計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)在精密鑄造中的應(yīng)用

2013-05-08 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-br5w05v.cn 來(lái)源:仿真在線

摘要:本文介紹了CA精密鑄造工藝。重點(diǎn)闡述了計(jì)算機(jī)輔助工程,包括三維CAD、凝固過(guò)程數(shù)值模擬等在精密鑄件研制過(guò)程中的應(yīng)用。IDEAS可以方便地進(jìn)行三維設(shè)計(jì)或逆向工程,獲得三維模型,然后通過(guò)快速成型技術(shù),能迅速得到鑄造原型;用ProCast對(duì)鑄件的澆注工藝進(jìn)行模擬,以優(yōu)化澆注參數(shù),消除鑄造缺陷。
關(guān)鍵詞:CA精密鑄造計(jì)算機(jī)輔助工程

1引言:

精密鑄造是用可溶(熔)性一次模型使鑄件成型的方法。精密鑄造的最大優(yōu)點(diǎn)是表面光潔,尺寸精確,而缺點(diǎn)是工藝過(guò)程復(fù)雜,生產(chǎn)周期長(zhǎng),影響鑄件質(zhì)量的因素多,生產(chǎn)中對(duì)材料和工藝要求很嚴(yán)[1]。在生產(chǎn)過(guò)程中,模具設(shè)計(jì)和制造占很長(zhǎng)的周期。一個(gè)復(fù)雜薄壁件模具的設(shè)計(jì)和制造可能需一年或更長(zhǎng)的時(shí)間。隨著世界工業(yè)的進(jìn)步和人們生活水平的提高,產(chǎn)品的研發(fā)周期越來(lái)越短,設(shè)計(jì)要求響應(yīng)時(shí)間短。特別是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需做些修改時(shí),前期的模具制造費(fèi)用和制造工期都白白地浪費(fèi)了。因而模具設(shè)計(jì)和制造成為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的瓶頸。計(jì)算機(jī)輔助工程的發(fā)展,使得傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與新技術(shù)的融合成為可能。三維CAD可以把設(shè)計(jì)從畫圖板中解放出來(lái),大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)過(guò)程,減少出錯(cuò)的幾率。并且隨著快速成型(RP)技術(shù),特別是激光選區(qū)燒結(jié)工藝(SLS)的發(fā)展[2,3,4],三維模型可以通過(guò)RP設(shè)備,快速轉(zhuǎn)變成精密鑄造所需的原型,打破了模具設(shè)計(jì)的瓶頸。另外在傳統(tǒng)鑄造中,開(kāi)發(fā)一個(gè)新的鑄件,工藝定型需通過(guò)多次試驗(yàn),反復(fù)摸索,最后根據(jù)多種試驗(yàn)方案的澆鑄結(jié)果,選擇出能夠滿足設(shè)計(jì)要求的鑄造工藝方案。多次的試鑄要花費(fèi)很多的人力、物力和財(cái)力。采用凝固過(guò)程數(shù)值模擬,可以指導(dǎo)澆注工藝參數(shù)優(yōu)化,預(yù)測(cè)缺陷數(shù)量及位置,有效地提高鑄件成品率。CA精密鑄造技術(shù)就是將計(jì)算機(jī)輔助工程應(yīng)用到精密鑄造過(guò)程中,并結(jié)合其他先進(jìn)的鑄造技術(shù),以高質(zhì)量、低成本、短周期來(lái)完成復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)和試制。目前,利用CA精鑄技術(shù),已完成多種航天、航空、兵器等關(guān)鍵部件的試制,取得滿意的效果。

2材料與實(shí)驗(yàn)方法

CA精鑄可應(yīng)用于不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、鋁合金等多種合金,CA精鑄工藝流程見(jiàn)圖1。三維模型可采用IDEAS、UGII、PROE等三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),工藝結(jié)構(gòu)和模型轉(zhuǎn)換采用MagicRp進(jìn)行處理和修復(fù),在AFSMZ320自動(dòng)成型系統(tǒng)上進(jìn)行原型制作,采用熔體浸潤(rùn)進(jìn)行原型表面處理,凝固過(guò)程數(shù)值模擬采用PROCAST和有限差分軟件進(jìn)行計(jì)算。
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3CA精密鑄造工藝的關(guān)鍵問(wèn)題及相關(guān)技術(shù)討論

近年來(lái),與CA精鑄技術(shù)相關(guān)的三維CAD設(shè)計(jì)、反求工程、快速成型、澆注系統(tǒng)CAD、鑄造過(guò)程數(shù)值模擬(CPS)以及特種鑄造等單體技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,這些成就的取得為集成化的CA精鑄技術(shù)的形成奠定了基礎(chǔ),促進(jìn)了CA精鑄技術(shù)的迅猛發(fā)展和應(yīng)用。為了使各單體技術(shù)成功地用于CA精鑄,必須消除彼此之間的界面,將這些技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。從而在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中做到真正意義上的先進(jìn)設(shè)計(jì)+先進(jìn)材料+先進(jìn)制造。

