重力鑄造模具數位輔助設計系統

摘要：為解決國內重力鑄造產業模具設計優化與製程參數優化技術缺口，發展重力鑄造模具數位輔助設計專家系統其目的在設計階段到產品鑄造製程工藝過程中，藉由數位設計引導與鑄造製程優化技術整合在設計流程中提供最適化選擇，透過鑄造模擬軟體來驗證；並將重力鑄造的經驗式設計傳承為習性，強化為數位輔助設計系統的傳承技術，藉此提升該產業在國際競爭力和增加鑄件附加價值。本文將針對設計準則與模組來進行介紹。

Abstract：In order to resolve the technical problems of mold design and process parameter optimization in the domestic gravity casting industry, the digital- aided design system for gravity mold casting is addressed and under development. It aims to integrate digital-aided design technology into the information system to advise optimized choices from the mold design stage to the product casting process. Through the verification of casting simulation software, inherited empirical design of sand mold casting will become as a habit. To strengthen the digital aided-design system with human experts knowledge continuously, the industry’s international competitiveness will be enhanced and the addition of castings value increased.  This article will introduce design guidelines and information modules.

關鍵詞：數位輔助設計系統、重力模具、鑄造

Keywords：Digital aided-design system, Gravity mold, Casting

前言

電腦輔助鑄造應用軟體的開發研究，經歷過下列幾個階段。在1980年代所謂第一代電腦輔助軟體[1]，是對於金屬流體之流動模擬的軟體開發階段。當時的研究，目的是要開發數值模擬軟體，能準確模擬流體於模穴充模和金屬凝固的情形。之後，在1990年代，所謂第二代電腦輔助軟體，有最早的電腦輔助流道設計軟體，稱為專家知識庫系統[1] (如:金屬工業研究發展中心)。當時的輔助軟體，只是以資料庫的形式，輔助收尋可以試用的流道形式。此資料庫的建立，是由廣泛收集的文獻資料，在單一鑄件個案中，擷取所收集的文獻中，有關流道設計的建議事項。因此，金屬工業研究發展中心開發之重力鑄造模具設計數位輔助設計系統，由三個新的處理器所建構而成，並針對鑄鐵、鑄鋼及鑄鋁材料熱物性不同導入設計公式的制定，更接近實務重力鑄造砂模與金屬模的製造製程，以下就三種處理器研發過程說明：

1.前處理器開發：撰寫方案設計選項(Menu)以及GUI介面程式，並開發鑄件特徵分析模組，對於鑄件三維立體圖檔(3D CAD file)，進行自動化的分析，包含特徵進行計算(如:體積，厚度等效-截面模數計算分析)，並以鑄鐵、鑄鋼及鑄鋁的選擇，將材料熱物性導入組件設計法則之無因次參數方程式內。

2.核心設計模組：整合由鑄造理論(穩流及靜水壓公式)與專家實務經驗或模擬結果，所獲得的數據資料(層流流動之雷諾數3,000以下、凝固層時間Time < 1.27 D² sec (D代表厚度mm)，依據查沃里諾夫法則(Chvorinov Rule)，經由數學統計線性迴歸以後，產生出來的無因次化(dimensionless)鑄造方案尺寸方程式，來制定MIRDC+Campbellology方案設計準則及公式[2][3]，撰寫模具設計組件尺寸資料庫連結程式，開發參數式流道、冒口、冷卻系統等設計模組之外形產生器[4]，自動產生最佳化鑄造方案設計。另外熱點位置分析及冒口大小設計模組：以模擬分析的鑄件之熱點位置判斷的sub-routine結果來撰寫所需的冒口大小及位置判斷條件的計算程式[5]。

3.後處理器：最佳化鑄造方案幾何外形，經由此處理模組，進行流道、冒口、與鑄件型體的立體組合後，形成完整流路以及冒口系統與鑄件外型的CAD連結組合圖檔。此組合圖檔，可以輸出成電腦三維圖檔；撰寫組合鑄件、冒口、流道零件圖程式，與模具尺寸判斷公式及組合圖輸出的介面程式，可以作鑄造模擬軟體(CAE)使用，目的來驗證鑄造方案設計的準確性，以供使用者參考或認證的依據。

設計準則與模組

本重力鑄造模具數位輔助設計系統之所以有別於之前的模擬軟體(CAE)或是建議系統資料庫；它是依據鑄造的理論結合MIRDC+Campbellology的演算，給予輸入的鑄件外型檔案，自動產生解決鑄造缺陷問題的鑄造冒口與流道方案設計。以下為冒口演算法則(如圖1)和流道演算法則(如圖2)所應用的式(1)~式(6)。

• Sp=V/(As^1.5) (式1)

其中式(1)Sp為形狀係數(無單位)，V為鑄件體積(mm³)，A為鑄件表面積(mm²)[6]

• B=C1*Sp+C2 (式2)

其中式(2)B為模具常數(mm/sec^0.5)，Sp為形狀係數(無單位)，C1為常數，C2為材料常數[6]

• 𝑡𝑠=𝐵(𝑉/𝐴)^𝑛≈𝐵𝑀2 (式3)

其中 式(3)𝑡𝑠為凝固時間(sec)，V為鑄件體積(mm³)，A為鑄件表面積(mm²)，B為受金屬與模具性質影響的常數(mm/sec^0.5)，M為鑄件模數(mm)

• Spcold=As*D/Vt (式4)

其中式(4)Spcold為臨界冷接形狀係數(無單位)， As為鑄件表面積(mm²)，D為重力方向距離(mm)，Vt為鑄件體積(mm³)

• Bcold=S1*Spcold+S2 (式5)

其中式(5)Bcold為臨界冷接模具常數(m/sec^0.5)， Spcold為臨界冷接形狀係數(無單位)，S1為模具性質影響的常數，S2為材料常數

• tcold=(M/(Bcold*1000))² (式6)

其中(式6)tcold臨界澆鑄時間(sec)，M鑄件+冒口的凝固模數(mm)，Bcold為臨界冷接模具常數(m/sec^0.5)

圖1 冒口演算法則

圖2 流道演算法則

開發的本系統，是選用商業用3D CAD軟體 SOLIDWORKS API 的功能編輯撰寫本輔助程式。SOLIDWORKS API可以嵌入SOLIDWORKS 3D CAD軟體，應用其本身的3D零件繪圖功能外，在方案設計的尺寸資料庫中，所得到設計零件圖，也可以應用其零件組合功能，組合鑄件、冒口、流道以及等等形狀，形成完整的鑄造模具方案設計圖檔。圖3顯示重力鑄造模具數位輔助設計系統的模組與功能以及SOLIDWORKS API與模擬軟體(FLOW 3D CAST及)之間的連結關係。此系統能自動分析所輸入的3D CAD檔案之鑄件外型，整合金屬中心多年的鑄造實務設計理論與Campbell的10 Rules為準則，將由實驗模擬結果所建立的冒口及流道尺寸資料庫中，取出相關的鑄造方案設計尺寸。並能自動產生流道以及冒口方案設計的3D CAD圖形。此3D CAD圖形再與原始的鑄件圖形結合，形成完整的鑄造方案系統圖形。則此完整的圖形檔，便可以讓使用者進行下一步開模工程的應用。

圖3 重力鑄造模具數位輔助設計系統的模組與功能