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計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)在精密鑄造中的應(yīng)用
摘要：本文介紹了CA精密鑄造工藝。重點(diǎn)闡述了計(jì)算機(jī)輔助工程，包括三維CAD、凝固過程數(shù)值模擬等在精密鑄件研制過程中的應(yīng)用。IDEAS可以方便地進(jìn)行三維設(shè)計(jì)或逆向工程，獲得三維模型，然后通過快速成型技術(shù)，能迅速得到鑄造原型；用ProCast對鑄件的澆注工藝進(jìn)行模擬，以優(yōu)化澆注參數(shù)，消除鑄造缺陷。
關(guān)鍵詞：CA精密鑄造計(jì)算機(jī)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(yōu)點(diǎn)是表面光潔，尺寸精確，而缺點(diǎn)是工藝過程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，影響鑄件質(zhì)量的因素多，生產(chǎn)中對材料和工藝要求很嚴(yán)[1]。在生產(chǎn)過程中，模具設(shè)計(jì)和制造占很長的周期。一個(gè)復(fù)雜薄壁件模具的設(shè)計(jì)和制造可能需一年或更長的時(shí)間。隨著世界工業(yè)的進(jìn)步和人們生活水平的提高，產(chǎn)品的研發(fā)周期越來越短，設(shè)計(jì)要求響應(yīng)時(shí)間短。特別是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需做些修改時(shí)，前期的模具制造費(fèi)用和制造工期都白白地浪費(fèi)了。因而模具設(shè)計(jì)和制造成為新產(chǎn)品開發(fā)的瓶頸。計(jì)算機(jī)輔助工程的發(fā)展，使得傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與新技術(shù)的融合成為可能。三維CAD可以把設(shè)計(jì)從畫圖板中解放出來，大大簡化了設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)過程，減少出錯(cuò)的幾率。并且隨著快速成型（RP）技術(shù)，特別是激光選區(qū)燒結(jié)工藝（SLS）的發(fā)展[2,3,4]，三維模型可以通過RP設(shè)備，快速轉(zhuǎn)變成精密鑄造所需的原型，打破了模具設(shè)計(jì)的瓶頸。另外在傳統(tǒng)鑄造中，開發(fā)一個(gè)新的鑄件，工藝定型需通過多次試驗(yàn)，反復(fù)摸索，最后根據(jù)多種試驗(yàn)方案的澆鑄結(jié)果，選擇出能夠滿足設(shè)計(jì)要求的鑄造工藝方案。多次的試鑄要花費(fèi)很多的人力、物力和財(cái)力。采用凝固過程數(shù)值模擬，可以指導(dǎo)澆注工藝參數(shù)優(yōu)化，預(yù)測缺陷數(shù)量及位置，有效地提高鑄件成品率。CA精密鑄造技術(shù)就是將計(jì)算機(jī)輔助工程應(yīng)用到精密鑄造過程中，并結(jié)合其他先進(jìn)的鑄造技術(shù)，以高質(zhì)量、低成本、短周期來完成復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)和試制。目前，利用CA精鑄技術(shù)，已完成多種航天、航空、兵器等關(guān)鍵部件的試制，取得滿意的效果。
2材料與實(shí)驗(yàn)方法
CA精鑄可應(yīng)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(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，工藝結(jié)構(gòu)和模型轉(zhuǎn)換采用MagicRp進(jìn)行處理和修復(fù)，在AFSMZ320自動(dòng)成型系統(tǒng)上進(jìn)行原型制作，采用熔體浸潤進(jìn)行原型表面處理，凝固過程數(shù)值模擬采用PROCAST和有限差分軟件進(jìn)行計(jì)算。
3CA精密鑄造工藝的關(guān)鍵問題及相關(guān)技術(shù)討論
