計算機(jī)輔助工程(CAE)在精密鑄造中的應(yīng)用

1、計算機(jī)輔助工程(CAE)在精密鑄造中的應(yīng)用             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)計和制造占很長的周期。一個復(fù)雜薄壁件模具的設(shè)計和制造可能需一年或更長的時間。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)計要求響應(yīng)時間短。特別是結(jié)構(gòu)設(shè)計需做些修改時，前期的模具制造費(fèi)用和制造工期

2、都白白地浪費(fèi)了。因而模具設(shè)計和制造成為新產(chǎn)品開發(fā)的瓶頸。計算機(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)計從畫圖板中解放出來，大大簡化了設(shè)計者的設(shè)計過程，減少出錯的幾率。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)計的瓶頸。另外在傳統(tǒng)鑄造中，開發(fā)一個新的鑄件，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

3、置，有效地提高鑄件成品率。CA精密鑄造技術(shù)就是將計算機(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)計軟件進(jìn)行設(shè)計，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)行計算。

4、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、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

5、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，又可進(jìn)行任意幾何與工程約束的自由創(chuàng)新設(shè)計；曲面設(shè)計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，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0.0050.01之

6、間。采用MagicRp處理時應(yīng)注意乘上25.4，得到實(shí)際設(shè)計尺寸。         3.2凝固過程的數(shù)值模擬鑄造是一個液態(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)評價一個工藝是否可行。對一個鑄件而言，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

7、可以抽象成求解液態(tài)金屬流動、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。但計算精度一般，當(dāng)鑄件具有復(fù)雜邊界形狀時，誤差較大，應(yīng)力分析時需將差分網(wǎng)格轉(zhuǎn)換成有限元網(wǎng)格進(jìn)行計算。有限元法技術(shù)根據(jù)變分原理對單元進(jìn)行計算，然后進(jìn)行單元總體合成，模擬

8、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)包括三個部分：前處理、中間計算和后處理。前處理主要為中間計算提供鑄件、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。中間計算主要根據(jù)鑄造過程設(shè)計的物理場，為數(shù)值計算提供計算模型，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、溫度場計算的主要目的時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，控制鑄件內(nèi)部質(zhì)量。通過在計算機(jī)上進(jìn)行鑄造過程的模擬，可以得到各個階段鑄件溫度場、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。1計算機(jī)輔助工程與精密鑄造結(jié)合而