CAE 在铝合金支架压铸件工艺优化上的应用

简介CAE分析技术在铸造生产中的应用摘要: 近年来，计算机铸造工艺模拟软件开始被大多数铸造工厂所接受，应用这些软件可以较为准确的预测各种铸造缺陷，优化浇注系统设计、消除热裂等裂纹缺陷、提高工艺出品率。

本文介绍了应用ProCAST软件在实际铸造工艺优化设计中的一些实例，应用表明该软件能准确的预测铸件的多种铸造缺陷，有利于铸造工艺的优化和铸件的质量提高。

关键词: ProCAST CAE 数值模拟铸造1 引言铸造是国民经济的重要产业部件之一，它反映了一个国家制造工业的规模和水平。

随着航空、航天、船舶、汽车、机械等各行业的蓬勃发展，铸件的需求量越来越大，对铸造金属的性能及铸件本身的可靠性等要求越来越高。

先进制造技术的发展，要求铸件的生产向轻型化、精确化、强韧化、复合化及无环境污染方向发展。

计算机技术的飞速发展及其在铸造生产中的广泛应用，可以通过对制造工艺过程进行数值模拟及仿真，使得上述目标得以实现。

这项工作以数值计算为基本方法，对铸造过程中流场、温度场、应力场及微观组织形貌进行模拟，从而帮助工艺设计人员对不同时刻的金属流态、凝固过程温度分布、应力分布、结晶晶粒尺寸形貌等重要物理参数有所了解，并以此为依据，预测是否有缩孔、疏松、夹杂、偏析及热裂纹等缺陷出现，可以实现铸造工艺设计——校核——再设计——优化设计的全过程，以提高铸件质量，缩短试制周期，降低生产成本，提高市场竟争能力。

同时，用计算机等高新技术来改造制造传统产业是国内外科学技术发展的共同趋势，是铸造领域的学科前沿，也是铸造工艺由“经验设计”走向“科学指导”的重要途径，具有重大的实际意义。

图1展示了铸件工艺优化的整个流程。

2 ProCAST软件介绍近年来，铸造CAE商品化软件功能逐渐增加，其中主要有美国的ProCAST、德国的MAGMASOFT、芬兰的CastCAE、法国的Simulor、西班牙的Forcast及日本的Soldia、Castem 等软件。

CAE技术指导优化铸造钢材质和性能CAE技术指导优化铸造钢材质和性能随着科技的不断发展和进步，计算机辅助工程（Computer-aided Engineering，简称CAE）在各个领域得到广泛应用。

其中，在铸造行业中，CAE技术的应用愈发重要，特别是在铸造钢材的质量和性能优化方面。

本文将探讨CAE技术在优化铸造钢材质和性能方面的作用，并提供相应的指导意见。

1. 概述铸造是将熔融金属或合金注入到特定模具中，通过冷却和固化使其成型的一种制造工艺。

钢铸件的质量和性能对于许多行业来说至关重要，如汽车制造、航空航天、能源等。

因此，提高铸造钢材的质量和性能一直是一个重要的研究领域。

2. CAE技术在铸造钢材质和性能优化中的应用2.1 熔化模拟CAE技术可以通过熔化模拟来预测熔化过程中的温度分布、流动情况和凝固行为。

这不仅可以指导铸造工艺参数的选择，还可以帮助优化模具设计和冷却系统布局，从而提高铸件的质量和性能。

2.2 组织模拟通过CAE技术进行组织模拟可以模拟钢铸件的凝固过程和组织形成。

这有助于预测铸造钢材的晶粒尺寸、相组成和组织均匀性等方面的参数，从而指导铸造工艺控制和材料优化。

2.3 应力和变形模拟铸造钢材在冷却和固化过程中会受到热应力和冷却收缩等因素的影响，可能导致铸件产生变形和应力集中。

CAE技术可以用于模拟这些因素对铸造钢材质和性能的影响，通过优化工艺和材料选择，减少铸件的变形和应力集中，提高铸件的质量和性能。

3. CAE技术的指导意见3.1 工艺参数优化通过CAE技术的应用，可以分析和模拟不同工艺参数对铸造钢材质和性能的影响。

在具体的铸造过程中，可以根据模拟结果选择合适的工艺参数，如浇注温度、浇注速度、冷却时间等，以优化铸件的质量和性能。

3.2 模具设计和冷却系统优化CAE技术可以模拟铸造过程中的温度分布和流动情况，从而指导模具设计和冷却系统的优化。

通过合理设计模具结构和布局冷却系统，可以均匀降低铸件温度梯度，减少组织偏差，提高材料的稳定性和性能。

•铸造工艺模拟技术在铝合金铸件工艺设计及优化中的应用•发布时间:2011-6-17 10:03:54 来源：中国铸造网文字【大中小】浏览人数：183•摘要：利用北京北方恒利科技发展有限公司开发的铸造模拟软件CAStsoft/CAE对铝合金铸件的凝固过程和充型过程进行模拟。

