CAD在鑄造工藝中的應(yīng)用及發(fā)展(二）

2.2鑄造工藝CAD的應(yīng)用

　　80年代以來，數(shù)值模擬技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。一方面由于研究過程中不斷建立新的數(shù)學(xué)模型和各種判據(jù)，使模擬計(jì)算結(jié)果不斷近似于實(shí)測結(jié)果，另一方面，由于凝固基礎(chǔ)理論研究所取得的新成果，使宏觀模擬計(jì)算與微觀的結(jié)晶過程有機(jī)結(jié)合成為可能，并也取得了突破性的成果。就鑄造工藝CAD的應(yīng)用而言，主要有以下幾方面。

　　(1)鑄件凝固過程的數(shù)值模擬

　　鑄件凝固過程的數(shù)值模擬是通過計(jì)算溫度場的溫度梯度、固相率凝固時(shí)間等，用一系列準(zhǔn)則來預(yù)測鑄件在凝固過程中產(chǎn)生縮孔縮松的部位及大小、產(chǎn)生的時(shí)間等。通過這種預(yù)測可對所制定的鑄造工藝方案進(jìn)行修改，再通過數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證。利用凝固數(shù)值模擬的方法確定了獲得健全鑄件時(shí)內(nèi)澆口與鑄件的關(guān)系

　　1=<τf／τr＞k(0.566～0.575)

　　式中：τf——內(nèi)澆口凝固的時(shí)間；τr——補(bǔ)縮鑄件凝固的時(shí)間。

　　通過修改工藝獲得了健全的鑄件。很明顯在其他工藝條件一定的前提下，這一關(guān)系具有通用性。數(shù)值凝固模擬可使?jié)沧⑾到y(tǒng)的設(shè)計(jì)更為準(zhǔn)確，更具科學(xué)性，而且，大大縮短了設(shè)計(jì)的周期，減少了工裝模具的反復(fù)修改。所以，凝固數(shù)值模擬應(yīng)用是最廣泛和最成熟的。

　　(2)鑄件充型過程的數(shù)值模擬

　　鑄件充型過程的數(shù)值模擬是通過計(jì)算金屬液充型過程中的流體流動(dòng)得出的。充型過程的數(shù)值模擬可以分析在給定工藝條件下，金屬液在澆注系統(tǒng)中以及在型內(nèi)的流動(dòng)情況。包括：流量的分布、流速的分布以及由此而導(dǎo)致的鑄件溫度場。因此，充型模擬在澆注系統(tǒng)及冒口優(yōu)化設(shè)計(jì)中是非常重要和有價(jià)值的。

　　(3)鑄件熱應(yīng)力的數(shù)值模擬

　　鑄件熱應(yīng)力的數(shù)值模擬是通過對鑄件凝固過程中熱應(yīng)力場的計(jì)算、冷卻過程中殘余熱應(yīng)力的計(jì)算來預(yù)測熱裂紋敏感區(qū)和熱裂紋的。鑄件應(yīng)力的形成不僅影響鑄件最終的質(zhì)量和使用效果(裂紋變形等)，而且影響工藝設(shè)計(jì)的質(zhì)量(收縮量的準(zhǔn)確給定等)。如果能模擬出鑄件在給定工藝下的應(yīng)力分布，就可修改工藝把鑄件產(chǎn)生應(yīng)力的可能降低到最低限度，從而保證鑄件的質(zhì)量。但由于鑄件的結(jié)構(gòu)、鑄型材料對鑄件凝固過程的影響是非常復(fù)雜的，這種模擬計(jì)算本身也很復(fù)雜，所以，應(yīng)力的模擬仍有很長的路要走。

　　(4)鑄件微觀組織數(shù)值模擬

　　鑄件微觀組織數(shù)值模擬是計(jì)算鑄件凝固過程中的成核、生長等，以及凝固后鑄件的微觀組織和可能具備的性能。在微觀組織模擬中，用宏觀傳熱、傳質(zhì)與微觀形核、生長相統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，來描述微觀組織形成的動(dòng)態(tài)過程。包括：自發(fā)或非自發(fā)成核、晶粒長大、枝晶生長、二相質(zhì)點(diǎn)的分布等。微觀組織模擬為相關(guān)的工藝提供了依據(jù)，保證了鑄件的質(zhì)量，也是從事金屬研究的有力手段。

　　鑄造工藝CAD的發(fā)展和應(yīng)用對鑄造生產(chǎn)具有重大的意義和價(jià)值。但必須清楚地認(rèn)識到鑄造工藝CAD不是目的，而是手段。應(yīng)用和加速發(fā)展鑄造工藝CAD是為了鑄造工藝的最優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和科學(xué)性、縮短設(shè)計(jì)的周期、保證鑄件質(zhì)量和提高經(jīng)濟(jì)效益。所以，從應(yīng)用的角度上講，各種數(shù)值模擬最終要服務(wù)于鑄造工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)。