應對“時間就是市場”商業環境的壓鑄關鍵技術

“時間就是市場” (Time To Market)，對工業界而言，是一個嶄新而又永恒的話題。既是挑戰，也是各大廠商的發展目標。隨著社會的進步與經濟的發展，這一主題將更為突出。例如，去年全球有500個新車型上市，平均2天就有一款新車呈現在您的面前。3C及家電產品更為突出，80%以上的利潤來源于新近不超過兩年的產品。所以，快速、高效地開發新產品是競爭取勝的一個關鍵因素。

和其他行業一樣，鑄造業也正經受著前所未有的挑戰。本文針對“時間就是市場”這一商業需求，介紹 C3P Cast-Designer完整的鑄造設計與分析系統，對突破性的壓鑄關鍵技術進行討論。

1.?產品可制造性評估

產品可制造性評估（Design ForManufacturing, DFM），直接體現在最終產品的“舒暢制造”上。主機廠在設計的過程中，首要關注的是產品的功能與結構。而由于設計師經驗的局限，某些產品并未能充分考慮其可制造性，從而大大增加了后期工藝設計的難度。

“產品”是源頭，其重要性不言而喻，可DFM分析卻面臨種種困難。首先，高度依賴于工程師的經驗；其次，商業DFM軟件寥寥無幾，目前的三維CAD軟件缺乏專門的判斷能力，只能通過切取橫截面的方式進行分析，不僅耗費時間也容易忽視一些重要的特征。

Geo-Designer?是專為產品工程師和模具設計師設計的先端協同 DFM?分析工具。能快速、簡單、準確地確定三維產品模型的關鍵區域，其內容包括鑄件的基本信息（如重量、體積、各方向投影面積等）、質量分布檢查、冷卻速率分析、壁厚檢查、澆冒口設計、拔模斜度分析、產品倒角探測、熱分布指數、頂出力大小分布、滑塊檢查等。而另一個尤為突出的優點是，Geo-Designer非常容易使用，即使是銷售人員和產品報價人員，也能輕松應對。

左圖：X光探傷的照片，顯示縮孔缺陷 右圖：Geo-Designer的質量分布指數， 整個分析過程只需要2分鐘 （資料來源：通用汽車）

這些先天性的問題，早在產品設計階段，即可避免！增強鑄件的DFM評估，并非僅是主機廠的任務。對模具開發早期，也有著重要的意義。這些信息將直接影響到模具工藝設計的方案選擇，例如內澆口的位置、第三相保壓、冷卻管道的排布（帶走模具局部熱量達到溫度平衡）、局部擠壓銷的特殊模具結構來減少或消除縮孔缺陷等。

2.?盡最大努力設計好流道

“80%的產品質量問題，來源于工藝設計的好壞”，流道設計可以說是壓鑄模工藝設計中的核心部分。其設計的優劣，直接影響產品的品質。

2.1?專家系統的引入

目前，流道設計仍然是一項依賴“經驗”的工作。工程師往往會運用書本上的一些經驗公式，或通過Excel表格等工具，計算出一系列鑄造的工藝參數。再通過三維CAD軟件，完成造型設計。這種基于經驗的設計，為鑄造業帶來前所未有的挑戰。同時，現有的CAD軟件只提供了三維造型能力，無法計算出設計所必須的鑄造工藝參數，也不能把計算好的參數正確傳遞到CAD環境中，達到同步與聯動，更不能給出流道設計方案的建議。有鑒于此，引入流道設計專家系統，采取規范化設計非常必要。

Cast-Designer的設計專家系統，提出“基于工程經驗的設計”的概念，屬于知識型（Knowledge-based）的設計產品。利用這個軟件，三十分鐘即可完成包括澆鑄系統、溢流槽和排氣系統以及冷卻水道的設計。

