CA技术在铸造中的应用

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CA技术在铸造中的应用

摘要：本文介绍了CA精密铸造技术。阐述了计算机辅助工程，包括ug的三维造型、三维设计。通过三坐标测量机的逆向工程，获得三维模型，然后通过快速成型技术，能迅速得到铸造原型；用ProCast对铸件的浇注工艺进行模拟，以优化浇注参数，消除铸造缺陷，通过模拟，对浇注系统结构进行了优化。
$ h. g" v$ L8 q* w+ s1 Q关键词：精密铸造、三坐标测量、快速成型
1 |' W  b# G, B. R& w引言：
铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已有约6000年的历史。中国约在公元前1700～前1000年之间已进入青铜铸件的全盛期，工艺上已达到相当高的水平。中国商朝的重875公斤的战国时期的曾侯乙尊盘，西汉的透光镜，都是古代铸造的代表产品。
铸造一般按造型方法来分类，习惯上分为普通砂型铸造和特种铸造。总体上，我国铸造领域的学术研究并不落后，很多研究成果居国际先进水平，但转化为现实生产力的少。国内铸造生产技术水平高的仅限于少数骨干企业，行业整体技术水平落后，铸件质量低，材料、能源消耗高，经济效益差，劳动条件恶劣，污染严重。具体表现在：铸造合金材料的生产水平、质量低；生产管理落后；工艺设计多凭个人经验，计算机技术应用少；铸造技术装备等基础条件差；生产过程手工操作比例高，现场工人技术素质低；商品化差距大，在品种质量等方面远不能满足新工艺新技术发展的需要。
  u5 R" X. l4 w) o  t9 u9 M近年来，与CA精铸技术相关的三维CAD设计、反求工程、快速成型、浇注系统CAD、铸造过程数值模拟(CPS)以及特种铸造等单体技术取得了长足的进步，这些成就的取得为集成化的CA精铸技术的形成奠定了基础，促进了CA精铸技术的迅猛发展和应用。

一、三坐标测量机的快速反求
1．    反求工程是产品设计的反向过程，借助三坐标测量机对已有产品或模具进行测量、扫描，将扫描后的点阵数据输入计算机，形成电子资料。通过CAD/CAM软件处理，建立产品或模具模型，根据设计需要进行资料修改。
# Z* z) x& j$ E# q9 ]/ ]2．  三坐标测量及数据提取
用于反求工程的测量手段很多，如光切法、层析法、工业CT、 CMM(坐标测量法)，由于坐标测量法使用方便，且具有较高的精度，适合于企业界使用。
测量数据的类型有：散乱点云、扫描线点云、三角网格点云、多边形点云等。
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1 d  Z6 M7 V7 x如何测量数据是首先应考虑的问题，能表现出形体特征的数据点是造型的基础，因此测量必须与造型结合起来考虑。以便使测得的数据点能最大限度的满足造型需要，所以必须选择合适的造型方法。当产品形状较为简单。且外表面法线方向在180度 以内时，可采用UG／FREE FORM FEATURE／ FROM POINTS和／FROM POLES模块造型；对于具有不规则表面的柱状品，在三坐标测量时，很难在其上指定一个位置测量以便将来生成截面线。按照截面来测量则较易实现，因此用三坐标测量时尽可能多地测一些完整的截面数据，无法测得完整截面数据处则尽可能地多测一些点以备后用。
% k( \, @; _) J3 R) C) b: T) q3 Y1 p6 t二、UG三维实体造型
如何得到部件精确的电子数据模型，是CA精铸至关重要的第一步。随着三维CAD软件、逆向工程等技术的发展，这项工作变得简单而且迅捷。在此主要介绍利用UG进行实体建模和数据转换的过程。UG集成了三维建模与逆向工程建模模块。通过建模（MODELING）模块可以得到复杂模型，既可以进行全几何约束的参数化设计，又可进行任意几何与工程约束的自由创新设计；曲面设计提供了包括变量扫掠、边界曲面等多种自由曲面的造型功能。逆向工程（IN-SHAPE）可将数字化仪采集的点云信息进行处理，创建出曲线和曲面，进行设计，曲面生成后可直接生成RPM用文件，也可传回主建模模块进行处理。实体文件生成后需转变成STL文件以作为RP设备的输入。转换过程应注意选择成型设备名称，通常选用SLA500，三角片输出精度在0.005~0.01之间。采用
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MagicRp处理时应注意乘上25.4，得到实际设计尺寸。
    (1)数据的读入三坐标测量机的输出结果可以是按DOS的文本文件格式存放的数据文件、通用的IGES格式和VDA格式进行测量数据的导出，以及与CAD/CAM系统的直接连接进行快速输出。测量时每个截面的数据均有一个数据文件与之对应。由于数据点很多、如果一个点一个点地手工输入，不仅效率低，还容易出错。为了便于将资料点阵导入CAD/CAM软件,应将测得的资料另存为IGES 文件。在测量机进行转换文件时，必须在IGES Ｆile-ch.igs下选好工件的坐标系。

