摘要：隨著計算機硬件和軟件業(yè)的發(fā)展，鑄造信息化得到了很快的發(fā)展，目前鑄造模擬技術(shù)在實際生產(chǎn)中得到很好的應(yīng)用。利用北京北方恒利科技發(fā)展有限公司開發(fā)的鑄造工藝設(shè)計及工藝模擬 CAStsoft CAD/CAE技術(shù)對鑄件毛坯模數(shù)、工藝熱節(jié)計算、澆冒系統(tǒng)計算、澆注過程計算、凝固過程計算從而對鑄件毛坯進行工藝設(shè)計和鑄造工藝缺陷的進行分析，依據(jù)分析結(jié)果對工藝進行改進,最后設(shè)計出合理的鑄造工藝。鑄造過程計算機模擬可以減少或取消新產(chǎn)品的工藝實驗，能夠有效地避免可能出現(xiàn)的鑄造缺陷，保證工藝的可靠性，縮短新產(chǎn)品的試制周期。采用鑄造模擬技術(shù)指導(dǎo)新產(chǎn)品開發(fā)和工藝優(yōu)化，無疑能取得事半功倍的效果。

關(guān)鍵詞：鑄造工藝設(shè)計CAD CAStsoft 鑄造工藝模擬CAE 澆注過程 凝固過程 溫度場 工藝優(yōu)化

Casting HL-CASTsoft CAD / CAE technology in liquid metal forming process design and optimization application Beijing North Fangheng Li Technology Development Co., Ltd. (100089) Song Bin

Abstract ：With the computer hardware and software industry, casting information has been quick development, casting simulation technology is well in the actual production application. Using Technology Development Co., Ltd. Beijing North Fang Hengli casting process design and development of process simulation CAStsoft CAD / CAE technology castings module, process heat section calculated risk system to calculate the pouring, pouring the process, the solidification process of casting rough calculation of the process to defects in the design and analysis of casting process, according to the results of process improvements, and finally design a reasonable casting process. Computer simulation of the casting process can reduce or cancel the process of new product test, which can effectively avoid possible casting defects, to ensure the reliability of technology, new products and shorten the trial period. Casting simulation technology used to guide new product development and process optimization, no doubt can achieve a multiplier effect.

Keywords: Casting Process Design CAD CAStsoft casting solidification casting process simulation CAE Optimization of Temperature Field

1、前言

目前，大多數(shù)鑄造企業(yè)采用傳統(tǒng)工藝試錯法進行鑄件生產(chǎn)。傳統(tǒng)的鑄造工藝設(shè)計方法往往依賴于直覺經(jīng)驗，在鑄件結(jié)構(gòu)較為簡單和鑄造類似鑄件時，經(jīng)驗可能起到一定的作用；在澆鑄大型、復(fù)雜鑄件且無相關(guān)經(jīng)驗時，只能通過反復(fù)工藝實驗來確定工藝；當(dāng)工藝存在重大失誤時，可能使得工藝方案被徹底推翻。通過工藝反復(fù)實驗來確定工藝的方法，可能導(dǎo)致先前制作的模具報廢，對于大型鑄件來說模具費用會相當(dāng)高，這會造成重大經(jīng)濟損失，同時嚴重影響新產(chǎn)品的試制，延長新產(chǎn)品的試制周期。

隨著各行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，鑄件毛坯件的形狀更加復(fù)雜，鑄件質(zhì)量要求不斷提高，出品周期要求越來越短；傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式越來越不能滿足實際生產(chǎn)需要。在鑄件生產(chǎn)中，合理的鑄造工藝確定是決定鑄件質(zhì)量和保證工期的最重要因素。傳統(tǒng)工藝試錯法不能滿足實際生產(chǎn)需要。隨著計算機硬件和軟件業(yè)的發(fā)展，鑄造信息化得到了很快的發(fā)展，目前鑄造模擬技術(shù)在實際生產(chǎn)中得到很好的應(yīng)用，使得通過鑄造模擬來確定鑄造工藝成為可能，鑄造過程計算機模擬可以減少或取消新產(chǎn)品的工藝實驗，能夠有效地避免可能出現(xiàn)的鑄造缺陷，保證工藝的可靠性，縮短新產(chǎn)品的試制周期。本文主要通過CASTSOFT CAD/CAE技術(shù)介紹鑄造工藝設(shè)計及鑄造工藝模擬在典型鑄造方法和典型鑄造工藝中的應(yīng)用。通過模擬分析得出鑄件毛坯模數(shù)、鑄件毛坯熱節(jié)位置和大小、進行澆冒口設(shè)計，解決工藝存在的問題，調(diào)整優(yōu)化工藝指導(dǎo)實際鑄件生產(chǎn)。

