【技術電子報】利用FLOW-3D進行多模穴的流道設計

一、 緒論

在高壓鑄造中模具常會以一模多穴的方式來生產鑄件，可以讓整體的產能提高，所以流道的設計一直是壓鑄的關鍵因素，需根據模穴的體積來調整每個分流道的截面面積，確保每個模穴能夠同時填充並且具有相同的填充時間，使用者可透過電腦輔助模擬進行模具設計的評估，讓設計者能夠依據分析結果進行修改設計來提高鑄件的品質。在這項研究中這個模擬分析包含了六個模穴，v個模穴的鑄件都不相同(如圖1所示)，並搭配計算流體動力學（CFD）的方法研究流道系統的設計。

圖1.模具與鑄件

二、 原始設計

在這項研究中充填過程模擬是使用CFD軟體FLOW-3D，並將模具的實體模型(圖1)轉為STL，然後導入到FLOW-3D中。為了準確模擬充填過程，整個模具和料管都包括在模擬中，柱塞頭的速度為低速0.77m / s和高速1.55m / s，鑄件材質是A380。

圖2顯示鑄件的CAD設計和FLOW-3D模型中的模具剖面圖，從這些圖中可以看出有6個模穴，每個模穴都具有不同形狀和體積，並搭配不同截面積的分流道來連接主流道。

圖2.鑄件CAD設計與FLOW-3D中的模具剖面圖

圖3顯示原始設計四個不同時間點(0.011s(圖3a)、0.013s(圖3b)、0.015s(圖3c)、0.017s(圖3d))的充填狀況，流體顏色以壓力來進行表示，可觀察充型過程中流道的壓力變化。在第一時間點(圖3a)，熔湯開始充填主流道。

圖三.原始設計的充填過程

在第二時間點(圖3b)主流道充填之後，熔湯開始充填分流道。由圖中可看出充填過程是相當不均勻。靠近主流道端部的兩個大分流道是以最快的速率進行充填，而位於最遠的兩個分流道是以最慢的速率充填。

在第三個時間點(圖3c)熔湯前端開始進入鑄件模穴，這個時間點可看出這樣的設計對於每個模穴的充填狀況有很大的不同，當部分熔湯開始填充中間的兩個模穴(V3和V4)時，部分的熔湯距離V1和V6的入口還很遠，由這樣的結果可看出V1和V6的流道是最後填充的。

第四個時間點(圖3d)顯示熔湯充填模穴的過程，可由結果看出每個分流道的壓力都不同，模穴V3和V4的分流道壓力值較高，V1和V6 分流道壓力值較低。

這些結果顯示出要生產高品質的高壓鑄造零件模穴需要同時填充，每個分流道和模穴中的填充模式也應相似，並且避免主流道中有回流的情況。為了解決原始設計中的這些問題，繪製了一個改進的流道設計，並將模擬的結果與原來的進行比較。

三、 流道修改設計

本研究提出一種修改的主流道設計(如圖4所示)。主流道為階梯狀，每個分流道與主流道以小角度連接，其橫截面積從流道的入口減小到流道的端部，如圖4中的放大圖。橫截面面積是根據鑄件模穴的體積與總模穴體積的比值而減小，入口處的橫截面被選擇為與原始設計相同(A1)，接著是面積減小到A2的第二組分流道，A2 / A1 =(V2 + V3 + V4 + V5)/ V，其中V = V1 + V2 + V3 + V4 + V5 + V6。接下來的兩個分流道截面積進一步減少到A3，A3 / A1 =(V3 + V4)/ V。除了橫截面積的減小，主流道的端部也有改變，最右邊的兩個分流道直接地連接到主流道端部而不是側面，因此主流道的端部就可移除。

圖4.修改流道設計圖

分析結果如圖5a(0.01s)、5b(0.013s)、5c(0.014s)、5d(0.017s)，在第一個時間點(圖5a)熔湯充填主流道時，同時也流向各分流道，在第二個時間點(圖5b)分流道以相似的速度充填並有相似的壓力分佈，在第三個時間點(圖5c)熔湯幾乎在相同的時間點開始進入六個模穴，在第四個時間點(圖5d)熔湯以相似的速率填充並具有相似的壓力分佈。

圖5.修改設計的充填過程

對於原始設計，第一個充填完成的模穴(V3)和最後一個充填完成的模穴(V1)之間的充填時間的差為0.004秒，而修改設計的差值在0.001秒內，因此修改設計有明顯的減小不同鑄件的充填時間差異，這將有助於提升高壓鑄件的品質。

四、 結論

在這項研究中利用計算流體動力學(CFD)方法來研究流道設計，透過具有六個模穴的高壓鑄造模具，來觀看充填的影響性，比較兩種流道設計，一種具有固定的橫截面主流道，另一個具有階梯狀的主流道，截面積與模穴體積成比例。模擬結果顯示，分流道與主流道的連接會影響每個模穴的充填，階梯狀的主流道設計可改善充填，因為充填時間和壓力分佈都在具有不同體積的模穴間有很好地平衡，達到提升鑄件品質的設計。