摘要：铸造是国民经济的重要产业部们之一，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，大型复杂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。
K* A% n1 x. f5 H2 y 铸造是国民经济的重要产业部们之一，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，大型复杂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。
% v$ Q) j7 o$ P/ z, }- C CAD/CAE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。& J/ [9 e1 Q& N' J3 V
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2 CAD的生产实际应用* O {9 a- I8 J, o$ R# ~
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2.1 产品技术信息的收集、处理和数字化
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* t) r; y* \2 ~7 c9 W, {0 | 创建某柴油机机身(见图1)的模型与产品技术信息库，首先对此产品的技术信息进行全面收集、处理并使技术信息数字化，如产品各部分的设计基准、参照基准在哪里，这是以后加工基准和装配基准的基础;之后分析各部分结构的几何形状特征、相互依赖关系，这些是构成设计产品的基本要素，其占据空间的尺寸形状、位置至关重要;还有产品设计的材料设定、单位设置等相关设计意图的获取建立。$ K3 o: B9 V/ l/ b8 T4 Z
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图1 某机身铸件的建模
2.2 工艺设计
7 w6 [3 c: V, M6 ~" B1 h5 `( z& s 在正确领会设计图纸意图后建立产品模型，建立工艺信息库，设计出铸件的浇注系统、冒口、冒口套、内外冷铁等，并进行工艺系统建模(见图2)。% [5 D5 @. r) p
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! Q# j6 m* n' k$ d8 M 图2 某机身工艺系统建模
某机身铸造浇注系统模型(见图3):底脚板面朝上，缸孔面朝下。浇口窝尺寸为φ120 xφ100 x 90;直浇道尺寸为φ90;横浇道矩形截面尺寸为80 x 70/R8 x 60;内浇口截面尺寸:φ28;详见下图。
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+ f# K4 H$ c! O, [. \/ _ 图3 某机身浇注系统建模
某机身铸件冷铁模型(见图4):使用冷铁62种，总计886块，详见下图。
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图4 某机身冷铁建模
某机身铸件冒口模型(见图5):底脚板面两排18个冒口，各冒口尺寸同为φ195 x 325，冒口颈尺寸同为80 x 60 x 40;缸孔面有九组冒口，各组球形冒口尺寸同为SR95;详见下图。
$ }' C& m2 j7 _3 v 图5 某机身冒口建模
f" M7 X' @- X6 b+ k8 U 某机身铸件冒口套模型(见图6):总计两排18个，各冒口套尺寸同为h=360mm，壁厚δ=28mm;详见下图。
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6 b# ]) B+ r2 |5 X5 }' t8 @( J6 v$ I" g 图6 某机身冒口套建模
某机身铸件用钢管(见图7):中心油管一段，尺寸为φ152(外圆)xφ100(内孔) x 6350，δ=5mm;机身后端左右两侧各一小段，圆形截面尺寸为φ60(外圆) xφ50(内孔)，δ=6mm;详见下图。
. S9 L+ X' j: f) I 图7 某机身铸件的建模
同时，在建模中考虑铸件的加工余量与拔模斜度等工艺参数。在所有这些工艺设计建模完成后，即可进行模型的网格剖分，为大型复杂铸件的热流动分析前处理提供原始依据。
2.3 三维建模、数值模拟及工艺优化:
在计算机上建立大型复杂铸件(机身、缸盖等)三维模型及其浇冒系统、内外冷铁等工艺三维模型后，根据柴油机铸件的生产条件，应用ProCast 模拟软件对铸件的充型和凝固过程进行数值模拟并反复优化工艺，建立最优铸件成形的技术信息库系统(见图8)。
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8 w, k: u5 F |% k5 X' ~$ \9 T 图8 产品模型技术信息库系统图
2.4 铸造模具生产和机械加工
根据模型的特征信息生产出铸造用的模具或砂芯(见图9、图10)，也可以利用激光快速成形技术得到铸件产品本身，例如某柴油机缸盖的激光快速成形(见图11);在产品精加工过程中，可根据这些工程数据信息快速生成NC加工程序，完成产品的最终加工;最后，可以根据以上这些工程技术信息进行产品的数据管理(PDM)，进行在线检测、质量评估及装配调试等生产活动一体化管理。
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: {$ H5 c& a; w6 D! C 图9 某缸盖气道的激光快速成型 图10 某缸盖水道的激光快速成型
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9 W3 ]& d/ Y; m* B 图11 某缸盖的激光快速成型
3 X3 z. ?/ C. m$ X# S7 w 2.5 生产过程跟踪与完善
利用建立起的产品全相关的技术信息库，从设计、工艺到加工制造及性能比较分析的各个过程进行现场的跟踪、再现，及时发现问题及时纠正，不断改进完善。如此可以提前预测以上生产的全过程，减少不必要的浪费，缩短产品的生产链条，使生产过程更自动化、人性化。
+ _ t/ B5 T9 ~: {! x9 D* s; m 创建大型复杂铸锻件三维参数化零件模型，不仅仅是为了造型，正确的模型应当是以后的原始技术信息库，可以应用于成形工艺分析、结构优化分析、加工制造、测量分析、生产管理中的全过程，使得设计的修改和调整、CAE分析、参加装配、力学分析、运动分析、数控加工等变得容易实现，因为基于一个技术信息数据库，数据和参数驱动成为可能。可以说，建模的近期目标是为了修改。这就要求所创建出的产品模型结构完整，尺寸和几何约束齐全、正确，以便在产品设计、加工和分析过程中，可以对不合理的结构随时作相应的调整而保证前后一致。