上圖的設計向導將引導工程師完成優質的設計，通過輸入鑄件的基本信息（如重量、壁厚、材質）程序將給出一系列的鑄造工藝參數最佳建議數值，其中包括最佳充型時間范圍、內澆口速度范圍、內澆口面積與厚度等。在選擇壓鑄機之后，能快速對一速、二速及轉換點、整個流道的加速比等提供參數建議，并能實時調整，形成最后的截面積設計方案。通過PQ圖的即時校驗，匹配出最佳的模具-設備組合。值得一提的是鑄件分區功能，可以計算出每個內澆口所需要的金屬量，這讓整個充型過程更加平穩，避免金屬液包卷產生的缺陷。

2.2?基于經驗的設計，是設計而非畫圖

理論上說，任何三維CAD軟件都能進行壓鑄模流道設計，實際上，提供的是“三維造型”能力，而非設計。

左圖：采用傳統三維CAD設計的流道，工程師具備4年設計經驗，但橫截面積控制并不合理；右圖：采用Cast-Designer設計的流道，能完美控制流道截面積和加速比。

另外一個可圈可點的亮點是一鍵式流道設計功能，利用經驗知識庫，把常用的流道進行分類并形成經驗知識庫，然后數字化，以后碰到類似的產品即可直接調用，這樣充分借鑒了以往的設計經驗并大大縮短了設計和操作的時間。

2.3?反復對比才能擇優選擇

“好武功，是練出來的；好方案，是選出來的”，工業沒有捷徑，任何一個優秀的設計，必須經過多個方案反復比較，才能擇優選擇！

3.?采用前端分析的工業需求與迫切性

事實證明，在設計階段，經過越充分的驗證，模具制造并投入生產之后，產品缺陷問題越少。因此，許多的企業都已經相繼引入了各種商業模擬軟件并應用到實際的工作流程中，期盼節約成本，縮短周期。但企業很快就會發現，從三維數模開始，網格劃分建立分析模型，到最后獲得分析結果，需要3~5天的時間。如果設計方案需要變更，又要幾天，這根本無法滿足大部分企業對開模時間的要求。所以，CAE分析普遍只用于不容有失的核心模具開發中，或者是上游廠商強烈要求分析報告的時候，才應付了事。更有甚者，則淪為擺設，多年不用。

Cast-Designer的前端分析技術是最近幾年在全球廣泛使用的熱門應用。“快速”“有效”是前端分析的關鍵詞。

上圖為某汽車零件工藝設計階段的前端分析過程，包括充型與凝固。前端分析的美妙之處就在于能在概念設計階段，迅速評估多個工程方案，在最短時間內提供足夠準確的結果，做出正確的工程決策。

與此同時，Cast-Designer也提供了最佳的易用性，超強的CAD容錯能力，無需任何CAD修復。多項網格劃分的革命性技術，讓建模輕而易舉。

值得一提的是，對于企業而言，準確的分析結果并未帶來直接的價值，傳統CAE工具僅提供分析功能，即使結果再準確，再接近現場實物，也只是做到了“確診”，但企業最需要的是“治療”的方案。

結論與建議

面對日新月異的市場變化，汽車、3C和各種消費產品的更新換代非常迅速，產品外觀也越來越時尚和復雜，如何在有限的設計周期內，獲得高質量的設計，成了一線廠家的制勝之道。而要達到這一目標，除了要有豐富的設計經驗外，也要依靠科學的工具。

在產品設計階段，如何有效地提前進行協同設計和制造性評估是順利制造的關鍵；在模具設計階段，如何進行整個流道方案的設計，通過控制入水方式與位置、流道橫截面積、調整溢流槽的排布達到預想的流動狀態和消除缺陷；應用前端設計分析技術的意義在于，從流道的快速設計，到鑄造過程的模擬預測，再到方案修改，都能把控在1至2個小時內。這樣，我們幾乎能在一個工作日內，完成4到5個流道方案的評估，從中確定最優的設計方案。

審核編輯：符乾江