通过对凝固过程的温度场和铸造缺陷的分析，依据分析结果对工艺进行改进,最后设计出合理的铸造工艺。

铸造过程计算机模拟可以减少或取消新产品的工艺实验，能够有效地避免可能出现的铸造缺陷，保证工艺的可靠性，缩短新产品的试制周期。

关键词：铸造模拟凝固过程温度场铝合金前罩铸件传统的铸造工艺设计方法往往依赖于直觉经验，在铸件结构较为简单和铸造类似铸件时，经验可能起到一定的作用；在浇铸大型、复杂铸件且无相关经验时，只能通过反复工艺实验来确定工艺；当工艺存在重大失误时，可能使得工艺方案被彻底推翻。

通过工艺反复实验来确定工艺的方法，可能导致先前制作的模具报废，对于大型铸件来说模具费用会相当高，这会造成重大经济损失，同时严重影响新产品的试制，延长新产品的试制周期。

近年来铸造过程计算机模拟技术得到飞速发展，使得通过铸造模拟来确定铸造工艺成为可能，铸造过程计算机模拟可以减少或取消新产品的工艺实验，能够有效地避免可能出现的铸造缺陷，保证工艺的可靠性，缩短新产品的试制周期。

本次分析采用的软件是北京北方恒利科技发展有限公司的CASTSOFT/CAE软件。

通过模拟分析发现工艺存在的问题，采取工艺改进措施后再次进行模拟，直到铸造工艺趋向合理。

1. 铸造工艺方案设计1．1铸造工艺方法的选择：由于前罩（材料：ALSi10Mg）属于中大型薄壁铝合金铸件，结构虽然比较简单，但厚薄不均，热节位置较多，铸件最薄的地方为4mm,最厚大的地方为80×110×120，外轮廓尺寸为618×346×618，此零件表面质量和内部质量要求比较高。

用砂型重力铸造难以保证顺利充满和厚大部位不产生疏松，特别是法兰处的质量，同时可能形成气孔和渣孔，表面质量较差，难以通过压力测试和质量要求；考虑前罩质量、批量的要求和低压铸造工艺具有金属液充型平稳、铸件在压力下结晶，生产的铸件缩松、气孔、夹杂少的优点，结合我厂铸造现场生产能力，最后选用金属型低压铸造的工艺方案。

基于CAE分析的高压开关铝合金壳体铸造工艺优化摘要：钛合金具有低密度、高比强、耐腐蚀、线胀系数小等特点，广泛应用于航空、航天、化工机械等领域。

钛合金因其化学活性较高，在高温下与常规造型材料均发生较为剧烈的化学反应，因此钛合金铸型一般采用机加工石墨铸型或熔模精密铸造型壳。

钛合金机械泵的泵体铸件作为机械泵的重要组成部分，决定了液体流量、流速、扬程等机械泵的核心参数，内部质量及尺寸精度均要求较高。

关键词：CAE分析；高压开关铝合金壳体；铸造前言压铸工艺是铝合金铸件的一种高效率成形方法，可获得高精度和高表面光洁度铸件。

但压铸件中容易出现气孔、浇不足和缩松等缺陷，对压铸工艺和模具设计、压铸生产过程控制等要求极高阳。

本文分析了压铸铝合金壳体的结构特点，进行了压铸工艺设计，利用CAE模拟结果确定了溢流槽的位置和数量等，设计的合理性得到了生产验证。

1铸造CAE软件新进展1.1复杂多相多场耦合流动模拟多相流是指两种或两种以上的流体混合在一起，每相的流动有独立的行为，但又相互影响的流动。

在实际铸造中，金属液体的充型过程是在多种力场的作用下，伴随着金属温度的降低、液流前沿的部分凝固与重熔、液流氧化和冲击破坏、以及气体紊乱流动等过程完成的，整个过程是一个典型的多相多场耦合的流动。

