2第5章 计算机技术在铸造技术中的应用.docx

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2第5章计算机技术在铸造技术中的应用

第5章计算机技术在铸造技术中的应用

5.1铸件凝固过程数值模拟

5.1.1概述

在铸造生产中，铸件凝固过程是最重要的过程之一，大部分铸造缺陷产生于这一过程。

凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效率都非常重要。

凝固过程数值模拟可以实现下述目的：

（1）预知凝固时间以便预测生产率。

（2）预知开箱时间。

（3）预测缩孔和缩松。

（4）预知铸型的表面温度以及内部的温度分布，以便预测金属型表面熔接情况，方便金属型设计。

（5）控制凝固条件。

（6）为预测铸应力，微观及宏观偏析，铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据。

铸件凝固过程数值模拟开始于60年代，丹麦FORSUND把有限差分法第一次用于铸件凝固过程的传热计算。

之后美国HENZEL和KEUERIAN应用瞬态传热通用程序对汽轮机内缸体铸件进行数值计算，得出了温度场，计算结果与实测结果相当接近。

这些尝试的成功，使研究者认识到用计算数值模拟技术研究铸件的凝固过程具有巨大的潜力和广阔的前景。

于是世界上许多国家都相继开展了铸件凝固过程数据模拟以及与之相关的研究工作。

5.1.2数学模型的建立和程序设计

液态金属浇入铸型，它在型腔内的冷却凝固过程是一个通过铸型向环境散热的过程。

在这个过程中，铸件和铸型内部温度分布要随时间变化。

从传热方式看，这一散热过程是按导热，对流及辐射三种方式综合进行的。

显然，对流和辐射的热流主要发生在边界上。

当液态金属充满型腔后，如果不考虑铸件凝固过程中液态金属中发生的对流现象，铸件凝固过程基本上看成是一个不稳定导热过程。

因此铸件凝固过程的数学模型正是根据不稳定导热偏微分方程建立的。

但还必须考虑铸件凝固过程中的潜热释放。

基于分析和计算模型开发相应的程序，即可实现铸造凝固过程温度场的计算。

5.1.3温度场的数值模拟

   在热模拟中,温度场的数值模拟是最基本的，以三维温度场为主要内容的铸件凝固过程模拟技术已进入实用阶段,日本许多铸造厂采用此项技术。

英国的Solstar系统由三维造型,网格自动剖分,有限差分传热计算,缩孔缩松预测,热物性数据库及图形处理等模块组成。

5.1.4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导致的铸件温度场分布。

充型过程数值模拟一方面分析金属液在浇冒口系统和型腔中的流动状态,优化浇冒口设计并仿真浇道中的吸气,以消除流股分离和避免氧化,减轻金属液对铸型的侵蚀和冲击;另一方面,分析充型过程中金属液及铸型温度变化,预测冷隔和浇不足等铸造缺陷。

充型过程数值模拟技术由于所涉及的控制方程多而复杂,计算量大而且迭代结果易发散，加上自由表面边界问题的特殊处理要求使其难度软件可对中等复杂铸件进行三维流场分析，获得比较符合实际情况的初始温度场分布。

铸造充型过程数值模拟技术主要有三种方法：

（1）SIMPLE法,即压力连接方程半隐式方法（Semi-ImplicitMethodforPressureLinkedEquation）；

（2）SMAC法,即简化标示粒子法（SimplifedMarkerandCell）；

（3）SOLA-VOF法,即解法（Solu-tionAlgorithm）及体积函数法（VolumeofFluid）。

5.1.5应力场的数值模拟

   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。

应力场分析可预测铸件热裂及变形等缺陷。

   由于三维应力场模拟涉及弹性-塑性-蠕变理论及高温下的力学性能和热物性参数等,研究的难度大。

现在研究多着重于建立专门用于铸造过程的三维应力场分析软件包,有些研究是利用国外的通用有限元软件对部分铸件的应力场进行模拟分析,这对优化铸造工艺和提高铸模寿命发挥了重要作用。

