HPDC工艺优化与成本降低

Malte Leonhard和Florian Wirth，Flow Science Deutschland GmbH 

本文案例由 FLOW-3D CAST 的长期用户 Project Engineering GmbH 提供。通过对比两种不同的铸件设计方案，在开发阶段分析充填过程，并借助 FLOW-3D CAST 优化铸造参数，提供全方位支持，从而实现压铸工艺的最佳实践，并带来显著的经济效益。

内浇口位置采用金属进料方式

在开发初期，金属进料可以通过内浇口位置提供进料方案。通过调整内浇口的位置、尺寸和金属速度等参数，可有效评估金属流动情况，达到定向充填、优化溢流槽和排气系统等关键目标。

【HPDC结构件内浇口方案研究 | FLOW-3D CAST】 https://www.bilibili.com/video/BV1xZVbzVEpm/?share_source=copy_web&vd_source=f5da85b92d61a4c574ec9d10b35c2cfb

影片展示了三种不同内浇口设计在充填柱状结构时的表现：

• 版本 1 和 版本 3 出现了大面积的滞留空气区域；

• 版本 2 实现了平稳顺畅的充填过程，两个金属前沿同时推进，连续填满铸件结构；

• 通过将内浇口系统布置在结构的中央位置，使得空气能够顺利从 T 型区域排出，有效提升了排气效果

优化流道设计

另一个关键改进是优化内浇口的几何形状。参考文献 [1] 中的研究，原始的柱状结构流道设计进行了优化，使内浇口截面能够达到最优配置。这项优化有助于最大程度降低湍流，提升整体铸件的质量。

这种改善可最大限度地减少湍流场并提高整体铸造质量。

【HPDC结构件内浇口形状优化 | FLOW-3D CAST】 https://www.bilibili.com/video/BV1oMVUzEEde/?share_source=copy_web&vd_source=f5da85b92d61a4c574ec9d10b35c2cfb

从影片中可看到两种不同流道系统设计的柱状结构充填比较：

• 版本 1：在内浇口处可以看到尾流区，导致空气滞留。

• 版本 2：通过减少沿弦线的突然横截面变化，空气滞留明显减少。

• 尾流区消失，金属前沿与铸件无缝熔合。

客户案例研究：Project Engineering GmbH 实现铸造工艺优化并降低成本

Andreas Harborth, Project Engineering GmbH

Project Engineering GmbH 成功应用 FLOW-3D CAST 在压铸工艺中生产最佳的油底壳盖。

初始状态：

• 年产量：60,000 件/年

• 冲头直径 100 mm

• 机台吨位：1600吨

• 合金：EN AC-AlSi9Cu3(Fe)

• 毛坯重量：2885克

• 充型和凝固时间：26.5秒

最终客户目标是在维持或提升产品质量的前提下，优化工艺流程，实现成本下降 3%。

初始设计方案的铸件

优化目标：

• 提高铸造效率

• 减少回收材料的重量（如流道和排气系统）

• 缩短成型节拍时间

• 最大限度地降低废品率，提高制程稳定性

初步设计中确定的关键问题

• 通过评估初始方案发现以下特定领域需要改进：低填充率（23%）—低填充率和冲头速度（0.15 m/s）导致第一阶段循环时间较长。

• 铸件与产品重量比高（2.2:1）－表示流道和多余材料占比较大，不仅增加材料回收成本，也对锁模力和凝固时间提出更高要求。

• 废品率高－由于空气滞留，导致铸件中孔隙率过高，暴露出当前排气策略存在不足，急需优化。

原始方案（气体粒子）

原始方案（凝固顺序）

使用 FLOW-3D CAST 进行优化

通过重新设计浇铸系统和填充策略，实现了性能与经济层面的显著提升：

最终优化后铸件

• 收入增加 165% – 提高工艺效率使总收益从每年约€38,000 增加至 €100,000。

• 压铸机吨位变小——投影面积优化后，所需锁模力降低至 1200 吨，带来设备与生产时间成本的双重节省。

• 体积孔隙率减少 62% – 通过优化排气系统与内浇口设计，显著减少湍流，提升气体排出效率。

• 铸件重量减少 14% – 总重量从 2885 克降至 2470 克，节省材料同时降低熔炼能耗。

• 节拍时间缩短 10% – 由于填充阶段优化及冲头直径减小，凝固时间缩短。若提前 6 秒开模取件，每小时产量最多可增加 7 件，生产效率显著提升。

最终优化方案（气体粒子）

最终优化方案（凝固顺序）

整体铸件质量提高了50％，满足客户对泄漏和孔径的要求。这直接提高了产量和盈利能力，确保所要求3%的价格降低，同时仍将利润率提高了165%。

【HPDC工艺优化 - 填充速度 | FLOW-3D CAST】 https://www.bilibili.com/video/BV1RSMizPEHE/?share_source=copy_web&vd_source=f5da85b92d61a4c574ec9d10b35c2cfb

【HPDC工艺优化 - 卷气 | FLOW-3D CAST】 https://www.bilibili.com/video/BV1ptNizBEW5/?share_source=copy_web&vd_source=f5da85b92d61a4c574ec9d10b35c2cfb

上面影片比较了初始方案和最终优化方案的填充行为。

第一个影片显示填充阶段速度大小；第二个影片显示卷气含量。在初始方案中，有几个工艺存在明显问题。

• 低速阶段耗时明显较长，导致向下一阶段的高速延迟。

• 在高速填充阶段，流道中会出现可见的熔体飞溅，导致流动紊乱。

• 在第二阶段，进内浇口之间会形成较大的尾流区，难以排出空气。

最终优化方案显示更快、更可控的填充过程。

• 优化后的流道系统实现了熔体前沿的无缝推进，有效地将空气引导至排气系统中排出。

• 此项改进最大程度减少卷入，显著降低了气孔形成的风险。

• 这些优化带来的效果包括更加稳定且均匀的填充过程，在模拟动画中可以清晰地观察到其改进表现。

参考文献

[1] Nogowizin (2010) Theorie und Praxis des Druckgusses

原厂网址

https://www.flow3d.com/hpdc-system-optimization-and-cost-reduction/