計算機輔助工程(CAE)在精密鑄造中的應用

計算機輔助工程(CAE)在精密鑄造中的應用

摘要：本文介紹了CA精密鑄造工藝。重點闡述了計算機輔助工程，包括三維CAD、凝固過程數值模擬等在精密鑄件研制過程中的應用。IDEAS可以方便地進行三維設計或逆向工程，獲得三維模型，然后通過快速成型技術，能迅速得到鑄造原型；用ProCast對鑄件的澆注工藝進行模擬，以優化澆注參數，消除鑄造缺陷。

關鍵詞：CA精密鑄造計算機輔助工程

1引言：

精密鑄造是用可溶（熔）性一次模型使鑄件成型的方法。精密鑄造的最大優點是表面光潔，尺寸精確，而缺點是工藝過程復雜，生產周期長，影響鑄件質量的因素多，生產中對材料和工藝要求很嚴[1]。在生產過程中，模具設計和制造占很長的周期。一個復雜薄壁件模具的設計和制造可能需一年或更長的時間。隨著世界工業的進步和人們生活水平的提高，產品的研發周期越來越短，設計要求響應時間短。特別是結構設計需做些修改時，前期的模具制造費用和制造工期都白白地浪費了。因而模具設計和制造成為新產品開發的瓶頸。計算機輔助工程的發展，使得傳統產業與新技術的融合成為可能。三維CAD可以把設計從畫圖板中解放出來，大大簡化了設計者的設計過程，減少出錯的幾率。并且隨著快速成型（RP）技術，特別是激光選區燒結工藝（SLS）的發展[2,3,4]，三維模型可以通過RP設備，快速轉變成精密鑄造所需的原型，打破了模具設計的瓶頸。另外在傳統鑄造中，開發一個新的鑄件，工藝定型需通過多次試驗，反復摸索，最后根據多種試驗方案的澆鑄結果，選擇出能夠滿足設計要求的鑄造工藝方案。多次的試鑄要花費很多的人力、物力和財力。采用凝固過程數值模擬，可以指導澆注工藝參數優化，預測缺陷數量及位置，有效地提高鑄件成品率。CA精密鑄造技術就是將計算機輔助工程應用到精密鑄造過程中，并結合其他先進的鑄造技術，以高質量、低成本、短周期來完成復雜產品的研發和試制。目前，利用CA精鑄技術，已完成多種航天、航空、兵器等關鍵部件的試制，取得滿意的效果。

2材料與實驗方法

CA精鑄可應用于不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、鋁合金等多種合金，CA精鑄工藝流程見圖1。三維模型可采用IDEAS、UGII、PROE等三維設計軟件進行設計，工藝結構和模型轉換采用MagicRp進行處理和修復，在AFSMZ320自動成型系統上進行原型制作，采用熔體浸潤進行原型表面處理，凝固過程數值模擬采用PROCAST和有限差分軟件進行計算。

3CA精密鑄造工藝的關鍵問題及相關技術討論

近年來，與CA精鑄技術相關的三維CAD設計、反求工程、快速成型、澆注系統CAD、鑄造過程數值模擬(CPS)以及特種鑄造等單體技術取得了長足的進步，這些成就的取得為集成化的CA精鑄技術的形成奠定了基礎，促進了CA精鑄技術的迅猛發展和應用。為了使各單體技術成功地用于CA精鑄，必須消除彼此之間的界面，將這些技術有機地結合起來。從而在產品開發中做到真正意義上的先進設計＋先進材料＋先進制造。

3.1三維模型的生成與電子文檔交換

如何得到部件精確的電子數據模型，是CA精鑄至關重要的第一步。隨著三維CAD軟件、逆向工程等技術的發展，這項工作變得簡單而且迅捷。在此主要介紹利用IDEAS進行實體建模和數據轉換的過程。IDEAS9集成了三維建模與逆向工程建模模塊。通過MasterModeler模塊可以得到復雜模型（見圖2），既可以進行全幾何約束的參數化設計，又可進行任意幾何與工程約束的自由創新設計；曲面設計提供了包括變量掃掠、邊界曲面等多種自由曲面的造型功能。逆向工程Freeform可將數字化儀采集的點云信息進行處理，創建出曲線和曲面，進行設計，曲面生成后可直接生成RPM用文件，也可傳回主建模模塊進行處理（見圖4）。實體文件生成后需轉變成STL文件（見圖3）以作為RP設備的輸入。轉換過程應注意選擇成型設備名稱，通常選用SLA500，三角片輸出精度在0.005~0.01之間。采用MagicRp處理時應注意乘上25.4，得到實際設計尺寸。

3.2凝固過程的數值模擬

3.2.1凝固過程的數值模擬原理

鑄造是一個液態金屬充填型腔、并在其中凝固和冷卻的過程，其中包含了許多對鑄件質量產生影響的復雜現象。實際生產中往往靠經驗評價一個工藝是否可行。對一個鑄件而言，工藝定型需通過多次試驗，反復摸索，最后根據多種試驗方案的澆鑄結果，選擇出能夠滿足設計要求的鑄造工藝方案。多次的試鑄要花費很多的人力、物力和財力。

