CADCAE在鑄造工藝上的應用

PAGEPAGE1CAD/CAE在鑄造工藝上的應用李玉慶1劉桂蓮2剛守芬1（1.濱州市高級技工學校；2.濱州市技術學院山東省濱州市256600）摘要：本文對鑄造生產(chǎn)中的工藝設計過程進行了介紹，用UG作為開發(fā)工具，實現(xiàn)基于CAE的球鐵曲軸鑄造工藝系統(tǒng)的CAD研究。利用CAD/CAE仿真技術的優(yōu)勢，探索出了較為理想的工藝，改進了原來的工藝，實現(xiàn)了消除鑄造缺陷，提高產(chǎn)品質(zhì)量的目標。利用CAD/CAE仿真技術的優(yōu)勢，在不耗費實際生產(chǎn)所需的人力、物力、財力和時間的前提下，建立了一種科學、高效、低成本的產(chǎn)品開發(fā)過程和方法。關鍵詞：鑄造工藝CAECAD隨著現(xiàn)代化技術的發(fā)展，尤其是計算機技術的日趨成熟，鑄造CAD（計算機輔助設計）和CAE技術(鑄件充型和凝固過程計算機仿真模擬分析)的普及深入，傳統(tǒng)的鑄造業(yè)正在從憑借經(jīng)驗生產(chǎn)轉(zhuǎn)為在理論指導下的科學生產(chǎn)。應用CAD/CAE技術有助于鑄造工程技術人員在制定工藝方案過程中對鑄造有直觀、準確的了解。對可能出現(xiàn)的各種鑄造缺陷提出預報，對不同的工藝方案進行比較，在實際生產(chǎn)前采取有效的工藝措施避免缺陷產(chǎn)生，從而解決和改善了鑄件的鑄造缺陷問題。1．傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)工藝流程傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)工藝流程如圖1。產(chǎn)品工藝分析、確定分型面、砂芯結構，進行型板、芯盒及澆注系統(tǒng)布置產(chǎn)品工藝分析、確定分型面、砂芯結構，進行型板、芯盒及澆注系統(tǒng)布置工藝試制試制品質(zhì)量分析確定產(chǎn)品是否符合技術要求生產(chǎn)生產(chǎn)工藝改進是否圖1傳統(tǒng)鑄造工藝流程圖從傳統(tǒng)的流程圖中可以看出，傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)屬于一種先試制的判別方法，需進行工藝改進，然后重新進行工藝試驗，這樣循環(huán)往復而得到最終成熟合理的工藝，對質(zhì)量改進的過程也是如此。其高消耗、高成本、低效率、低出品率的特點，對處在激烈市場競爭中的企業(yè)是極為不利。CAD/CAE技術是解決這些問題的有效手段，如果能夠?qū)AD/CAE這些先進的技術應用于產(chǎn)品開發(fā)和質(zhì)量改進中，及時發(fā)現(xiàn)工藝的不足之處，這樣可以提高產(chǎn)品開發(fā)的過程質(zhì)量和最終的產(chǎn)品質(zhì)量。2.利用CAD/CAE技術，對傳統(tǒng)的鑄件鑄造工藝進行改進和優(yōu)化。針對鑄造業(yè)的現(xiàn)況，本文將利用CAD/CAE技術，對傳統(tǒng)的鑄件鑄造工藝進行改進和優(yōu)化。2.1建模軟件的選用Unigraphics（簡稱UG）是集CAD/CAE/CAM一體的三維參數(shù)化軟件，是當今世界最先進的計算機輔助設計、分析和制造軟件，廣泛應用于航空、航天、汽車、造船、通用機械和電子等工業(yè)領域。鑄件實體建模采用UG軟件或solidedge軟件，其中solidedge軟件為UG公司的一種功能相對簡單的軟件系統(tǒng)。正是因為UG軟件的功能強大，我們采用UG作為建模軟件，既解決了建模問題，還能直接用于數(shù)控加工。