cae在精密鑄造中的應(yīng)用

1、CAE在精密鑄造中的應(yīng)在精密鑄造中的應(yīng)用摘要：本文介紹了CA精密鑄造工藝。重點(diǎn)闡述了計(jì)算機(jī)輔助工程，包括三維CAD、凝固過(guò)程數(shù)值模擬等在精密鑄件研制過(guò)程中的應(yīng)用。IDEAS可以方便地進(jìn)行三維設(shè)計(jì)或逆向工程，獲得三維模型，然后通過(guò)快速成型技術(shù)，能迅速得到鑄造原型；用ProCast對(duì)鑄件的澆注工藝進(jìn)行模擬，以優(yōu)化澆注參數(shù)，消除鑄造缺陷。關(guān)鍵詞：CA精密鑄造計(jì)算機(jī)輔助工程1引言：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

2、優(yōu)點(diǎn)是表面光潔，尺寸精確，而缺點(diǎn)是工藝過(guò)程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，影響鑄件質(zhì)量的因素多，生產(chǎn)中對(duì)材料和工藝要求很嚴(yán)[1]。在生產(chǎn)過(guò)程中，模具設(shè)計(jì)和制造占很長(zhǎng)的周期。一個(gè)復(fù)雜薄壁件模具的設(shè)計(jì)和制造可能需一年或更長(zhǎng)的時(shí)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(lái)越短，設(shè)計(jì)要求響應(yīng)時(shí)間短。特別是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需做些修改時(shí)，前期的模具制造費(fèi)用和制造工期都白白地浪費(fèi)了。因而模具設(shè)計(jì)和制造成為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的瓶頸。計(jì)算機(jī)輔助工程的發(fā)展，使得傳統(tǒng)產(chǎn)

3、業(yè)與新技術(shù)的融合成為可能。三維CAD可以把設(shè)計(jì)從畫圖板中解放出來(lái)，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)過(guò)程，減少出錯(cuò)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[234]，三維模型可以通過(guò)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(jì)的瓶頸。另外在傳統(tǒng)鑄造中，開(kāi)發(fā)一個(gè)新的鑄件，工藝定型需通過(guò)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(jì)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

4、和財(cái)力。采用凝固過(guò)程數(shù)值模擬，可以指導(dǎo)澆注工藝參數(shù)優(yōu)化，預(yù)測(cè)缺陷數(shù)量及位置，有效地提高鑄件成品率。CA精密鑄造技術(shù)就是將計(jì)算機(jī)輔助工程應(yīng)用到精密鑄造過(guò)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(lái)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。三維模型可采用IDEAS、UGII、PROE等

5、三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(dòng)成型系統(tǒng)上進(jìn)行原型制作，采用熔體浸潤(rùn)進(jìn)行原型表面處理，凝固過(guò)程數(shù)值模擬采用PROCAST和有限差分軟件進(jìn)行計(jì)算。3.2凝固過(guò)程的數(shù)值模擬3.2.1凝固過(guò)程的數(shù)值模擬原理鑄造是一個(gè)液態(tài)金屬充填型腔、并在其中凝固和冷卻的過(guò)程，其中包含了許多對(duì)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(píng)價(jià)一個(gè)工藝是否可行。對(duì)一個(gè)鑄件而言，工藝定型需通過(guò)多次試

6、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(jì)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(cái)力。鑄造過(guò)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(guò)程可以抽象成求解液態(tài)金屬流動(dòng)、凝固及溫度變化的問(wèn)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得求解物理過(guò)程的數(shù)值解成為可能。應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，可對(duì)極其復(fù)雜

7、的鑄造過(guò)程進(jìn)行定量的描述。通過(guò)數(shù)學(xué)物理方法抽象，鑄造過(guò)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(dòng)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(jiǎn)單，推導(dǎo)簡(jiǎn)單易于理解，占用內(nèi)存較少。但計(jì)算精度一般，當(dāng)鑄件具有復(fù)雜邊界形狀時(shí)，誤差較大，應(yīng)力分析時(shí)需將差分網(wǎng)格轉(zhuǎn)換成有限元網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。有限元法技術(shù)根據(jù)變分原理對(duì)單元進(jìn)行計(jì)算，然后進(jìn)行單元總體合成，模擬精度高，可解決形狀復(fù)雜的鑄件問(wèn)題。無(wú)論采用什么數(shù)

8、值方法，鑄造過(guò)程的數(shù)值模擬軟件應(yīng)包括三個(gè)部分：前處理、中間計(jì)算和后處理。前處理主要為中間計(jì)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(jì)算主要根據(jù)鑄造過(guò)程設(shè)計(jì)的物理場(chǎng)，為數(shù)值計(jì)算提供計(jì)算模型，并根據(jù)鑄件質(zhì)量或缺陷與物理場(chǎng)的關(guān)系預(yù)測(cè)鑄件質(zhì)量。后處理是指把計(jì)算所得結(jié)果直觀地以圖形方式表達(dá)出來(lái)。鑄造過(guò)程流場(chǎng)、溫度場(chǎng)計(jì)算的主要目的時(shí)就是對(duì)鑄件中可能產(chǎn)生的縮孔縮松進(jìn)行預(yù)測(cè)，優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，控制鑄件內(nèi)部質(zhì)量。通過(guò)在計(jì)算機(jī)上