计算机辅助工程（CAE）在精细铸造中的应用

大老虎 · 发表于 2012-12-17 16:02

计算机辅助工程（CAE）在精细铸造中的应用
1引言：
　　精细铸造是用可溶(熔)性一次模型使铸件成型的方法。精细铸造的最大优点是外表光亮，尺寸精确，而缺陷是工艺过程复杂，消费周期长，影响铸件质量的要素多，消费中对材料和工艺请求很严[1]。在消费过程中，模具设计和制造占很长的周期。一个复杂薄壁件模具的设计和制造可能需一年或更长的时间。随着世界工业的进步和人们生死程度的进步，产品的研发周期越来越短，设计请求响应时间短。特别是构造设计需做些修正时，前期的模具制造费用和制造工期都白白地糜费了。因此模具设计和制构成为新产品开发的瓶颈。计算机辅助工程的开展，使得传统产业与新技术的交融成为可能。三维CAD可以把设计从画图板中解放出来，大大简化了设计者的设计过程，减少出错的几率。并且随着快速成型(RP)技术，特别是激光选区烧结工艺(SLS)的开展[2,3,4]，三维模型可以经过RP设备，快速转变成精细铸造所需的原型，打破了模具设计的瓶颈。另外在传统铸造中，开发一个新的铸件，工艺定型需经过屡次实验，反复探索，最后根据多种实验方案的浇铸结果，选择出可以满足设计请求的铸造工艺方案。屡次的试铸要花费很多的人力、物力和财力。采用凝固过程数值模拟，可以指导浇注工艺参数优化，预测缺陷数量及位置，有效地进步铸件废品率。CA精细铸造技术就是将计算机辅助工程应用到精细铸造过程中，并别离其他先进的铸造技术，以高质量、低本钱、短周期来完成复杂产品的研发和试制。目前，应用CA精铸技术，已完成多种航天、航空、兵器等关键部件的试制，获得满意的效果。
　　2材料与实验方法
　　CA精铸可应用于不锈钢、耐热钢、高温合金、铝合金等多种合金，CA精铸工艺流程见图1。三维模型可采用IDEAS、ugII、PROE等三维设计软件停止设计，工艺构造和模型转换采用MagicRp停止处置和修复，在AFSMZ320自动成型系统上停止原型制造，采用熔体浸润停止原型外表处置，凝固过程数值模拟采用PROCAST和有限差分软件停止计算。
　　

　　3CA精细铸造工艺的关键问题及相关技术讨论
　　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获得了长足的进步，这些成就的获得为集成化的CA精铸技术的构成奠定了根底，促进了CA精铸技术的迅猛开展和应用。为了使各单体技术成功地用于CA精铸，必需消弭彼此之间的界面，将这些技术有机地别离起来。从而在产品开发中做到真正意义上的先进设计+先进材料+先进制造。
　　3.1三维模型的生成与电子文档交流
　　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、逆向工程等技术的开展，这项工作变得简单而且迅捷。在此主要引见应用IDEAS停止实体建模和数据转换的过程。IDEAS9集成了三维建模与逆向工程建模模块。经过MasterModeler模块可以得到复杂模型(见图2)，既可以停止全几何约束的参数化设计，又可停止恣意几何与工程约束的自在创新设计;曲面设计提供了包括变量扫掠、边境曲面等多种自在曲面的外型功用。逆向工程Freeform可将数字化仪采集的点云信息停止处置，创立出曲线和曲面，停止设计，曲面生成后可直接生成RPM用文件，也可传回主建模模块停止处置(见图4)。实体文件生成后需转变成STL文件(见图3)以作为RP设备的输入。转换过程应留意选择成型设备称号，通常选用SLA500，三角片输出精度在0.005~0.01之间。采用MagicRp处置时应留意乘上25.4，得到理论设计尺寸。
　　

　　

