文：德宝压铸技术公司 黄奇德
引言
模流分析已广泛应用于铝、镁合金压铸工艺。相比起来，锌合金压铸使用模流分析比较滞后。有用过模流软件的朋友会发现，锌压铸模流的效果没有铝压铸明显，好像气孔分布、表面冷纹、充型过程的准确性。针对以上问题，本文介绍锌合金压铸的特点，包括其材料特性、热室机的性能和工艺设置、产品的质量要求和模具浇排设计的特点，从而提出对模流分析的要求。特别介绍意大利CASTLE模流分析软件，如何针对锌热室压铸的特点，准确设置参数和计算充型过程。
锌合金材料和热室压铸的特点
锌合金压铸的生产成本低。相比铝、镁、铜等压铸材料，锌合金的熔点低。以最常用的Zamak#3为例，生产温度在440C左右，熔炼火耗低。主要使用热室压铸机生产；热室机的优点是生产周期短和设备比较简单（因压室浸泡在溶液里，无需额外的给汤时间和压室排气时间，也不用给汤设备。此外锌合金凝固时间很短，无需第三级增压，压射系统较简单。）。模具寿命长（可达百万模次）。热室机的压射参数少（虽然多了射嘴温度调整，但没有三级增压，一级行程很短，二速较低，脱模也较简单）。
锌铸件抛光容易，表面电镀处理容易，颜色和效果的选择非常多，综合成本也最低。因此很多表面质量要求高的五金配件如卫浴、门窗、锁类、成衣、皮具、文具、家具、电器、装饰品等，都大量使用。
不过，锌压铸也存在很多生产缺点。由于锌合金的密度高（Zamak#3为6.7g/cc）和受到设备的限制，锌合金压铸件多为中小件。大部分的锌压铸件都在250T或以下的热室压铸机生产。另外锌合金对重金属含量有严格的要求，不然会出现晶间腐蚀。Zamak#3锌锭就有以下规格要求：铁<0.075%，铅<0.004%，镉<0.003%，锡<0.002%。因此在锌合金铸件的回收过程要小心控制，回收材料使用比例也不能高，避免重金属污染。故此太多的铸件余料比例和高废品率对成本结构影响很大。
生产工艺方面，由于是中小件为主，而且以高表面光洁度为主，锌压铸的填充时间都很短，低于百分二秒以内。在这么短的充型时间，要排走型腔内的卷气是很困难的。特别是接近铸件表面的气孔，在表面处理过程中导致起泡。对有高光要求的电镀件，任何小缺陷都很容易显露出来，造成的废品损失也特别大。
锌压铸模具浇排设计
由于担心影响表面质量，如经常在浇口和渣包排气口出现的砂孔，模具设计师都倾向把浇口和排气口厚度设置得很薄，如低至0.3-0.35mm的浇口厚度。这种考虑容易使得浇口面积偏小，导致生产操作者要提高冲头速度来补充流量的不足，这使浇口速度太高，模具容易冲刷，同时令充型过程卷气严重。增加了机器和模具的损耗。粗糙的流道设计也会提高了铸件卷气。优化的浇排系统才能做出高质量的铸件，因此需要软件的辅助来改进设计。
锌压铸模流分析特点
CAD/CAE模流分析是压铸产品开发阶段常用的辅助工具，帮助设计人员进行产品和模具设计，预测不同浇道方案可能出现的问题。目前已经普遍使用于铝合金汽车模具的开发。锌合金模具因为较小，含气分布很难预测，相对应用面较低。
锌合金压铸在CAE模拟和铝合金模拟有几方面不同：1.浇口厚度很薄，充型时阻力大，喷溅严重。2.锌合金的凝固范围在381-387C。薄浇口很快凝固，无法在保压阶段补缩，容易产生缩孔。3.铸件的表面要求高，因此充型时间需要很短。4.一速行程短，排气困难。5.充型曲线差异大。
工艺参数建议
模具设计工程师在评估锌铸件生产时，经常使用PQ图来帮助选择合适的压铸机型和工艺参数，计算浇口面积。要有效使用PQ图，其实要有准确的经验数据库作为计算基础。利用欧洲的压铸经验和实验室数据，CASTLE编写的PQ计算模块，只需要输入简单的压铸机、铸件资料和要求，就能提出模具和工艺参数的建议，有很高的参考价值。使用者无需任何基础知识。
压射参数
压铸模拟需要设置一二速和切换位置的参数。一般的模拟是在浇口位置急速切换为高速，然后在充型末端急速刹停；典型的锌热室压射曲线其实不是这样。由于压射系统不同，而且填充行程短，冲头远还没到达射咀前已经要切换为高速，到达射咀时速度已接近高点。当冲头到达浇口时，速度到达顶峰，在充型阶段，冲头速度已在下降；当到达渣包或排气口，冲头进一步减速。
为了能真实模拟充型过程，CASTLE软件按照机器的特性，内置冲头的加速度和减速度，用户只是输入简单的一二速数据，就能执行接近真实的压射曲线。
浇道的优化
上一节提到，锌热室压铸有别于铝冷室压铸，需要很早切换高速，金属液在浇道高速流动容易产生卷气，浇道必须尽量按照流体力学特性来设计。CASTLE的流道优化模块是快速实用的辅助工具，帮助设计师优化流道形状；包括检测浇道出现的偏流、过高的浇道速度、或者可能出现的局部紊流等。也能看到浇口的速度分布，特别是多浇道的设计，需要整体的浇道平衡。软件快速的流道优化，减少了充型模拟的次数。
混合式网格模型
