現第一次樣品就真的幾乎沒有縮孔問題。「毫無疑問的如果用傳統試誤法 , 我們會有至少 3% 會料產生」, Lukezic 說「在此車件的生產期間,我們必定蒙受成千上萬的廢料損失 。 取而代之的是僅以一周的時間,最佳化我們的設計並以仿真模擬消除縮孔問題 。 基於此結果 , 我們得到結論是,每一模具都務必是前做模擬」 。