文：德宝压铸技术公司 黄奇德
概述
压铸工艺是把金属液快速充填进入模具型腔里。在冷室压铸工艺中，铝液首先倒入压室，冲头以较慢的速度把铝液推到模具浇口位置，再以高速在以几十至几百毫秒内把铝液充满型腔。在这极短的充型过程中，型腔的空气很难完全排出，铸件因此容易卷气和产生缺陷。以一个2.7公斤的铸件为例，型腔体积约有1升。加上50%的压室填充比率，体积也约1公升，即在整个过程中共有2公升空气在流动和需要排出。
在汽车轻量化的推动下，铝压铸件正在逐步取代钣金件，质量要求的提升，带动了高真空压铸技术的发展。模流分析是压铸模具开发阶段的重要工具，而目前大部分的模流分析软件都无法准确模拟真空压铸的充型，因此如何提高其准确性是重要的课题。
空气和金属液是完全不同特性的流体，空气是可压缩的，而金属液是不可压缩的流体（马赫数<0.2），流动特性不同。在充型过程中，空气形态变化非常复杂。当冲头关闭了压室进料口后，空气开始被压缩，同时空气受热膨胀，并开始从排气口逃逸。排气口会因金属液喷溅满了而堵塞，停止了排气。此间，由于型腔内空气压力进一步建立，余下的排气口位置出现超音速流。空气的特性也因温度和压力的变化而明显不同，以上各种因素都很影响空气的流动形态。
因此要选用合适而准确的压铸模流软件时，它最好能提供匹配的压射工艺，优化充型过程，和设计排气。要达到这样的效果，软件要自动提供优化的工艺参数，配合实际的机器性能、材料特性，细致的网格来建立复杂的模型（包括薄壁排气区），还要模拟充型过程型腔内的空气运动。
传统的模流分析计算
市面上一般的压铸模流分析软件都不模拟空气的运动，型腔建模的网格都是空白的，没有预设为空气属性。充型过程中，只有金属液进入型腔，而没有计算空气的运动。虽然部分会考虑以封闭型腔内的等温压缩性来计算背压变化，但型腔内的空气只被金属压缩而不能从排气口出走。这种方式是用单相不可压缩流体的求解程式来计算。
做压铸的都知道，高速充型时，金属液是喷溅状态，金属液前沿不会有清晰边界，而是形成小液滴和空气混杂成雾状。特别是在真空压铸时，由于型腔内的气压很低，空气阻力小，金属液喷溅更为明显。在充型过程中，空气不断受热，空间亦不断被金属液取代和压缩，空气受挤压推动，从排气口逸出。如果是真空压铸，空气主动往排气口出走，如果用传统的单相不可压缩流体的求解程式，自然产生很大的偏差。
公司介绍
意大利的PiQ2公司是专门开发压铸和铸造分析软件和提供行业内顾问服务的单位。公司位于威尼斯附近的布雷西亚。当地正是意大利的压铸工业重镇，著名的压铸机生产厂、压铸厂和模具厂群立。成立于2011年，公司植根于布雷西亚大学，该大学和当地压铸企业有长久的合作关系。目标是透过运用最新的数学计算模型，结合行业累积的大量经验数据，参考在实验室的测试数据，为行业开发全新的压铸模流分析软件-CASTLE。软件经过多年的现场生产验证，证明在预测卷气，特别是在高速充填和真空压铸状态，尤为准确。
CASTLE软件的特点
相对于传统的单相模流分析，CASTLE使用的是双相模流计算，即同时计算可压缩空气流体和不可压缩金属液流体的运动。空气的运动使用较真实的非等温可压缩计算模型。计算充型时两种流体的热动力物理特性都是随着温度而变化的，这使计算结果更准确。
至于建立网格的方式，是沿用有限体积划分法。和有限元素划分法比较，这种划分法对计算流体运动比较可靠，特别是涉及喷溅的计算。缺点是网格划分的数量很大，尤其是形状复杂的薄壁件（压铸件最为常见），导致计算时间很长。如果减少网格划分数目，建立的模型和实际的几何偏差太大，会影响计算的准确性。
有限体积划分模型混合网格划分模型#p#分页标题#e#
CASTLE运用自动混合网格划分法，模型内部为结构性有限差分网格，表面则为不规则的四面体网格，这样就可以在最少的网格基础上，又达到最高的形状相似性，缩短计算时间。尤其是大型的铝合金结构件，壁薄而形状复杂，要在最薄的曲面浇口位置建立不少于3个网格，标准的有限差分法需要非常大量的网格。
软件可以计算每个网格的空气和金属液的混合状态，因此可以计算出铸件的含气量分布。
CASTLE软件是专为压铸工艺而开发的，其中有多个计算模块，包括PQ2图计算（模具和机器的优化），浇道设计性能分析，充型模拟和凝固分析，模热循环和热场分析。