因此，从理论上讲，多相流动的研究是准确模拟铸造过程的前提条件，例如对卷气、氧化夹杂、砂型冲蚀、压铸过程的排气等计算分析都离不开多相流的模拟。

同事，真实的铸造过程流动是具有紊流、表面张力、相变、热交换等众多影响因素的复杂流动，考虑了这些影响因素的模拟结果将更接近真实的铸造过程。

1.2宏／微观凝固组织模拟近20年来铸造微观数值模拟成为人们关注的对象，是数值模拟领域研究的热点。

研究者们提出了许多种模拟凝固组织的方法，概括起来有两大类：确定性模拟与非确定性模拟。

现在的发展趋势是将二者的优点结合，即形核过程采用随机方法来描述，二晶粒的进一步生长则采用所谓的确定性模型。

CAE仿真指导优化铸造关键工艺参数设计CAE仿真指导优化铸造关键工艺参数设计为了实现优化铸造关键工艺参数设计，现代工程领域广泛采用计算机辅助工程（CAE）技术。

通过CAE仿真模拟，可以快速准确地分析铸造过程，并优化关键工艺参数，从而降低生产成本、提高产品质量。

本文将介绍CAE仿真在铸造领域中的应用，以及如何通过CAE仿真指导优化铸造关键工艺参数设计。

一、CAE仿真在铸造领域的应用CAE仿真技术是一种基于计算机数值模拟的工程分析方法，常用于预测材料、零件和工艺在实际使用中的性能。

在铸造领域中，CAE仿真可以应用于以下方面：1. 铸型设计仿真铸造的第一步是铸型设计。

通过CAE仿真，可以对铸造过程进行模拟，分析铸型的填充性能、温度分布等，以确定最佳的铸型设计方案。

通过优化铸型结构，可以有效提高铸造的成形性能和零件质量。

2. 熔炼与输送仿真熔炼和输送过程是影响铸件质量的关键因素。

通过CAE仿真，可以模拟熔炼过程中的温度分布、流动情况等，以确定最佳的熔炼参数。

同时，通过仿真分析熔体在管道中输送的流动状态，可以预测铸件中的气孔、夹杂物等缺陷，并采取相应的措施加以解决。

3. 铸造工艺仿真铸造工艺参数对铸件质量起着决定性作用。

通过CAE仿真，可以模拟铸造过程中的铸件填充、凝固过程，分析温度变化、应力分布等，以指导优化铸造工艺参数的设计。

通过合理调整工艺参数，可以降低缺陷率、提高产品质量。

二、CAE仿真指导优化铸造关键工艺参数设计的方法实施CAE仿真指导优化铸造关键工艺参数设计，需要遵循以下步骤：1. 确定铸造关键工艺参数根据具体铸造工艺的特点，确定需要优化的关键工艺参数，例如铸型温度、浇注速度、浇注温度等。

2. 建立仿真模型基于CAE软件，建立铸造过程的仿真模型。

包括铸型结构、材料性质、初始条件等。

3. 设置边界条件根据实际情况，设置仿真模型的边界条件，如环境温度、初始温度、填充时间等。

4. 进行仿真分析运行仿真模型，进行铸造工艺的仿真分析。

CAE模拟分析在前盖压铸模设计中的应用作者：葛春东1 引言压铸模CAE模拟分析是基于铸造数值模拟仿真技术, 通过对压铸铝合金液充型过程中的流动场、铝合金液凝固过程中的温度场、压铸模温度场进行仿真模拟, 分析铸件可能出现的缺陷, 评价模具浇注系统、冷却系统与压铸工艺参数是否合理,从而对其进行优化。

压铸模CAE 模拟分析过程一般包含三部分: 首先将压铸模设计后, 将输出的STL 接口文件输入到前处理模块进行网格划分; 然后用压铸CAE 系统的计算模块进行充型、凝固过程和模具温度场的计算分析; 最后采用后处理模块进行结果显示, 分析铸件可能出现的缺陷, 判断模具设计和浇注工艺设计是否合理, 为压铸模设计和浇注系统的优化提供理论依据。

现利用Anycasting 压铸过程仿真分析软件, 对前盖压铸模在设计过程中辅以CAE 模拟分析, 根据模拟结果优化压铸浇注系统和压铸模结构设计。

2 前盖零件结构分析图1 为某新型发动机前盖, 材质为铝合金A380 , 重3. 125 kg , 外形尺寸430 mm×310 mm×70 mm,平均壁厚4 mm。

前盖分别与滤清器、冷却器、油泵盖等零件相连接, 主要起支撑、防护、冷却作用。

铸件内部质量要求较严格, 零件密封表面气孔不得大于0. 5 mm,其他加工表面气孔不得大于2 mm。

气密性试验要求: 与冷却器和滤清器连接的油道为高压油道,要求在721 kPa 压力下每分钟渗漏量小于10 cm3 ; 整个腔体要求在70 kPa 的压力下每分钟泄漏量小于10 cm3。

