近年來，與CA精鑄技術相關的三維CAD設計、反求工程、快速成型、澆注系統(tǒng)CAD、鑄造過程數(shù)值模擬(CPS)以及特種鑄造等單體技術取得了長足的進步，這些成就的取得為集成化的CA精鑄技術的形成奠定了基礎，促進了CA精鑄技術的迅猛發(fā)展和應用。為了使各單體技術成功地用于CA精鑄，必須消除彼此之間的界面，將這些技術有機地結合起來。從而在產(chǎn)品開發(fā)中做到真正意義上的先進設計+先進材料+先進制造。

　　三維模型的生成與電子文檔交換

　　如何得到部件精確的電子數(shù)據(jù)模型，是CA精鑄至關重要的第一步。隨著三維CAD軟件、逆向工程等技術的發(fā)展，這項工作變得簡單而且迅捷。在此主要介紹利用IDEAS進行實體建模和數(shù)據(jù)轉換的過程。IDEAS9集成了三維建模與逆向工程建模模塊。通過MasterModeler模塊可以得到復雜模型(見圖1)，既可以進行全幾何約束的參數(shù)化設計，又可進行任意幾何與工程約束的自由創(chuàng)新設計;曲面設計提供了包括變量掃掠、邊界曲面等多種自由曲面的造型功能。逆向工程Freeform可將數(shù)字化儀采集的點云信息進行處理，創(chuàng)建出曲線和曲面，進行設計，曲面生成后可直接生成RPM用文件，也可傳回主建模模塊進行處理(見圖3)。實體文件生成后需轉變成STL文件(見圖2)以作為RP設備的輸入。轉換過程應注意選擇成型設備名稱，通常選用SLA500，三角片輸出精度在0.005~0.01之間。采用MagicRp處理時應注意乘上25.4，得到實際設計尺寸。

圖1

圖2

圖3

　　凝固過程的數(shù)值模擬原理

　　鑄造是一個液態(tài)金屬充填型腔、并在其中凝固和冷卻的過程，其中包含了許多對鑄件質量產(chǎn)生影響的復雜現(xiàn)象。實際生產(chǎn)中往往靠經(jīng)驗評價一個工藝是否可行。對一個鑄件而言，工藝定型需通過多次試驗，反復摸索，最后根據(jù)多種試驗方案的澆鑄結果，選擇出能夠滿足設計要求的鑄造工藝方案。多次的試鑄要花費很多的人力、物力和財力。

　　鑄造過程雖然很復雜，偶然因素很多，但仍遵循基本科學理論，如流體力學、傳熱學、金屬凝固、固體力學等。這樣，鑄造過程可以抽象成求解液態(tài)金屬流動、凝固及溫度變化的問題，就是要在給定的初始條件和邊界條件下，求解付立葉熱傳導方程、彈塑性方程。計算機技術的發(fā)展，使得求解物理過程的數(shù)值解成為可能。應用計算機數(shù)值模擬，可對極其復雜的鑄造過程進行定量的描述。

　　通過數(shù)學物理方法抽象，鑄造過程可表征成幾類方程的耦合：

　　1熱能守恒方程：2連續(xù)性方程：3動量方程：常用的數(shù)值模擬方法主要是有限差分法、有限元法。有限元差分法數(shù)學模型簡單，推導簡單易于理解，占用內(nèi)存較少。但計算精度一般，當鑄件具有復雜邊界形狀時，誤差較大，應力分析時需將差分網(wǎng)格轉換成有限元網(wǎng)格進行計算。有限元法技術根據(jù)變分原理對單元進行計算，然后進行單元總體合成，模擬精度高，可解決形狀復雜的鑄件問題。無論采用什么數(shù)值方法，鑄造過程的數(shù)值模擬軟件應包括三個部分：前處理、中間計算和后處理。前處理主要為中間計算提供鑄件、型殼的幾何信息;鑄件和型殼的各種物理參數(shù)和鑄造工藝信息。中間計算主要根據(jù)鑄造過程設計的物理場，為數(shù)值計算提供計算模型，并根據(jù)鑄件質量或缺陷與物理場的關系預測鑄件質量。后處理是指把計算所得結果直觀地以圖形方式表達出來。鑄造過程的數(shù)值模擬系統(tǒng)組成。

本文由專家丘志春提供