CAD/CAE/CAM 在铸造成型中的应用 材控一班 神祥龙

主要内容 铸造工艺概述 铸造CAD／CAE／CAM 应用举例—Pro-CAST

1.铸造工艺概述 1）、铸造生产工艺： 将金属熔炼成具有一定化学成分、一定温度的液态金属，在重力场或外力场(压力或离心力等)的作用下，浇注到具有一定几何形状、尺寸大小的铸型型腔中，待液态金属结晶、凝固并冷却到一定温度后，从铸型型腔中取出，经过清理、切除浇冒口而获得铸件。

2）、传统铸造工艺流程图 对产品进行工艺分析，确定分型面、砂芯结构，进行型板、芯盒及浇注系统布置 工艺试制 试制品质量分析 浇注系统修改 产品是否符合技术要求 生产 浇注系统修改 是 否

特点：产品开发属于一种先试制的判别方法 需反复进行工艺改进，然后重新进行工艺试验，而得到最终成熟合理的工艺 需耗费大量人力、物力，导致开发周期过长，开发成本高 即使生产出的产品质量满足了用户要求，但工艺是否是最合理的工艺，也无法予以验证

未来世界市场需要什么样的铸造产品 ？ 精确 柔性 快捷 这也就促成了CAD/CAE/CAM在铸造领域有很大发展的原动力

2、铸造CAD／CAE／CAM 1）铸造CAD 将计算模拟、几何模拟和数据库有机结合，是 利用计算机辅助铸造工作者优化铸造工艺，预测铸件质量，确定铸造方案，估算铸造成本，显示并绘制铸造工艺图、工艺卡等技术文件。 计算机处理数据快速、准确 +工艺设计人员的经 验、思维、综合分析能力

2）铸件凝固过程CAE 在加工铸造模具和投入实际铸件生产之前，利用计算机对铸件充型凝固过程进行模拟计算，预测其缺陷所在，以便优化工艺设计。 研究内容： 铸件充型凝固过程的数值模拟及疏松、缩孔预测、应力分析、微观组织模拟等方面。

3）铸造模具CAM 利用计算机对铸造模具的制造进行设计、监督、控制和管理

3.应用举例—Pro-CAST Pro-CAST软件是由美国ESI公司开发的铸造过程的模拟软件，采用基于有限元（FEM）的数值计算和综合求解的方法，对铸件充型、凝固和冷却过程中的流场、温度场、应力场、电磁场进行模拟分析。

1.Pro-CAST适用范围 Pro-CAST适用于砂型铸造、消失模铸造; 高压、低压铸造; 重力铸造、倾斜浇铸、熔模铸造、壳型铸造、挤压铸造; 触变铸造、触变成型、流变铸造。 由于采用了标准化的、通用的用户界面，任何一种铸造过程都可以用同一软件包Pro-CAST TM进行分析和优化。它可以用来研究设计结果，例如浇注系统、通气孔和溢流孔的位置，冒口的位置和大小等。实践证明Pro-CAST TM可以准确地模拟型腔的浇注过程，精确地描述凝固过程。可以精确地计算冷却或加热通道的位置以及加热冒口的使用。

2.Pro-CAST模拟分析能力 Pro-CAST几乎可以模拟分析任何铸造生产过程中可能出现的问题,为铸造工程师提供新的途径来研究铸造过程,使他们有机会看到型腔内所发生的一切,从而产生新的设计方案。 可以分析缩孔、裂纹、裹气、冲砂、冷隔、浇不足、应力、变形、模具寿命、工艺开发及可重复性。

3.Pro-CAST分析模块 它主要由八个模块组成： 有限元网格划分MeshCAST基本模块 传热分析及前后处理Base License 流动分析Fluid flow 应力分析Stress 热辐射分析Rediation 显微组织分析Micromodel 电磁感应分析Electromagnetics 反向求解Inverse 普通用户

基本模块（传热分析模块）： 传热计算：“传输原理”与“热力学基础” 传热包括传导、对流和辐射。使用热焓方程计算液固相变过程中的潜热。 前处理功能： 用于设定各种初始和边界条件，可以准确设定所有已知的铸造工艺的边界和初始条件。铸造的物理过程就是通过这些初始条件和边界条件为计算机系统所认知的。边界条件可以是常数，或者是时间或温度的函数。 后处理功能： Pro-CAST配备了功能强大而灵活的后处理，与其它模拟软件一样，它可以显示温度、压力和速度场，但又同时可以将这些信息与应力和变形同时显示。

流体分析模块： 流体分析模块可以模拟所有包括充型在内的液体和固体流动的效应。Pro-cast通过完全的 Navier-Stocks流动方程对流体流动和传热进行耦合计算。本模块中还包括非牛顿流体的分析计算。此外，流动分析可以模拟紊流、触变行为及多孔介质流动（如过滤网），也可以模拟注塑过程。

应力分析模块： 本模块可以进行完整的热、流场和应力的耦合计算。应力分析模块用以模拟计算领域中的热应力分布，包括铸件铸型型芯和冷铁等。采用应力分析模块可以分析出残余应力、塑性变形、热裂和铸件最终形状等。 应力分析模块包括的求解模型有6种：线性应力；塑性、粘塑性模型；铸件、铸型界面的机械接触模型；铸件疲劳预测；残余应力分析；最终铸件形状预测。

网格生成模块MeshCAST： MeshCAST自动产生有限元网格。这个模块可与商业化CAD软件连接。它可以读入标准的CAD文件格式如IGES、Step、STL或者Parsolids。 同时还可以读诸如I-DEAS, Patran, Ansys, ARIES或ANVIL格式的表面或三维体网格,也可以直接和ESI的PAM SYSTEM和GEOMESH无缝连接。 Meshcast TM同时拥有独一无二的其它性能，例如初级CAD工具、高级修复工具、不一致网格的生成和壳型网格的生成等。

4.应用Pro-CAST分析的一般步骤 1.核心部分—数学模型 液态金属充型过程可视为不可压缩粘性流体的 流动过程 可由Navier-Stoks (动量方程) 连续性方程 能量方程

2.模拟准备 a.工艺造型与网格化分 以汽车制动盘为例，为对称结构，为减少运算量，取二分之一。 左图为采用I-GEAS软件对制动盘铸造方案的模样和浇注系统（包括砂型）进行的较为准确的三维实体建模结果。

用I-GEAS有限元建模工具对工艺铸件成形系统按步长5mm进行网格剖分。生成面节点28841个，面单元58000个。

b.铸造过程模拟 通过一定格式文件将有限元模型传输至Pro-CAST软件系统，该系统根据铸造现场实况，赋予相应节点单元合适的初始条件、边界条件和材料物理性能。 初始条件： 浇注温度、初始浇注速度、初始环境温度等 边界条件： 传热系数等 材料物理性能： 材料密度，固相线温度、液相线温度、结晶潜热等

3.计算结果与试验验证 铸件充型过程的流场

铸件在凝固过程中的温度场

铸件在凝固过程中的缩孔缩松倾向预报

实际生产对比结果基本可以得出结论：模拟结果与实际情况较吻合，工艺方案虽有待于进一步优化，但基本上较准确可行，达到了预期目标。 实际铸造生产验证 实际生产对比结果基本可以得出结论：模拟结果与实际情况较吻合，工艺方案虽有待于进一步优化，但基本上较准确可行，达到了预期目标。

谢谢

柔性制造 一是系统适应外部环境变化的能力,可用系统满足新产品要求的程度来衡量 二是系统适应内部变化的能力,可用在有干扰(如机器出现故障)情况下,系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比来衡量