图1 发动机前盖3 浇注系统设计与优化3. 1 浇注系统设计由于铸件有气孔率和气密性要求, 根据铸件投影面积, 为了有足够的锁模力保证铸件充型及内部质量, 采用1 模1 件, 并选用锁模力为12 500 kN 的卧式冷室压铸机压铸。

根据经验,结合图1 压铸件特点,靠近滤清器和冷却器一侧需要布置滑块和型芯而无法在这一侧开设浇道, 因此考虑采用图2 所示浇注系统。

利用CAE技术优化铸造系统设计方案利用CAE技术优化铸造系统设计方案随着科技的进步和应用的不断深化，CAE（计算机辅助工程）技术在工程设计中的应用越来越广泛。

铸造工程作为一门重要的制造技术，在CAE技术的帮助下，可以实现更高效、精确和可靠的设计方案。

本文将探讨如何利用CAE技术优化铸造系统设计方案，并提供一些方法和实例。

一、概述铸造系统设计是指根据铸造零件的形状、尺寸和工艺要求，合理安排铸造工艺中各组成部分的类型、数量、位置和参数，以实现高质量、高产量的铸造过程。

在传统的设计过程中，设计师通常需要进行多次原型试制和实际铸造，这既费时又费力，并且无法保证设计方案的准确性和优越性。

而利用CAE技术进行虚拟仿真，可以提前评估和分析各种设计方案的可行性和效果，以及对可能出现的问题进行预测和修正，从而减少试验次数、节约成本，并提高设计方案的可靠性。

二、CAE技术在铸造系统设计中的应用1. 铸型与结构优化在铸造系统设计中，铸型的结构对于铸件的质量和形状起着至关重要的作用。

传统的试错方法通过不断试验和调整来寻找最佳结构，但这种方法效率低下且成本较高。

利用CAE技术，可以进行三维建模和模拟测试，通过改变材料、尺寸和几何形状等参数，快速评估不同结构的效果，选择最佳设计方案。

同时，CAE技术还可以预测可能出现的缺陷和变形，并提供修正措施，从而减少铸件的次品率。

2. 流动和凝固模拟在铸造过程中，金属液体的流动和凝固过程是影响铸件质量的重要因素。

利用CAE技术进行流动和凝固模拟，可以得到金属液体在铸型中的完整流动路径和凝固形态，预测出可能出现的缺陷，例如气孔、夹杂物和热裂纹等。

通过对流动和凝固参数的调整和优化，可以改善铸件的结晶组织和力学性能，提高产品质量。

3. 温度场和应力分析铸造过程中，温度场和应力分布的合理控制对于铸件的形状保持和传力性能至关重要。

利用CAE技术，可以进行温度场和应力分析，预测可能出现的热裂纹和变形问题，并提供相应的修正方案。

铸造CAE技术及其在铸造工艺设计中的应用报告人：廖敦明教授、博士生导师栾添舒，满文胜，冯海波，周建新华中科技大学材料学院华铸软件中心材料成形与模具技术国家重点实验室华铸软件—21世纪铸造数字化解决方案华中科技大学简介1国家教育部直属的全国重点大学。

首批列入国家“211工程”、“985工程”重点建设的大学。

各项排名位于全国前列。

各项排名位于全国前列1953年华中工学院建校，1988年更名华中理工大学。

1953年华中工学院建校1988年更名华中理工大学000年与原同济医科大学、武汉城市建设学院合并2000年与原同济医科大学、武汉城市建设学院合并成立华中科技大学。

在校全日制本科生3.5万、硕士生万硕士生1.5万、博士生5000多。

主校区面积7000亩。

华铸软件—21世纪铸造数字化解决方案CAE 铸造技术2铸造CAE技术简介概述CAE 技术又称数值模拟仿真技术技术又称数值模拟仿真技术，是对研究对象（过程）进行数值建模、分析求解、预测趋势。

