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在大型铸件生产中释放铸造模拟的力量
模拟技术如何关键地提高制造效率
在制造业中，精度和效率至关重要。有一种工具彻底改变了我们处理铸造工艺的方式，那就是铸造模拟。试错的时代已经一去不复返了，因为这项技术可以让我们以前所未有的精确度预测、分析和优化铸造工艺的方方面面。
在这里，产品营销经理 Mark Vroljik 与铸造专家兼 ESI ProCAST 铸造解决方案产品经理 Loic Calba 讨论了使用铸造模拟的主要优势，并探讨了它能提供哪些洞察。
什么是铸造，何时使用？
[Loic Calba] 铸造过程包括将熔融金属倒入模腔，使其凝固并形成模具形状，然后进行脱模和脱脂、清理、机加工和精加工等后处理操作。
铸造工艺广泛应用于各行各业，包括汽车、航空航天、重型机械和船舶。在汽车和航空航天工业中，由于铸造工艺能够生产出具有高强度重量比的复杂形状，因此被广泛用于制造发动机部件、传动部件和结构部件。在重型机械领域，铸造可用于生产尺寸通常达数米的大型部件，如泵、外壳和铸锭。此外，船舶工业也依靠铸造来制造船舶部件、螺旋桨和海上结构。
主要的铸造工艺包括砂型铸造、熔模铸造和压铸。砂模铸造是用砂与粘合剂混合制成模具，然后将模具包覆在模型周围，再将熔融金属浇注到型腔中。这种工艺用途广泛，成本效益高，适合生产中小批量的大型复杂零件。熔模铸造又称失蜡铸造，利用涂有陶瓷浆料的蜡型形成模具，然后将其熔化，留下用于浇注熔融金属的型腔。这种工艺非常适合制造表面光洁度极佳的复杂高精度零件，因此适用于航空航天、汽车和医疗行业。压铸是在高压下将熔融金属注入钢模腔，生产出公差小、表面光滑的零件，常用于大批量生产几何形状复杂的零件，如汽车零件和消费电子产品。
铸造发动机部件示例
如何确定哪种铸造工艺最适合您的部件？
[LC] 在选择高压压铸、熔模铸造或砂型铸造时，要根据部件的复杂程度、产量、材料特性和表面光洁度要求等因素进行考虑。高压压铸适用于大批量生产具有严格公差的复杂几何形状的零件，通常由铝、锌或镁等有色金属制成。熔模铸造又称精密铸造，适用于生产高度精细、接近净形、表面光洁度和尺寸精度极佳的零件，尤其适用于中低产量或铸造材料熔点较高的情况，如不锈钢、钛或超级合金。砂型铸造非常适合生产中小批量的大型和重型部件，具有铸造各种金属和合金（包括黑色和有色金属材料）的多功能性，同时可为原型或短期生产提供具有成本效益的工具和设置。
超大型铸件是目前汽车行业的主要趋势；什么是超大型铸件？
[LC] Mega（也称 Giga）casting是使用先进铸造技术生产的大型单件铸件，通常用于汽车结构部件，如车架或电池外壳。这些铸件的特点是尺寸巨大、几何形状复杂，使用传统方法制造往往具有挑战性。在汽车行业，Giga casting越来越多地用于减轻重量、提高结构完整性和简化装配流程。通过将多个较小的部件整合到一个giga casting中，汽车制造商可以显著减轻重量，同时提高车辆的整体刚性和耐撞性。此外，mega casting还具有降低制造复杂性、降低装配成本和提高可扩展性等优点，使其成为电动汽车（EV）和其他先进汽车应用领域极具吸引力的解决方案。
与标准结构件相比，mega casting铸造件是否会带来不同的挑战？
[LC] 与标准铸件相比，mega casting因其巨大的尺寸、复杂的几何形状和严格的质量要求，给生产带来了诸多挑战。其中一个主要挑战是确保整个铸件的均匀凝固和冷却速度，以防止出现缩孔、气孔和热点等缺陷。此外，由于mega casting的尺寸和重量，处理和运输也是一项物流挑战，需要专门的设备和设施。在大跨度范围内保持尺寸精度和结构完整性也至关重要，这就需要对铸造参数和铸造后工艺进行精确控制。
使用诸如 ESI ProCAST 这样的铸造模拟软件有哪些主要优势？
[LC] 我们为 3 种主要铸造工艺及其许多变体提供了简单易用且高效的指导工作流程。铸造模拟在制造过程中具有多项关键优势，可在生产实物原型之前为工程师提供有关铸造过程的详细见解。通过铸造模拟，工程师可以准确预测和分析铸造过程的各个方面，包括模具填充、凝固、冷却速度以及气孔、缩孔和夹杂物等缺陷的形成。通过模拟这些过程，工程师可以优化铸造设计，最大限度地减少缺陷，并提高铸造部件的整体质量。此外，铸造模拟还可以探索不同的材料、工艺参数和几何形状，从而节约成本、缩短开发时间并提高制造过程的效率。
由于超大型铸件的复杂性，模拟绝对是获得正确工艺的关键，它可以确保您获得所需的特性和性能，而不会陷入无休止的物理迭代循环，从而导致交付周期长、成本高。