应力场模拟分析正向实用化发展，但迄今为止还没有一种科学方法准确测量金属铸件各个部位的热应力或残余应力。

5.1.6铸件微观组织模拟

   铸件微观组织数值模拟是计算铸件凝固过程中的成核、生长等,以及凝固后铸件的微观组织和可能具备的性能。

铸件微观组织模拟经过了定性模拟、半定量模拟和定量模拟阶段，由定点形核到随机形核。

这一研究存在的问题是很难建立一个相当完善的数学模型来精确计算形核数,枝晶生长速度及组织转变等。

瑞士MRappaz教授与美国Stefanescu教授在1985年前后同时进行该项目的研究。

他们从宏观温度场入手,分别对铝合金及镍基合金和铁的晶粒数,晶粒尺寸分布及二次臂距进行估算。

铸件微观组织模拟研究今后将向定向凝固及单晶方面发展,同时在计算精度、计算速度等方面有很多工作要做。

5.1.7低压铸造工艺模拟

低压铸造适合于生产内部质量要求较高、尺寸精度要求较高的铝镁合金铸件。

充型速度可控，使得充型平稳，可有效控制卷气和夹渣，防止合金氧化，适合于易氧化的铸件。

且铸件在压力下凝固，辅以合理的冷却系统，有利于补缩，易于获得无缺陷铸件。

   低压铸造工艺可分为开放式和封闭式。

开放式指模具型腔直接与空气接触，因此充型后没有增压、保压凝固过程。

封闭式指型腔通过透气孔与大气相连，充型后可进行增压、保压。

由于封闭式可以根据铸件的结构与凝固特点制定增压、保压规范，获得更高的内部质量，因此是常见的低压铸造工艺。

图5-1铸件实体图图5-2低压铸造传统工艺过程

（1）低压铸造充型过程流场数值模拟

金属液体为粘性不可压缩流体。

低压铸造充型过程压力可控，充型比较平稳，通常可以考虑为层流流动。

采用的控制方程如下：

动量方程：

连续性方程：

能量方程：

（2）低压铸造凝固过程温度场数值模拟

低压铸造是一个周期性循环生产的过程，每个周期基本上可分为合模充型、保压凝固与冷却、卸压冷却及开模操作四个阶段。

冷却系统通常在保压凝固阶段初期开放，在保压凝固末期关闭。

在这些操作阶段，模具不断地[被加热和冷却，模具中的热量始终处在不平衡的状态。

但总的来看，当生产达到稳定后，每个周期中模具吸收的总热量与释放的总热量相当。

影响低压铸造的工艺因素很多，如各操作阶段的时间长短、冷却系统的分布及其开放与关闭的时间及冷却强度、涂料工艺等。

低压铸造传热计算的控制方程如下：

图5-3凝固过程温度场

5.2铸造工艺计算机辅助设计技术

5.2.1铸造工艺CAD

   在铸造工艺设计过程中，有许多繁琐的数学计算和大量的查表选择等工作，仅凭工艺设计人员的个人经验和手工操作，不但要花费很多时间，而且设计结果往往因人而异，很难保证铸件质量，60年代以来，特别是进入80年代后，随着电子计算机技术的迅猛发展，计算机辅助设计技术在工业中得到愈来愈广泛的应用，也为铸造工艺设计的科学化、精确化提供了良好的工具，成为铸造技术开发和生产发展的重要内容之一。

典型的铸造工艺CAD系统工作过程是：

（1）接收用户送给的铸件图纸，在以工程图方式接收时可自行进行三维造型；

（2）工艺分析和报价；

按需要从任一角度或对铸件任一部分结构加以观察，根据三维实体计算铸件重量和不同部位的模数，计算浇冒口等工艺数据，进行铸件的初步设计，估算成本并提出报价。

（3）进行铸件的详细设计；

从建立的铸件三维实体抽取数据进行三维凝固模拟并修改铸件设计，然后自动生成相应的铸型、芯盒或模具图。

（4）铸型、芯盒和模具经数控加工成形，进行浇铸和检验，收集生产中的数据供质量跟踪和知道以后的铸件设计。

目前铸造工艺CAD的软件功能一般是单一的，分为铸件设计、凝固模拟和模样加工等相对独立的系统。

5.2.2铸造工艺CAD的特点

首先将零件图通过数字化仪或其他图形输入设备输入计算机内，然后根据要求标出浇注位置和分型面的位置，进一步绘出加工余量及不铸孔、槽的符号，以及拨模斜度，并标出尺寸，形成铸件图；以此为依据进行铸件模数和重量计算、进行补缩系统和浇注系统设计；将设计计算的结果以图形方式加到铸件图上，再绘出砂芯形状，算出芯头间隙、芯头压紧环、防压环、积砂槽和芯头分块线及尺寸等，从而形成一个完整的工艺图；最后绘制出铸造工艺卡片。

