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浅谈计算机辅助工程(CAE)在精密铸造中的应用

发布日期:2011-12-06 17:00:43 关注次数 [ 0 ] 发表评论 [ 0 ]
[导读]精密铸造是用可溶(熔)性一次模型使铸件成型的方法。其最大优点是表面光洁,尺寸精确,而缺点是工艺过程复杂,生产周期长,影响铸件质量的因素众多

一、精密铸造的定义及其优缺点

    精密铸造是用可溶(熔)性一次模型使铸件成型的方法。其最大优点是表面光洁,尺寸精确,而缺点是工艺过程复杂,生产周期长,影响铸件质量的因素众多,生产过程中对材料和工艺要求很严。

二、CA精密铸造技术的优势

    CA精密铸造技术就是将计算机辅助工程应用到精密铸造过程中,并结合其他先进的铸造技术,以高质量、低成本、短周期来完成复杂产品的研发和试制。在传统铸造中,开发一个新的铸件,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。而通过三维CAD就可以把设计从画图板中解放出来,大大简化了设计者的设计过程,减少出错的几率。并且随着快速成型(RP)技术,特别是激光选区烧结工艺(SLS)的发展,三维模型可以通过RP设备,快速转变成精密铸造所需的原型,打破了模具设计的瓶颈。另外采用凝固过程数值模拟,可以指导浇注工艺参数优化,预测缺陷数量及位置,有效地提高铸件成品率。目前,利用CA精铸技术,已完成多种航天、航空、兵器等关键部件的试制,取得满意的效果。

三、CA精铸工艺流程

    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I-DEAS、UGII、PRO-E等三维设计软件进行设计,工艺结构和模型转换采用Magic Rp进行处理和修复,在AFS-MZ320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。

CA精铸工艺流程见图1:

 

四、CA精密铸造工艺的关键

    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I-DEAS进行实体建模和数据转换的过程。I-DEAS9集成了三维建模与逆向工程建模模块。通过Master Modeler 模块可以得到复杂模型(见图2),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(见图4)。实体文件生成后需转变成STL文件(见图3)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Magic Rp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

1、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。

    铸造过程虽然很复杂,偶然因素很多,但仍遵循基本科学理论,如流体力学、传热学、金属凝固、固体力学等。这样,铸造过程可以抽象成求解液态金属流动、凝固及温度变化的问题,就是要在给定的初始条件和边界条件下,求解付立叶热传导方程、弹塑性方程。计算机技术的发展,使得求解物理过程的数值解成为可能。应用计算机数值模拟,可对极其复杂的铸造过程进行定量的描述。

   通过数学物理方法抽象,铸造过程可表征成几类方程的耦合:

1) 热能守恒方程:

2) 连续

2


责任编辑:省模协信息中心
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