CAD在鑄造工藝中的應(yīng)用及發(fā)展

鑄造工藝設(shè)計是鑄造生產(chǎn)的核心技術(shù)環(huán)節(jié)。鑄造生產(chǎn)是一種材料通過“固態(tài)-液態(tài)-固態(tài)”的轉(zhuǎn)變，一次性成型來完成產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝過程。材料這種通過物理狀態(tài)的改變而成型的特殊性給鑄造工藝設(shè)計帶來了極大的困難，導(dǎo)致鑄造工藝設(shè)計存在從設(shè)計到生產(chǎn)的周期長、修改次數(shù)多、設(shè)計缺少科學(xué)性等諸多問題。而計算機(jī)的迅速發(fā)展使得解決這些長期阻礙鑄造生產(chǎn)發(fā)展的問題成為現(xiàn)實(shí)。
1　鑄造工藝CAD
    隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機(jī)在鑄造中的應(yīng)用越來越廣泛。60年代初，丹麥的Forsund把Dusinberre等人在工程應(yīng)用中提出的有限差分近似法第一次用于鑄造凝固過程的傳熱計算，開始了鑄件凝固的過程模擬。此后，美國Michigan大學(xué)的Marrone等人以及日本的大中逸雄等相繼開始了凝固過程模擬，并取得了顯著的進(jìn)步。在第50屆國際鑄造年會舉辦的“凝固過程計算機(jī)模擬”專題討論會上，深入討論了鑄件凝固過程數(shù)值模擬在研究微觀組織結(jié)構(gòu)和鑄件性能等方面的應(yīng)用，總結(jié)了凝固過程模擬所依據(jù)的一系列關(guān)系式，并設(shè)想利用這些關(guān)系式將幾何模數(shù)、凝固參數(shù)、合金性能及微觀組織參數(shù)等有機(jī)地聯(lián)系起來，并提出了鑄造工藝CAD的概念。我國從1978年開始開展鑄件凝固數(shù)值模擬研究，十多年來的研究已形成了我國凝固模擬技術(shù)研究的特色。
    鑄件凝固數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展至今可分為3個階段：①基礎(chǔ)研究階段，著重于計算模擬；②預(yù)測研究階段，對擬定好的工藝方案進(jìn)行檢查，以預(yù)測質(zhì)量，并通過模擬澆注來修改方案；③優(yōu)化工藝設(shè)計，包括計算模擬、幾何模擬及數(shù)據(jù)庫，并使之有機(jī)結(jié)合起來。有時把這3個階段綜合稱為鑄造工藝CAD，有時又特指為第三階段。目前就國外而言，鑄造工藝CAD正處在第三階段。因此，在實(shí)際研究中鑄造工藝CAD應(yīng)包括4個部分，即：凝固過程數(shù)值模擬(熱場模擬)、充型過程數(shù)值模擬(流場模擬)、熱應(yīng)力及殘余熱應(yīng)力數(shù)值模擬(力場模擬)和微觀模擬(組織模擬)。
2　鑄造工藝CAD的現(xiàn)狀及應(yīng)用
2.1　鑄造工藝CAD的現(xiàn)狀
    目前，國內(nèi)外鑄造工藝CAD方面的研究已達(dá)到了相當(dāng)?shù)乃�平，并已逐步進(jìn)入實(shí)用化階段。這主要反映在以下3個方面。
(1) 前置處理
    根據(jù)實(shí)際物體的結(jié)構(gòu)和形狀建立實(shí)體模型(圖1所示)，并自動剖分為多面體單元(圖2所示)。一般來講，對于形狀簡單的鑄件，通常采用二維的方法近似地進(jìn)行數(shù)值模擬就可得到較為精確的結(jié)果。而對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件，則需三維模擬計算才能滿足精度的要求。

圖1　實(shí)體模型

(2) 中央處理
    中央處理是數(shù)值模擬的核心，通過數(shù)值模擬計算法對熱平衡方程進(jìn)行解析和縮孔縮松的預(yù)測判斷，同時也可通過求解Navier-Stokes方程來模擬充型過程等。

圖2　二維網(wǎng)格

(3) 后置處理
    后置處理是將計算的結(jié)果經(jīng)分析后通過彩色圖形或圖象等方式動態(tài)地表示出來。如用二維方式顯示鑄件某一斷面或某點(diǎn)的溫度-時間動態(tài)曲線圖(圖3所示)，用三維方式顯示鑄件的溫度變化、縮孔縮松的形成、或是反映鑄件的應(yīng)力場分布等。