3 CAE的生产实际应用
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7 }, m* W; c* I; W; h, o 正近年来，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。从功能上看，许多软件大都基于有限差分法，可以对砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、压力铸造等多种工艺进行温度场、流场的数值模拟，并可以预测铸件的缩孔、缩松等缺陷，但对应力场的模拟及裂纹的预测显得力不从心。
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ProCAST软件是由ESI公司开发的基于有限元法(FEM)的铸造过程模拟软件[5]，能够进行流场、温度场、应力场三场耦合模拟。ProCAST采用基于有限元法(FEM)的数值计算方法，与有限差分法(FDM)相比，有限元法具有较大的灵活性，特别适用于模拟复杂铸件成型过程中的各种物理现象。ProCAST提供了能够考虑气体、过滤、高压、旋转等对铸件充型的影响，能够模拟出低压铸造、压力铸造、离心铸造等几乎所有铸造工艺的充型过程;在应力分析方面，通过采用弹塑性和粘塑性及独有的处理铸件/铸型热和机械接触界面的方法，使其具有分析铸件应力、变形的能力。通过分析可以获得铸造过程的各种现象、铸造缺陷形成及分布、铸件最终质量的模拟和预测。图12展示了铸件工艺优化的整个流程。图13为ProCAST软件进行模拟分析的步骤。
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^. w/ a# K' ~9 \ 图12 铸件工艺优化流程图 图13 ProCAST分析流程
在设计过程引入CAE来指导设计决策，通过对大型复杂铸件制造工艺过程进行数值模拟及仿真，对铸造过程(见图14)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，最终提高铸件质量，缩短试制周期，降低生产成本，提高产品竟争力。
3.1 铸件充型模拟
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) b* ^6 k* o* w. |+ J 铸造充型过程对铸件的最终质量起着决定性的作用，许多铸造缺陷，如浇不足、冷隔、卷气、氧化夹渣乃至缩松、缩孔等都与铸造的充型过程密切相关，利用ProCAST软件能够较为准确的表达充型过程和缺陷生成过程，这对于优化充型系统设计，避免充型不合理引起的铸造缺陷具有重要的意义。
4 E( T0 U8 F g+ o& l 为了检验ProCAST软件在流场预测方面的准确性，我们选用了英国伯明翰的J.Campbell进行的纯铝充型的基准试验，来验证软件的准确性。
试验结果的X-射线充型结果如左图，右图为ProCAST软件的模拟情况，从图中可以看出，ProCAST软件能够准确模拟整个铸件的充型过程，很好的预测出了浇注系统的卷气缺陷。
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图15 实际浇注与ProCAST软件模拟结果对比
在叶轮铸件的铸造工艺设计中，我们应用ProCAST软件很好的预测了叶轮铸件浇注系统的不合理设计，并提出了工艺改进，使该铸件一次浇注成功。
! U. u" i* @- r. S4 y 原设计工艺中叶轮各个内浇口流量分布极为不合理，经改进后铸件充型较为均匀，各内浇口流量分布较为均匀。
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" U$ O3 y2 M; I0 V8 E 图16 浇注系统改进前后对比
3.2铸件凝固模拟
铸造过程中大部分缺陷主要是缩松和缩孔缺陷，而这些缺陷大都在铸件凝固过程中形成，因而，比较精确的再现铸件的凝固过程，对缩松和缩孔缺陷的预测显得极为重要，ProCAST软件能够较为准确的预测铸件的缩松和缩孔缺陷，软件提供多种基于不稳定热传导计算的铸件缩松和缩孔缺陷预测方法，常用的有:温度梯度法、固相率梯度法、凝固时间梯度法、Niyama判据法及其变种、ProCAST软件自带的与密度相关的判据等。工程师可以通过多种判据的综合应用，达到预测缩松和缩孔缺陷的目的。
我们在优化某铸钢件时，综合应用了多种判据，经过数次模拟分析，最终成功地解决了生产中的铸件缩松和缩孔问题。
* C% f4 s# p0 X/ K! s, T) } 最初铸件的工艺经模拟分析，应用温度梯度法和固相率梯度法显示无缺陷，而应用ProCAST软件自带的判据显示两处有缩松和缩孔缺陷，这与实际铸件探伤结果一致，经过多次优化，最终解决了问题，所生产的铸件内部致密无缺陷。
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图17 铸件倾斜浇注温度场 图18 铸件固相分数分布图
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$ ] a# a- l" M9 W 图19 铸件凝固时间分布图 图20 铸件缩孔缩松分布图
3.3铸件应力场模拟
在铸造生产中经常由于铸件结构方面的原因及工艺处理不当而出现热裂，或者在某些部位存在较大的残余应力或残余变形，这是在铸钢件尤其是大型铸钢件中普遍存在，这些缺陷严重影响了铸件的质量和使用寿命，而这两种缺陷都直接和凝固过程中的热应力的产生和发展有关，铁别是热裂缺陷，一般产生在准固相区，而且随着铸件的后续冷却，裂纹不断扩大，经常造成铸件报废。
我们在生产的某材质为35CrMo的铸钢件时，经常在内浇口附近出现裂纹，并且经常扩展到铸件内部，严重影响了后续工作的正常开展，车间技术员曾在内浇口附近增加一块凸台补贴，以减少裂纹向铸件的扩展，但并未彻底解决问题，后来，应用ProCAST软件对铸件应力场进行了模拟，依据模拟情况，提出了改进措施，彻底消除了铸件中的裂纹缺陷。
! r/ d( v! E" o- ` 4 结论
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6 h, h {) N# z# B' e- x 对某舰船柴油机机身、缸盖等大型复杂铸件的CAD/CAE应用分析，采用理论分析、软件仿真验证与实验相结合的研究方法，制定了实用化的研究方向，开展大型复杂产品模型与技术信息库的优化研究，加快CAE仿真分析的进程，解决生产中的问题。
