應(yīng)對(duì)“時(shí)間就是市場(chǎng)”商業(yè)環(huán)境的壓鑄關(guān)鍵技術(shù)

“時(shí)間就是市場(chǎng)” (Time To Market)，對(duì)工業(yè)界而言，是一個(gè)嶄新而又永恒的話題。既是挑戰(zhàn)，也是各大廠商的發(fā)展目標(biāo)。隨著社會(huì)的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這一主題將更為突出。例如，去年全球有500個(gè)新車(chē)型上市，平均2天就有一款新車(chē)呈現(xiàn)在您的面前。3C及家電產(chǎn)品更為突出，80%以上的利潤(rùn)來(lái)源于新近不超過(guò)兩年的產(chǎn)品。所以，快速、高效地開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品是競(jìng)爭(zhēng)取勝的一個(gè)關(guān)鍵因素。

和其他行業(yè)一樣，鑄造業(yè)也正經(jīng)受著前所未有的挑戰(zhàn)。本文針對(duì)“時(shí)間就是市場(chǎng)”這一商業(yè)需求，介紹 C3P Cast-Designer完整的鑄造設(shè)計(jì)與分析系統(tǒng)，對(duì)突破性的壓鑄關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論。

1.?產(chǎn)品可制造性評(píng)估

產(chǎn)品可制造性評(píng)估（Design ForManufacturing, DFM），直接體現(xiàn)在最終產(chǎn)品的“舒暢制造”上。主機(jī)廠在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首要關(guān)注的是產(chǎn)品的功能與結(jié)構(gòu)。而由于設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)的局限，某些產(chǎn)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(shè)計(jì)的難度。

“產(chǎn)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(lài)于工程師的經(jīng)驗(yàn)；其次，商業(yè)DFM軟件寥寥無(wú)幾，目前的三維CAD軟件缺乏專(zhuān)門(mén)的判斷能力，只能通過(guò)切取橫截面的方式進(jìn)行分析，不僅耗費(fèi)時(shí)間也容易忽視一些重要的特征。

Geo-Designer?是專(zhuān)為產(chǎn)品工程師和模具設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的先端協(xié)同 DFM?分析工具。能快速、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確地確定三維產(chǎn)品模型的關(guān)鍵區(qū)域，其內(nèi)容包括鑄件的基本信息（如重量、體積、各方向投影面積等）、質(zhì)量分布檢查、冷卻速率分析、壁厚檢查、澆冒口設(shè)計(jì)、拔模斜度分析、產(chǎn)品倒角探測(cè)、熱分布指數(shù)、頂出力大小分布、滑塊檢查等。而另一個(gè)尤為突出的優(yōu)點(diǎn)是，Geo-Designer非常容易使用，即使是銷(xiāo)售人員和產(chǎn)品報(bào)價(jià)人員，也能輕松應(yīng)對(duì)。

左圖：X光探傷的照片，顯示縮孔缺陷 右圖：Geo-Designer的質(zhì)量分布指數(shù)， 整個(gè)分析過(guò)程只需要2分鐘 （資料來(lái)源：通用汽車(chē)）

這些先天性的問(wèn)題，早在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，即可避免！增強(qiáng)鑄件的DFM評(píng)估，并非僅是主機(jī)廠的任務(wù)。對(duì)模具開(kāi)發(fā)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(shè)計(jì)的方案選擇，例如內(nèi)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(dá)到溫度平衡）、局部擠壓銷(xiāo)的特殊模具結(jié)構(gòu)來(lái)減少或消除縮孔缺陷等。

2.?盡最大努力設(shè)計(jì)好流道

“80%的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，來(lái)源于工藝設(shè)計(jì)的好壞”，流道設(shè)計(jì)可以說(shuō)是壓鑄模工藝設(shè)計(jì)中的核心部分。其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，直接影響產(chǎn)品的品質(zhì)。

2.1?專(zhuān)家系統(tǒng)的引入

目前，流道設(shè)計(jì)仍然是一項(xiàng)依賴(lài)“經(jīng)驗(yàn)”的工作。工程師往往會(huì)運(yùn)用書(shū)本上的一些經(jīng)驗(yàn)公式，或通過(guò)Excel表格等工具，計(jì)算出一系列鑄造的工藝參數(shù)。再通過(guò)三維CAD軟件，完成造型設(shè)計(jì)。這種基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，為鑄造業(yè)帶來(lái)前所未有的挑戰(zhàn)。同時(shí)，現(xiàn)有的CAD軟件只提供了三維造型能力，無(wú)法計(jì)算出設(shè)計(jì)所必須的鑄造工藝參數(shù)，也不能把計(jì)算好的參數(shù)正確傳遞到CAD環(huán)境中，達(dá)到同步與聯(lián)動(dòng)，更不能給出流道設(shè)計(jì)方案的建議。有鑒于此，引入流道設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)，采取規(guī)范化設(shè)計(jì)非常必要。

Cast-Designer的設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)，提出“基于工程經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)”的概念，屬于知識(shí)型（Knowledge-based）的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。利用這個(gè)軟件，三十分鐘即可完成包括澆鑄系統(tǒng)、溢流槽和排氣系統(tǒng)以及冷卻水道的設(shè)計(jì)。