近年來，與CA精鑄技術(shù)相關(guān)的三維CAD設(shè)計(jì)、反求工程、快速成型、澆注系統(tǒng)CAD、鑄造過程數(shù)值模擬(CPS)以及特種鑄造等單體技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，這些成就的取得為集成化的CA精鑄技術(shù)的形成奠定了基礎(chǔ)，促進(jìn)了CA精鑄技術(shù)的迅猛發(fā)展和應(yīng)用。為了使各單體技術(shù)成功地用于CA精鑄，必須消除彼此之間的界面，將這些技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來。從而在產(chǎn)品開發(fā)中做到真正意義上的先進(jìn)設(shè)計(jì)＋先進(jìn)材料＋先進(jìn)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(shù)據(jù)模型，是CA精鑄至關(guān)重要的第一步。隨著三維CAD軟件、逆向工程等技術(shù)的發(fā)展，這項(xiàng)工作變得簡單而且迅捷。在此主要介紹利用IDEAS進(jìn)行實(shí)體建模和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(fù)雜模型（見圖2），既可以進(jìn)行全幾何約束的參數(shù)化設(shè)計(jì)，又可進(jìn)行任意幾何與工程約束的自由創(chuàng)新設(shè)計(jì)；曲面設(shè)計(jì)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(shù)字化儀采集的點(diǎn)云信息進(jìn)行處理，創(chuàng)建出曲線和曲面，進(jìn)行設(shè)計(jì)，曲面生成后可直接生成RPM用文件，也可傳回主建模模塊進(jìn)行處理（見圖4）。實(shí)體文件生成后需轉(zhuǎn)變成STL文件（見圖3）以作為RP設(shè)備的輸入。轉(zhuǎn)換過程應(yīng)注意選擇成型設(shè)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(shí)應(yīng)注意乘上25.4，得到實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸。
3.2凝固過程的數(shù)值模擬
3.2.1凝固過程的數(shù)值模擬原理
鑄造是一個(gè)液態(tài)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(zhì)量產(chǎn)生影響的復(fù)雜現(xiàn)象。實(shí)際生產(chǎn)中往往靠經(jīng)驗(yàn)評價(jià)一個(gè)工藝是否可行。對一個(gè)鑄件而言，工藝定型需通過多次試驗(yàn)，反復(fù)摸索，最后根據(jù)多種試驗(yàn)方案的澆鑄結(jié)果，選擇出能夠滿足設(shè)計(jì)要求的鑄造工藝方案。多次的試鑄要花費(fèi)很多的人力、物力和財(cái)力。
鑄造過程雖然很復(fù)雜，偶然因素很多，但仍遵循基本科學(xué)理論，如流體力學(xué)、傳熱學(xué)、金屬凝固、固體力學(xué)等。這樣，鑄造過程可以抽象成求解液態(tài)金屬流動(dòng)、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(dǎo)方程、彈塑性方程。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得求解物理過程的數(shù)值解成為可能。應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，可對極其復(fù)雜的鑄造過程進(jìn)行定量的描述。
通過數(shù)學(xué)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(xù)性方程： 3動(dòng)量方程： 常用的數(shù)值模擬方法主要是有限差分法、有限元法。有限元差分法數(shù)學(xué)模型簡單，推導(dǎo)簡單易于理解，占用內(nèi)存較少。但計(jì)算精度一般，當(dāng)鑄件具有復(fù)雜邊界形狀時(shí)，誤差較大，應(yīng)力分析時(shí)需將差分網(wǎng)格轉(zhuǎn)換成有限元網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。有限元法技術(shù)根據(jù)變分原理對單元進(jìn)行計(jì)算，然后進(jìn)行單元總體合成，模擬精度高，可解決形狀復(fù)雜的鑄件問題。無論采用什么數(shù)值方法，鑄造過程的數(shù)值模擬軟件應(yīng)包括三個(gè)部分：前處理、中間計(jì)算和后處理。前處理主要為中間計(jì)算提供鑄件、型殼的幾何信息；鑄件和型殼的各種物理參數(shù)和鑄造工藝信息。中間計(jì)算主要根據(jù)鑄造過程設(shè)計(jì)的物理場，為數(shù)值計(jì)算提供計(jì)算模型，并根據(jù)鑄件質(zhì)量或缺陷與物理場的關(guān)系預(yù)測鑄件質(zhì)量。后處理是指把計(jì)算所得結(jié)果直觀地以圖形方式表達(dá)出來。圖5是鑄造過程的數(shù)值模擬系統(tǒng)組成。