在准备压铸模拟的步骤里，铸件的网格化是重要的一步。锌铸件讲究外型美观，大都是厚薄不均。打网格要同时兼顾数量和模型准确度，并不容易。由于锌铸件浇口很薄，又不是平面，而浇口区域是充型的关键位置-建议至少要有3个网格在最薄的位置，对模流软件是很大的挑战。此外，锌合金不能忽略微细气孔对表面质量的影响，所以细致微小的特征（如字体）也要考虑。因此不要小看锌铸件体积比铝铸件小，它要求的网格量也很大。
CASTLE使用智能化的网格划分法。它是以计算流体动力学常用的有限体积模型为网格划分的主体，这种模型有利于计算流体运动和喷溅，很适合模拟压铸充型。软件特有的自动网格划分可以在厚壁位置形成较大的六面体网格，而在薄壁位置则自动过渡成细小的六面体网格。同时为了避免在边界表面形成梯阶形状，造成计算误差，智能划分法在复杂表面位置自动形成变形体积，使网格划分能用相对少量的网格做出准确的模型。
液气两相的充型计算
在现实世界，我们都明白在高速充型时，金属液是喷溅状态，金属液前沿不会有清晰边界，而是液滴和空气混杂成雾状。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。此中空气压力在充型时会影响金属液的流动，残留的空气如果被挤压无法逃出，便压会缩成气孔。
传统的模流分析软件都只是计算金属液流动，很少考虑型腔内空气属性变化的影响。在锌合金压铸，我们要求很短的填充时间，浇口又不能太大，导致浇口速度都很高；如果排气面积又不大，又没有考虑型腔空气属性变化，充型流态会不准确。CASTLE软件同时计算锌液和空气流动，能准确计算锌液的整个充型过程。这包括实际的排气面积和位置，还有金属液在浇口的雾化情况。
在计算流动时，大部分铸造模拟软件都不考虑锌合金凝固时的流变特性；粘度在这小温度范围内的变化，其实对锌合金薄壁件填充是很重要的。同样重要的还有锌/模具、和锌/空气间的表面张力和表面润湿度计算。这些属性都涵盖在CASTLE的充型计算里。
气体分布
对表面光洁度要求很高的锌铸件，接近表面的微小气孔会在电镀时起泡。利用气孔比率显示功能，CASTLE软件可以显示大气孔和微气孔的分布位置。附图包括1%气体含量分布图，残留气孔和缩孔的合拼分布。如果渣包的位置合适，可以收集大部分的卷气。
排气面积建议
排气设计对铸件含气有关键的影响，这包括面积和位置的选择。有些产品客户考虑外观砂孔，可能渣包口比排气面积还小，那渣包口才是关键的排气面积。为了方便评估模具排气设计的效率，在CASTLE的排气计算模块里，用户输入特定工艺条件，可以自动计算铸件的含气量。并把自然排气和真空压铸效果做出比较，让用户判断排气面积是否足够，是否要用真空阀才能达到要求。附图的计算中，铸件浇口面积适合，但排气面积严重不足，铸件含气量会很高。建议客户增加排气面积来改善含气量。同时看出22mm2是最理想的排气面积，更大的面积不能提高排气效率了。
软件也内置了不同排气方式的排气效果计算。附图清楚看出在相同排气面积下，不同方式如真空阀、标准排气道、搓衣板可达至的排气效率差异。帮助用户在模具设计初阶，快速评估和选择排气方式或真空压铸。
锌真空压铸
锌铸件的表面要求越来越高。由于锌压铸经常排气不足而导致铸件内部卷气过多，如何增加排气量是个重要课题。如果能成功应用真空压铸于锌热室工艺，对降低铸件含气量会有很大的效益。在欧洲，针对表面质量要求很高的锌铸件，真空压铸的应用越来越普遍。不过，锌的真空压铸要解决几个较难处理的问题：首先是要把真空阀安装在小型模具上。大部分的锌铸件都很小，使用在20-150T压铸机的模具，要在300mm边长的模具放置真空阀并不容易。如果为了装上真空阀而使用较大的压铸机，除了增加了生产成本外，增加了总排气量也令真空压铸的应用得不偿失。意大利的FondVacuum真空阀是专为锌合金小型模具开发的，最小的阀体面积只有43mmx57mm。CASTLE软件的液气两相流动计算，是分析真空压铸的理想工具。可以清晰观察自然排气和真空压铸的分别。最明显的是型腔气压的不同，空气阻力的降低，令流态喷溅
总结
要成功利用模流分析来模拟锌合金压铸，软件要能符合它的特点，包括材料、铸件设计和工艺特殊性。Castle软件正好符合以上条件，从而帮助客户正确分析充型过程和改善浇排设计。软件的液气两相流动模拟，正符合锌压铸快速填充的气压阻力模型。专有的混合网格化模式，正符合锌铸件的薄浇口特点；不失真的几何网格，是准确充型计算的必要条件。材料数据库含细致的材料特性，包括流变、表面张力等，使充型计算和凝固过程更真实。内置的工艺设置，更接近真实的压射曲线，提供可靠的含气量分布计算。
由于二速需要提前切换，锌合金的模具浇道很容易卷气，并把卷气带进型腔。CASTLE的浇道快速评估模块可以诊断浇道的偏流/卷气位置，供及时修改。软件的智能化PQ计算，建议模具浇口面积和压射参数等。软件提供了排气面积的排气效率，帮助客户判断应否使用真空压铸方式，进一步提高铸件质量。
我司的技术团队可为客户提供模具设计方案、模流分析和培训服务。