鑄造過程雖然很復雜，偶然因素很多，但仍遵循基本科學理論，如流體力學、傳熱學、金屬凝固、固體力學等。這樣，鑄造過程可以抽象成求解液態金屬流動、凝固及溫度變化的問題，就是要在給定的初始條件和邊界條件下，求解付立葉熱傳導方程、彈塑性方程。計算機技術的發展，使得求解物理過程的數值解成為可能。應用計算機數值模擬，可對極其復雜的鑄造過程進行定量的描述。

通過數學物理方法抽象，鑄造過程可表征成幾類方程的耦合：

1熱能守恒方程： 2連續性方程： 3動量方程： 常用的數值模擬方法主要是有限差分法、有限元法。有限元差分法數學模型簡單，推導簡單易于理解，占用內存較少。但計算精度一般，當鑄件具有復雜邊界形狀時，誤差較大，應力分析時需將差分網格轉換成有限元網格進行計算。有限元法技術根據變分原理對單元進行計算，然后進行單元總體合成，模擬精度高，可解決形狀復雜的鑄件問題。無論采用什么數值方法，鑄造過程的數值模擬軟件應包括三個部分：前處理、中間計算和后處理。前處理主要為中間計算提供鑄件、型殼的幾何信息；鑄件和型殼的各種物理參數和鑄造工藝信息。中間計算主要根據鑄造過程設計的物理場，為數值計算提供計算模型，并根據鑄件質量或缺陷與物理場的關系預測鑄件質量。后處理是指把計算所得結果直觀地以圖形方式表達出來。圖5是鑄造過程的數值模擬系統組成。

鑄造過程流場、溫度場計算的主要目的時就是對鑄件中可能產生的縮孔縮松進行預測，優化工藝設計，控制鑄件內部質量。

通過在計算機上進行鑄造過程的模擬，可以得到各個階段鑄件溫度場、流場、應力場的分布，預測缺陷的產生和位置。對多種工藝方案實施對比，選擇最優工藝，能大幅提高產品質量，提高產品成品率。

3.2.2鑄造過程數值模擬軟件[5]

經過多年的研究和開發，世界上已有一大批商品化的鑄造過程數值模擬軟件，表明這項技術已經趨于成熟。這些軟件大都可以對砂型鑄造、金屬型鑄造、精密鑄造和壓力鑄造等工藝進行溫度場、應力場和流場的數值模擬，可預測鑄件的縮孔、疏松、裂紋、變形等缺陷和鑄件各部位的纖維組織、并且與CAD實體模型有數據轉換接口，可將實體文件用于有限元分析。

ProCAST是目前應用比較成功的鑄造過程模擬軟件。在研制和生產復雜、薄壁鑄件和近凈型鑄件中尤能發揮其作用。是目前唯一能對鑄造過程進行傳熱－流動－應力耦合分析的系統。該軟件主要由八大模塊組成：有限元網格剖分，傳熱分析及前后處理，流動分析，應力分析，熱輻射分析，顯微組織分析，電磁感應分析，反向求解等。

它能夠模擬鑄造過程中絕大多數問題和物理現象。在對技術充型過程的分析方面，能提供考慮氣體、過濾、高壓、旋轉等對鑄件充型的影響，能構模擬出消失模鑄造、低壓鑄造、離心鑄造等幾乎所有鑄造工藝的充型過程，并對注塑、壓蠟模和壓制粉末材料等的充型過程進行模擬。ProCAST能對熱傳導、對流和熱輻射三類傳熱問題進行求解，尤其通過“灰體凈輻射法”模型，使得它更擅長解決精鑄尤其是單晶鑄造問題。應力方面采用彈塑性和粘塑性模型，使其具有分析鑄件應力、變形的能力。

對鑄件進行分析時，簡單的模型網格可以直接在ProCAST生成。復雜模型可以由IDEAS等軟件生成，劃分網格后輸出*.unv通用交換文件，該文件應帶有節點和單元信息。Meshcast模塊讀入網格文件后輸出四面體單元用于前處理。PreCast對模型進行材料、界面傳熱、邊界條件、澆注速度等參量進行定義，最后由ProCAST模塊完成計算。

應用IDEAS與ProCAST，我們對某發動機部件進行了凝固過程模擬。該部件由于有一個方向尺寸較薄，澆注過程中極易發生裂紋與變形，通過模擬，對澆注系統結構進行了優化，減少應力集中，防止變形和開裂，取得明顯的效果。

結論：

1．計算機輔助工程與精密鑄造結合而成的CA精密鑄造技術具有很強的通用性，可以縮短研制周期，節約開發成本；

2．IDEAS與RPOCAST的配合，可以對復雜件進行鑄造過程數值模擬；

3．計算機凝固模擬技術可用于復雜件的澆注系統設計和優化，并能較為準確的預測缺陷及其位置、變形開裂傾向，用于指導澆注系統的優化。

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