, w" J/ V, X0 P) Z7 D9 B4 \! M(2)自由形状实体的生成 UG提供了多种曲面的生成方法。经过比较分析，我们选用UG／ FREE FORM FEATURE／THROUGH CURVES。在造型过程中应该注意的问题是，选择截面线时，应使各条曲线的方向矢量保持一致,否则将产生扭曲的曲面。
* v# X% }6 M$ J4 F- l(3)模型的最终生成按照以上做法，生成需要的其余自由形状实体。通过布尔运算把各部分实体合并为一个整体。在合并之前，需要把实体上不需要的部分切除(用单面切Trim body或多面切split body)。合并之后，再加上一些简单的体素，即可作为最终的模型。在UG中可以采用以下几种方法造型：
    1)对于结构简单的零件，用体素或扫描特征成型。
7 N7 X; J& O) V! ]" w+ O    2)可以用已有的简单或复杂的实体作布尔运算，也就是进行实体之间的交、并、差，从而生成复杂的实体。
    3)先建成所需形状的曲面，然后用该曲面去切割已有的实体，从而得到具有所需形状表面的实体。
    4)如果难以一次性地生成复杂曲面体，可以分别生成几个必要的复杂曲面、同时作出必要的起闭合作用的曲面或平面，然后将这些表面缝合起来生成实体。
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0 P  s8 H7 O2 A1 O三、凝固过程的数值模拟
从UG中输出的文件，读入ProCast时，如果坐标系不合适会对以后的设置造成很大麻烦。（如设置充型速度，重力加速度，定义转动轴等等）。而如果在UG中直接改变坐标系，再输出并不会使坐标系发生变化，这时需要一些其他操作。
! ^  U  \/ _/ U- o4 |* R$ V; x# M1）新建一个文件。
0 n$ B' H/ w7 n, M) q  m2）导入改过坐标系的prt文件，并选择绝对坐标。
3）重新输出其他格式。ProCast是目前应用比较成功的铸造过程模拟软件。ProCast是为评价和优化铸造
/ H5 O( @1 c7 v产品与铸造工艺而开发的专业CAE系统，借助于ProCast系统，铸造工程师在完成铸造工艺编制之前，就能够对铸件在形成过程中的流场、温度场和应力场进行仿真分析并预测铸件的质量、优化铸造设备参数和工艺方案。它率先在商用化软件中使用了最先进的有限元技术并配备了功能强大的数据接口和自动网格划分工具。全部模块化设计适合任何铸造过程的模拟；采用有限元技术，是目前唯一能对铸造凝固过程进行热－流动－应力完全耦合的铸造模拟软件;由于采用了标准化的、通用的用户界面，任何一种铸造过程都可以用同一软件包ProCastTM进行分析和优化。它可以用来研究设计结果，例如浇注系统、通气孔和溢流孔的位置，冒口的位置和大小等。实践证明ProCastTM可以准确地模拟型腔的浇注过程，精确地描述凝固过程。可以精确地计算冷却或加热通道的位置以及加热冒口的使用。
+ i" f: f6 R1 t+ m% ^ProCast几乎可以模拟分析任何铸造生产过程中可能出现的问题,为铸造工程师提供新的途径来研究铸造过程,使他们有机会看到型腔内所发生的一切,从而产生新的设计方案。其结果也可以在网络浏览器中显示,这样对比较复杂的铸造过程能够通过网际网络进行讨论和研究。
& f( C: n/ o1 _- K. Q它能够模拟铸造过程中绝大多数问题和物理现象。在对技术充型过程的分析方面，能提供考虑气体、过滤、高压、旋转等对铸件充型的影响，能够模拟出消失模铸造、低压铸造、离心铸造等几乎所有铸造工艺的充型过程，并对注塑、压蜡模和压制粉末材料等的充型过程进行模拟。ProCast能对热传导、对流和热辐射三类传热问题进行求解，尤其通过“灰体净辐射法”模型，使得它更擅长解决精铸,尤其是单晶铸造问题。应力方面采用弹塑性和粘塑性模型，使其具有分析铸件应力、变形的能力。对铸件进行分析时，简单的模型网格可以直接在ProCast生成。复杂模型可以由UG等软件生成，划分网格后输出*.unv通用交换文件，该文件应带有节点和单元信息。Meshcast模块读入网格文件后输出四面体
单元用于前处理。PreCast对模型进行材料、界面传热、边界条件、浇注速度等参量进行定义，最后由ProCast模块完成计算。
. }9 `: N% X' Y9 S应用UG与ProCast，我们对我公司的制造的打捆机的一个部件，进行了凝固过程模拟。通过模拟，对浇注系统结构进行了优化，减少应力集中，防止变形和开裂，为加工大大减少了设计制造中的错误。