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詳談CAD在鑄造工藝中的應用與發(fā)展
鑄造工藝設計是鑄造生產(chǎn)的核心技術(shù)環(huán)節。鑄造生產(chǎn)是一種材料通過(guò)“固態(tài)-液態(tài)-固態(tài)”的轉變，一次性成型來(lái)完成產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝過(guò)程。材料這種通過(guò)物理狀態(tài)的改變而成型的特殊性給鑄造工藝設計帶來(lái)了極大的困難，導致鑄造工藝設計存在從設計到生產(chǎn)的周期長(cháng)、修改次數多、設計缺少科學(xué)性等諸多問(wèn)題。而計算機的迅速發(fā)展使得利用CAD解決之類(lèi)的問(wèn)題變得無(wú)比輕松。那么下面就由小編來(lái)詳細談?wù)凜AD在鑄造工藝中的應用與發(fā)展。
1 鑄造工藝CAD
隨著(zhù)計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機在鑄造中的應用越來(lái)越廣泛。60年代初，丹麥的Forsund把Dusinberre等人在工程應用中提出的有限差分近似法第一次用于鑄造凝固過(guò)程的傳熱計算，開(kāi)始了鑄件凝固的過(guò)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(kāi)始了凝固過(guò)程模擬，并取得了顯著(zhù)的進(jìn)步。在第50屆國際鑄造年會(huì )舉辦的“凝固過(guò)程計算機模擬”專(zhuān)題討論會(huì )上，深入討論了鑄件凝固過(guò)程數值模擬在研究微觀(guān)組織結構和鑄件性能等方面的應用，總結了凝固過(guò)程模擬所依據的一系列關(guān)系式，并設想利用這些關(guān)系式將幾何模數、凝固參數、合金性能及微觀(guān)組織參數等有機地聯(lián)系起來(lái)，并提出了鑄造工藝CAD的概念。我國從1978年開(kāi)始開(kāi)展鑄件凝固數值模擬研究，十多年來(lái)的研究已形成了我國凝固模擬技術(shù)研究的特色。
鑄件凝固數值模擬技術(shù)發(fā)展至今可分為3個(gè)階段：①基礎研究階段，著(zhù)重于計算模擬;②預測研究階段，對擬定好的工藝方案進(jìn)行檢查，以預測質(zhì)量，并通過(guò)模擬澆注來(lái)修改方案;③優(yōu)化工藝設計，包括計算模擬、幾何模擬及數據庫，并使之有機結合起來(lái)。有時(shí)把這3個(gè)階段綜合稱(chēng)為鑄造工藝CAD，有時(shí)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應包括4個(gè)部分，即：凝固過(guò)程數值模擬(熱場(chǎng)模擬)、充型過(guò)程數值模擬(流場(chǎng)模擬)、熱應力及殘余熱應力數值模擬(力場(chǎng)模擬)和微觀(guān)模擬(組織模擬)。
2 鑄造工藝CAD的現狀及應用
2.1 鑄造工藝CAD的現狀
目前，國內外鑄造工藝CAD方面的研究已達到了相當的水平，并已逐步進(jìn)入實(shí)用化階段。這主要反映在以下3個(gè)方面。
(1) 前置處理
根據實(shí)際物體的結構和形狀建立實(shí)體模型(圖1所示)，并自動(dòng)剖分為多面體單元(圖2所示)。一般來(lái)講，對于形狀簡(jiǎn)單的鑄件，通常采用二維的方法近似地進(jìn)行數值模擬就可得到較為精確的結果。而對于結構復雜的鑄件，則需三維模擬計算才能滿(mǎn)足精度的要求。
(2) 中央處理
中央處理是數值模擬的核心，通過(guò)數值模擬計算法對熱平衡方程進(jìn)行解析和縮孔縮松的預測判斷，同時(shí)也可通過(guò)求解Navier-Stokes方程來(lái)模擬充型過(guò)程等。
(3) 后置處理
后置處理是將計算的結果經(jīng)分析后通過(guò)彩色圖形或圖象等方式動(dòng)態(tài)地表示出來(lái)。如用二維方式顯示鑄件某一斷面或某點(diǎn)的溫度-時(shí)間動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)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、或是反映鑄件的應力場(chǎng)分布等。
由于現在的許多軟件具有很強的前后置處理功能，因此，通過(guò)前置-中央-后置處理，可以連續地完成對鑄件的三維造型、網(wǎng)格自動(dòng)剖分;在給定的初始條件和邊界條件下，進(jìn)行數值模擬計算，然后按使用者的要求，顯示出鑄件的三維溫度場(chǎng)、應力場(chǎng)，甚至包括固相率場(chǎng)等，使得設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(guò)模擬結果對工藝進(jìn)行修改，以滿(mǎn)足鑄件質(zhì)量的要求。
