计算机模拟技术在新产品开发及优化铸造工艺中的应用实例

计算机模拟技术在新产品开发及优化铸造工艺中的应用实例

周照耀

(华南理工大学 机械与汽车工程学院， 广州 510641)

数值模拟技术的发展及其在铸造工艺中的应用

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。而对市场经济和全球化竞争的挑战，要为国民经济的发展做出重要贡献，就要十分重视包括铸造行业在内的材料成形制造业的发展。这是因为：无论是传统材料还是新材料，只有及时通过成形制造成为高质量工件或零部件，才能服役于国民经济各部门；材料的最终结构、性能及使用性能是通过成形制造而获得的。因此，铸造过程的本质是既要控制铸件的形状，更要控制它的组织和性能。

铸铁，特别是球墨铸铁因其优良的力学性能、铸造性能以及价格低廉等特点，广泛应用于大型设备生产，如风力发电机组、船用发动机组、机床设备等。在灰铁、球铁件铸造生产过程中，虽然铸件凝固过程中石墨的析出能够带来体积膨胀，以弥补液固转变造成的体积收缩，但在铸件结构、铸模刚度等条件影响下，特别是球铁典型的糊状凝固特征，仅依靠石墨膨胀难以消除铸件凝固收缩缺陷。柳百成等总结了球墨铸铁件收缩形成的机理，提出球墨铸铁收缩缺陷受浇注温度，化学成分，铸件模数，铸型刚度等多方面的影响。郑洪亮等通过实验研究了碳当量、孕育量、铸件共晶温度时的冷却速度对球件缩松面积率的影响，并通过回归分析建立了缩松计算模型。钱进提出了通过改变浇注系统、安放随行冷铁等工艺手段，建立球铁件凝固过程的良性温度场，以获得致密铸件。

然而在实际铸造生产中，金属液流动行为难以观测，温度场分布亦具有不可见性，使得浇注系统设计、冷铁放置、冒口设计均依赖于经验以及试错法。铸造过程数值模拟是利用计算机技术可视化的显示铸造全过程的一种新技术手段。计算机数值模拟技术在现代的计算机技术、较为完善的铸造理论数学模型及高效的实验设计方案等支持下，可以非常近似的模拟铸造过程，发现问题并改进产品结构或工艺参数，确保产品设计的合理性和可行性。这对缩短生产周期，预测铸件缺陷，降低试模和制造成本，有着显著的影响。铸造CAE研究与开发起步于60年代，据统计，国外已投入的研究与开发费用达数千万美元。美国等工业发达国家已经大量采用计算机模拟仿真方法来研究开发飞机、导弹、航空及汽车发动机等的设计、成形加工及制造。第一个铸造CAE商品化软件MAGMA由德国Aachen大学的Sahm教授主持开发，于1989年在德国国际铸造博览会上展出，以温度场分析为核心内容，在工作站上运行。90年代以来，铸造CAE商品化软件功能逐渐增加，多数软件都增加了流场分析功能，但主要都是在工作站上运行。铸件充型及凝固过程的数值模拟及缩孔、缩松预测、应力分析、微观组织模拟等方面的研究及实用化进程，在国内外都取得了很大进展。国内虽起步较晚，但进展迅速，目前国内开发的商品化软件的部分功能已与国外软件相当，可以满足铸造工厂的一般需要。据报道，采用计算机模拟技术可以缩短产品试制周期40％，降低生产成本30％及提高材料利用率25％。

铸造充型及凝固过程的数值模拟，可以帮助工作人员在实际铸造前对铸件可能出现的各种缺陷及其大小、部位和发生的时间予以有效地预测，以便在浇注前采取对策，确保铸件的质量，缩短试制周期，降低生产成本。通过计算机数值模拟可以预测铸件质量，包括常见的各种缺陷，如气孔、缩孔和缩松、膨胀与收缩、裹气、冲砂、裂纹、冷隔及浇不足等各种铸造缺陷和现象形成及分布，可以帮助设计者给出温度平衡、压力平衡的浇注系统，还可对系统的剪切速率和摩擦热进行评估，并通过图像显示直观的了解型腔内的熔体温度分布，避免一些缺陷的产生，从而减少制订铸造工艺的盲目性及工艺参数的试验次数，这些对实际生产有指导作用，通过对工艺参数的分析研究，可以优化铸造方案，既确保铸件质量，也提高生产效率。

铸造过程计算机模拟理论

铸造生产的实质就是直接将液态金属浇入铸型并在铸型中凝固和冷却，进而得到铸件。液态金属的充型过程是铸件形成的第一个阶段。许多铸造缺陷(如卷气、夹渣、浇不足、冷隔及砂眼等)都是在充型不利的情况下产生的。因此，了解并控制充型过程是获得优质铸件的重要条件。但是， 由于充型过程非常复杂，长期以来人们对充型过程的把握和控制主要是建立在大量试验基础上的经验准则。随着计算机技术的发展，铸件充型凝固过程数值模拟受到了国内外研究工作者的广泛重视。

充型凝固过程的数值模拟是一个多学科交叉的研究领域，它涉及到计算流体力学、传热学、计算机图形学、计算方法、偏微分方程的数学理论和铸造工艺理论等。铸件充型过程的流场温度场模拟包括很多内容，如几何实体造型、计算域的网格划分、充型过程中的自由表面处理、流场中速度和压力的求解、充型过程紊流的模拟、充型过程对凝固过程的影响、充型过程对铸造缺陷形成的影响以及计算结果的可视化等。充型凝固过程数值模拟的