关于这些部件的仿真特性，ESI ProCAST 尤其适用于这些类型部件的建模，因为该解决方案具有出色的可扩展性，最多可扩展至 32 个内核。此外，我们的解决方案不仅提供标准填充和凝固阶段的功能，还考虑了高压压铸过程的所有方面：从模具加热和喷射，到零件顶出、切割和冷却。甚至还可以考虑铸造后工艺，如各种热处理工艺，并最终将铸件的制造性能纳入性能测试，因为毕竟您不希望这些部件在碰撞事件中严重受损。
第三个重要方面是，准确预测正确浇铸零件所需的闭合力绝对是关键。由于这些零件非常巨大，生产它们所需的压力机也非常大，需要非常高的闭合力来承受铸造周期中的内部压力。要准确预测所需的最小合模力，就必须将充型和凝固过程中的浇注液以及可能的空气夹带包括在内，因为这将极大地影响模具内所需的局部压力，如果在模拟过程中没有很好地考虑到这一点，就可能导致所选机器无法生产零件。由于 ESI ProCAST 是一种两相解决方案，即考虑到空气和流体的相互作用，因此可以很好地解决这方面的问题。
汽车公司用ESI ProCAST开始模拟这些零件是多么容易？
[LC] 原则上说，如果客户已经熟悉高压压铸模拟，他们应该能够设置标准的填充和凝固模拟，而不需要额外的培训。不过，由于模型大小和对象数量也相当庞大，需要掌握的复杂性也不多。这就需要一个简洁的对象命名和排序结构，还需要注意正确网格化组件。
通常比较 "棘手 "的部分是正确建模，以获得零件中的准确应力，因为这些应力最终是脱模后和冷却至室温期间产生变形的根源。您不难想象，应力分布的微小变化都会对此类大型零件的最终变形量产生不可忽视的影响。幸运的是，得益于我们应力求解器的有限元基础，这部分问题得到了很好的解决，即使是这些大型部件的变形也可以在几毫米的公差范围内进行预测！
但是，为了确保我们的客户在这些昂贵的部件上获得正确的结果，我们通常会在这一过程中为他们提供密切的指导，并在首次试验期间逐步指导他们开发所需的专业知识，并在这些复杂部件的建模过程中获得洞察力和信任。
如果您想了解更多相关信息，我们将于 2024 年 5 月 22 日举办 "MegaCasting：汽车制造的未来工程！"网络研讨会
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Dive Deeper on Virtual Modeling of Mega Casting with the ProCAST Software
Given the critical importance of getting the design right before production, our webinar, 'MegaCasting: Engineering the Future of Automotive Manufacturing,' dives into the key engineering insights behind this breakthrough technology. Learn how ESI’s ProCAST optimizes precision casting, addresses technical challenges, and drives innovation in automotive manufacturing.
updated:12/3/2025
Author
Mark Vrolijk
Senior Product Marketing Manager
After completing his masters at the faculty of Aerospace Engineering at the Delft University of Technology, Netherlands, Mark Vrolijk started his career with ESI in June of 2000 as a technical support engineer for ESI’s Virtual Manufacturing Portfolio. His specialty focus was on the sheet metal forming processes. After holding various positions in the sheet metal forming trade, including technical product manager, product marketing manager, and strategy manager, he is now currently working as a senior product marketing manager for all ESI’s Smart Manufacturing solutions.
领域: Automotive