利用计算机模拟技术解决铸件质量问题

吴振国

摘要：[目的]运用计算机模拟技术，通过对铸件工艺技术参数的分析计算与动态模拟演示，预测出铸件在生产中可能出现的问题与缺陷。针对具体问题与缺陷，对设计工艺参数进行优化与调整，从而及时有效的控制了铸件质量，避免和减少铸件缺陷。[过程和方法]首先用Expert软件对UG系统输出的实体数值进行几何剖析与网格划分，再将待铸工件的浇冒系统，化学成份，浇注温度，造型材料，铸型条件等相关工艺参数进行输入、计算，模拟出铸件的动态充型过程、动态凝固过程和温度场显示，最后对计算与演示结果进行评估。结合理论分析、优化和调整铸件的工艺设计参数、模具结构，最终使铸件在计算机模拟过程中达到完美无缺陷，再付诸实施。[结果]极大的减少生产资源的浪费和缩短了生产周期，无需投入就可创造更多的经济效益。[结论]通过实践证明：运用计算机模拟技术，可以有效地预测铸件缺陷、优化铸造工艺，使铸件的生产过程更加趋于科学化、合理化，这一新技术切实可行，可以大力推广使用。

关键词：

铸件缺陷；计算机模拟；Expert软件；UG系统；预测；优化

中图分类号：

TB

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2014）04-0184-03

1 前言

随着现代高科技的迅猛发展，企业科技更新已成为不可逆转的发展趋势，计算机模拟技术是一项先进技术，涉及数学、流体力学、材料科学、计算机科学、计算机图形学……，需要综合多学科知识；其理论性很强、应用性很广，它随着指导理论的发展而发展，必将在装备制造领域中发挥出重要的作用。

2 Expert模拟分析系统

铸造，是一门理论性和工艺性都极强的学科，而且其生产过程很封闭，人们经常称之为“黑箱子”工程，因此在生产中对铸件质量的控制是十分困难的。在过去，铸件的浇冒口工艺设计与工艺参数的制定，必须要有足够经验的技术人员方能完成。尽管看上去设计很合理，但在实践过程中还是会出现预想不到的缺陷，而且出现缺陷时往往找不到关键原因之所在，须经过多次反复实践与调整才能最终形成合理的铸造工艺方案。

工厂生产的铸件是千差万别的，几何尺寸变化万千，每个铸件都这样反复多次试验，势必造成巨大浪费。例如补缩冒口计算大了，虽然可以避免缩松缺陷所造成的废品，但工艺出品率会大大下降，造成了原材料的过大损耗；冒口计算小了补缩不够，则造成整个铸件出现缩孔缩松缺陷，严重的导致报废，只好再次生产时，加以改进。即使冒口大小设计合理了，如果冒口在铸件上的摆放位置不当，没有足够的补缩通道，同样还会导致补缩不足，造成铸件缺陷……，这样不仅浪费原材料而且实现起来时间比较长，既影响交货期，又增加成本，因而造成不必要的损失。

怎样才能解决这种被动的局面呢？经过反复琢磨思考，参阅了诸多现代铸造杂志与文献，决定采用计算机模拟技术，即计算机模拟动态充型、动态凝固过程新工艺。经过实践证明，运用这项新技术，可完全避免上述的问题。

Expert分析系统，即首先使用UG做出铸件的三维实体模型，输出stl文件，然后用Expert软件接收stl文件，对铸件模型进行“前处理”即网格划分，计算机将铸件分成无限多个立方格，立方格越小计算越精确（但格太小则计算速度过慢，要视计算机配置合理选择）。然后对铸件模型进行充型解算：计算机按给定充型速度自动将每个网格充入钢液，直到每个小格都充满为止，计算结果保存为mih文件。之后在解算器中输入铸件材质、造型材料、浇注温度、铸型温度、热阻等相关技术参数进行凝固解算，保存为in文件。计算结果生成图形为流动、温度、液相分布构造二维、三维图、色标图，速度、温度梯形构成矢量分布图，可以任选的多个部位构造多点温度曲线图。之后，便可以在后处理中进行铸件动态充型与动态凝固模拟。在动态充型模拟过程中，可以直观的看到钢液由浇口充入铸型直至浇满的全过程，这样一来，对充型速度快慢、钢液在充型过程中流动是否平稳等工艺性问题可直接做出主观判断；在动态凝固模拟过程中，可直观看到铸件的凝固顺序、冒口的补缩过程，对于浇冒口以及冷铁的摆放位置是否合理、冒口大小是否合适可及时做出判断；在缺陷显示模块中，可将铸件模型分层切片查看内部缩孔、缩松等缺陷，判定缺陷存在的部位。

经过计算机模拟，及时有效的发现铸件存在的问题与缺陷，结合理论分析，优化和改进设计参数和模具结构，直到铸件在计算机模拟后达到没有缺陷，再投入生产。这样，再经过实际生产中的有效控制，铸件的质量得到了极大的保证，铸出来的铸件几乎完美无缺陷。

3 Expert模拟分析系统的具体应用

Expert模拟分析系统，对铸件的工艺参数制定、浇冒系统的设计具有关键的指导性意义。它结合计算机辅助计算，确保精确的温度场数值模拟，辅助浇注系统优化设计温度计算，进行动态充型、凝固模拟，从而科学有效地对小到公斤级、大到百吨级铸件进行缺陷预测（如缩孔、缩松等），优化铸造工艺。几年来我公司采用这一新技术对几十种产品进行模拟分析、优化工艺，减少浪费，提高经济效益达1500多万元，特别是在新产品开发、研制以及生产大型铸件的环节上，更是起到了至关重要的作用。下面就以图例说明：

4 结论

通过实践证明：运用计算机模拟技术，可以有效地预测铸件缺陷、优化铸造工艺，使铸件的生产过程更加趋于科学化、合理化，从而降低了原材料消耗、避免了铸造废品，提高生产效率、减少了经验依赖、增强了企业的竞争优势，可行并应大力推广使用。

参考文献

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