JSCAST－铸造模拟|重力铸造|压铸|低压铸造|差压铸造|倾斜铸造|半固态铸造|精密铸造

铸造CAE软件JSCAST在压力铸造中的应用

朱金东¹，村上俊彦²，大中逸雄³

1: Multi-Flow Software Co. Ltd; 2: 高力科株式会社; 3: I.E.Solutions

摘要：铸造CAE软件在发达国家铸造企业中已基本普及。国内的铸造产业，由于来自产品质量，生产成本及生产周期的国际及国内同行间的竞争日趋激烈，越来越多的铸造企业已经意识到了应用铸造CAE软件的重要性。本文简单介绍了由日本高力科公司（旧小松软件）和日本大阪大学大中逸雄研究室联合研发的铸造专用CAE软件JSCAST。并介绍了JSCAST在压力铸造工艺中的一些应用实例。

关键词：JSCAST, 铸造CAE, 压力铸造，卷气，背压，铸造缺陷

JSCAST是由日本高力科公司（旧小松软件）和日本大阪大学大中逸雄研究室联合研发的铸造专用CAE软件。第1版本的SOLDIA于1986年首次在日本国内开始销售，至今已有20年的研发历史。在日本国内，JSCAST已拥有300多家客户（500多套安装软件）。在日本的客户中，员工人数为千人以上的大型企业约占37％，中小企业占63％。按铸造工艺划分，重力铸造和压力铸造客户最多，各占总用户的59％和25％，其它有低压铸造，精密铸造，连铸等。以下以压力铸造为例，简单介绍JSCAST的数值计算原理及JSCAST在压铸设计及生产中的应用实例。

1 数值解析方法简介

JSCAST对温度场（Fourier方程）及流场（Navier-Stokes方程和连续性方程）的数值计算，均采用直接差分法^1,2)。直接差分法与有限体积法较类似。与有限差分法相比，导入各种物理量和适应于各种边界条件的柔软性较好。与有限元法相比，其数值离散化过程更简单且直观。流场与温度场的耦合，采用热涵法，凝固过程中，潜热的释放处理，采用温度恢复法¹⁾。另外，自由表面的移动推算，采用了独自开发的β法^2,3)。JSCAST流动计算采用的主计算器在1995年伦敦召开的国际会议上，曾荣获最佳充型流动模拟奖⁴⁾。

2 考虑背压的充型流动解析⁵⁾

冷隔，浇不足，流痕，气孔等是压力铸造中常见的铸造缺陷。这些压铸常见铸造缺陷通常与浇铸温度及模具温度过低或充型时间过长有关。另外，由于压铸工艺的特点（压射速度快，充型时间短，铸件壁厚薄），浇铸系统及排气系统的不合理设计易造成卷气，卷气通常也是造成各种压铸缺陷的主要原因。

图1和图2是JSCAST计算背压（空型腔内的气体压力）,卷气和通过排气孔的排气流动的示意图。

1) 各空型腔部位的背压将用做液体金属流动计算的边界压力。当背压较高时, 液体金属的流动速度就会受阻而减慢（图1）。

2) 充型过程中,各未充填部位将按其连续性分组。图2中的GP1,GP2和GP3表示3个不连通的未充填部位，或称为气体单元组。GP1和GP2与排气孔的通道已被液体金属切断，因此GP1和GP2即为两处卷气发生部位。

3) 与排气孔不连通的气体单元组（图2中的GP1,GP2），其现在时刻的压力可根据前一时刻的气体含量，压力，体积和现在时刻的体积算出。与排气孔连通的气体单元组（图2中的GP3），需首先计算通过排气孔排出的气体量（质量或摩尔量），然后才能计算出其现在时刻的最新压力。

3 解析实例

3.1 镁合金笔记本电脑壳体压铸件（资料提供：富士通）

图3是JSCAST成功预测镁合金压铸件孔洞缺陷生成原因及成功修改铸造方案的实例。通过计算，发现孔洞缺陷生成的主要原因是卷气，排除了液体金属前沿温度过低的可能性。从改良铸造方案（内浇口和集渣包）的计算结果（图3-d,e）可见，卷气缺陷发生的可能性较小，此计算结果在实际生产中得到了验证，为提高成品率作出了贡献。

3.2 铝合金硬盘壳体压铸件（资料提供：东芝机械）

图4是通过修改压射条件解决卷气缺陷的实例。高速压射速度由旧方案的1m/s改为4m/s后，从计算结果（图4-d,e）及试生产结果（图4-b,c）的比较可见，螺孔加工部位的卷气缺陷问题可成功解决。

3.3 模具内部冷却水套的设计（资料提供：东芝机械）

图5是使用JSCAST成功设计压铸模具冷却水套的实例。由于脱模剂的要求，喷涂脱模剂时，模具表面温度需控制在230℃以下。通过模拟，模具内部开设了23条冷却水套，从而将模具表面温度成功地控制在规定范围内，提高了脱模剂的涂敷性能。

4 结束语

压铸件中的常见铸造缺陷，通常有以下解决对策。

a) 修改铸造参数，即压射速度变化曲线，浇注温度，模具初始温度的优化设计（成本低）。

b) 修改模具，即浇注系统（料口开设位置，内浇口个数及开设位置，内浇道角度及厚度变化曲线）和排气系统（集渣包及排气孔的开设位置，个数，形状尺寸）的优化设计（成本较高）。

c) 更换压铸机（合型力及冲头压力，冲头直径，压射速度，加速及减速性能，压射速度变化曲线的精密控制等）（成本最高）。

由于压铸件的形状通常极为复杂并且富于变化，其铸造缺陷产生的可能性及有效解决方案很难从以往的经验中找到正确答案。随着铸造过程模拟技术的发展和预测精度的进一步提高，铸造CAE软件必将会成为铸造工艺设计中不可缺少的有力工具。本论文借此机会，向读者介绍在日本广受用户好评的JSCAST。希望有更多的中国铸造企业了解和使用JSCAST。更希望JSCAST能为提高中国铸造企业的竞争能力做贡献。

参考文献

1) 大中逸雄：コンピュータ伝熱・凝固解析入門-鋳造プロセスへの応用，丸善（1985)

2) 朱金东,大中逸雄：铸造工学,Vol68 (1996), p668, “直接差分法による湯流れの３次元コンピュータシミュレーション”

3) J.D.Zhu and I.Ohnaka: “Treatment of Free Surface Boundary Conditions for the Simulation of Mold Filling”, Proceedings of MCSP (1995, Hitachi, Japan), Ed by E.Niyama and H.Kodama, p359.

4) I.Ohnaka and J.D.Zhu:“Computer Simulation of Fluid Flow and Heat Transfer of the Bench Mark Test by DFDM/3DFLOW”, Proceedings of MCWASP VII (1995, London, UK), Ed by M.Cross and J.Campbell, p971.

5) A.Kimatsuka, I.Ohnaka, J.DZhu, A.Sugiyama and Y.Kuroki: “Mold Filling Simulation for Predicting Gas Porosity”, Proceedings of MCWASP XI (2006, France), Ed by C.AGandin and M.Bellet, p603.