鑄造過程流場、溫度場計(jì)算的主要目的時(shí)就是對鑄件中可能產(chǎn)生的縮孔縮松進(jìn)行預(yù)測，優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，控制鑄件內(nèi)部質(zhì)量。
通過在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行鑄造過程的模擬，可以得到各個(gè)階段鑄件溫度場、流場、應(yīng)力場的分布，預(yù)測缺陷的產(chǎn)生和位置。對多種工藝方案實(shí)施對比，選擇最優(yōu)工藝，能大幅提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品成品率。
3.2.2鑄造過程數(shù)值模擬軟件[5]
經(jīng)過多年的研究和開發(fā)，世界上已有一大批商品化的鑄造過程數(shù)值模擬軟件，表明這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)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(jìn)行溫度場、應(yīng)力場和流場的數(shù)值模擬，可預(yù)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(shí)體模型有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，可將實(shí)體文件用于有限元分析。
ProCAST是目前應(yīng)用比較成功的鑄造過程模擬軟件。在研制和生產(chǎn)復(fù)雜、薄壁鑄件和近凈型鑄件中尤能發(fā)揮其作用。是目前唯一能對鑄造過程進(jìn)行傳熱－流動(dòng)－應(yīng)力耦合分析的系統(tǒng)。該軟件主要由八大模塊組成：有限元網(wǎng)格剖分，傳熱分析及前后處理，流動(dòng)分析，應(yīng)力分析，熱輻射分析，顯微組織分析，電磁感應(yīng)分析，反向求解等。
它能夠模擬鑄造過程中絕大多數(shù)問題和物理現(xiàn)象。在對技術(shù)充型過程的分析方面，能提供考慮氣體、過濾、高壓、旋轉(zhuǎn)等對鑄件充型的影響，能構(gòu)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?zāi)：蛪褐品勰┎牧系鹊某湫瓦^程進(jìn)行模擬。ProCAST能對熱傳導(dǎo)、對流和熱輻射三類傳熱問題進(jìn)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(yīng)力方面采用彈塑性和粘塑性模型，使其具有分析鑄件應(yīng)力、變形的能力。
對鑄件進(jìn)行分析時(shí)，簡單的模型網(wǎng)格可以直接在ProCAST生成。復(fù)雜模型可以由IDEAS等軟件生成，劃分網(wǎng)格后輸出*.unv通用交換文件，該文件應(yīng)帶有節(jié)點(diǎn)和單元信息。Meshcast模塊讀入網(wǎng)格文件后輸出四面體單元用于前處理。PreCast對模型進(jìn)行材料、界面?zhèn)鳠�、邊界條件、澆注速度等參量進(jìn)行定義，最后由ProCAST模塊完成計(jì)算。
應(yīng)用IDEAS與ProCAST，我們對某發(fā)動(dòng)機(jī)部件進(jìn)行了凝固過程模擬。該部件由于有一個(gè)方向尺寸較薄，澆注過程中極易發(fā)生裂紋與變形，通過模擬，對澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，減少應(yīng)力集中，防止變形和開裂，取得明顯的效果。
結(jié)論：
1．計(jì)算機(jī)輔助工程與精密鑄造結(jié)合而成的CA精密鑄造技術(shù)具有很強(qiáng)的通用性，可以縮短研制周期，節(jié)約開發(fā)成本；
2．IDEAS與RPOCAST的配合，可以對復(fù)雜件進(jìn)行鑄造過程數(shù)值模擬；
3．計(jì)算機(jī)凝固模擬技術(shù)可用于復(fù)雜件的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并能較為準(zhǔn)確的預(yù)測缺陷及其位置、變形開裂傾向，用于指導(dǎo)澆注系統(tǒng)的優(yōu)化。
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