　　3.2凝固过程的数值模拟
　　3.2.1凝固过程的数值模拟原理
　　铸造是一个液态金属充填型腔、并在其中凝固和冷却的过程，其中包含了许多对铸件质量产生影响的复杂现象。理论消费中常常靠经历评价一个工艺能否可行。对一个铸件而言，工艺定型需经过屡次实验，反复探索，最后根据多种实验方案的浇铸结果，选择出可以满足设计请求的铸造工艺方案。屡次的试铸要花费很多的人力、物力和财力。
　　铸造过程固然很复杂，偶然要素很多，但仍遵照根本科学理论，如流膂力学、传热学、金属凝固、固膂力学等。这样，铸造过程可以笼统成求解液态金属活动、凝固及温度变化的问题，就是要在给定的初始条件和边境条件下，求解付立叶热传导方程、弹塑性方程。计算机技术的开展，使得求解物理过程的数值解成为可能。应用计算机数值模拟，可对极端复杂的铸造过程停止定量的描绘。
　　经过数学物理方法笼统，铸造过程可表征成几类方程的耦合：
　　1热能守恒方程： 2连续性方程： 3动量方程：常用的数值模拟方法主要是有限差分法、有限元法。有限元差分法数学模型简单，推导简单易于理解，占用内存较少。但计算精度普通，当铸件具有复杂边境外形时，误差较大，应力分析时需将差分网格转换成有限元网格停止计算。有限元法技术根据变分原理对单元停止计算，然后停止单元总体合成，模拟精度高，可处理外形复杂的铸件问题。无论采用什么数值方法，铸造过程的数值模拟软件应包括三个局部：前处置、中间计算和后处置。前处置主要为中间计算提供铸件、型壳的几何信息;铸件和型壳的各种物理参数和铸造工艺信息。中间计算主要根据铸造过程设计的物理场，为数值计算提供计算模型，并根据铸件质量或缺陷与物理场的关系预测铸件质量。后处置是指把计算所得结果直观地以图形方式表达出来。图5是铸造过程的数值模拟系统组成。
　　铸造过程流场、温度场计算的主要目的时就是对铸件中可能产生的缩孔缩松停止预测，优化工艺设计，控制铸件内部质量。
　　经过在计算机上停止铸造过程的模拟，可以得到各个阶段铸件温度场、流场、应力场的分布，预测缺陷的产生和位置。对多种工艺方案施行比照，选择最优工艺，能大幅进步产质量量，进步产品废品率。
　　3.2.2铸造过程数值模拟软件[5]
　　经过多年的研讨和开发，世界上已有一大批商品化的铸造过程数值模拟软件，标明这项技术曾经趋于成熟。这些软件大都可以对砂型铸造、金属型铸造、精细铸造和压力铸造等工艺停止温度场、应力场和流场的数值模拟，可预测铸件的缩孔、疏松、裂纹、变形等缺陷和铸件各部位的纤维组织、并且与CAD实体模型有数据转换接口，可将实体文件用于有限元分析。
　　ProCAST是目前应用比拟成功的铸造过程模拟软件。在研制和消费复杂、薄壁铸件和近净型铸件中尤能发挥其作用。是目前独一能对铸造过程停止传热-活动-应力耦合分析的系统。该软件主要由八大模块组成：有限元网格剖分，传热分析及前后处置，活动分析，应力分析，热辐射分析，显微组织分析，电磁感应分析，反向求解等。
　　它可以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，能提供思索气体、过滤、高压、旋转等对铸件充型的影响，能构模拟出消逝模铸造、低压铸造、离心铸造等几乎一切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停止模拟。ProCAST能对热传导、对流和热辐射三类传热问题停止求解，特别经过“灰体净辐射法”模型，使得它更擅长处理精铸特别是单晶铸造问题。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、变形的才能。
　　对铸件停止分析时，简单的模型网格可以直接在ProCAST生成。复杂模型可以由IDEAS等软件生成，划分网格后输出*.unv通用交流文件，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置。PreCast对模型停止材料、界面传热、边境条件、浇注速度等参量停止定义，最后由ProCAST模块完成计算。
　　应用IDEAS与ProCAST，我们对某发起机部件停止了凝固过程模拟。该部件由于有一个方向尺寸较薄，浇注过程中极易发作裂纹与变形，经过模拟，对浇注系统构造停止了优化，减少应力集中，防止变形和开裂，获得明显的效果。
　　结论：
　　1.计算机辅助工程与精细铸造别离而成的CA精细铸造技术具有很强的通用性，可以缩短研制周期，节约开发本钱;
　　2.IDEAS与RPOCAST的配合，可以对复杂件停止铸造过程数值模拟;
　　3.计算机凝固模拟技术可用于复杂件的浇注系统设计和优化，并能较为精确的预测缺陷及其位置、变形开裂倾向，用于指导浇注系统的优化。

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