铸造CAEz 针对铸造过程，建立数学模型，采用科学合的求解方式来描述铸件的科学合理的求解方式，来描述铸件的生产过程预测缺陷优化工艺生产过程，预测缺陷、优化工艺。

数值模拟的作用在实际浇注前对铸造工艺方在实际浇注前，对铸造工艺方案进行计算机模拟分析。

预测各种铸造缺陷，在较短的时间内得到最佳工艺方案从而时间内得到最佳工艺方案，从而大大减少试制成本，缩短开发周期提高产品质量期，提高产品质量。

在现代化铸造生产中铸造凝在现代化铸造生产中，铸造凝固数值模拟已成为不可或缺的关键技术和手段键技术和手段。

铸造CAE技术简介数值模拟技术已成为人们研究开发铸造技z 数值模拟技术已成为人们研究、开发铸造技术的重要工具。

z 使“睁眼造型、闭眼浇注”转变为“睁眼造型、睁眼浇注”华铸软件—21世纪铸造数字化解决方案某公司铸件铸造工艺方案模拟实例铸造CAE技术简介铸造CAE技术基础数学模型三维CAD 造型网格剖分模型离散数值求解数值求解边界条件缺陷预测初始条件物性参数可视化显示铸造CAE技术基础以温度场为例铸造CAE技术基础以温度场为例t LT ∂+⎟⎟⎞∂∂+22z ∂⎠以差分代替微分，以差商代替导数铸造CAE技术基础以温度场为例L t Δ∂+Δ1tc ∂ρ铸造CAE技术基础铸件温度场显示（不同的颜色对应不同的温度值）大型风电轮毂球铁件凝固液相前沿变化凝固模拟—缩松缩孔图片(紫色为缩松，黑色为缩孔）缩松位体积³置（cm )111.771580215.803 6.91429.44528.16..........2134165华铸软件—21世纪铸造数字化解决方案铸造模拟内容及能预测的缺陷种类3铸造模拟内容充型流动过程模拟流动与传热的耦合模拟结晶凝固过程模拟应力/应变模拟微观组织模拟缺陷分析与预测(缩孔、缩松、卷气、夹杂、浇不足、冷隔、冲砂)模拟预测的铸造缺陷种类：模拟预测的铸造缺陷种类缩孔、缩松卷气夹杂卷气、夹杂浇不足冷隔浇不足、冷隔裂纹、变形组织、性能……减少浇冒口消耗，提高工艺出品率、缩短产品减少浇冒口消耗提高工艺出品率试制周期，降低生产成本、减少工艺设计对经验、对人员的依赖。

随着计算机硬件水平的提高,铸造CAE应用软件对实际生产的指导作用越来越显著。

本文介绍了CAE应用软件金属型模块的基本功能和原理,并给出了在航天航空行业中的CAE 技术应用实例,应用表明该技术能够准确地预测铝合金轮毂铸件中的缩松缩孔等铸造缺陷,辅助工艺人员进行工艺优化,指导实际铸件生产。

铸造CAE应用技术是利用计算机技术来改造和提升传统铸造技术，对优化铸造工艺、缩短试制周期、降低铸件成本，以及提高铸件质量有着重要的作用。

它的应用和推广必将为铸造行业带来很大的经济和社会效益，尤其对于质量要求高的航天航空铸件来说，铸造CAE 应用技术有着更加重要的意义。

二、铸造CAE技术的数学模型液态金属充型凝固过程可看作是不可压缩粘性流体的流动，它可以由动量方程、连续性方程、能量方程及体积函数方程来描述。

铝合金铸件的凝固过程，就重力铸造来说，要考虑凝固过程中金属液体在重力作用下的流动补缩；就铝合金低压、压铸而言，不仅要考虑重力的作用，而且要考虑凝固过程保压期间压力的作用，可以用方程（1）～（5）来描述。

华铸CAE软件系统采用了有限差分法，其流动场数值分析是基于S O L A-V O F方法。

该系统采用惯性原理和连续性原理相结合的方法，比较合理地处理了自由表面的速度边界条件，在凝固过程模拟中充分考虑到了重力及压力的影响，实现了重力铸造与压力铸造下缩孔、缩松缺陷的定量预测。

三、应用实例华铸CAE系统已经国内外近300家企业应用，其中包含许多航空航天铸件生产企业及研究院所。

对于航空航天铝合金压铸件而言，裹气是一个主要的问题；对低压铸件而言，缩松是一个主要问题。

采用铸造C A E系统进行充型过程的凝固模拟分析，可以有效地预测裹气、缩松缺陷，缩短试制周期，降低试制成本，提高铸件质量。

下面给出在航空航天铝合金铸件的应用实例，是企业采用华铸C A E软件之前在产品试制中有问题的工艺方案，模拟结果与实际情况一致。

1.在铝合金压铸件上的应用图1是某厂生产的铝合金舱体压铸件原始工艺方案充型过程模拟结果，从模拟结果看，在图1a所示位置容易产生裹气，实际生产也表明了这点，后改进了工艺方案，消除了裹气缺陷。