CASTLE软件是专门针对压铸客户的，所以使用界面以压铸工艺流程为基础。只需按程序输入数据，这包括铸件流道、工件、渣包排气的三维图档，同时选择机器型号、模具材料、合金型号等。软件自动给出优化的工艺参数，或者提供建议，使用合适的机器和浇道设计。软件内置的机器数据包括机器的各种参数和机器的性能，用户只需简单输入一二速数据，计算会自动考虑加速度和减速度，使模拟的冲头速度和实际生产更接近。此外，模流的准确性和合金的特性有很大的关系，这包括温度相关导热性、液固相温度、比热潜热、表面张力、液固相间的流变特性等。软件的合金数据库包含以上属性，在计算上能模拟末端充填不满的状况。
此外，软件能快速评估浇道设计的合理性，好像偏流、卷气可能性，金属液的速度分布，浇口位置的速度矢量，浇道系统的压力损耗。只需几分钟就能得出结果。
充型模拟的准确性是验证软件价值的最直接方式。准确的模拟往往需要较长的计算时间。虽然使用双相流VOF求解程式，但Castle运用最新的数学计算模式，和较少的网格数目，因此计算时间大大缩短。也因为使用开放架构的后处理方式，用户可以灵活分享分析结果，促进在项目开发中各个部门的协调工作。由于后处理浏览器是独立模块，能在多台电脑独立使用，不同部门可共用分析结果而不占用软件计算资源。
压铸的排气模拟
气/液双相流动是Castle软件的特点，每个网格都能显示空气和金属液的混合状态和比率，清楚看到型腔的喷溅情况（蓝色代表空气的占有比率很大，喷溅严重）。在计算设定中，用户能定义排气口和真空压力值，分析不同真空状态和排气口的分别。压铸的排气分为主动式的真空排气，和被动式的自然排气。被动排气是由进入型腔的金属液把空气逼出排气口，而主动排气则由连接排气口的真空罐把型腔的空气抽出。当金属液到达排气口和凝固，会将之堵塞，停止排气。
两者排气方式不单影响金属流态，充型后期的型腔残留气压也明显不同。被动排气的残留气压很高，容易卷气；而主动排气的气压低于大气压，含气量自然会低。在真空状态下，充型晚期的空气流动较顺畅，而自然排气下，空气流动较紊乱。
排气口计算和其他功能
压铸用户需要知道如何计算排气面积，评估真空和排气通道，预测和评估排气系统，如搓衣板和真空阀排气性能。为了帮助用户更好的设计真空模具，软件特有的排气面积计算功能，为客户评估现有模具的排气效果，并建议所需的排气面积和抽气时间。
软件也能模拟冲头在压射室的移动，观察金属液的翻滚卷气情况；金属凝固过程出现的缩孔位置，充型过程中出现的冷纹和冲刷位置。#p#分页标题#e#
实际案例
在实际的充型情况下金属速度很高时（如>30m/s），其前沿离散成无数小点，并和空气混合。这离散的情况在低空气阻力的真空压铸下更为明显。由于同时计算空气流动，CASTLE软件在模拟真空排气特别准确。现以宝马电动摩托车的薄壁零件为案例，使用的铝合金是Silafont36。这里采用了3组不同的模拟数据，包括1.没有排气2.搓衣板排气3.真空抽气(80,380毫巴)，一二速分别为0.25m/s和4.9m/s。模拟出来的结果明显不同，主要在金属前沿的离散和空气的运动。越高的真空度，离散越厉害，但流动的单一方向性强，包气较少；在高真空时空气和金属液的速度都会提高。附图清楚显示，由于负压值越高，型腔背压越低，喷溅越明显。其中也可看见，在没有考虑排气口和有排气口的情况下，对充型是有些偏差，如在充型初期两侧的卷气。
空气流动模拟清楚看出在真空状态下，空气的速度比自然排气的高很多。软件也计算出不同排气状态下的铸件含气量分布。用户可以自由选择含气量门坎值，显示不同气孔大小的分布。帮助判断真空压铸能否解决气孔问题。
总结
CASTLE软件是用全新概念开发的压铸模流工具，突破了传统压铸软件单相模流计算的局限。新工具运用两相流VOF求解程式，和高效的混合网格划分法，计算型腔内的金属液和空气的运动，计算模型包括了所有重要的物理性能，能准确预测卷气量和位置。经过多年的现场测试和优化，验证了软件的准确性。
德宝公司是意大利CASTLE软件的中国区总代理，提供软件咨询和培训，模具设计和模流分析服务。除此之外，公司亦代理澳洲开思特真空压铸控制系统、西班牙密封环冲头和润滑系统，为客户规划全面的真空压铸技术。