2、鑄造工藝設(shè)計及工藝優(yōu)化技術(shù)

鑄造工藝設(shè)計CAD及鑄造工藝模擬CAE系統(tǒng)框圖（圖1），鑄造工藝設(shè)計CAD由鑄件重量、體積、模數(shù)、補縮、澆鑄等工藝參數(shù)計算和工藝圖繪制、三維自動轉(zhuǎn)二維、工藝卡自動繪制組成；鑄造工藝模擬CAE集鑄造過程仿真、鑄造缺陷定量預(yù)測及結(jié)果定量顯示。

基本思路是：1）、將三維設(shè)計完成的鑄件毛坯（含加工余量）輸入到鑄造工藝設(shè)計CAD中，進行澆注系統(tǒng)計算、冒口計算、冷鐵計算、孤立熔池計算、模數(shù)計算；2）、根據(jù)計算結(jié)果大小和位置將澆注系統(tǒng)、冒口（冷鐵）添加到鑄件毛坯中；3）、將初始化的澆注系統(tǒng)和冒口信息輸入鑄造工藝模擬CAE，進行鑄造過程模擬仿真，優(yōu)化澆注系統(tǒng)和冒口，將優(yōu)化好的澆冒信息輸出，指導(dǎo)實際生產(chǎn)。

圖1 鑄造工藝設(shè)計CAD及鑄造工藝模擬CAE系統(tǒng)框圖

3、鑄造工藝設(shè)計CAD及鑄造工藝模擬CAE應(yīng)用實例

鑄造工藝設(shè)計及工藝模擬 CAStsoft CAD/CAE系統(tǒng)廣泛用于航空、航天、兵器、船舶、電子、冶金機械、汽車等行業(yè)產(chǎn)品，已有280多家鑄造企業(yè)應(yīng)用，參與工藝現(xiàn)場模擬工作近800臺套。采用CAStsoft CAD/CAE技術(shù)進行體積法和模數(shù)法進行澆注系統(tǒng)計算、冒口（冷鐵）計算，澆口棒計算（熔模精鑄）和澆冒口位置確定，初步確定工藝，通過澆注過程凝固過程進行分析，進一步優(yōu)化合理工藝，從而縮短工藝試制周期、降低工藝試制成本。

3．1某砂型重力鑄鋼工藝設(shè)計及模擬優(yōu)化

3．1．1鑄造工藝設(shè)計

鑄件材料：GS17CrMo5_5，通過鑄造工藝設(shè)計CAD計算毛坯重：8.05噸，采用體積法進行工藝設(shè)計（圖2，圖3），確定計算鑄件熱節(jié)和有利于工藝的放置方向。[nextpage]

根據(jù)模擬計算缺陷的結(jié)果（圖4，圖5），可以知道工藝放置方案1熱節(jié)集中，并且現(xiàn)場操作方便。所以按方案1計算澆冒口。經(jīng)分析，該鑄件的縮孔主要存在于兩個部位，其他部位的縮孔體積很小可以忽略，這兩個部位的縮孔大小為47845441.8mm2和 86681.7mm2。

從缺陷結(jié)果來看，這兩部分幾乎是連成一體的，根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點和補縮的需要，對此兩部分進行集中補縮。則可認為每個縮孔的體積為24000002.04 mm2。

根據(jù)計算出的缺陷的大小，進入冒口設(shè)計CAD，見圖6。其中一個冒口采用圓形明冒口，另一個采用腰圓明冒口。

對圓形明冒口進行設(shè)計，收縮率采用5%，則該明冒口的設(shè)計結(jié)果為：d=h=654.789mm，該冒口的模數(shù)為11.61cm：,該冒口的體積為267.31 cm3 ,該冒口質(zhì)量為1813.0914kg，因此本實例采用了 冒口直徑為650mm，高也為650mm的圓形明冒口，設(shè)計框圖見圖4。

