模擬精密鑄造的關(guān)鍵問題

1、模擬精密鑄造的關(guān)鍵問題通過更好的了解工藝過程，更早的掌握冶金性能，來縮短交貨時(shí)間，是精密鑄造技術(shù)的一個(gè)主要問題。而數(shù)值模擬是達(dá)到該目標(biāo)的一個(gè)重要工具。這一期的 e-tip 將圖示數(shù)值模擬方法對(duì)于快速高效優(yōu)化鑄件設(shè)計(jì)的重要作用。精密鑄造建模方法在工藝開發(fā)早期，鑄件的最終設(shè)計(jì)形狀還未完全確 定。使用包含這些參數(shù)的數(shù)值建模方法優(yōu)化工藝。標(biāo)準(zhǔn)的精鑄工藝模型化方法如圖 1 所示。圖中描述了該方法的每一步，了將會(huì)產(chǎn)生的工業(yè)利益。第一步：熱模型分析這時(shí)大多零件的最終設(shè)計(jì)還未完全確定，而客戶又希望鑄造廠幫助他們驗(yàn)證并優(yōu)化零件設(shè)計(jì)。首先零件設(shè)計(jì)的鑄造可行性，如果不能鑄出，找出需要修改的幾何結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步確定怎樣

2、優(yōu)化設(shè)計(jì)才能滿足客戶要求和鑄造生產(chǎn)工藝。這就是并行工程，首先可以利用熱模型來完成。對(duì)于這種模型只考慮鑄件的設(shè)計(jì)和它周圍的陶瓷殼，如圖 2 所示。這種模型設(shè)置簡單，計(jì)算速度快，頂多幾個(gè)小時(shí)。因此，就可以同時(shí)計(jì)算多個(gè)不同的設(shè)計(jì)方案，然后分析確定能夠滿足客戶需求和精密鑄造工藝的最優(yōu)設(shè)計(jì)。ProCAST 模擬結(jié)果（宏觀縮孔）客戶提供的零件幾何體陶瓷殼圖 2：熱模型設(shè)置第二步：澆注系統(tǒng)分析這一步主要最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案和幾個(gè)不同澆注系統(tǒng)的充型、凝固模型。首先要設(shè)計(jì)一種高效的澆注系統(tǒng)，其滿足以下條件：良好的充型過程（頂注、底注）良好的凝固方式，這些將通過不同的形殼工藝在第三步中進(jìn)一步改進(jìn)。圖 1：精密鑄造模型

3、化方法反復(fù)計(jì)算澆注系統(tǒng)反復(fù)計(jì)算型殼模型反復(fù)計(jì)算各種參數(shù)熱模型（無澆注系統(tǒng)）澆注系統(tǒng)模型（充型，凝固）澆注系統(tǒng)和型殼模型（充型，凝固）強(qiáng)度分析（充型，凝固，應(yīng)力）結(jié)果（高級(jí)計(jì)算結(jié)果）3） 可接受的經(jīng)濟(jì)性方案。如圖 3 所示，在第一步中的幾何體基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩種澆注系統(tǒng)。同時(shí)建立模型，設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算。然后，對(duì)兩種方案的充型和凝固方式進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：方案 1 在輻條和澆道相連處有 4 個(gè)非常大的熱節(jié)。方案 2 在鑄件和內(nèi)澆口的界面上有兩個(gè)熱節(jié)。由于水平較低，這樣的設(shè)置能夠很容易的從鑄件上移出與之有關(guān)的縮孔。從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，這種設(shè)計(jì)也減少了 10%的合金使用。如果充型的影響不大，很明顯應(yīng)該

4、選擇 2 號(hào)設(shè)計(jì)方案來進(jìn)行第三步。第三步：澆口和型殼模型分析對(duì)多個(gè)型殼模型進(jìn)行計(jì)算，如圖 4 所示，確定凝固最好的零件。通過觀察凝固特征，可以看出 2 號(hào)方案更好一些。在方案 1 中，每個(gè)輻條都存在孤立的熱節(jié)區(qū)（宏觀縮孔證實(shí)了這點(diǎn)），而第二種方案就不存在這樣的區(qū)域。在這一階段，就可以認(rèn)為已經(jīng)得到了可用于一般生產(chǎn)的工藝（從充型、凝固角度考慮）。接下來，就可以加工模具了（幾個(gè)或幾個(gè)月），同時(shí)可以繼續(xù)做更多的（第四步）。生殼方案 2宏觀縮松圖 4：不同型殼方案的結(jié)果分析生殼方案 1宏觀縮松澆注系統(tǒng) 2凝固率分析圖 3：不同澆注系統(tǒng)的熱節(jié)位置澆注系統(tǒng) 1凝固率分析第四步：強(qiáng)度分析這一步的目 的是對(duì)參數(shù)影響進(jìn)行精確，得到工完成時(shí)間幾何參數(shù)：澆注系統(tǒng)，陶瓷型芯，殼厚度型殼方案藝強(qiáng)度。知道，調(diào)整幾何參數(shù)需要很長的時(shí)間（圖 5所示）。而物性參數(shù)更容易更改，所以可以對(duì)工藝參數(shù)作大量的測(cè)試。物性參數(shù)：合金，材料時(shí)間（移動(dòng)，鑄件，）溫度澆注速度，充型方向，第五步： 結(jié)果分析根據(jù)客戶的 要求和工藝使用，還可以做特殊。例如，如果晶粒大小和取向是關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)的話，可以對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，如圖 6 所示。結(jié)論精密鑄造廠要求更短的研發(fā)時(shí)間，更低的成本（回爐成本、重新建模成本）。數(shù)值模擬是達(dá)到這些目標(biāo)的一個(gè)高效工具，它可以在概念設(shè)計(jì)初期就進(jìn)行使用 （和客戶建立并行工 程）。對(duì)精密鑄造過程一步一步地建模（熱模型，充型，