计算机辅助设计在铸造工艺中的应用及发展

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1、计算机辅助设计在铸造工艺中的应用及发展

2、第12　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(图1所示)，并自动剖分为多面体单元(图2所示)。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。图1　实体模型　　(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

3、，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(图3所示)，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。图2　二维网格图3　温度场的模拟　　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

4、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、

5、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。图4为模拟的截面温度分布。图5所示就是凝固数值模拟预测出铸件可能出现缩孔缩松的部位，而这一模拟预测结果与实测结果完全吻合。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。图4　截面温度分布　　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

6、改。所以，凝固数值模拟应用是最广泛和最成熟的。图5　凝固模拟预测结果　　(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。图6　铸件的充型模拟结果　　(3)铸件热应力

7、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。图7　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

8、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。图8　微观组织模拟及实际检验图　　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