CAE仿真技术在先进铸造工艺优化中的应用

CAE在精密铸造中的应用

摘要：本文介绍了CA精密铸造工艺。重点阐述了计算机辅助工程，包括三维CAD、凝固过程数值模拟等在精密铸件研制过程中的应用。IDEAS可以方便地进行三维设计或逆向工程，获得三维模型，然后通过快速成型技术，能迅速得到铸造原型；用ProCast对铸件的浇注工艺进行模拟，以优化浇注参数，消除铸造缺陷。

关键词：CA精密铸造计算机辅助工程

1引言：

精密铸造是用可溶（熔）性一次模型使铸件成型的方法。精密铸造的最大优点是表面光洁，尺寸精确，而缺点是工艺过程复杂，生产周期长，影响铸件质量的因素多，生产中对材料和工艺要求很严[1]。在生产过程中，模具设计和制造占很长的周期。一个复杂薄壁件模具的设计和制造可能需一年或更长的时间。随着世界工业的进步和人们生活水平的提高，产品的研发周期越来越短，设计要求响应时间短。特别是结构设计需做些修改时，前期的模具制造费用和制造工期都白白地浪费了。因而模具设计和制造成为新产品开发的瓶颈。计算机辅助工程的发展，使得传统产业与新技术的融合成为可能。三维CAD可以把设计从画图板中解放出来，大大简化了设计者的设计过程，减少出错的几率。并且随着快速成型（RP）技术，特别是激光选区烧结工艺（SLS）的发展[2,3,4]，三维模型可以通过RP设备，快速转变成精密铸造所需的原型，打破了模具设计的瓶颈。另外在传统铸造中，开发一个新的铸件，工艺定型需通过多次试验，反复摸索，最后根据多种试验方案的浇铸结果，选择出能够满足设计要求的铸造工艺方案。多次的试铸要花费很多的人力、物力和财力。采用凝固过程数值模拟，可以指导浇注工艺参数优化，预测缺陷数量及位置，有效地提高铸件成品率。CA精密铸造技术就是将计算机辅助工程应用到精密铸造过程中，并结合其他先进的铸造技术，以高质量、低成本、短周期来完成复杂产品的研发和试制。目前，利用CA精铸技术，已完成多种航天、航空、兵器等关键部件的试制，取得满意的效果。

冶金设备作为冶金技术的载体，本身具有大型、重载、高速、连续、自动化、精密化等特点，而且往往工作在高温、重载、高粉尘、大冲击等恶劣条件下，许多性能无法采用实物试验的方法获得。近年的很多关键技术集中表现处要解决的关键问题是结构设计及力学问题，包括强度问题、运动学及动力学问题和传热及热应力问题， 因此CAE技术在冶金设备的设计研究上也得到了广泛的应用。

炼铁

CAE技术目前在炼铁生产中取得的主要成果有：采用有限元法建立高炉复杂料面及中心装焦条件下的煤气流场和压力场解析模型、高炉固态炉料流场和势函数解析模型，分析高炉中心装焦条件下的高炉状况。 利用CAE技术计算分析高炉冷却水的稳定性、流速、冷却水管与冷却壁本体的间隙及冷却的高度对长寿高效高炉冷却壁寿命的影响。采用有限元法对高炉炉体结构进行应力分析等。

炼钢

CAE 技术目前在炼钢生产中取得的主要成果有：溅渣护炉状态下转炉温度场的模拟分析；废钢预热电炉内部的温度场分析；吹氩钢包内钢液的流动状态计算和实际测定；中间包的热状态的模拟计算；结晶器内连铸坯热弹塑性应力有限元数学模型的建立；连铸小方坯凝固传热与应力分析耦合数学模型的建立；坯壳与结晶器壁间气隙的大小和分布有限元分析；结晶器磨损对坯壳凝固行为和力学行为的影响分析；连铸弯月面区域凝固传热有限元模型的建立等。

轧钢

目前钢铁工业中 CAE技术运用最广泛的领域就是轧钢生产。随着计算机技术和软件水平的不断提高， CAE模拟已成功地代替了大部分轧制物理模拟，人们采用有限元数值模拟技术已成功地对各种轧制过程进行了三维解析与模拟，有效地用于参数优化、产品质量预报和设备设计，判断变形过程是否可行或合理，并由轧件尺寸形状预报和力学模拟转到金属组织性能预报和控制。

