CAE 模擬應用在消除壓鑄件縮孔缺陷之案例

摘要：本文以在開發用於真空泵的葉輪壓鑄件時所遭遇到的縮孔缺陷實例，說明如何以CAE模擬找出較佳的方案，來消除壓鑄件的縮孔缺陷，減少了以試誤法修改模具的時間與費用。
Abstract：This article takes the shrinkage defect encountered in the development of an impeller die casting used in the vacuum pump as an example to explain how to find a better solution by CAE simulation to eliminate the shrinkage defect of the die casting so that the time and cost of modification of the mold by trial and error can be reduced.

關鍵詞：壓鑄、葉輪、縮孔
Keywords：Die casting, Impeller, Shrinkage porosity

前言
壓鑄製程具有生產性高、尺寸精度優良、後加工量少、鑄件表面平滑、機械強度高、可鑄造薄壁鑄件等優良的特點[1]，是適合大量生產的製程。然而，壓鑄件設計是否良好，對是否能達到這些優良特點影響甚大。
一個良好設計的壓鑄件應該是有均勻的壁厚，以利金屬液充填模穴時較不會捲氣，而且凝固時較不會產生縮孔。然而許多壓鑄件因產品功能的需求，或是設計者不瞭解壓鑄製程，導致零件的壁厚不均，因而容易產生缺陷。
本文所討論的案例是如圖1用於真空泵的葉輪，製程為壓鑄，使用合金為Silafont-36，其合金成分為：Si占9.5~11.5 wt%，Fe占0.15 wt%以下，Cu占0.03 wt%以下，Mn占0.5~0.8 wt%，Mg占9.5~11.5 wt%，Z占0.07 wt%以下，Ti占0.15 wt%以下，Sr占0.005~0.02 wt%， 其餘為Al [2]。此葉輪的外徑為313.8 mm，體積285.5 cm³，輪轂與輪緣的厚度為5 mm，但中間的葉片厚度只有2.2 ~2.6 mm。因此在一開始開發時就預期在輪緣處可能會有縮孔。
壓鑄方案設計
1.充填模式(Filling pattern)
所謂充填模式是指金屬液以何種流動路徑來充滿模穴。由於葉輪是圓形對稱，因此從中心進料然後沿著葉片流到輪緣是最適合的充填模式。為了使鑄件品質更好，會使用真空壓鑄。初步設計的澆流道系統(Gating system)如圖2所示。因為從中心入料，所以必須使用三板模，在開模時以切刀將垂直的流道切斷，這樣鑄件才能脫模。
依據圖2的CAD模型，各區域體積數據如下：葉輪本體體積：285.5 cm³，流道體積：522.2 cm³，溢流井與真空流道體積：98.4 cm³。合計285.5 + 522.2 + 98.4 = 906.1 cm³ 。但這些數據是常溫時固態的體積，壓鑄時是液態，後續的計算都是使用液態，所以我們先計算出液態的體積，液態體積906.1*(2.64/2.41)=992.6 cm³ (2.64：常溫時鋁合金密度，單位為g/cm3；2.41：液態時鋁合金密度，單位為g/cm³)。
2.鎖模力估算
鎖模力=鑄件投影面積 X 鑄造壓力。由於希望獲得密實的組織，所以使用較高的鑄造壓力，因此選擇了鑄造壓力為800 kg/cm²。因此壓鑄本鑄件所需的鎖模力為((313.8*313.8/4)*3.14) *800 / 1000=618.4噸。金屬中心的Italpresse壓鑄機鎖模力為1500噸，因此足以壓鑄此零件。
3.充填時間(Filling time)
所謂充填時間是指金屬液自澆口處充填完整個模穴的時間，一般可由壁厚來決定。在本案例為充填葉輪本體、溢流井與真空流道所需的時間。鑄件葉片處的平均壁厚為2.4 mm，所以根據德國壓鑄機廠FRECH 公司的技術資料，充填時間約在15~30 ms。
4.澆口速度(Gate velocity)
澆口速度是指金屬液通過澆口時的速度。計算澆口速度的目的是檢查金屬液是否能以霧化(Atomized)狀態射入模穴，並檢查金屬液速度是否會過快，導致容易沖蝕模具。澆口速度以式(1)計算。
Vg = V / (Ag*t) (1)
其中Vg :澆口速度(m/s)
V :通過澆口之鑄件總體積(cm³)=成品體積+溢流井與真空流道體積
本案例的澆口設計為沿著葉輪輪轂內側一圈，厚度為2.5 mm，所以澆口面積Vg為718.8 mm²，葉輪本體加上溢流井與真空流道的液態體積V為(285.5 + 98.4)*(2.64 / 2.41)=420.5 cm³。
當充填時間為15 ms時(最短充填時間)，澆口速度Vg為420.5 / (718.8*0.015)=39.0 m/s。當充填時間為30 ms 時(最長充填時間)，澆口速度Vg為420.5 / (718.8*0.03)=19.5 m/s。根據北美壓鑄協會(North American Die Casting Association) 的技術資料[3]估計，在澆口厚度2.5 mm時二者都可達到霧化速度。且二者的速度都不到40 m/s，一般來說不會造成嚴重的沖蝕。