摘要：本文介紹了CA精密鑄造工藝。重點(diǎn)闡述了計算機輔助工程，包括三維CAD、凝固過(guò)程數值模擬等在精密鑄件研制過(guò)程中的應用。IDEAS可以方便地進(jìn)行三維設計或逆向工程，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對鑄件的澆注工藝進(jìn)行模擬，以?xún)?yōu)化澆注參數，消除鑄造缺陷。 關(guān)鍵詞：CA精密鑄造計算機輔助工程 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。精密鑄造的最大優(yōu)點(diǎn)是表面光潔，尺寸精確，而缺點(diǎn)是工藝過(guò)程復雜，生產(chǎn)周期長(cháng)，影響鑄件質(zhì)量的因素多，生產(chǎn)中對材料和工藝要求很?chē)繹1]。在生產(chǎn)過(guò)程中，模具設計和制造占很長(cháng)的周期。一個(gè)復雜薄壁件模具的設計和制造可能需一年或更長(cháng)的時(shí)間。隨著(zhù)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，設計要求響應時(shí)間短。特別是結構設計需做些修改時(shí)，前期的模具制造費用和制造工期都白白地浪費了。因而模具設計和制造成為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的瓶頸。計算機輔助工程的發(fā)展，使得傳統產(chǎn)業(yè)與新技術(shù)的融合成為可能。三維CAD可以把設計從畫(huà)圖板中解放出來(lái)，大大簡(jiǎn)化了設計者的設計過(guò)程，減少出錯的幾率。并且隨著(zhù)快速成型（RP）技術(shù)，特別是激光選區燒結工藝（SLS）的發(fā)展[2,3,4]，三維模型可以通過(guò)RP設備，快速轉變成精密鑄造所需的原型，打破了模具設計的瓶頸。另外在傳統鑄造中，開(kāi)發(fā)一個(gè)新的鑄件，工藝定型需通過(guò)多次試驗，反復摸索，最后根據多種試驗方案的澆鑄結果，選擇出能夠滿(mǎn)足設計要求的鑄造工藝方案。多次的試鑄要花費很多的人力、物力和財力。采用凝固過(guò)程數值模擬，可以指導澆注工藝參數優(yōu)化，預測缺陷數量及位置，有效地提高鑄件成品率。CA精密鑄造技術(shù)就是將計算機輔助工程應用到精密鑄造過(guò)程中，并結合其他先進(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(mǎn)意的效果。 2材料與實(shí)驗方法 CA精鑄可應用于不銹鋼、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等三維設計軟件進(jìn)行設計，工藝結構和模型轉換采用MagicRp進(jìn)行處理和修復，在A(yíng)FSMZ320自動(dòng)成型系統上進(jìn)行原型制作，采用熔體浸潤進(jìn)行原型表面處理，凝固過(guò)程數值模擬采用PROCAST和有限差分軟件進(jìn)行計算。 3CA精密鑄造工藝的關(guān)鍵問(wèn)題及相關(guān)技術(shù)討論 近年來(lái)，與CA精鑄技術(shù)相關(guān)的三維CAD設計、反求工程、快速成型、澆注系統CAD、鑄造過(guò)程數值模擬(CPS)以及特種鑄造等單體技術(shù)取得了長(cháng)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，促進(jìn)了CA精鑄技術(shù)的迅猛發(fā)展和應用。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)有機地結合起來(lái)。從而在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中做到真正意義上的先進(jìn)設計＋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據模型，是CA精鑄至關(guān)重要的第一步。隨著(zhù)三維CAD軟件、逆向工程等技術(shù)的發(fā)展，這項工作變得簡(jiǎn)單而且迅捷。在此主要介紹利用IDEAS進(jìn)行實(shí)體建模和數據轉換的過(guò)程。IDEAS9集成了三維建模與逆向工程建模模塊。通過(guò)MasterModeler模塊可以得到復雜模型，既可以進(jìn)行全幾何約束的參數化設計，又可進(jìn)行任意幾何與工程約束的自由創(chuàng )新設計；曲面設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可將數字化儀采集的點(diǎn)云信息進(jìn)行處理，創(chuàng )建出曲線(xiàn)和曲面，進(jìn)行設計，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。實(shí)體文件生成后需轉變成STL文件以作為RP設備的輸入。轉換過(guò)程應注意選擇成型設備名稱(chēng)，通常選用SLA500，三角片輸出精度在0.005~0.01之間。采用MagicRp處理時(shí)應注意乘上25.4，得到實(shí)際設計尺寸。 3.2凝固過(guò)程的數值模擬 3.2.1凝固過(guò)程的數值模擬原理 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，其中包含了許多對鑄件質(zhì)量產(chǎn)生影響的復雜現象。