上圖的設(shè)計(jì)向?qū)⒁龑?dǎo)工程師完成優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)，通過(guò)輸入鑄件的基本信息（如重量、壁厚、材質(zhì)）程序?qū)⒔o出一系列的鑄造工藝參數(shù)最佳建議數(shù)值，其中包括最佳充型時(shí)間范圍、內(nèi)澆口速度范圍、內(nèi)澆口面積與厚度等。在選擇壓鑄機(jī)之后，能快速對(duì)一速、二速及轉(zhuǎn)換點(diǎn)、整個(gè)流道的加速比等提供參數(shù)建議，并能實(shí)時(shí)調(diào)整，形成最后的截面積設(shè)計(jì)方案。通過(guò)PQ圖的即時(shí)校驗(yàn)，匹配出最佳的模具-設(shè)備組合。值得一提的是鑄件分區(qū)功能，可以計(jì)算出每個(gè)內(nèi)澆口所需要的金屬量，這讓整個(gè)充型過(guò)程更加平穩(wěn)，避免金屬液包卷產(chǎn)生的缺陷。

2.2?基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，是設(shè)計(jì)而非畫(huà)圖

理論上說(shuō)，任何三維CAD軟件都能進(jìn)行壓鑄模流道設(shè)計(jì)，實(shí)際上，提供的是“三維造型”能力，而非設(shè)計(jì)。

左圖：采用傳統(tǒng)三維CAD設(shè)計(jì)的流道，工程師具備4年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，但橫截面積控制并不合理；右圖：采用Cast-Designer設(shè)計(jì)的流道，能完美控制流道截面積和加速比。

另外一個(gè)可圈可點(diǎn)的亮點(diǎn)是一鍵式流道設(shè)計(jì)功能，利用經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)，把常用的流道進(jìn)行分類(lèi)并形成經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)，然后數(shù)字化，以后碰到類(lèi)似的產(chǎn)品即可直接調(diào)用，這樣充分借鑒了以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并大大縮短了設(shè)計(jì)和操作的時(shí)間。

2.3?反復(fù)對(duì)比才能擇優(yōu)選擇

“好武功，是練出來(lái)的；好方案，是選出來(lái)的”，工業(yè)沒(méi)有捷徑，任何一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，必須經(jīng)過(guò)多個(gè)方案反復(fù)比較，才能擇優(yōu)選擇！

3.?采用前端分析的工業(yè)需求與迫切性

事實(shí)證明，在設(shè)計(jì)階段，經(jīng)過(guò)越充分的驗(yàn)證，模具制造并投入生產(chǎn)之后，產(chǎn)品缺陷問(wèn)題越少。因此，許多的企業(yè)都已經(jīng)相繼引入了各種商業(yè)模擬軟件并應(yīng)用到實(shí)際的工作流程中，期盼節(jié)約成本，縮短周期。但企業(yè)很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)，從三維數(shù)模開(kāi)始，網(wǎng)格劃分建立分析模型，到最后獲得分析結(jié)果，需要3~5天的時(shí)間。如果設(shè)計(jì)方案需要變更，又要幾天，這根本無(wú)法滿足大部分企業(yè)對(duì)開(kāi)模時(shí)間的要求。所以，CAE分析普遍只用于不容有失的核心模具開(kāi)發(fā)中，或者是上游廠商強(qiáng)烈要求分析報(bào)告的時(shí)候，才應(yīng)付了事。更有甚者，則淪為擺設(shè)，多年不用。

Cast-Designer的前端分析技術(shù)是最近幾年在全球廣泛使用的熱門(mén)應(yīng)用。“快速”“有效”是前端分析的關(guān)鍵詞。

上圖為某汽車(chē)零件工藝設(shè)計(jì)階段的前端分析過(guò)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(shè)計(jì)階段，迅速評(píng)估多個(gè)工程方案，在最短時(shí)間內(nèi)提供足夠準(zhǔn)確的結(jié)果，做出正確的工程決策。

與此同時(shí)，Cast-Designer也提供了最佳的易用性，超強(qiáng)的CAD容錯(cuò)能力，無(wú)需任何CAD修復(fù)。多項(xiàng)網(wǎng)格劃分的革命性技術(shù)，讓建模輕而易舉。

值得一提的是，對(duì)于企業(yè)而言，準(zhǔn)確的分析結(jié)果并未帶來(lái)直接的價(jià)值，傳統(tǒng)CAE工具僅提供分析功能，即使結(jié)果再準(zhǔn)確，再接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物，也只是做到了“確診”，但企業(yè)最需要的是“治療”的方案。

結(jié)論與建議

面對(duì)日新月異的市場(chǎng)變化，汽車(chē)、3C和各種消費(fèi)產(chǎn)品的更新?lián)Q代非常迅速，產(chǎn)品外觀也越來(lái)越時(shí)尚和復(fù)雜，如何在有限的設(shè)計(jì)周期內(nèi)，獲得高質(zhì)量的設(shè)計(jì)，成了一線廠家的制勝之道。而要達(dá)到這一目標(biāo)，除了要有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)外，也要依靠科學(xué)的工具。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，如何有效地提前進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)和制造性評(píng)估是順利制造的關(guān)鍵；在模具設(shè)計(jì)階段，如何進(jìn)行整個(gè)流道方案的設(shè)計(jì)，通過(guò)控制入水方式與位置、流道橫截面積、調(diào)整溢流槽的排布達(dá)到預(yù)想的流動(dòng)狀態(tài)和消除缺陷；應(yīng)用前端設(shè)計(jì)分析技術(shù)的意義在于，從流道的快速設(shè)計(jì)，到鑄造過(guò)程的模擬預(yù)測(cè)，再到方案修改，都能把控在1至2個(gè)小時(shí)內(nèi)。這樣，我們幾乎能在一個(gè)工作日內(nèi)，完成4到5個(gè)流道方案的評(píng)估，從中確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

審核編輯：符乾江