重力铸造模具冷却管路自动生成系统

冷却管道系统的自动生成是如何辅助重力铸造过程的?

在金属铸造过程中，铸件成形过程中的凝固热点通常会形成缩孔缺陷。因此，在设计铸造方案时，有必要判断凝固热点的位置，并在该位置设计冷却通道，以消除具有快速冷却效果的缩孔的发生。利用铸件凝固模拟软件，可以对铸件成形中缩孔的位置进行解释，并根据经验设计相应的冷却系统，但完成模拟的时间往往超过几个小时，导致开发进度延迟。该冷却管道自动生成系统可以帮助铸造行业真正解决重力铸造金属模具冷却管道设计问题。它是冷却系统设计专用计算机辅助软件的重要组成部分。使设计人员第一时间通过软件计算得到正确、最优的冷却管路设计，提高了铸造行业的改造，缩短了铸造行业的开发时间，节省了不必要的成本和浪费。铸件凝固模拟在铸造工业中得到了广泛的应用。许多商用凝固模拟软件可以通过冷却系统解决缩孔问题，达到相当的精度，实际铸造缺陷也得到了相当的验证。

• 冷却系统需要有经验的工程师来设计。
• 工程师需要多次试验和错误来测试最佳的冷却管道设计。
• 工程师需要了解计算机模拟和实际铸造。

许多形状复杂的铸件往往需要经过多次的试错来获得经验，但这些经验并不能为每一个新开发的铸件得到一个真正准确的冷却管尺寸和数量的设计。

为了缩短这一开发时间，业界开始应用所谓的基于铸造知识的专家系统数据库来辅助冷却系统设计。从已建立的冷却管道数据库系统出发，分析提出了一种可能的模具温度平衡方案设计。然而，该系统仅提供经验和参考资料，并不能解决实际铸造过程中的模温平衡问题。要解决实际铸件的凝固问题，首先要了解凝固过程中凝固缺陷的形成方式。因此，在凝固过程中，可以利用冷却效率来改变模具温度分布，实现定向凝固特性，缩短凝固时间，减少铸造周期时间，提高生产效率。

在铸造过程中，冷却过程中的传热有三种形式:

• 热量通过凝固的金属传递到模具上，通过热传导来提高模具的温度。
• 热量以对流和热辐射的形式从模具传递到空气中。
• 通过水和空气介质的冷却，热量迅速从模具中释放到空气中。

如果加载形状复杂的铸件的铸造方案三维图纸文件，则可以直接自动生成优化后的冷却系统设计系统:包括冷却管道的位置、数量、尺寸等，需要完成以下相关工作:

• 铸件在模具中凝固释放的总热量模式。
• 当热量传入模具时与冷却管道的热交换能力。
• 冷却系统设计指南和自动生成冷却管路的软件。

冷却回路自动生成的理论指导和系统设计

不同于以往的仿真软件(CAE)或建议系统数据库，基于铸造热输入输出的理论，给出了进口铸造方案的三维CAD文件，自动生成了解决铸造缺陷问题的铸造冷却系统模块设计。

利用关系式计算冷却过程中温度值的方法来了解以下问题:

• 铸造过程中铸件由液态向固态放热的模型关系。
• 冷却管道与模具之间的热交换模型关系。
• 通过冷却介质快速去除热量的热流密度模型关系。

针对上述问题，从凝固理论、流体力学和计算机流体数值模拟等方面进行了探讨:

• 应用凝固理论中的热含量和潜热公式进行计算。并对铸件在结晶器凝固过程中释放的最大热量进行了数值计算。
• 计算了不同条件下应用流介质与模具之间的界面换热系数。
• 通过单位时间带走的热流密度计算设计系统中冷却管道的位置、数量和尺寸。
• 在热平衡的基础上，建立了优化的模具冷却算法。利用Visual Basic程序与CAD软件连接，自动分析浇注方案产生的热量，并利用最合适的模具生产温度和凝固时间来构建最优的冷却系统设计。

利用铸造凝固模拟过程的传热结果，通过热点判断分析确定冷却管道的尺寸和数量。然后结合上一项建立的冷却管道数据库和热输出关系方程，自动生成铸件的最优三维冷却管道设计。设计规则计算的依据是铸件凝固释放的热量等于模型钢吸收的热量与冷却管道能带走的热量之和。冷却管道所能带走的热量，是铸件凝固释放热量的一定比例。这将随着冷却介质的不同而变化，因此有必要了解铸件在凝固过程中释放的热量包括热含量的显热和潜热。

为什么重力铸造工艺需要自动生成冷却管路系统?