實(shí)際生產(chǎn)中往往靠經(jīng)驗評價(jià)一個(gè)工藝是否可行。對一個(gè)鑄件而言，工藝定型需通過(guò)多次試驗，反復摸索，最后根據多種試驗方案的澆鑄結果，選擇出能夠滿(mǎn)足設計要求的鑄造工藝方案。多次的試鑄要花費很多的人力、物力和財力。 鑄造過(guò)程雖然很復雜，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，求解付立葉熱傳導方程、彈塑性方程。計算機技術(shù)的發(fā)展，使得求解物理過(guò)程的數值解成為可能。應用計算機數值模擬，可對極其復雜的鑄造過(guò)程進(jìn)行定量的描述。 通過(guò)數學(xué)物理方法抽象，鑄造過(guò)程可表征成幾類(lèi)方程的耦合： 1熱能守恒方程： 2連續性方程： 3動(dòng)量方程： 常用的數值模擬方法主要是有限差分法、有限元法。有限元差分法數學(xué)模型簡(jiǎn)單，推導簡(jiǎn)單易于理解，占用內存較少。但計算精度一般，當鑄件具有復雜邊界形狀時(shí)，誤差較大，應力分析時(shí)需將差分網(wǎng)格轉換成有限元網(wǎng)格進(jìn)行計算。有限元法技術(shù)根據變分原理對單元進(jìn)行計算，然后進(jìn)行單元總體合成，模擬精度高，可解決形狀復雜的鑄件問(wèn)題。無(wú)論采用什么數值方法，鑄造過(guò)程的數值模擬軟件應包括三個(gè)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和鑄造工藝信息。中間計算主要根據鑄造過(guò)程設計的物理場(chǎng)，為數值計算提供計算模型，并根據鑄件質(zhì)量或缺陷與物理場(chǎng)的關(guān)系預測鑄件質(zhì)量。后處理是指把計算所得結果直觀(guān)地以圖形方式表達出來(lái)。 鑄造過(guò)程流場(chǎng)、溫度場(chǎng)計算的主要目的時(shí)就是對鑄件中可能產(chǎn)生的縮孔縮松進(jìn)行預測，優(yōu)化工藝設計，控制鑄件內部質(zhì)量。 通過(guò)在計算機上進(jìn)行鑄造過(guò)程的模擬，可以得到各個(gè)階段鑄件溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應力場(chǎng)的分布，預測缺陷的產(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。 3.2.2鑄造過(guò)程數值模擬軟件[5] 經(jīng)過(guò)多年的研究和開(kāi)發(fā)，世界上已有一大批商品化的鑄造過(guò)程數值模擬軟件，表明這項技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。這些軟件大都可以對砂型鑄造、金屬型鑄造、精密鑄造和壓力鑄造等工藝進(jìn)行溫度場(chǎng)、應力場(chǎng)和流場(chǎng)的數值模擬，可預測鑄件的縮孔、疏松、裂紋、變形等缺陷和鑄件各部位的纖維組織、并且與CAD實(shí)體模型有數據轉換接口，可將實(shí)體文件用于有限元分析。 ProCAST是目前應用比較成功的鑄造過(guò)程模擬軟件。在研制和生產(chǎn)復雜、薄壁鑄件和近凈型鑄件中尤能發(fā)揮其作用。是目前唯一能對鑄造過(guò)程進(jìn)行傳熱－流動(dòng)－應力耦合分析的系統。該軟件主要由八大模塊組成：有限元網(wǎng)格剖分，傳熱分析及前后處理，流動(dòng)分析，應力分析，熱輻射分析，顯微組織分析，電磁感應分析，反向求解等。 它能夠模擬鑄造過(guò)程中絕大多數問(wèn)題和物理現象。在對技術(shù)充型過(guò)程的分析方面，能提供考慮氣體、過(guò)濾、高壓、旋轉等對鑄件充型的影響，能構模擬出消失模鑄造、低壓鑄造、離心鑄造等幾乎所有鑄造工藝的充型過(guò)程，并對注塑、壓蠟模和壓制粉末材料等的充型過(guò)程進(jìn)行模擬。ProCAST能對熱傳導、對流和熱輻射三類(lèi)傳熱問(wèn)題進(jìn)行求解，尤其通過(guò)“灰體凈輻射法”模型，使得它更擅長(cháng)解決精鑄尤其是單晶鑄造問(wèn)題。應力方面采用彈塑性和粘塑性模型，使其具有分析鑄件應力、變形的能力。 對鑄件進(jìn)行分析時(shí)，簡(jiǎn)單的模型網(wǎng)格可以直接在ProCAST生成。復雜模型可以由IDEAS等軟件生成，劃分網(wǎng)格后輸出*.unv通用交換文件，該文件應帶有節點(diǎn)和單元信息。Meshcast模塊讀入網(wǎng)格文件后輸出四面體單元用于前處理。PreCast對模型進(jìn)行材料、界面傳熱、邊界條件、澆注速度等參量進(jìn)行定義，最后由ProCAST模塊完成計算。 應用IDEAS與ProCAST，我們對某發(fā)動(dòng)機部件進(jìn)行了凝固過(guò)程模擬。該部件由于有一個(gè)方向尺寸較薄，澆注過(guò)程中極易發(fā)生裂紋與變形，通過(guò)模擬，對澆注系統結構進(jìn)行了優(yōu)化，減少應力集中，防止變形和開(kāi)裂，取得明顯的效果。 結論： 1．計算機輔助工程與精密鑄造結合而成的CA精密鑄造技術(shù)具有很強的通用性，可以縮短研制周期，節約開(kāi)發(fā)成本； 2．IDEAS與RPOCAST的配合，可以對復雜件進(jìn)行鑄造過(guò)程數值模擬； 3．計算機凝固模擬技術(shù)可用于復雜件的澆注系統設計和優(yōu)化，并能較為準確的預測缺陷及其位置、變形開(kāi)裂傾向，用于指導澆注系統的優(yōu)化。