用計算機(jī)等高新技術(shù)來改造制造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)是國內(nèi)外科學(xué)技術(shù)發(fā)展的共同趨勢，是鑄造鍛造領(lǐng)域的學(xué)科前沿，也是鑄造鍛造工藝由“經(jīng)驗(yàn)設(shè)計”走向“科學(xué)指導(dǎo)”的重要途徑，具有重大的實(shí)際意義。數(shù)值模擬技術(shù)的飛速發(fā)展及其在鑄造鍛造生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，可以通過對制造工藝過程進(jìn)行數(shù)值模擬及仿真，使得上述目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

敘述了柴油機(jī)關(guān)鍵鑄鍛件產(chǎn)品模字模型創(chuàng)建的意義及產(chǎn)品技術(shù)信息庫的創(chuàng)建思路和方法，運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行工藝優(yōu)化，預(yù)測鑄造和鍛造成形過程缺陷，實(shí)現(xiàn)鑄鍛件工藝設(shè)計-校核-再設(shè)計-優(yōu)化設(shè)計的全過程調(diào)整。為優(yōu)化大型復(fù)雜鑄鍛件工藝技術(shù)及CAE研究提供技術(shù)支撐。

一、前言

鑄造是國民經(jīng)濟(jì)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(jī)械等各行業(yè)的蓬勃發(fā)展，技術(shù)裝備中大型復(fù)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(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，要求鑄件的生產(chǎn)向輕型化、精確化、強(qiáng)韌化、復(fù)合化及無環(huán)境污染方向發(fā)展。

鍛造成形是一個復(fù)雜的過程，坯料的變形程度、模具承受的壓應(yīng)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(xué)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(shù)在鑄造鍛造工藝設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用, 并已成為評估工藝成形性的重要手段。

數(shù)值模擬技術(shù)的飛速發(fā)展及其在鑄造鍛造生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，可以通過對制造工藝過程進(jìn)行數(shù)值模擬及仿真，使得上述目標(biāo)得以實(shí)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(yīng)力場及微觀組織形貌進(jìn)行模擬，從而幫助工藝設(shè)計人員對不同時刻的金屬流態(tài)、凝固過程溫度分布、應(yīng)力分布、結(jié)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(yù)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(yīng)力場、應(yīng)變場、溫度場等場量的定量值, 還能預(yù)測填充不滿等缺陷?？梢詫?shí)現(xiàn)鑄造鍛造工藝設(shè)計--校核--再設(shè)計--優(yōu)化設(shè)計的全過程，以提高鑄件質(zhì)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(jī)等高新技術(shù)來改造制造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)是國內(nèi)外科學(xué)技術(shù)發(fā)展的共同趨勢，是鑄造鍛造領(lǐng)域的學(xué)科前沿，也是鑄造鍛造工藝由"經(jīng)驗(yàn)設(shè)計"走向"科學(xué)指導(dǎo)"的重要途徑，具有重大的實(shí)際意義。

二、數(shù)字模型的生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用

2.1 鑄鍛件產(chǎn)品技術(shù)信息的收集、處理和數(shù)字化

創(chuàng)建柴油機(jī)機(jī)體（見圖1）的模型[1]與產(chǎn)品技術(shù)信息庫，首先對此產(chǎn)品的技術(shù)信息進(jìn)行全面收集、處理并使技術(shù)信息數(shù)字化，如產(chǎn)品各部分的設(shè)計基準(zhǔn)、參照基準(zhǔn)在哪里，這是以后加工基準(zhǔn)和裝配基準(zhǔn)的基礎(chǔ)；之后分析各部分結(jié)構(gòu)的幾何形狀特征、相互依賴關(guān)系，這些是構(gòu)成設(shè)計產(chǎn)品的基本要素，其占據(jù)空間的尺寸形狀、位置至關(guān)重要；還有產(chǎn)品設(shè)計的材料設(shè)定、單位設(shè)置等相關(guān)設(shè)計意圖的獲取建立。

圖1 某機(jī)體鑄件的建模

2.2 工藝設(shè)計

在正確領(lǐng)會設(shè)計圖紙意圖后建立產(chǎn)品模型[2]，建立工藝信息庫，設(shè)計出鑄件的澆注系統(tǒng)、冒口、冒口套、內(nèi)外冷鐵等，并進(jìn)行工藝系統(tǒng)建模（見圖2）。

圖2 某機(jī)體工藝系統(tǒng)建模

連桿是柴油機(jī)的主要運(yùn)動件，承受著強(qiáng)烈的交變載荷，隨著強(qiáng)化程度的提高，大功率中高速機(jī)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(shè)計建模完成后，即可進(jìn)行模型的網(wǎng)格剖分，為大型復(fù)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(jī)上建立大型復(fù)雜鑄鍛件（機(jī)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(jī)鑄鍛件的生產(chǎn)條件，應(yīng)用ProCast、Deform 模擬軟件對鑄鍛件的充型和凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬并反復(fù)優(yōu)化工藝，建立最優(yōu)鑄鍛件成形的技術(shù)信息庫系統(tǒng)（見圖3）。

圖3 產(chǎn)品模型技術(shù)信息庫系統(tǒng)圖

2.4 鑄造模具生產(chǎn)和機(jī)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(shù)得到鑄件產(chǎn)品本身［3］，例如某柴油機(jī)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(shù)信息進(jìn)行產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理（PDM），進(jìn)行在線檢測、質(zhì)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(guān)的技術(shù)信息庫，從設(shè)計、工藝到加工制造及性能比較分析的各個過程進(jìn)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(jìn)完善。如此可以提前預(yù)測以上生產(chǎn)的全過程，減少不必要的浪費(fèi)，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(fù)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(yīng)當(dāng)是以后的原始技術(shù)信息庫，可以應(yīng)用于成形工藝分析、結(jié)構(gòu)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(shè)計的修改和調(diào)整、CAE分析、參加裝配、力學(xué)分析、運(yùn)動分析、數(shù)控加工等變得容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榛谝粋€技術(shù)信息數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)和參數(shù)驅(qū)動成為可能?？梢哉f，建模的近期目標(biāo)是為了修改。這就要求所創(chuàng)建出的產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)完整，尺寸和幾何約束齊全、正確，以便在產(chǎn)品設(shè)計、加工和分析過程［4］中，可以對不合理的結(jié)構(gòu)隨時作相應(yīng)的調(diào)整而保證前后一致。

三、鑄造數(shù)值模擬的生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)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(jìn)行流場、溫度場、應(yīng)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(fù)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(zhì)量的模擬和預(yù)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(jìn)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(shè)計過程引入CAE來指導(dǎo)設(shè)計決策，通過對大型復(fù)雜鑄件制造工藝過程進(jìn)行數(shù)值模擬及仿真，對鑄造過程中流場、溫度場、應(yīng)力場及微觀組織形貌進(jìn)行模擬，從而幫助工藝設(shè)計人員對不同時刻的金屬流態(tài)、凝固過程溫度分布、應(yīng)力分布、結(jié)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(yù)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(shí)現(xiàn)鑄造工藝設(shè)計--校核--再設(shè)計--優(yōu)化設(shè)計的全過程，最終提高鑄件質(zhì)量［6］，縮短試制周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品竟?fàn)幜Α?/SPAN>

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