铸造 CAE 软件 JSCAST 在压力铸造中的应用
朱金东 ，村上俊彦 ，大中逸雄
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。 1 版本的 SOLDIA 于 1986 年首次在日本国内开始销售， 第 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） 。
51
Low backpressure
vent
gas gas GP1
vent or GP2 ejector pin
melt
High backpressure
GP3
melt
vent
图 1 示意图
背压对液体金属流动影响的
图2
充型过程中，卷气的发生（GP1,GP2）,及通过
排气孔的排气流动（GP3）
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。
(a) 旧压铸方案及孔洞缺陷
(b) 充型流动模拟结果
(c) 左图(b)的局部放大
52
图3
镁合金压铸件的卷气缺陷预测及工艺改良
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。
气孔缺陷发生位置
(a)
压射条件1 低速：0.3m/s 高速：1.0m/s 切换时间：40ms
断面图
压射条件 2 低速： 0.3m/s 气孔缺陷 高速：4.0m/s 切换时间：40ms
断面图 无气孔缺陷
(b)
(c)
53
(d) 条件 1 的计算结果
(e) 条件 2 的计算结果
图4
铝合金压铸件的卷气缺陷预测及工艺改良
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。
210℃ 210℃
(a) 模具内部的冷却水套
图5
222℃ 222℃ (c) 模具表面温度的实测结果
(b) 模具表面温度的预测结果
模具内部的冷却水套设计及模具表面温度控制
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。
54
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.
55
朱金东 ，村上俊彦 ，大中逸雄
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。 1 版本的 SOLDIA 于 1986 年首次在日本国内开始销售， 第 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） 。
51
Low backpressure
vent
gas gas GP1
vent or GP2 ejector pin
melt
High backpressure
GP3
melt
vent
图 1 示意图
背压对液体金属流动影响的
图2
充型过程中，卷气的发生（GP1,GP2）,及通过
排气孔的排气流动（GP3）
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。
(a) 旧压铸方案及孔洞缺陷
(b) 充型流动模拟结果
(c) 左图(b)的局部放大
52
图3
镁合金压铸件的卷气缺陷预测及工艺改良
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。
气孔缺陷发生位置
(a)
压射条件1 低速：0.3m/s 高速：1.0m/s 切换时间：40ms
断面图
压射条件 2 低速： 0.3m/s 气孔缺陷 高速：4.0m/s 切换时间：40ms
断面图 无气孔缺陷
(b)
(c)
53
(d) 条件 1 的计算结果
(e) 条件 2 的计算结果
图4
铝合金压铸件的卷气缺陷预测及工艺改良
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。
210℃ 210℃
(a) 模具内部的冷却水套
图5
222℃ 222℃ (c) 模具表面温度的实测结果
(b) 模具表面温度的预测结果
模具内部的冷却水套设计及模具表面温度控制
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。
54
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.
55