HPDC工艺优化与成本降低
Malte Leonhard和Florian Wirth，Flow Science Deutschland GmbH
本文案例由 FLOW-3D CAST 的长期用户 Project Engineering GmbH 提供。通过对比两种不同的铸件设计方案，在开发阶段分析充填过程，并借助 FLOW-3D CAST 优化铸造参数，提供全方位支持，从而实现压铸工艺的最佳实践，并带来显著的经济效益。
内浇口位置采用金属进料方式
在开发初期，金属进料可以通过内浇口位置提供进料方案。通过调整内浇口的位置、尺寸和金属速度等参数，可有效评估金属流动情况，达到定向充填、优化溢流槽和排气系统等关键目标。
影片展示了三种不同内浇口设计在充填柱状结构时的表现：
- 版本 1 和 版本 3 出现了大面积的滞留空气区域；
- 版本 2 实现了平稳顺畅的充填过程，两个金属前沿同时推进，连续填满铸件结构；
- 通过将内浇口系统布置在结构的中央位置，使得空气能够顺利从 T 型区域排出，有效提升了排气效果。
优化流道设计
另一个关键改进是优化内浇口的几何形状。参考文献 [1] 中的研究，原始的柱状结构流道设计进行了优化，使内浇口截面能够达到最优配置。这项优化有助于最大程度降低湍流，提升整体铸件的质量。
这种改善可最大限度地减少湍流场并提高整体铸造质量。
从影片中可看到两种不同流道系统设计的柱状结构充填比较：
- 版本 1：在内浇口处可以看到尾流区，导致空气滞留。
- 版本 2：通过减少沿弦线的突然横截面变化，空气滞留明显减少。
- 尾流区消失，金属前沿与铸件无缝熔合。
客户案例研究：Project Engineering GmbH 实现铸造工艺优化并降低成本
Andreas Harborth, Project Engineering GmbH
Project Engineering GmbH
成功应用 FLOW-3D CAST 在压铸工艺中生产最佳的油底壳盖。
初始状态：
- 年产量：60,000 件/年
- 冲头直径 100 mm
- 机台吨位：1600吨
- 合金：EN AC-AlSi9Cu3(Fe)
- 毛坯重量：2885克
- 充型和凝固时间：26.5秒
最终客户目标是在维持或提升产品质量的前提下，优化工艺流程，实现成本下降 3%。
初始设计方案的铸件
优化目标：
- 提高铸造效率
- 减少回收材料的重量（如流道和排气系统）
- 缩短成型节拍时间
- 最大限度地降低废品率，提高制程稳定性
初步设计中确定的关键问题
- 通过评估初始方案发现以下特定领域需要改进：低填充率（23%）—低填充率和冲头速度（0.15 m/s）导致第一阶段循环时间较长。
- 铸件与产品重量比高（2.2:1）－表示流道和多余材料占比较大，不仅增加材料回收成本，也对锁模力和凝固时间提出更高要求。
- 废品率高－由于空气滞留，导致铸件中孔隙率过高，暴露出当前排气策略存在不足，急需优化。
原始方案（气体粒子）
原始方案（凝固顺序）
使用 FLOW-3D CAST 进行优化
通过重新设计浇铸系统和填充策略，实现了性能与经济层面的显著提升：
最终优化后铸件
- 收入增加 165% – 提高工艺效率使总收益从每年约€38,000 增加至 €100,000。
- 压铸机吨位变小——投影面积优化后，所需锁模力降低至 1200 吨，带来设备与生产时间成本的双重节省。
- 体积孔隙率减少 62% – 通过优化排气系统与内浇口设计，显著减少湍流，提升气体排出效率。
- 铸件重量减少 14% – 总重量从 2885 克降至 2470 克，节省材料同时降低熔炼能耗。
- 节拍时间缩短 10% – 由于填充阶段优化及冲头直径减小，凝固时间缩短。若提前 6 秒开模取件，每小时产量最多可增加 7 件，生产效率显著提升。
最终优化方案（气体粒子）
最终优化方案（凝固顺序）
整体铸件质量提高了50％，满足客户对泄漏和孔径的要求。这直接提高了产量和盈利能力，确保所要求3%的价格降低，同时仍将利润率提高了165%。
上面影片比较了初始方案和最终优化方案的填充行为。
第一个影片显示填充阶段速度大小；第二个影片显示卷气含量。在初始方案中，有几个工艺存在明显问题。
- 低速阶段耗时明显较长，导致向下一阶段的高速延迟。
- 在高速填充阶段，流道中会出现可见的熔体飞溅，导致流动紊乱。
- 在第二阶段，进内浇口之间会形成较大的尾流区，难以排出空气。
最终优化方案显示更快、更可控的填充过程。
- 优化后的流道系统实现了熔体前沿的无缝推进，有效地将空气引导至排气系统中排出。
- 此项改进最大程度减少卷入，显著降低了气孔形成的风险。
- 这些优化带来的效果包括更加稳定且均匀的填充过程，在模拟动画中可以清晰地观察到其改进表现。
参考文献
[1] Nogowizin (2010) Theorie und Praxis des Druckgusses
原厂网址
https://www.flow3d.com/hpdc-system-optimization-and-cost-reduction/