對腰型明冒口進行設(shè)計，收縮率采用5%，則該明冒口的設(shè)計結(jié)果為：a=522.0798mm，b=783.10mm,冒口高為652.59mm，該冒口的模數(shù)為11.42cm：,該冒口的體積為267.32 cm3 ,該冒口質(zhì)量為1821.76kg，因此本實例采用了 冒口直徑為520mm，長為780mm，高也為650mm的腰圓明冒口。

該鑄件質(zhì)量為8.05噸，最大尺寸為1587 X 1990 X 1630，澆注系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計框圖見（圖7），設(shè)計澆道為：

直澆道為圓形 ：直徑 80mm 兩個直澆道。

橫澆道為梯形： 上底寬為55，下底寬為60，高為50mm，共4個橫澆道。

內(nèi)澆道為圓形 ：直徑為 53mm，共10個。

3．1．2鑄造工藝模擬優(yōu)化

通過鑄造工藝模擬軟件對計算好的澆冒系統(tǒng)進行模擬，如圖8，圖9，圖10，圖11。

（保溫冒口套，覆砂冷鐵）

通過圖8工藝進行模擬后，發(fā)現(xiàn)冒口尺寸偏大且有點高，鑄件下部有集中縮松情況；為了保證鑄件質(zhì)量和減少鋼水用量，給合實際生產(chǎn)情況，采用減小冒口，增加保溫冒口套，保溫覆蓋劑，增加覆砂冷鐵的組合工藝（具體如圖10所示）；通過模擬分析，澆注工藝比較合理（圖11）。實際采用圖10工藝方案進行生產(chǎn)，產(chǎn)品澆注成功。鑄件在機械加工后沒有發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷。能夠滿足設(shè)計要求，從而也驗證工藝模擬的有效性。[nextpage]

3．2某熔模精密鑄造工藝設(shè)計及模擬優(yōu)化

下面是某熔模精鑄企業(yè)的閥體產(chǎn)品，鑄件材料：CF-8M，通過鑄造工藝設(shè)計CAD和鑄造工藝模擬優(yōu)化CAE，采用體積法進行工藝設(shè)計定型的例子。具體設(shè)計過程如圖12，圖13，圖14，圖15。

通過對兩種工藝布置方向，可以看出：工藝方案1工藝布置方向集中收縮位置靠近上部和下部，工藝方案2工藝布置方向集中收縮位置靠近上部；根據(jù)熔模精鑄的工藝特點：通過澆口或澆口棒或澆注系統(tǒng)進行補縮，鑄型為等厚多層材料組成的。選擇工藝方案2布置進行補縮系統(tǒng)計算，計算情況如圖16。

通過實際生產(chǎn)情況進行工藝參數(shù)設(shè)置：鑄件材料（CF-8M），澆注溫度（1580度），模殼溫度（850度），模殼材料（硅溶膠）。從模擬情況（圖17）可以看出：在鑄件下部還有一些縮松缺陷，由于此產(chǎn)品比較大，考慮到模殼強度和熱裂情況。最后采用將模殼掩埋的方法進行澆注，既解決了模殼強度問題，減弱熱裂，又保證了鑄件下部質(zhì)量。實際澆注成功，且采用鑄造工藝設(shè)計CAD和鑄造工藝模擬優(yōu)化CAE進行工藝設(shè)計成功實現(xiàn)熔模精密閥門（30KG-600KG）的生產(chǎn)，鑄件在機械加工后沒有發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷。能夠滿足設(shè)計要求，從而也驗證工藝模擬的有效性。具體現(xiàn)場情況如圖18，圖19。

3．3某鑄鐵工藝設(shè)計及模擬優(yōu)化

工藝設(shè)計設(shè)計及模擬優(yōu)化思路與前兩個例子基本相似，凝固補縮不同：鑄鐵固液溫差較大，糊狀凝固方式，除有凝固收縮外另有石墨化澎漲補縮方式。在工藝設(shè)計及模擬優(yōu)化時，要考慮鑄型強度，含水情況，球化劑情況，球化等級等情況因素?？刹捎描T鐵CAD/CAE專用模塊進行設(shè)計及模擬優(yōu)化，下面是設(shè)計后的工藝模擬分析情況。