2.2鑄造模擬軟件的選用經(jīng)過幾種流行軟件的比較，我們選擇MAGMAsoft。MAGMAsoft是為鑄造專業(yè)人員實現(xiàn)改善鑄件質(zhì)量、優(yōu)化工藝參數(shù)而提供的有力工具，它運用仿真?zhèn)鳠峒傲黧w的物理行為，凝固過程中的應力及應變，微觀組織的形成，MAGMAsoft得以準確地預測鑄件缺陷，改善現(xiàn)有工藝的不足，提高鑄件質(zhì)量。2.3MAGMAsoft的實現(xiàn)過程首先將UG中所有文件都需要轉(zhuǎn)化成STL文件，而且鑄件、冒口、澆注系統(tǒng)、冷鐵都需要割離開來，每一部分都作為獨立的文件；簡單件可以直接在MAGMAsoft中生成。文件輸出時要注意坐標系的選擇，也可重新繪制坐標系，以確其Z軸朝上。以上的設置均因為MAGMAsoft中的特殊要求，來保證和MAGMASoft中坐標系吻合最終能夠成功被MAGMAsoft讀取。MAGMAsoft的結構特點如下圖:實體造型實體造型網(wǎng)格部分模擬參數(shù)的設定結果顯示后處理中間計算前處理圖2MAGMAsoft的結構特點通過前處理、中間計算、后處理，借助MAGMASOFT進行數(shù)值模擬，顯示鑄件的填充過程、凝固過程的溫度場、應力場、流場情況，查看熱節(jié)或縮孔、縮松、夾渣等缺陷的生成、分布情況；最后判斷工藝是否合理，是則進行定案生產(chǎn)，否則進行工藝優(yōu)化。2.4采用CAD/CAE技術的總體結構要完成鑄造工藝的計算機輔助設計、輔助分析，首先，第一步是利用UG軟件進行鑄造工藝的計算機CAD三維造型。然后，按照如下步驟進行計算機輔助分析。其主要流程如圖3所示:否否鑄造工藝CAD三維造型文件格式轉(zhuǎn)換鑄造工藝CAE熱物性參數(shù)網(wǎng)格部分充型過程模擬縮孔縮松預測彩色圖條顯示工藝是否合理是輸出鑄造工藝圖3采用CAD技術的工藝流程圖(l)完成鑄件的CAD三維造型，并將文件轉(zhuǎn)換為STL文件格式；(2)再將文件傳給MAGMAsoft鑄造工藝分析軟件系統(tǒng)，前處理部分的有限差分網(wǎng)格部分程序進行網(wǎng)格剖分；(3)模擬計算分析:對鑄件的充型過程的流場、凝固過程的溫度場、流動與傳熱耦合進行計算；(4)后處理階段:MAGMASoft系統(tǒng)經(jīng)過前兩大模塊處理后，得到了鑄件凝固過程溫度場等物理過程詳盡、完整的大量數(shù)據(jù)。后處理模塊的功能就是將這些基于時空四維空間場的物理數(shù)據(jù)構織成可視的三維圖形，以直觀的視覺效果揭示鑄件充型、凝固過程的真實面貌，并進一步合成動畫，實現(xiàn)充型凝固過程任意位置、任意角度的旋轉(zhuǎn)、剖視功能，查看鑄件缺陷的生成及分布情況；(5)如發(fā)現(xiàn)工藝不合理，可返回CAD三維造型部分，修改工藝，再次進行鑄造工藝過程的數(shù)值模擬分析。3.小結傳統(tǒng)工藝設計方法，工藝修改頻繁，需耗費大量人力、物力，導致開發(fā)成本高，即使生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量滿足了用戶要求，但工藝是否是最合理的工藝，也無法予以驗證。而鑄造CAE的研究與開發(fā)，使鑄件充型凝固過程計算機模擬仿真在工程上的應用變?yōu)榭赡芘c現(xiàn)實。使用鑄造模擬凝固軟件對工藝進行仿真模擬再和實際的試驗結果相結合，來完成產(chǎn)品的開發(fā)和質(zhì)量改進。采用CAD/CAE技術的鑄造工藝設計流程后，可以實現(xiàn)虛擬鑄造，可以大大縮短產(chǎn)品的試制周期，提高出品率，降低成本，節(jié)約開支。作者簡介：李玉慶（1966-），女，山東諸城人，高級