传统的模具冷却系统设计仍然依赖于设计师的经验和有限的知识积累。然而，随着铸件越来越复杂，对冷却效率的要求越来越高，仅凭经验设计冷却系统已不能保证最优设计和最合适的参数。一个优秀的冷却系统需要充分考虑铸件各部分的质量和厚度分布。在壁厚较大的区域，即蓄热较多的区域，可以有针对性地进行换热，达到整体平衡。此外，铸件的冷却过程中应尽量使铸件凝固。凝固从浇口的最远端开始到流道的入口，最后凝固到流道和饼。否则，铸件内部会形成热点，导致宏观缩孔缺陷。

高压铸造因其生产效率高、可操作性好，已成为一种重要的铸造生产工艺。铸造过程包括充型阶段、凝固阶段和冷却阶段。在这一过程中，不仅充型阶段至关重要，凝固冷却阶段也至关重要，因为它直接影响到铸件的生产效率和质量。优良的冷却系统可以大大缩短冷却时间，提高铸件生产率，最大限度地减少由温度不均匀引起的各种缺陷，如热点、缩孔、残余应力不均匀、翘曲等。此外，它对模具寿命，产品释放等也很重要。模具本身可以看作是一个热交换器，它通过循环冷却介质带走熔融金属的热量。

铸件冷却系统由以下部分组成:

• 控温装置
• 泵
• 软管
• 供应和收集歧管
• 模具中的冷却通道

冷却管钻孔布置:

• 并联冷却管路:从制冷剂供给管汇到制冷剂收集管汇有多条通道。根据各冷却通道流动阻力的不同，各冷却通道内制冷剂的流速也不同，从而导致各冷却通道的换热效率不同，平行冷却通道之间可能存在冷却效果不均匀的情况。
• 串联冷却管:从制冷剂供应歧管到制冷剂收集歧管形成单流路，这是最常用的冷却通道布置方式。如果冷却孔管径均匀，则整个冷却系统的制冷剂可以设计为所需的湍流，以获得最有效的换热。对于大型模具，可能需要多套冷却管串联，以获得模具的均匀冷却。

冷却系统设计的基本原则:

• 管道的布置应均匀分布在金属填充区，并应考虑对模具热平衡的影响。
• 当铸件壁厚均匀时，冷却管与型腔之间的距离应尽可能相等。当壁厚不均匀时，可合理设计冷却水靠近空腔，以加强冷却。
• 合理选择冷却水管接头的位置，为不影响操作，应位于模具背面。
• 冷却管内冷却介质的流速必须是紊流的，因为紊流的产生可以提高散热率。

冷却管路的数据结构:

• 冷却系统列表:管理已建立的冷却管道，支持分组功能。例如，将活动侧的冷却管和固定侧的冷却管划分为两组。该程序自动显示冷却通道的总长度和表面积。您还可以使用此分类管理功能来设计不同的冷却水通道方案。
• 详细数据表:列出每个集群中每个分段的详细参数，包括位置坐标、长度、直径、方向等。每个段都是一个单独的CAD几何图形，除非用户执行布尔操作自动合并它们。
• 各段设计参数:显示冷却管道各段的设计参数。

在线冷却系统分析工作流程:

• 第一步:铸件质量分布分析
  EMDI的MDI即质量分布指数，可以简单理解为铸件的三维厚度分布。EMDI将铸件的三维厚度分布进行组织，并以云图的方式直接显示在铸件表面。EMDI没有单位，只有等级。牌号越大，零件的厚度越大。在EMDI的计算过程中，系统会在后台自动生成分析网格。用户可以自定义网格密度，较小的网格大小可以得到更准确的结果，但需要更多的CPU时间和资源。EMDI计算完成后，系统将使用另一个平滑网格直接显示EMDI结果与云图。所有的网格生成都是自动的，没有任何用户的干预。EMDI的结果数据易于阅读，在冷却管道设计过程中具有很大的价值。该值直观地描述了铸件的厚度分布。 The higher the value, the thicker it is, and the lower the value, it is thinner. In the design process of the cooling pipeline, it is hoped that the area with a thicker wall of the casting will have higher cooling efficiency, take away more heat to achieve a state of thermal balance, and reduce the generation of thermal knots.
• 第二步:快速冷却效率分析
  快速冷却分析主要用于评估冷却管道对铸件各部分的冷却效率。这个效率可以简单地理解为热影响距离的函数。冷却通道直径越大，离铸件越近，冷却效率越高。对于多个冷却通道的综合效果，该数据具有较高的参考价值。该指标直接反映了冷却管道的综合影响和冷却效率。数值越高的区域代表冷却效率越好，带走的热量越多。反之，数值较低的区域代表冷却效率较差，带走的热量较多，热量较少。
• 步骤3:冷却影响分析
  在冷却管道的设计过程中，应考虑在铸件壁厚较大的区域，设计的冷却效率越高，带走的热量越多，减少热结。这种方法既考虑了铸件的几何形状，又考虑了冷却通道的冷却效率，其结果对冷却系统的设计是有益的。当我们将显示刻度调整到小于0.5的值时，我们可以发现冷却位置不足。由于铸件壁厚过厚，这些位置可能没有足够的冷却效率。此时，我们需要调整冷却管道的设计，以获得更好的热平衡。热效应均匀的冷却系统设计不仅可以提高铸件的质量，而且可以延长模具的使用寿命。