现代技术在精密铸造中的应用
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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
中图分类号：TG249.5 文献标识码：A
一、材料与实验方法
CA精铸可应用于不锈钢、耐热钢、高温合金、铝合金等多种合金，。三维模型可采用IDEAS、UGII、PROE等三维设计软件进行设计，工艺结构和模型转换采用MagicRp进行处理和修复，在AFSMZ320自动成型系统上进行原型制作，采用熔体浸润进行原型表面处理，凝固过程数值模拟采用PROCAST和有限差分软件进行计算。
二、CA精密铸造工艺的关键问题及相关技术讨论
近年来，与CA精铸技术相关的三维CAD设计、反求工程、快速成型、浇注系统CAD、铸造过程数值模拟(CPS)以及特种铸造等单体技术取得了长足的进步，这些成就的取得为集成化的CA精铸技术的形成奠定了基础，促进了CA精铸技术的迅猛发展和应用。为了使各单体技术成功地用于CA精铸，必须消除彼此之间的界面，将这些技术有机地结合起来。从而在产品开发中做到真正意义上的先进设计＋先进材料＋先进制造。
（一）三维模型的生成与电子文档交换
如何得到部件精确的电子数据模型，是CA精铸至关重要的第一步。随着三维CAD软件、逆向工程等技术的发展，这项工作变得简单而且迅捷。在此主要介绍利用IDEAS进行实体建模和数据转换的过程。IDEAS9集成了三维建模与逆向工程建模模块。通过MasterModeler模块可以得到复杂模型），既可以进行全几何约束的参数化设计，又可进行任意几何与工程约束的自由创新设计；曲面设计提供了包括变量扫掠、边界曲面等多种自由曲面的造型功能。逆向工程Freeform可将数字化仪采集的点云信息进行处理，创建出曲线和曲面，进行设计，曲面生成后可直接生成RPM用文件，也可传回主建模模块进行处理。实体文件生成后需转变成STL文件以作为RP设备的输入。转换过程应注意选择成型设备名称，通常选用SLA500，三角片输出精度在0.005~0.01之间。采用MagicRp处理时应注意乘上25.4，得到实际设计尺寸。
（二）凝固过程的数值模拟原理
铸造是一个液态金属充填型腔、并在其中凝固和冷却的过程，其中包含了许多对铸件质量产生影响的复杂现象。实际生产中往往靠经验评价一个工艺是否可行。对一个铸件而言，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。
通过在计算机上进行铸造过程的模拟，可以得到各个阶段铸件温度场、流场、应力场的分布，预测缺陷的产生和位置。对多种工艺方案实施对比，选择最优工艺，能大幅提高产品质量，提高产品成品率。
（三）铸造过程数值模拟软件
经过多年的研究和开发，世界上已有一大批商品化的铸造过程数值模拟软件，表明这项技术已经趋于成熟。这些软件大都可以对砂型铸造、金属型铸造、精密铸造和压力铸造等工艺进行温度场、应力场和流场的数值模拟，可预测铸件的缩孔、疏松、裂纹、变形等缺陷和铸件各部位的纤维组织、并且与CAD实体模型有数据转换接口，可将实体文件用于有限元分析。
ProCAST是目前应用比较成功的铸造过程模拟软件。在研制和生产复杂、薄壁铸件和近净型铸件中尤能发挥其作用。是目前唯一能对铸造过程进行传热－流动－应力耦合分析的系统。该软件主要由模块组成：有限元网格剖分，传热分析及前后处理，流动分析，应力分析，热辐射分析，显微组织分析，电磁感应分析，反向求解等。
它能够模拟铸造过程中绝大多数问题和物理现象。在对技术充型过程的分析方面，能提供考虑气体、过滤、高压、旋转等对铸件充型的影响，能构模拟出消失模铸造、低压铸造、离心铸造等几乎所有铸造工艺的充型过程，并对注塑、压蜡模和压制粉末材料等的充型过程进行模拟。ProCAST能对热传导、对流和热辐射三类传热问题进行求解，尤其通过“灰体净辐射法”模型，使得它更擅长解决精铸尤其是单晶铸造问题。应力方面采用弹塑性和粘塑性模型，使其具有分析铸件应力、变形的能力。
对铸件进行分析时，简单的模型网格可以直接在ProCAST生成。复杂模型可以由IDEAS等软件生成，划分网格后输出*.unv通用交换文件，该文件应带有节点和单元信息。Meshcast模块读入网格文件后输出四面体单元用于前处理。PreCast对模型进行材料、界面传热、边界条件、浇注速度等参量进行定义，最后由ProCAST模块完成计算。
三、结论：
计算机辅助工程与精密铸造结合而成的CA精密铸造技术具有很强的通用性，可以缩短研制周期，节约开发成本；IDEAS与RPOCAST的配合，可以对复杂件进行铸造过程数值模拟；计算机凝固模拟技术可用于复杂件的浇注系统设计和优化，并能较为准确的预测缺陷及其位置、变形开裂倾向，用于指导浇注系统的优化。