铸造过程数值模拟的研究发展概况

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1、福建省科协2005年学术年会“数字化制造及其它先进制造技术”专题学术会议铸造过程数值模拟的研究发展概况王连登傅高升陈永禄魏喆良福州大学材料成型系福建福州350002摘要：铸造过程数值模拟技术可为提高传统铸造行业的产品品质、企业竞争力提供强有力的工具。本文主要综述了铸造过程数值模拟技术，包括了铸造工艺CAD、铸件的凝固过程数值模拟、铸件充型过程的数值模拟、应力场数值模拟、铸件微观组织数值模拟及铸造专家系统在国内外的发展与应用概况，并介绍了国内外开发出来的相应铸造模拟软件。关键词：铸造，数值模拟，CAD，CAE中国分类号：TG25，TB24文献标识码：A1引

2、言铸造行业是制造业的重要组成部分，对国民经济的发展起着重要作用。同时，铸造业又是产品质量不易保证、废品率较高的产业，因此，对铸件生产实现科学化控制，确保铸件质量，缩短试制周期，降低铸件成本，加速产品更新换代，对于促进传统工业的技术改造具有重要的现实意义。近年来，铸造工艺计算机辅助设计CAD，铸件凝固过程数值模拟CAE等多项技术已大量应用于生产实际。以工业发达国家为例，目前大部分的铸造企业在生产采用凝固模拟分析技术，精确地预测缺陷以及改进铸件的出品率。2铸造工艺CAD的发展与应用状况铸件成形过程的影响因素繁多，且同一铸件可同时有多种不同的工艺方案。所以，一

3、个铸件的成熟工艺不仅需要有一定的生产经验，且往往需要反复试验才能确定[4]。铸造工艺CAD是指从零件图输入到铸件工艺图输出之间应完成的全部工艺设计工作。主要包括铸件的分型面、加工余量、拔模斜度、芯头、浇注系统、冒口及各种工艺符号的设计。浇冒系统的设计是其中的关键，并随金属材料的凝固特性而异。此外，铸造工装部分的CAD主要包括模样设计、模板设计、芯盒设计和砂箱设计。在各种设计生成的图形中关键是上下模板的装配图和芯盒图，因为它包含了对所有模样的加工、装配信息，同时提出了设计砂箱的相关要求[5-7]。目前，国内外研制开发的铸造工艺CAD系统，概括起来可以分为通

4、用和专用两类[6-7]。通用铸造CAD系统主要用于普通砂型铸造工艺的设计，分为铸钢、灰铸铁、球铁及有色等种类，其功能包括浇注系统设计，补缩系统设计，分型面、起模斜度、加工余量的确定，尺寸标注，以及工艺图及工艺卡的输出；专用铸造CAD系统主要用于某些特定范围和特定目的的铸造工艺设计，如压铸型CAD、齿轮类CAD,阀体类CAD、曲轴类CAD等。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

5、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。在铸造工艺CAD中，较多的是采用AutoCAD软件(2D)作为图形处理的支撑软件（国内已有很多在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。目前，随着三维造型理论和实用化技术的日趋成熟，基于三维的铸造工艺CAD系统具有许多二维系统无法比拟的优越性，如几何信息的完整性，易于与铸造工艺CAE系统、铸造工艺CAD/CAM系统衔接，可实现数据共享，设计结果直观，可方便地生成二维工艺图样等，必将成为铸造工艺CAD系统的主流。

6、如今的三维软件既有大型软件，如UG、Pro/Engineer、CATIA，也有中档软件，如SolidEdge、SolidWork、MDT等以及其它低档的一些软件[7]。国内外在铸造工艺CAD方面的较实用的软件主要有：美国铸协（AFS）的AFS-software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软件与铸造工艺辅助设计集成软件CASTCAD，分别适用于球铁浇冒口

7、系统设计和铝合金、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[5]。这类软件已在铸造生产中得到较好的应用，产生了明显的经济效果，可将设计人员从大量的重复性劳动中解放出来在保证产品品质的同时也为产品设计、制造和管理一体化提供方便[4]。3铸造充型凝固模拟发展3.1铸造凝固过程模拟铸件凝固过程是铸造生产中最重要的过程之一，大部分铸造缩孔、缩松及裂纹等缺陷均产生于这一过程[8]。铸件的凝固过程数值模拟技术主要包括铸件及其工艺的几何造型、三维传热数值计算技术和缺陷判据这三部分[1-2]，并可对凝固过程中

8、出现的缺陷进行预测，评判铸造工艺设计的合理性，以减少工艺实验的次数，降低工艺设计