使用ProCAST软件进行压铸模拟仿真四个步骤

ProCAST软件是一款基于有限元算法的铸造仿真软件。基于此算法，一方面ProCAST网格可以非常精确的贴合复杂铸件的几何外形，另一方面在边界处的流动计算以及应力计算方面ProCAST软件的精度更高。

同等条件下，ProCAST软件在计算压铸件，尤其是薄壁件时精度比有限差分软件要高得多。同时，有限元网格可以很好的处理几何模型中不同体之间的“接触”问题，因此ProCAST软件不仅可以对铸件的浇注凝固过程进行分析，也可以对模具进行温度和应力分析。

△左图为模具温度实测结果，右图为仿真结果，两者非常接近

长期以来，绝大多数国内的客户在进行压铸仿真时，很少对模具进行分析。一部分原因是，相当多的压铸客户使用有限差分软件进行压铸仿真，而有限差分软件的网格为一个个小立方格，有限差分软件难以处理复杂铸件与模具界面的接触的问题，通常是使用简单的立方块或者虚拟铸型对完整模具进行替代。如果要对模具结果进行分析，则在边界处需要划分非常细的网格，这就会造成网格数量很大，计算时间过长。同时，由于有限差分网格不能很好的拟合铸件的几何轮廓，因此在计算铸件与模具的热交换上也不如有限元软件准确。ProCAST软件可以很好的处理复杂铸件与模具界面的接触问题，铸件与模具网格可以完美贴合，因此能对模具结果进行深入分析。

△有限元（FEM）网格与有限差分（FDM）网格的区别

△完整模具的ProCAST压铸模型

△ProCAST铸件网格与模具网格匹配良好

△网格的剖面图

有限差分网格铸件与模具的接触面

有限差分网格拟合铸件的外部轮廓

ProCAST软件在进行压铸仿真时不仅仅只是用于设计方案的验证，ProCAST的仿真结果可以贯穿于压铸设计的全流程，对压铸设计进行指导。通常来说，使用ProCAST软件进行压铸模拟仿真分为四个步骤：

● 零件的可制造性检查

● 流道设计

● 模具热循环/热平衡仿真

● 模具热循环/热平衡仿真&工艺过程验证

第一步：零件的可制造性分析

这一步的目的是对零件快速分析，包括零件的几何特征和零件的快速成型分析。ProCAST软件内置了Co-design模块，能快速分析零件的壁厚以及拔模角度等信息。

快速成型分析是指可以单独对零件进行浇注和凝固分析，进行浇注分析时指定理想的内浇口，对零件各部分充型顺序，充型后的凝固过程以及凝固过程中形成的缺陷进行快速分析。如果在这个过程中发现零件存在设计问题，比如某处加强筋过厚，则可快速返回几何模型进行修改。

在这一步中可以使用简单铸型或者虚拟铸型来模拟实际金属模具。

△几何特征分析以及零件快速成型分析

第二步：流道分析

在第一步分析的基础上，更加详细的设计浇道，溢流道以及排气孔位置。

ProCAST软件在进行流道分析时一般要分析料管的进料过程，冲头推动金属液压进型腔的过程以及充满后铸件的凝固过程。在这前两个过程中要进行卷气分析，冲头在进行慢压和快压切换时，金属液容易形成波浪，造成卷气。

金属液压进型腔的过程要重点关注金属液的速度，不同内浇口进入的金属液流向以及铸件上各部分金属液的流动长度。铸件凝固过程中要关注孤立液相区的形成位置，缺陷的位置以及热节位置等信息。

除了这些，ProCAST还可以分析很多其他的结果，比如型腔内压强的变化，冲头所受的反作用力大小,气体的流动过程（VOF）等等结果，这里不再一一赘述。

△金属液的速度结果

△气体的速度结果

第三步：模具热循环仿真

目前国内绝大多数客户进行压铸仿真时并不计算模具的结果，但其实这一步对于模具设计来说是必不可少的。

对于压铸来说，模具的温度分布，水路的设计，水冷的作用时间以及各工序的参数等对于压铸结果非常重要。尤其是对于一体化压铸，一体化铸件质量大，同时壁厚薄，模具的温度分布更容易影响铸件质量。

ProCAST软件可以对模具各部分温度进行热循环的仿真，在对模具进行初步仿真时，可以建立简单的模具外形，预设开模时间，合模时间以及喷涂时间等信息来模拟热循环过程中模具的温度分布。

得到模具的温度分布结果后，将铸件上的热节与模具上相应点位的温度进行对比分析，进行下一步的水路设计。

△模具上与热节对应的位置

△模具上与热节对应的位置

第四步：模具的热循环分析&工艺过程验证

△水冷管道示意图

得到第三步的结果后，需要根据第三步的结果对水道进行设计，综合考虑模具各个区域的冷却顺序以及冷却强度等信息。在ProCAST中，设置水冷有三种方式：

1、1D cooling channel：这适用于对模具进行快速的水路设计，使用这种方法不需要在模具上画出具体的水道，可以仅仅使用坐标来进行定义，这种方式适用于对初始水道方案进行快速迭代。

△红色线条为水路位置

2、水道表面施加冷却条件：这种方法是目前最常用的方法，不仅仅是ProCAST软件，其他铸造仿真软件也使用此方法。此种方法是在水冷管道表面施加冷却条件，来等效模拟水路对于模具的冷却状态。

△需要在模具上留出水道的孔位

3、CFD方法：这是一种高精度的水路模拟方法，使用此种方法需要建立水路的几何模型，如果是点冷，则需要把完整水冷装置的模型建立出来。模拟时，软件可以计算冷却水在水路中的流动状态以及水温。

△水冷装置温度变化

除了水路设计，还需要对模具的喷涂时间，喷涂顺序以及喷涂路径进行设计。ProCAST软件可以对上述过程进行仿真。

△需要定义喷涂定位，喷涂范围，喷涂路径以及喷涂作用时间

△喷涂仿真结果示意图

△喷涂过程动画

参数设置完毕后，可以对完整的模具进行热循环的仿真，查看结果，进行多次迭代。

△完整设计方案进行迭代仿真，显示方式为隐藏铸件以及部分模具

下面是一个低压铸造模具设计的设计迭代案例，相比于第一次的方案，最终方案可以使缺陷降低44.7%。

 

△第一次方案

△最终方案

 

ProCAST软件在一体化压铸领域的应用

ProCAST软件相比与其他铸造仿真软件，在进行薄壁件仿真时精度更高，同时又能很好的仿真模具的结果，因此非常适合于对一体化压铸件进行仿真。

△某一体化压铸件充型过程（初始设计方案）

编辑：黄飞