4. 結(jié)果與分析：[nextpage]

使用CASTSOFT CAD/CAE技術(shù)可以有效地預(yù)測出工藝設(shè)計中存在的問題，能夠預(yù)測出鑄件可能存在的鑄造缺陷，并根據(jù)此模擬結(jié)果改進、優(yōu)化鑄造工藝。利用三維建模軟件可以很方便地進行鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)、冒口套等改進，同時利用CASTSOFT CAD/CAE技術(shù)可以對鑄造工藝參數(shù)如：模數(shù)、工藝熱節(jié)計算、澆冒口設(shè)計、澆注溫度、充型時間、鑄型材料、冒口套、冷鐵等的改進，改進后再次進行模擬，經(jīng)過多次改進直到消除鑄造缺陷。這對于大型復(fù)雜鑄件有很重要的意義，它可以減少工藝試驗的次數(shù)，甚至可以取消工藝試驗，保證鑄件一次試制成功。從而大大縮短新產(chǎn)品的試制周期，提高企業(yè)的競爭力。依據(jù)此次模擬結(jié)果制定的工藝用于生產(chǎn)后，效果良好，目前已有近300家企業(yè)采用該設(shè)計方法進行工藝設(shè)計和工藝優(yōu)化，效果明顯。使用CASTSOFT CAD/CAE技術(shù)可以對多種鑄造工藝和材料進行工藝設(shè)計和模擬。包括：鑄鋼、鑄鐵、鑄鋁、鑄銅，低壓鑄造、金屬型鑄造、消失模鑄造，水玻璃砂工藝，樹脂砂工藝，覆模砂工藝，迪砂工藝等等，本文不一一例舉。

5．結(jié)語：

通過此次模擬可以總結(jié)出以下幾點經(jīng)驗①采用計算機進行鑄造工藝設(shè)計直觀且速度快，有利于新產(chǎn)品工藝開發(fā)和工藝優(yōu)化。②組合使用CASTSOFT CAD/CAE鑄造工藝設(shè)計模塊和模擬模塊可大大節(jié)省工藝設(shè)計和模擬的時間和次數(shù)，模擬結(jié)果與實際相符。③采用冒口套可節(jié)省鋼水，減小冒口尺寸。④砂型重力鑄造改性水玻璃砂工藝適合鑄鋼件生產(chǎn)，鑄件應(yīng)力小，表面比較光滑。⑤熔模精密鑄造硅熔膠工藝可以做形狀和質(zhì)量比較大的鑄件產(chǎn)品。⑥使用CASTSOFT CAD/CAE技術(shù)可以對多種鑄造工藝和材料進行工藝設(shè)計和模擬。

作者：

宋彬：出生于1978年7月，材料成型及控制鑄造專業(yè)，工程師，現(xiàn)在北京北方恒利科技發(fā)展有限公司工作，從事鑄造數(shù)值化模擬技術(shù)相關(guān)工作。電話：010-88820223-8009，E-mail:sb1486@126.com,hlbj@hlzz.com。

參考文獻

[1] 李慶春 鑄件形成理論基礎(chǔ) 機械工業(yè)出版社 1982年1月

[2] 李魁盛 鑄造工藝及原理 機械工業(yè)出版社 1988年

[3] 范英俊 鑄造手冊之特種鑄造 機械工業(yè)出版社 2003年2月

[4] 王智平 底杯鑄件鑄造工藝模擬 鑄造 2006（2）149-151

[5] 胡漢起 金屬凝固原理 機械工業(yè)出版社 1997年8月

[6] 靳玉春，侯華，趙宇宏等 材料成型過程數(shù)值模擬 兵器工業(yè)出版社 1997年8月

[7] 柳百成 等 鑄造工程的模擬仿真 與質(zhì)量控制 機械工業(yè)出版社， 2001年6月

[8] 徐宏 鑄造工藝設(shè)計及模擬技術(shù) 教育出版社