計算機(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-1CAE.COM 來源:仿真在線

摘要:本文介紹了CA精密鑄造工藝。重點闡述了計算機(jī)輔助工程,包括三維CAD、凝固過程數(shù)值模擬等在精密鑄件研制過程中的應(yīng)用。IDEAS可以方便地進(jìn)行三維設(shè)計或逆向工程,獲得三維模型,然后通過快速成型技術(shù),能迅速得到鑄造原型;用ProCast對鑄件的澆注工藝進(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)點是表面光潔,尺寸精確,而缺點是工藝過程復(fù)雜,生產(chǎn)周期長,影響鑄件質(zhì)量的因素多,生產(chǎn)中對材料和工藝要求很嚴(yán)[1]。在生產(chǎn)過程中,模具設(shè)計和制造占很長的周期。一個復(fù)雜薄壁件模具的設(shè)計和制造可能需一年或更長的時間。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)周期越來越短,設(shè)計要求響應(yīng)時間短。特別是結(jié)構(gòu)設(shè)計需做些修改時,前期的模具制造費用和制造工期都白白地浪費了。因而模具設(shè)計和制造成為新產(chǎn)品開發(fā)的瓶頸。計算機(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)計從畫圖板中解放出來,大大簡化了設(shè)計者的設(shè)計過程,減少出錯的幾率。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)計的瓶頸。另外在傳統(tǒng)鑄造中,開發(fā)一個新的鑄件,工藝定型需通過多次試驗,反復(fù)摸索,最后根據(jù)多種試驗方案的澆鑄結(jié)果,選擇出能夠滿足設(shè)計要求的鑄造工藝方案。多次的試鑄要花費很多的人力、物力和財力。采用凝固過程數(shù)值模擬,可以指導(dǎo)澆注工藝參數(shù)優(yōu)化,預(yù)測缺陷數(shù)量及位置,有效地提高鑄件成品率。CA精密鑄造技術(shù)就是將計算機(jī)輔助工程應(yīng)用到精密鑄造過程中,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材料與實驗方法

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精鑄工藝流程見圖1。三維模型可采用IDEAS、UGII、PROE等三維設(shè)計軟件進(jìn)行設(shè)計,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自動成型系統(tǒng)上進(jìn)行原型制作,采用熔體浸潤進(jìn)行原型表面處理,凝固過程數(shù)值模擬采用PROCAST和有限差分軟件進(jìn)行計算。
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3CA精密鑄造工藝的關(guān)鍵問題及相關(guān)技術(shù)討論

近年來,與CA精鑄技術(shù)相關(guān)的三維CAD設(shè)計、反求工程、快速成型、澆注系統(tǒng)CAD、鑄造過程數(shù)值模擬(CPS)以及特種鑄造等單體技術(shù)取得了長足的進(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。從而在產(chǎn)品開發(fā)中做到真正意義上的先進(jìn)設(shè)計+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,這項工作變得簡單而且迅捷。在此主要介紹利用IDEAS進(jìn)行實體建模和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程。IDEAS9集成了三維建模與逆向工程建模模塊。通過MasterModeler模塊可以得到復(fù)雜模型(見圖2),既可以進(jìn)行全幾何約束的參數(shù)化設(shè)計,又可進(jìn)行任意幾何與工程約束的自由創(chuàng)新設(shè)計;曲面設(shè)計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)字化儀采集的點云信息進(jìn)行處理,創(chuàng)建出曲線和曲面,進(jìn)行設(shè)計,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(見圖4)。實體文件生成后需轉(zhuǎn)變成STL文件(見圖3)以作為RP設(shè)備的輸入。轉(zhuǎn)換過程應(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處理時應(yīng)注意乘上25.4,得到實際設(shè)計尺寸。

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3.2凝固過程的數(shù)值模擬

3.2.1凝固過程的數(shù)值模擬原理
鑄造是一個液態(tài)金屬充填型腔、并在其中凝固和冷卻的過程,其中包含了許多對鑄件質(zhì)量產(chǎn)生影響的復(fù)雜現(xiàn)象。實際生產(chǎn)中往往靠經(jīng)驗評價一個工藝是否可行。對一個鑄件而言,工藝定型需通過多次試驗,反復(fù)摸索,最后根據(jù)多種試驗方案的澆鑄結(jié)果,選擇出能夠滿足設(shè)計要求的鑄造工藝方案。多次的試鑄要花費很多的人力、物力和財力。
鑄造過程雖然很復(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,鑄造過程可以抽象成求解液態(tài)金屬流動、凝固及溫度變化的問題,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。計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,使得求解物理過程的數(shù)值解成為可能。應(yīng)用計算機(jī)數(shù)值模擬,可對極其復(fù)雜的鑄造過程進(jìn)行定量的描述。
通過數(shù)學(xué)物理方法抽象,鑄造過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)模型簡單,推導(dǎo)簡單易于理解,占用內(nèi)存較少。但計算精度一般,當(dāng)鑄件具有復(fù)雜邊界形狀時,誤差較大,應(yīng)力分析時需將差分網(wǎng)格轉(zhuǎn)換成有限元網(wǎng)格進(jìn)行計算。有限元法技術(shù)根據(jù)變分原理對單元進(jìn)行計算,然后進(jìn)行單元總體合成,模擬精度高,可解決形狀復(fù)雜的鑄件問題。無論采用什么數(shù)值方法,鑄造過程的數(shù)值模擬軟件應(yīng)包括三個部分:前處理、中間計算和后處理。前處理主要為中間計算提供鑄件、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。中間計算主要根據(jù)鑄造過程設(shè)計的物理場,為數(shù)值計算提供計算模型,并根據(jù)鑄件質(zhì)量或缺陷與物理場的關(guān)系預(yù)測鑄件質(zhì)量。后處理是指把計算所得結(jié)果直觀地以圖形方式表達(dá)出來。圖5是鑄造過程的數(shù)值模擬系統(tǒng)組成。
鑄造過程流場、溫度場計算的主要目的時就是對鑄件中可能產(chǎn)生的縮孔縮松進(jìn)行預(yù)測,優(yōu)化工藝設(shè)計,控制鑄件內(nèi)部質(zhì)量。
通過在計算機(jī)上進(jìn)行鑄造過程的模擬,可以得到各個階段鑄件溫度場、流場、應(yīng)力場的分布,預(yù)測缺陷的產(chǎn)生和位置。對多種工藝方案實施對比,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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