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3 CAE的生产实际应用
正近年来,铸造CAE商品化软件功能逐渐增加,其中主要有美国的ProCAST、德国的MAGMASOFT、芬兰的CastCAE、法国的Simulor、西班牙的Forcast及日本的Soldia、Castem等软件。从功能上看,许多软件大都基于有限差分法,可以对砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、压力铸造等多种工艺进行温度场、流场的数值模拟,并可以预测铸件的缩孔、缩松等缺陷,但对应力场的模拟及裂纹的预测显得力不从心。
ProCAST软件是由ESI公司开发的基于有限元法(FEM)的铸造过程模拟软件[5],能够进行流场、温度场、应力场三场耦合模拟。ProCAST采用基于有限元法(FEM)的数值计算方法,与有限差分法(FDM)相比,有限元法具有较大的灵活性,特别适用于模拟复杂铸件成型过程中的各种物理现象。ProCAST提供了能够考虑气体、过滤、高压、旋转等对铸件充型的影响,能够模拟出低压铸造、压力铸造、离心铸造等几乎所有铸造工艺的充型过程;在应力分析方面,通过采用弹塑性和粘塑性及独有的处理铸件/铸型热和机械接触界面的方法,使其具有分析铸件应力、变形的能力。通过分析可以获得铸造过程的各种现象、铸造缺陷形成及分布、铸件最终质量的模拟和预测。图12展示了铸件工艺优化的整个流程。图13为ProCAST软件进行模拟分析的步骤。
图12 铸件工艺优化流程图
图13 ProCAST分析流程
在设计过程引入CAE来指导设计决策,通过对大型复杂铸件制造工艺过程进行数值模拟及仿真,对铸造过程(见图14)中流场、温度场、应力场及微观组织形貌进行模拟,从而帮助工艺设计人员对不同时刻的金属流态、凝固过程温度分布、应力分布、结晶晶粒尺寸形貌等重要物理参数有所了解,并以此为依据,预测是否有缩孔、疏松、夹杂、偏析及热裂纹等缺陷出现,可以实现铸造工艺设计——校核——再设计——优化设计的全过程,最终提高铸件质量,缩短试制周期,降低生产成本,提高产品竟争力。
3.1 铸件充型模拟
铸造充型过程对铸件的最终质量起着决定性的作用,许多铸造缺陷,如浇不足、冷隔、卷气、氧化夹渣乃至缩松、缩孔等都与铸造的充型过程密切相关,利用ProCAST软件能够较为准确的表达充型过程和缺陷生成过程,这对于优化充型系统设计,避免充型不合理引起的铸造缺陷具有重要的意义。
为了检验ProCAST软件在流场预测方面的准确性,我们选用了英国伯明翰的J.Campbell进行的纯铝充型的基准试验,来验证软件的准确性。
试验结果的X-射线充型结果如左图,下图为ProCAST软件的模拟情况,从图中可以看出,ProCAST软件能够准确模拟整个铸件的充型过程,很好的预测出了浇注系统的卷气缺陷。
图15 实际浇注与ProCAST软件模拟结果对比
在叶轮铸件的铸造工艺设计中,我们应用ProCAST软件很好的预测了叶轮铸件浇注系统的不合理设计,并提出了工艺改进,使该铸件一次浇注成功。