计算机辅助设计在铸造工艺中的应用及发展

铸造工艺设计是铸造生产的核心技术环节。铸造生产是一种材料通过“固态-液态-固态”的转变，一次性成型来完成产品生产的工艺过程。材料这种通过物理状态的改变而成型的特殊性给铸造工艺设计带来了极大的困难，导致铸造工艺设计存在从设计到生产的周期长、修改次数多、设计缺少科学性等诸多问题。而计算机的迅速发展使得解决这些长期阻碍铸造生产发展的问题成为现实。 　　1　铸造工艺CAD 　　随着计算机技术的迅猛发展，计算机在铸造中的应用越来越广泛。60年代初，丹麦的Forsund把Dusinberre等人在工程应用中提出的有限差分近似法第一次用于铸造凝固过程的传热计算，开始了铸件凝固的过程模拟。此后，美国Michigan大学的Marrone等人以及日本的大中逸雄等相继开始了凝固过程模拟，并取得了显著的进步。在第50届国际铸造年会举办的“凝固过程计算机模拟”专题讨论会上，深入讨论了铸件凝固过程数值模拟在研究微观组织结构和铸件性能等方面的应用，总结了凝固过程模拟所依据的一系列关系式，并设想利用这些关系式将几何模数、凝固参数、合金性能及微观组织参数等有机地联系起来，并提出了铸造工艺CAD的概念。我国从1978年开始开展铸件凝固数值模拟研究，十多年来的研究已形成了我国凝固模拟技术研究的特色。 　　铸件凝固数值模拟技术发展至今可分为3个阶段：①基础研究阶段，着重于计算模拟；②预测研究阶段，对拟定好的工艺方案进行检查，以预测质量，并通过模拟浇注来修改方案；③优化工艺设计，包括计算模拟、几何模拟及数据库，并使之有机结合起来。有时把这3个阶段综合称为铸造工艺CAD，有时又特指为第三阶段。目前就国外而言，铸造工艺CAD正处在第三阶段。因此，在实际研究中铸造工艺CAD应包括4个部分，即：凝固过程数值模拟(热场模拟)、充型过程数值模拟(流场模拟)、热应力及残余热应力数值模拟(力场模拟)和微观模拟(组织模拟)。 　　2　铸造工艺CAD的现状及应用 　　2.1　铸造工艺CAD的现状 　　目前，国内外铸造工艺CAD方面的研究已达到了相当的水平，并已逐步进入实用化阶段。这主要反映在以下3个方面。 　　(1) 前置处理 　　根据实际物体的结构和形状建立实体模型，并自动剖分为多面体单元。一般来讲，对于形状简单的铸件，通常采用二维的方法近似地进行数值模拟就可得到较为精确的结果。而对于结构复杂的铸件，则需三维模拟计算才能满足精度的要求。 　　(2) 中央处理 　　中央处理是数值模拟的核心，通过数值模拟计算法对热平衡方程进行解析和缩孔缩松的预测判断，同时也可通过求解Navier-Stokes方程来模拟充型过程等。 　　(3) 后置处理 　　后置处理是将计算的结果经分析后通过彩色图形或图象等方式动态地表示出来。如用二维方式显示铸件某一断面或某点的温度-时间动态曲线图，用三维方式显示铸件的温度变化、缩孔缩松的形成、或是反映铸件的应力场分布等。 　　由于现在的许多软件具有很强的前后置处理功能，因此，通过前置-中央-后置处理，可以连续地完成对铸件的三维造型、网格自动剖分；在给定的初始条件和边界条件下，进行数值模拟计算，然后按使用者的要求，显示出铸件的三维温度场、应力场，甚至包括固相率场等，使得设计者可以很快得到在此工艺条件下所生产铸件的质量，并通过模拟结果对工艺进行修改，以满足铸件质量的要求。 　　2.2　铸造工艺CAD的应用 　　80年代以来，数值模拟技术得到了飞速的发展。一方面由于研究过程中不断建立新的数学模型和各种判据，使模拟计算结果不断近似于实测结果，另一方面，由于凝固基础理论研究所取得的新成果，使宏观模拟计算与微观的结晶过程有机结合成为可能，并也取得了突破性的成果。就铸造工艺CAD的应用而言，主要有以下几方面。 　　(1) 铸件凝固过程的数值模拟 　　铸件凝固过程的数值模拟是通过计算温度场的温度梯度、固相率凝固时间等，用一系列准则来预测铸件在凝固过程中产生缩孔缩松的部位及大小、产生的时间等。通过这种预测可对所制定的铸造工艺方案进行修改，再通过数值模拟进行验证。同时，利用凝固数值模拟的方法确定了获得健全铸件时内浇口与铸件的关系 1τf／τr＞k（0．566～0．575） 式中：τf——内浇口凝固的时间； 　　　τr——补缩铸件凝固的时间。 　　通过修改工艺获得了健全的铸件。很明显在其他工艺条件一定的前提下，这一关系具有通用性。数值凝固模拟可使浇注系统的设计更为准确，更具科学性，而且，大大缩短了设计的周期，减少了工装模具的反复修改。所以，凝固数值模拟应用是最广泛和最成熟的。 　　(2) 铸件充型过程的数值模拟 　　铸件充型过程的数值模拟是通过计算金属液充型过程中的流体流动得出的。充型过程的数值模拟可以分析在给定工艺条件下，金属液在浇注系统中以及在型内的流动情况。包括：流量的分布、流速的分布以及由此而导致的铸件温度场。在图6中，当流体流量分布不均匀时，铸件的温度分布也不均匀。在图中，第4个冒口在此时尚未充满，导致铸件温度分布的不均匀。并且这种模拟也能够为后来的凝固分析提供正确的初始条件。因此，充型模拟在浇注系统及冒口优化设计中是非常重要和有价值的。 　　(3) 铸件热应力的数值模拟 　　铸件热应力的数值模拟是通过对铸件凝固过程中热应力场的计算、冷却过程中残余热应力的计算来预测热裂纹敏感区和热裂纹的。铸件应力的形成不仅影响铸件最终的质量和使用效果(裂纹变形等)，而且影响工艺设计的质量(收缩量的准确给定等)。如果能模拟出铸件在给定工艺下的应力分布，就可修改工艺把铸件产生应力的可能降低到最低限度，从而保证铸件的质量。但由于铸件的结构、铸型材料对铸件凝固过程的影响是非常复杂的，这种模拟计算本身也很复杂，所以，应力的模拟仍有很长的路要走。图7是床身铸件导轨纵截面二维模拟应力场。 　　(4) 铸件微观组织数值模拟 　　铸件微观组织数值模拟是计算铸件凝固过程中的成核、生长等，以及凝固后铸件的微观组织和可能具备的性能。图8就是模拟和实际检验的铸件微观组织。在微观组织模拟中，用宏观传热、传质与微观形核、生长相统一的数学模型，来描述微观组织形成的动态过程。包括：自发或非自发成核、晶粒长大、枝晶生长、二相质点的分布等。微观组织模拟为相关的工艺提供了依据，保证了铸件的质量，也是从事金属研究的有力手段。 　　铸造工艺CAD的发展和应用对铸造生产具有重大的意义和价值。但必须清楚地认识到铸造工艺CAD不是目的，而是手段。应用和加速发展铸造工艺CAD是为了铸造工艺的最优化设计、提高设计的质量和科学性、缩短设计的周期、保证铸件质量和提高经济效益。所以，从应用的角度上讲，各种数值模拟最终要服务于铸造工艺的优化设计。 信息来源于：中国工业设备网