3.1三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(guān)重要的第一步。隨著三維CAD軟件、逆向工程等技術(shù)的發(fā)展,這項(xiàng)工作變得簡(jiǎn)單而且迅捷。在此主要介紹利用IDEAS進(jìn)行實(shí)體建模和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程。IDEAS9集成了三維建模與逆向工程建模模塊。通過(guò)MasterModeler模塊可以得到復(fù)雜模型(見(jiàn)圖2),既可以進(jìn)行全幾何約束的參數(shù)化設(shè)計(jì),又可進(jìn)行任意幾何與工程約束的自由創(chuàng)新設(shè)計(jì);曲面設(shè)計(jì)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(diǎn)云信息進(jìn)行處理,創(chuàng)建出曲線和曲面,進(jìn)行設(shè)計(jì),曲面生成后可直接生成RPM用文件,也可傳回主建模模塊進(jìn)行處理(見(jiàn)圖4)。實(shí)體文件生成后需轉(zhuǎn)變成STL文件(見(jiàn)圖3)以作為RP設(shè)備的輸入。轉(zhuǎn)換過(guò)程應(yīng)注意選擇成型設(shè)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(shí)應(yīng)注意乘上25.4,得到實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸。

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3.2凝固過(guò)程的數(shù)值模擬

3.2.1凝固過(guò)程的數(shù)值模擬原理
鑄造是一個(gè)液態(tài)金屬充填型腔、并在其中凝固和冷卻的過(guò)程,其中包含了許多對(duì)鑄件質(zhì)量產(chǎn)生影響的復(fù)雜現(xiàn)象。實(shí)際生產(chǎn)中往往靠經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)一個(gè)工藝是否可行。對(duì)一個(gè)鑄件而言,工藝定型需通過(guò)多次試驗(yàn),反復(fù)摸索,最后根據(jù)多種試驗(yàn)方案的澆鑄結(jié)果,選擇出能夠滿足設(shè)計(jì)要求的鑄造工藝方案。多次的試鑄要花費(fèi)很多的人力、物力和財(cái)力。
鑄造過(guò)程雖然很復(fù)雜,偶然因素很多,但仍遵循基本科學(xué)理論,如流體力學(xué)、傳熱學(xué)、金屬凝固、固體力學(xué)等。這樣,鑄造過(guò)程可以抽象成求解液態(tài)金屬流動(dòng)、凝固及溫度變化的問(wèn)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(dǎo)方程、彈塑性方程。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,使得求解物理過(guò)程的數(shù)值解成為可能。應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬,可對(duì)極其復(fù)雜的鑄造過(guò)程進(jìn)行定量的描述。
通過(guò)數(shù)學(xué)物理方法抽象,鑄造過(guò)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(dòng)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(xué)模型簡(jiǎn)單,推導(dǎo)簡(jiǎn)單易于理解,占用內(nèi)存較少。但計(jì)算精度一般,當(dāng)鑄件具有復(fù)雜邊界形狀時(shí),誤差較大,應(yīng)力分析時(shí)需將差分網(wǎng)格轉(zhuǎn)換成有限元網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。有限元法技術(shù)根據(jù)變分原理對(duì)單元進(jìn)行計(jì)算,然后進(jìn)行單元總體合成,模擬精度高,可解決形狀復(fù)雜的鑄件問(wèn)題。無(wú)論采用什么數(shù)值方法,鑄造過(guò)程的數(shù)值模擬軟件應(yīng)包括三個(gè)部分:前處理、中間計(jì)算和后處理。前處理主要為中間計(jì)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(jì)算主要根據(jù)鑄造過(guò)程設(shè)計(jì)的物理場(chǎng),為數(shù)值計(jì)算提供計(jì)算模型,并根據(jù)鑄件質(zhì)量或缺陷與物理場(chǎng)的關(guān)系預(yù)測(cè)鑄件質(zhì)量。后處理是指把計(jì)算所得結(jié)果直觀地以圖形方式表達(dá)出來(lái)。圖5是鑄造過(guò)程的數(shù)值模擬系統(tǒng)組成。
鑄造過(guò)程流場(chǎng)、溫度場(chǎng)計(jì)算的主要目的時(shí)就是對(duì)鑄件中可能產(chǎn)生的縮孔縮松進(jìn)行預(yù)測(cè),優(yōu)化工藝設(shè)計(jì),控制鑄件內(nèi)部質(zhì)量。
通過(guò)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行鑄造過(guò)程的模擬,可以得到各個(gè)階段鑄件溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的分布,預(yù)測(cè)缺陷的產(chǎn)生和位置。對(duì)多種工藝方案實(shí)施對(duì)比,選擇最優(yōu)工藝,能大幅提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高產(chǎn)品成品率。

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