用計算機等高新技術來改造制造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)是國內(nèi)外科學技術發(fā)展的共同趨勢，是鑄造鍛造領域的學科前沿，也是鑄造鍛造工藝由“經(jīng)驗設計”走向“科學指導”的重要途徑，具有重大的實際意義。數(shù)值模擬技術的飛速發(fā)展及其在鑄造鍛造生產(chǎn)中的廣泛應用，可以通過對制造工藝過程進行數(shù)值模擬及仿真，使得上述目標得以實現(xiàn)。
敘述了柴油機關鍵鑄鍛件產(chǎn)品模字模型創(chuàng)建的意義及產(chǎn)品技術信息庫的創(chuàng)建思路和方法，運用數(shù)值模擬技術進行工藝優(yōu)化，預測鑄造和鍛造成形過程缺陷，實現(xiàn)鑄鍛件工藝設計-校核-再設計-優(yōu)化設計的全過程調(diào)整。為優(yōu)化大型復雜鑄鍛件工藝技術及CAE研究提供技術支撐。
一、前言
鑄造是國民經(jīng)濟的重要產(chǎn)業(yè)部門之一，它反映了一個國家制造工業(yè)的規(guī)模和水平。隨著航空、航天、船舶、汽車、機械等各行業(yè)的蓬勃發(fā)展，技術裝備中大型復雜鑄件的需求量越來越大，對鑄造金屬的性能及鑄件本身的可靠性等要求越來越高。先進制造技術的發(fā)展，要求鑄件的生產(chǎn)向輕型化、精確化、強韌化、復合化及無環(huán)境污染方向發(fā)展。
鍛造成形是一個復雜的過程，坯料的變形程度、模具承受的壓應力及最大損傷值，工序的載荷峰值、潤滑等都是工藝評估與優(yōu)化過程不可忽略的因素。如果采用傳統(tǒng)的數(shù)學近似公式來計算各個影響因素, 不僅工作量大, 而且精度低，很難保證工藝方案的最佳合理性。隨著有限元理論的不斷完善以及計算效率的日益提高, 使得數(shù)值模擬技術在鑄造鍛造工藝設計中得到廣泛的應用, 并已成為評估工藝成形性的重要手段。
數(shù)值模擬技術的飛速發(fā)展及其在鑄造鍛造生產(chǎn)中的廣泛應用，可以通過對制造工藝過程進行數(shù)值模擬及仿真，使得上述目標得以實現(xiàn)。這項工作以數(shù)值計算為基本方法，對鑄造過程中流場、溫度場、應力場及微觀組織形貌進行模擬，從而幫助工藝設計人員對不同時刻的金屬流態(tài)、凝固過程溫度分布、應力分布、結晶晶粒尺寸形貌等重要物理參數(shù)有所了解，并以此為依據(jù)，預測是否有縮孔、疏松、夾雜、偏析及熱裂紋等缺陷出現(xiàn)；數(shù)值模擬方法能夠比較精確地模擬金屬塑性變形的整個流動過程, 而且能夠精確地給出載荷--行程曲線和應力場、應變場、溫度場等場量的定量值, 還能預測填充不滿等缺陷。可以實現(xiàn)鑄造鍛造工藝設計--校核--再設計--優(yōu)化設計的全過程，以提高鑄件質量，縮短試制周期，降低生產(chǎn)成本，提高市場競爭能力。同時，用計算機等高新技術來改造制造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)是國內(nèi)外科學技術發(fā)展的共同趨勢，是鑄造鍛造領域的學科前沿，也是鑄造鍛造工藝由"經(jīng)驗設計"走向"科學指導"的重要途徑，具有重大的實際意義。
二、數(shù)字模型的生產(chǎn)實際應用
2.1 鑄鍛件產(chǎn)品技術信息的收集、處理和數(shù)字化
創(chuàng)建柴油機機體（見圖1）的模型[1]與產(chǎn)品技術信息庫，首先對此產(chǎn)品的技術信息進行全面收集、處理并使技術信息數(shù)字化，如產(chǎn)品各部分的設計基準、參照基準在哪里，這是以后加工基準和裝配基準的基礎；之后分析各部分結構的幾何形狀特征、相互依賴關系，這些是構成設計產(chǎn)品的基本要素，其占據(jù)空間的尺寸形狀、位置至關重要；還有產(chǎn)品設計的材料設定、單位設置等相關設計意圖的獲取建立。
圖1 某機體鑄件的建模
2.2 工藝設計
在正確領會設計圖紙意圖后建立產(chǎn)品模型[2]，建立工藝信息庫，設計出鑄件的澆注系統(tǒng)、冒口、冒口套、內(nèi)外冷鐵等，并進行工藝系統(tǒng)建模（見圖2）。
圖2 某機體工藝系統(tǒng)建模
連桿是柴油機的主要運動件，承受著強烈的交變載荷，隨著強化程度的提高，大功率中高速機連桿均采用了合金鋼的模鍛毛坯。
