【技術電子報】重力鑄造之模具滲漏問題研究

作者

Gabriele Taricco, CM Taricco

Stefano Mascetti, XC Engineering

一、前言

模具設計是一個相當複雜的工作，因為在設計時必須同時考量金屬融湯的流動以及金屬凝固順序。除此之外，模具因為溫度熱傳造成的應力變形也可能導致其他問題的發生。CM Taricco 是義大利的一間模具製造商，在開發新型模具時發現在每次鑄造時，模具底部會發生融湯滲漏問題。在模具開始生產時，這個現象僅少數發生；隨著生產模次增加，這個現象會越來越嚴重。一旦發生問題，生產人員就必須立刻進行問題排除，不但造成生產時間無法預期，還造成了鑄件成本的增加。

二、問題發生原因之研究

由於這套重力鑄造模具在初始開發時，就已經進行澆鑄系統及渣包位置的評估及數值模擬，因此判定問題應該不是由金屬融湯的流動造成。Gabriele Taricco (CM Taricco 公司之創辦人) 提出疑問，認為滲漏問題可能來自於鑄造過程中的熱應力。由於進行模具設計時未同時評估模具冷卻路徑，導致模具具部發生嚴重的積熱。而這個問題造成模具底部發生不預期的嚴重變形，導致金屬融湯從該處發生滲漏。為了確認此現象是否真實發生，因此該公司採用 FLOW-3D 進行數值模擬，希望能夠確認是否這個問題能夠在仿真製程中重現，進而從模具設計上解決這個問題。

三、數值設定與問題判定

利用 FLOW-3D，整個數值模型可在短時間內完成設定並且進行計算。FLOW-3D對於網格簡單且高效能的處理能夠讓數值網格減少，並且提高執行效率。與一般軟件傳統網格設定方式相比較，FLOW-3D 能夠在較短的執行時間內提供高精度的分析結果。

在此分析案例中，考量到分模面位置的設計，首先在分割網格前進行了圖面旋轉，這樣能夠將網格盡量控制在鑄件位置，即便是鑄件上有較細小的細節特徵，FLOW-3D仍然能夠完整的描述。

另外，為了減少網格計算數量，在模具圖面旋轉20度後，再利用 FLOW-3D 的 ‘domain removing’ 元件移除不需要進行計算的網格區域。

圖3-2.利用FLOW-3D之Domain removing 技術大幅減少計算所需之數值網格

利用上述網格設定技巧，成功的將分析網格減少了約80％的數量，這能夠大幅縮短所需之計算時間。

四、成形分析

利用 FLOW-3D 之模具熱循環分析技術，能夠完整的模擬模具在經歷充型、凝固冷卻後，因為熱量累積造成之模具溫度分布。在初始設定時，預設模具經歷十次開關模具之生產製程。利用 FLOW-3D 之後處理模組 FlowSight 進行分析結果輸出，CM Taricco 確認在模具底部確實發生了溫度不均勻分布造成的積熱現象。而這些區域應該就是造成滲漏問題的主要位置。

五、模具變形分析

在判定問題可能是由模具溫度造成之模具變形，導致融湯滲漏問題後，CM Taricco 公司希望能夠確認模具的變形量，以進行模具設計變更。XC Engineering 協助 CM Taricco 公司進行 FLOW-3D 變形模組設定，利用FLOW-3D直接計算因為模具溫度分布不均造成之模具變形量，而這些變形結果可以在 FLOW-3D 之後處理模組 Flowsight中直接確認，並且同時量測變形量尺寸。

六、模具設計變更

在確認模具積熱確實會造成模具發生變形，導致金屬融湯滲漏後，CM Taricco 公司進行了以下的模具變更設計。利用調整分模面設計，讓模具本體在合模時增加了多餘的支撐位置，以減少模具發生變形的可能性。另外，在設計時同時考量溫度不均勻分布造成的熱變形溫度，在模具厚度上做了可適性的調整。

七、結論

在進行模具設計變更後，CM Taricco 公司再次以FLOW-3D進行驗證，確認模具變形量在可接受範圍之內後，再進行模具修改。新的模具能夠讓熱量均勻的分佈到模具本體，不再發生不均勻的溫度分布造成模具局部熱應力集中，而這反應的就是完美的鑄件成形。在後續量產成形時，該套模具不再發生模具滲漏問題。不但大幅提高生產效率，也大幅的降低鑄件成形成本。