CAE分析技术在铸造生产中的应用
摘 要: 近年来，计算机铸造工艺模拟软件开始被大多数铸造工厂所接受，应用这些软件可以较为准确的预测各种铸造缺陷，优化浇注系统设计、消除热裂等裂纹缺陷、提高工艺出品率。本文介绍了应用ProCAST软件在实际铸造工艺优化设计中的一些实例，应用表明该软件能准确的预测铸件的多种铸造缺陷，有利于铸造工艺的优化和铸件的质量提高。
关键词: ProCAST CAE 数值模拟 铸造
1 引言
铸造是国民经济的重要产业部件之一，它反映了一个国家制造工业的规模和水平。随着航空、航天、船舶、汽车、机械等各行业的蓬勃发展，铸件的需求量越来越大，对铸造金属的性能及铸件本身的可靠性等要求越来越高。先进制造技术的发展，要求铸件的生产向轻型化、精确化、强韧化、复合化及无环境污染方向发展。
计算机技术的飞速发展及其在铸造生产中的广泛应用，可以通过对制造工艺过程进行数值模拟及仿真，使得上述目标得以实现。这项工作以数值计算为基本方法，对铸造过程中流场、温度场、应力场及微观组织形貌进行模拟，从而帮助工艺设计人员对不同时刻的金属流态、凝固过程温度分布、应力分布、结晶晶粒尺寸形貌等重要物理参数有所了解，并以此为依据，预测是否有缩孔、疏松、夹杂、偏析及热裂纹等缺陷出现，可以实现铸造工艺设计——校核——再设计——优化设计的全过程，以提高铸件质量，缩短试制周期，降低生产成本，提高市场竟争能力。同时，用计算机等高新技术来改造制造传统产业是国内外科学技术发展的共同趋势，是铸造领域的学科前沿，也是铸造工艺由“经验设计”走向“科学指导”的重要途径，具有重大的实际意义。
图1展示了铸件工艺优化的整个流程。
2 ProCAST软件介绍
近年来，铸造CAE商品化软件功能逐渐增加，其中主要有美国的ProCAST、德国的MAGMASOFT、芬兰的CastCAE、法国的Simulor、西班牙的Forcast及日本的Soldia、Castem等软件。从功能上看，许多软件大都基于有限差分法，可以对砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、压力铸造等多种工艺进行温度场、流场的数值模拟，并可以预测铸件的缩孔、缩松等缺陷，但对应力场的模拟及裂纹的预测显得力不从心。
ProCAST软件是由ESI公司开发的基于有限元法（FEM）的铸造过程模拟软件，能够进行流场、温度场、应力场三场耦合模拟。ProCAST采用基于有限元法（FEM）的数值计算方法，与有限差分法（FDM）相比，有限元法具有较大的灵活性，特别适用于模拟复杂铸件成型过程中的各种物理现象。ProCAST提供了能够考虑气体、过滤、高压、旋转等对铸件充型的影响，能够模拟出低压铸造、压力铸造、离心铸造等几乎所有铸造工艺的充型过程；在应力分析方面，通过采用弹塑性和粘塑性及独有的处理铸件/铸型热和机械接触界面的方法，使其具有分析铸件应力、变形的能力。通过分析可以获得铸造过程的各种现象、铸造缺陷形成及分布、铸件最终质量的模拟和预测。
图2为ProCAST软件进行模拟分析的步骤。nextpage
3 应用实例
3.1 铸件充型模拟
铸造充型过程对铸件的最终质量起着决定性的作用，许多铸造缺陷，如浇不足、冷隔、卷气、氧化夹渣乃至缩松、缩孔等都与铸造的充型过程密切相关，利用ProCAST软件能够较为准确的表达充型过程和缺陷生成过程，这对于优化充型系统设计，避免充型不合理引起的铸造缺陷具有重要的意义。
为了检验ProCAST软件在流场预测方面的准确性，我们选用了英国伯明翰的J.Campbell进行的纯铝充型的基准试验，来验证软件的准确性。
试验结果的X-射线充型结果如左图，右图为ProCAST软件的模拟情况，从图中可以看出，ProCAST软件能够准确模拟整个铸件的充型过程，很好的预测出了浇注系统的卷气缺陷。
图3 实际浇注与ProCAST软件模拟结果对比
在叶轮铸件的铸造工艺设计中，我们应用ProCAST软件很好的预测了叶轮铸件浇注系统的不合理设计，并提出了工艺改进，使该铸件一次浇注成功。
原设计工艺中叶轮各个内浇口流量分布极为不合理，经改进后铸件充型较为均匀，各内浇口流量分布较为均匀。
图4 浇注系统改进前后对比
3.2 铸件凝固模拟
铸造过程中大部分缺陷主要是缩松和缩孔缺陷，而这些缺陷大都在铸件凝固过程中形成，因而，比较精确的再现铸件的凝固过程，对缩松和缩孔缺陷的预测显得极为重要，ProCAST软件能够较为准确的预测铸件的缩松和缩孔缺陷，软件提供多种基于不稳定热传导计算的铸件缩松和缩孔缺陷预测方法，常用的有：温度梯度法、固相率梯度法、凝固时间梯度法、Niyama判据法及其变种、ProCAST软件自带的预密度相关的判据等。工程师可以通过多种判据的综合应用，达到预测缩松和缩孔缺陷的目的。
我们在优化某铸钢件时，综合应用了多种判据，经过数次模拟分析，最终成功地解决了生产中的铸件缩松和缩孔问题。
最初铸件的工艺经模拟分析，应用温度梯度法和固相率梯度法显示无缺陷，而应用ProCAST软件自带的判据显示两处有缩松和缩孔缺陷，这与实际铸件探伤结果一致，经过多次优化，最终解决了问题，所生产的铸件内部致密无缺陷。nextpage
3.3 铸件应力场模拟
在铸造生产中进场由于铸件结构方面的原因及工艺处理不当而出现热裂，或者在某些部位存在较大的残余应力或残余变形，这是在铸钢件尤其是大型铸钢件中普遍存在，这些缺陷严重影响了铸件的质量和使用寿命，而这两种缺陷都直接和凝固过程中的热应力的产生和发展有关，铁别是热裂缺陷，一般产生在准固相区，而且随着铸件的后续冷却，裂纹不断扩大，经常造成铸件报废。
我们在生产的某材质为35CrMo的铸钢件时，经常在内浇口附近出现裂纹，并且经常扩展到铸件内部，严重影响了后续工作的正常开展，车间技术员曾在内浇口附近增加一块凸台补贴，以减少裂纹向铸件的扩展，但并未彻底解决问题，后来，应用ProCAST软件对铸件应力场进行了模拟，依据模拟情况，提出了改进措施，彻底消除了铸件中的裂纹缺陷。
图9 改进前后的内浇口应力分布对比
4 结论
（1）、ProCAST软件在流场预测方面，已能较好的反映铸造时金属的流动过程，能够准确预测铸造过程中的紊流和卷气。
（2）、应用ProCAST软件能够较为准确的预测铸造过程中所形成缩孔、缩松、热裂等铸造缺陷。
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