圖3　溫度場的模擬

    由于現(xiàn)在的許多軟件具有很強(qiáng)的前后置處理功能，因此，通過前置-中央-后置處理，可以連續(xù)地完成對鑄件的三維造型、網(wǎng)格自動剖分；在給定的初始條件和邊界條件下，進(jìn)行數(shù)值模擬計算，然后按使用者的要求，顯示出鑄件的三維溫度場、應(yīng)力場，甚至包括固相率場等，使得設(shè)計者可以很快得到在此工藝條件下所生產(chǎn)鑄件的質(zhì)量，并通過模擬結(jié)果對工藝進(jìn)行修改，以滿足鑄件質(zhì)量的要求。
2.2　鑄造工藝CAD的應(yīng)用
    80年代以來，數(shù)值模擬技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。一方面由于研究過程中不斷建立新的數(shù)學(xué)模型和各種判據(jù)，使模擬計算結(jié)果不斷近似于實(shí)測結(jié)果，另一方面，由于凝固基礎(chǔ)理論研究所取得的新成果，使宏觀模擬計算與微觀的結(jié)晶過程有機(jī)結(jié)合成為可能，并也取得了突破性的成果。就鑄造工藝CAD的應(yīng)用而言，主要有以下幾方面。
(1) 鑄件凝固過程的數(shù)值模擬
    鑄件凝固過程的數(shù)值模擬是通過計算溫度場的溫度梯度、固相率凝固時間等，用一系列準(zhǔn)則來預(yù)測鑄件在凝固過程中產(chǎn)生縮孔縮松的部位及大小、產(chǎn)生的時間等。通過這種預(yù)測可對所制定的鑄造工藝方案進(jìn)行修改，再通過數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證。圖4為模擬的截面溫度分布。圖5所示就是凝固數(shù)值模擬預(yù)測出鑄件可能出現(xiàn)縮孔縮松的部位，而這一模擬預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果完全吻合。同時，利用凝固數(shù)值模擬的方法確定了獲得健全鑄件時內(nèi)澆口與鑄件的關(guān)系
1=<τf／τr＞k（0．566～0．575）
式中：τf——內(nèi)澆口凝固的時間；
τr——補(bǔ)縮鑄件凝固的時間。

圖4　截面溫度分布

    通過修改工藝獲得了健全的鑄件。很明顯在其他工藝條件一定的前提下，這一關(guān)系具有通用性。數(shù)值凝固模擬可使?jié)沧⑾到y(tǒng)的設(shè)計更為準(zhǔn)確，更具科學(xué)性，而且，大大縮短了設(shè)計的周期，減少了工裝模具的反復(fù)修改。所以，凝固數(shù)值模擬應(yīng)用是最廣泛和最成熟的。

圖5　凝固模擬預(yù)測結(jié)果

(2) 鑄件充型過程的數(shù)值模擬
    鑄件充型過程的數(shù)值模擬是通過計算金屬液充型過程中的流體流動得出的。充型過程的數(shù)值模擬可以分析在給定工藝條件下，金屬液在澆注系統(tǒng)中以及在型內(nèi)的流動情況。包括：流量的分布、流速的分布以及由此而導(dǎo)致的鑄件溫度場。在圖6中，當(dāng)流體流量分布不均勻時，鑄件的溫度分布也不均勻。在圖中，第4個冒口在此時尚未充滿，導(dǎo)致鑄件溫度分布的不均勻。并且這種模擬也能夠?yàn)楹髞淼哪�固分析提供正確的初始條件。因此，充型模擬在澆注系統(tǒng)及冒口優(yōu)化設(shè)計中是非常重要和有價值的。

圖6　鑄件的充型模擬結(jié)果

(3) 鑄件熱應(yīng)力的數(shù)值模擬
    鑄件熱應(yīng)力的數(shù)值模擬是通過對鑄件凝固過程中熱應(yīng)力場的計算、冷卻過程中殘余熱應(yīng)力的計算來預(yù)測熱裂紋敏感區(qū)和熱裂紋的。鑄件應(yīng)力的形成不僅影響鑄件最終的質(zhì)量和使用效果(裂紋變形等)，而且影響工藝設(shè)計的質(zhì)量(收縮量的準(zhǔn)確給定等)。如果能模擬出鑄件在給定工藝下的應(yīng)力分布，就可修改工藝把鑄件產(chǎn)生應(yīng)力的可能降低到最低限度，從而保證鑄件的質(zhì)量。但由于鑄件的結(jié)構(gòu)、鑄型材料對鑄件凝固過程的影響是非常復(fù)雜的，這種模擬計算本身也很復(fù)雜，所以，應(yīng)力的模擬仍有很長的路要走。圖7是床身鑄件導(dǎo)軌縱截面二維模擬應(yīng)力場。

圖7　二維模擬應(yīng)力場

(4) 鑄件微觀組織數(shù)值模擬
    鑄件微觀組織數(shù)值模擬是計算鑄件凝固過程中的成核、生長等，以及凝固后鑄件的微觀組織和可能具備的性能。圖8就是模擬和實(shí)際檢驗(yàn)的鑄件微觀組織。在微觀組織模擬中，用宏觀傳熱、傳質(zhì)與微觀形核、生長相統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，來描述微觀組織形成的動態(tài)過程。包括：自發(fā)或非自發(fā)成核、晶粒長大、枝晶生長、二相質(zhì)點(diǎn)的分布等。微觀組織模擬為相關(guān)的工藝提供了依據(jù)，保證了鑄件的質(zhì)量，也是從事金屬研究的有力手段。

圖8　微觀組織模擬及實(shí)際檢驗(yàn)圖

    鑄造工藝CAD的發(fā)展和應(yīng)用對鑄造生產(chǎn)具有重大的意義和價值。但必須清楚地認(rèn)識到鑄造工藝CAD不是目的，而是手段。應(yīng)用和加速發(fā)展鑄造工藝CAD是為了鑄造工藝的最優(yōu)化設(shè)計、提高設(shè)計的質(zhì)量和科學(xué)性、縮短設(shè)計的周期、保證鑄件質(zhì)量和提高經(jīng)濟(jì)效益。所以，從應(yīng)用的角度上講，各種數(shù)值模擬最終要服務(wù)于鑄造工藝的優(yōu)化設(shè)計