将图形由绘图仪输出，完全取代了手工绘制工艺图和描图、晒图等繁琐工序，而且修改、存档方便，大大提高了设计效率。

与传统的铸造工艺设计方法相比，用计算机设计铸造工艺有如下特点：

（1）计算准确、迅速、消除了人为的计算误差。

（2）可同时对几个不同的方案进行工艺设计和比较，从而找出较好的方案。

（3）能够储存并系统利用铸造工作者的经验，使得使用者不论其经验丰富与否都能设计出较合理的铸造工艺。

（4）计算结果能自动打印记录，并能绘制铸造工艺图等技术文件。

计算机辅助设计不仅使计算机代替了人工设计铸造工艺和绘制工艺图，而且还能优化工艺设计，提高工艺出品率。

铸造工艺计算机辅助设计程序的功能主要表现在以下几方面：

（1）铸件的几何、物理量计算，包括铸件体积、表面积、重量及热模数的计算。

（2）补缩系统的设计计算，包括冒口的设计和计算、冷铁设计计算和设计合理的补缩通道。

（3）浇注系统的设计计算，包括选择浇注系统的类型和各部分截面积计算。

（4）绘图，包括铸件图、铸造工艺图、铸造工艺卡等图形的绘制和输出。

5.2.3图形处理的软件系统

  近年来，国内外在铸造工艺计算机辅助设计方面已作了较多的研究和开发，相继出现了一批较实用的软件，如美国铸协（AFS）的AFS-oftware软件，可用于铸钢铸铁的浇冒口设计；英国Foseco公司的FEEDERCALC软件可计算铸钢件的浇冒口尺寸，补缩距离及选择保温冒口套等；丹麦DISA公司的DISAMATIC软件专用垂直分型生产线的浇冒口设计；清华大学研制开发的FTCAD软件适用于球铁浇冒口系统设计；铸造工艺辅助设计集成软件--CASTCAD适用于铝合金、铸件和铸钢生产；华北工学院开发的铸钢件集成软件提出了改进RUDDLE三次方法设计冒口且实现了参数化设计。

此外，还有许多这方面的软件都已在铸造生产中得到较好的应用，产生了明显的经济效果。

铸造工艺计算机辅助设计中，微机上较多的是采用AutoCAD软件（2D）作为图形处理的支撑软件，国内已有很多再其基础上二次开发的软件，完成铸件图、铸造工艺卡等图形处理功能。

但目前,3D软件发展很快,既有大型软件,如UG、Pro/E、CATIA，也有中档软件，如SolidEdge、SolidWork、MDT等以及低档的一些软件。

对工作站，基本上是大型软件。

（1）AutoCAD软件包及基本功能

   AutoCAD是美国Autodesk公司为PC机开发的一个交互式图形软件包，它主要是一个二维图形软件包，具有很强的二维作图编辑功能，也具有简单的三维作图功能，它是目前我国微型计算机上应用最广泛的软件包。

AutoCAD自1982年在美国首次推出AutoCAD1.00版本后，版本不断升级，目前已有AutoCAD2000版本。

它的绘图命令得到了很大改进，产生图形的速度和编辑图形的速度都比以前的版本提高了许多，绘图和编辑功能也都大大增强了。

AutoLisp和ARX语言是一种嵌入在AutoCAD内部的开发语言。

它可以让用户和AutoCAD开发者以非常强大的高级语言编写出宏语言程序和函数，非常适合于图形的应用。

它为用户提供了强大的二次开发的工具，用户就可以利用AutoLisp编制AutoCAD新的命令，从而实现铸造工艺CAD中对铸件图、铸造工艺图等图形的处理功能。

有关AutoLisp语言的实用程序设计方法请读者参阅有关专著。

（2）Pro/Engineer软件包及基本功能

   Pro/Engineer是一套由设计至生产的机械自动