浇注系统

浇注系统的关键是模具设计，模具的工艺参数直接影响着铸件品质和性能。通过CAE模拟可迅速的改进模具参数，降低各类生产成本，缩短产品生产、研发周期，提高效率。

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利用华铸ＧＡ　Ｅ铸件凝固模拟系统　进行活塞座工艺优化　

河北宣化工程机械股份有限公司铸铁分厂　（０７５１００）　刘秀莲卢演芝　１．存在的问题　０＇Ｉ＇０３０７０型活塞座是公司主要产品ＳＤ７高驱动推土　机的重要零件，材质ＨＴ２５０，重量７５ｋｇ，铸件工艺如图　１所示。从图中可看出此件的难点在于４０ｒａｍ×１０ｒａｍ的　长油道芯（２　芯）的排气问题。原工艺为顶注工艺，虽　有利于补缩，但芯子芯头处于下部，浇注时铁液极易先　钻入芯头处，堵塞排气孔，影响排气，在铸件上表面形　成气孔，机加工后暴露出来，铸件废品率在３０％左右。　冒口　

图１　为了解决铸件的气孔问题，首先对铸件进行分析，　１　芯及２　芯都属于穿皮芯，砂芯中产生的气体必须从铸　型中排出，如果进入铁液中就易形成气孑Ｌ。原工艺排气　孔都设在铸件底部的芯头处，铁液很容易钻人芯头与芯　座的间隙中，砂芯的排气孔过早被铁液堵塞，气体进入　铁液是造成气孑Ｌ的根源。改变铸件浇注位置，使铸件由　顶注改为底注方式，把排气芯头置于上箱即可改变芯子　排气状况，解决气孔缺陷，但底注方式不利于补缩，此　件热节较多，又可能会产生缩孑Ｌ问题。　２．凝固模拟及工艺改进　为此，我们利用“华铸ＣＡＥ铸件模拟系统”进行铸　件凝固模拟，首先对原工艺进行修改，把冒口加高，高　出铸件１２０ｒａｍ，冒口尺寸为１００ｍｌｎ×９０ｒａｍ×２７０ｍｍ，冒　口颈尺寸不变，仍为４０ｍｍ　ｘ　８ｒａｍ，模拟结果见图２。靠　近浇口的两个爪根部有缩孔存在，而采用顶注的方式则　没有缩孔，ＪＪＮ＿Ｔ．中也从未出现过缩孔、缩松缺陷，为此　充分说明顶注工艺对于铸件补缩的优势。　

２　因为要采取底注的方法，必须对原冒口颈进行修正，　根据软件“多工艺比较优选”的原则，根据均衡凝固理论，　我们没计了３种工艺方案进行比较：一是采用立式冒口颈，　尺寸为２０ｍｍ　ｘ４０ｒａｍ（宽×高），见图３；二是加厚冒口颈　４０ｒａｍ×２０ｒａｍ（见图４）；三是３０ｒｍｎ×２０ｒａｍ（见图５）。通　过比较可以看出，第二种方案最好，甚至优于原工艺。　

汽车科技／ＡＵＴＯ　ＳＣＩ－ＴＥＣＨ　２０１４年第１期　

ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００５—２５５０．２０１４．０１．０１２　收稿日期：２０１３—０５—１８　

提高精铸ＣＡＥ分析准度的集成应用　

技术探讨　

马波，马武名，石远进　

（东风精密铸造有限公司，十堰４４２７１４）　

摘要：提出并应用“比较对照分析法”和“数值耦合集成法”两种方法，实现集成应　

用铸造ＣＡＥ与结构ＣＡＥ两种模拟仿真技术，避免未考虑铸件缺陷的理想模型在结构受力分析　

时造成分析结果的误判，进而提高精铸ＣＡＥ技术分析准确度，实现提高精铸件结构轻量化幅　

度与提升铸造工艺性能两项目标的和谐统一。　

关键词：精密铸造；ＣＡＥ技术；集成应用；分析准度；耦合分析；轻量化设计　

中图分类号：ＴＧ２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００５—２５５０（２０１４）０１—００５５—０７　

Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ　Ｃａｓｔｉｎｇ　

ＣＡＥ　ｗｉｔｈ　Ｉ　ｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

ＭＡＢｏ，ＭＡＷｕ－ｍｉｎｇ，ＳＨＩ　Ｙｕａｎ－ｊｉｎ　

（Ｄｏｎｇｆｅｎｇ　Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ　ＣＡＳＴＩＮＧ　ＣＯ．，ＬＴＤ，Ｓｈｉｙａｎ　４４２７１４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　Ｐａｐｅｒ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｅｄ“ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｌａｗ”ａｎｄ　

“ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｌａｗ”ｉｎ　ＣＡＥ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｂｏｕｔ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ　

ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ；ａｖｏｉｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｍｉｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｄｅｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ｐｒｏｄｕｃｔ　

ａｎａｌｙｓｉｓ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｅ　ＣＡＥ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｃｃｕｒａｃｙ，ａｎｄ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