2.2 鑄造工藝CAD的應用
80年代以來(lái)，數值模擬技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。一方面由于研究過(guò)程中不斷建立新的數學(xué)模型和各種判據，使模擬計算結果不斷近似于實(shí)測結果，另一方面，由于凝固基礎理論研究所取得的新成果，使宏觀(guān)模擬計算與微觀(guān)的結晶過(guò)程有機結合成為可能，并也取得了突破性的成果。就鑄造工藝CAD的應用而言，主要有以下幾方面。
(1) 鑄件凝固過(guò)程的數值模擬
鑄件凝固過(guò)程的數值模擬是通過(guò)計算溫度場(chǎng)的溫度梯度、固相率凝固時(shí)間等，用一系列準則來(lái)預測鑄件在凝固過(guò)程中產(chǎn)生縮孔縮松的部位及大小、產(chǎn)生的時(shí)間等。通過(guò)這種預測可對所制定的鑄造工藝方案進(jìn)行修改，再通過(guò)數值模擬進(jìn)行驗證。圖4為模擬的截面溫度分布。圖5所示就是凝固數值模擬預測出鑄件可能出現縮孔縮松的部位，而這一模擬預測結果與實(shí)測結果完全吻合。同時(shí)，利用凝固數值模擬的方法確定了獲得健全鑄件時(shí)內澆口與鑄件的關(guān)系
1=<τf/τr>k(0.566～0.575)
式中：τf——內澆口凝固的時(shí)間;
τr——補縮鑄件凝固的時(shí)間。
通過(guò)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。數值凝固模擬可使澆注系統的設計更為準確，更具科學(xué)性，而且，大大縮短了設計的周期，減少了工裝模具的反復修改。所以，凝固數值模擬應用是最廣泛和最成熟的。
(2) 鑄件充型過(guò)程的數值模擬
鑄件充型過(guò)程的數值模擬是通過(guò)計算金屬液充型過(guò)程中的流體流動(dòng)得出的。充型過(guò)程的數值模擬可以分析在給定工藝條件下，金屬液在澆注系統中以及在型內的流動(dòng)情況。包括：流量的分布、流速的分布以及由此而導致的鑄件溫度場(chǎng)。在圖6中，當流體流量分布不均勻時(shí)，鑄件的溫度分布也不均勻。在圖中，第4個(gè)冒口在此時(shí)尚未充滿(mǎn)，導致鑄件溫度分布的不均勻。并且這種模擬也能夠為后來(lái)的凝固分析提供正確的初始條件。因此，充型模擬在澆注系統及冒口優(yōu)化設計中是非常重要和有價(jià)值的。
(3) 鑄件熱應力的數值模擬
鑄件熱應力的數值模擬是通過(guò)對鑄件凝固過(guò)程中熱應力場(chǎng)的計算、冷卻過(guò)程中殘余熱應力的計算來(lái)預測熱裂紋敏感區和熱裂紋的。鑄件應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)，而且影響工藝設計的質(zhì)量(收縮量的準確給定等)。如果能模擬出鑄件在給定工藝下的應力分布，就可修改工藝把鑄件產(chǎn)生應力的可能降低到最低限度，從而保證鑄件的質(zhì)量。但由于鑄件的結構、鑄型材料對鑄件凝固過(guò)程的影響是非常復雜的，這種模擬計算本身也很復雜，所以，應力的模擬仍有很長(cháng)的路要走。圖7是床身鑄件導軌縱截面二維模擬應力場(chǎng)。
(4) 鑄件微觀(guān)組織數值模擬
鑄件微觀(guān)組織數值模擬是計算鑄件凝固過(guò)程中的成核、生長(cháng)等，以及凝固后鑄件的微觀(guān)組織和可能具備的性能。圖8就是模擬和實(shí)際檢驗的鑄件微觀(guān)組織。在微觀(guān)組織模擬中，用宏觀(guān)傳熱、傳質(zhì)與微觀(guān)形核、生長(cháng)相統一的數學(xué)模型，來(lái)描述微觀(guān)組織形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程。包括：自發(fā)或非自發(fā)成核、晶粒長(cháng)大、枝晶生長(cháng)、二相質(zhì)點(diǎn)的分布等。微觀(guān)組織模擬為相關(guān)的工藝提供了依據，保證了鑄件的質(zhì)量，也是從事金屬研究的有力手段。
鑄造工藝CAD的發(fā)展和應用對鑄造生產(chǎn)具有重大的意義和價(jià)值。但必須清楚地認識到鑄造工藝CAD不是目的，而是手段。應用和加速發(fā)展鑄造工藝CAD是為了鑄造工藝的最優(yōu)化設計、提高設計的質(zhì)量和科學(xué)性、縮短設計的周期、保證鑄件質(zhì)量和提高經(jīng)濟效益。所以，從應用的角度上講，各種數值模擬最終要服務(wù)于鑄造工藝的優(yōu)化設計。
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