在建模中考慮鑄鍛件的加工余量與拔模斜度等工藝參數(shù)。在所有這些工藝設計建模完成后，即可進行模型的網(wǎng)格剖分，為大型復雜鑄鍛件的熱流動分析前處理提供原始依據(jù)。
2.3 三維建模、數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化
在計算機上建立大型復雜鑄鍛件（機體、缸頭、連桿等）三維模型及其模具等工藝三維模型后，根據(jù)柴油機鑄鍛件的生產(chǎn)條件，應用ProCast、Deform 模擬軟件對鑄鍛件的充型和凝固過程進行數(shù)值模擬并反復優(yōu)化工藝，建立最優(yōu)鑄鍛件成形的技術信息庫系統(tǒng)（見圖3）。
圖3 產(chǎn)品模型技術信息庫系統(tǒng)圖
2.4 鑄造模具生產(chǎn)和機械加工
根據(jù)模型的特征信息生產(chǎn)出鑄造用的模具或砂芯，也可以利用激光快速成形技術得到鑄件產(chǎn)品本身［3］，例如某柴油機缸頭的激光快速成形；在產(chǎn)品精加工過程中，可根據(jù)這些工程數(shù)據(jù)信息快速生成NC加工程序，完成產(chǎn)品的最終加工；最后，可以根據(jù)以上這些工程技術信息進行產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理（PDM），進行在線檢測、質量評估及裝配調(diào)試等生產(chǎn)活動一體化管理。
2.5 生產(chǎn)過程跟蹤與完善
利用建立起的產(chǎn)品全相關的技術信息庫，從設計、工藝到加工制造及性能比較分析的各個過程進行現(xiàn)場的跟蹤、再現(xiàn)，及時發(fā)現(xiàn)問題及時糾正，不斷改進完善。如此可以提前預測以上生產(chǎn)的全過程，減少不必要的浪費，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)鏈條，使生產(chǎn)過程更自動化、人性化。
創(chuàng)建大型復雜鑄鍛件三維參數(shù)化零件模型，不僅僅是為了造型，正確的模型應當是以后的原始技術信息庫，可以應用于成形工藝分析、結構優(yōu)化分析、加工制造、測量分析、生產(chǎn)管理中的全過程，使得設計的修改和調(diào)整、CAE分析、參加裝配、力學分析、運動分析、數(shù)控加工等變得容易實現(xiàn)，因為基于一個技術信息數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)和參數(shù)驅動成為可能?？梢哉f，建模的近期目標是為了修改。這就要求所創(chuàng)建出的產(chǎn)品模型結構完整，尺寸和幾何約束齊全、正確，以便在產(chǎn)品設計、加工和分析過程［4］中，可以對不合理的結構隨時作相應的調(diào)整而保證前后一致。
三、鑄造數(shù)值模擬的生產(chǎn)實際應用
近年來，鑄造CAE商品化軟件功能逐漸增加，其中主要有美國的ProCAST、德國的MAGMASOFT、芬蘭的CastCAE、法國的Simulor、西班牙的Forcast及日本的Soldia、Castem等軟件。ProCAST軟件是由ESI公司開發(fā)的基于有限元法（FEM）的鑄造過程模擬軟件［5］，能夠進行流場、溫度場、應力場三場耦合模擬。ProCAST采用基于有限元法（FEM）的數(shù)值計算方法，與有限差分法（FDM）相比，有限元法具有較大的靈活性，特別適用于模擬復雜鑄件成型過程中的各種物理現(xiàn)象。通過分析可以獲得鑄造過程的各種現(xiàn)象、鑄造缺陷形成及分布、鑄件最終質量的模擬和預測。圖4展示了鑄件工藝優(yōu)化的整個流程。圖5為ProCAST軟件進行模擬分析的步驟。
圖8 鑄件工藝優(yōu)化流程圖
圖9 ProCAST分析流程
在設計過程引入CAE來指導設計決策，通過對大型復雜鑄件制造工藝過程進行數(shù)值模擬及仿真，對鑄造過程中流場、溫度場、應力場及微觀組織形貌進行模擬，從而幫助工藝設計人員對不同時刻的金屬流態(tài)、凝固過程溫度分布、應力分布、結晶晶粒尺寸形貌等重要物理參數(shù)有所了解，并以此為依據(jù)，預測是否有縮孔、疏松、夾雜、偏析及熱裂紋等缺陷出現(xiàn)，可以實現(xiàn)鑄造工藝設計--校核--再設計--優(yōu)化設計的全過程，最終提高鑄件質量［6］，縮短試制周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品竟爭力。
（轉載）
