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计算机辅助工程(CAE)在精密铸造中的应用的论文wbet-7471

2020-05-03 06:44:42  来源:http://www.kamijs.com  编辑:admin

计算机辅助工程(CAE)在精密铸造中的应用的论文

摘要:本文介绍了ca精密铸造工艺。重点阐述了 计算 机辅助工程,包括三维cad、凝固过程数值模拟等在精密铸件研制过程中的 应用 。ideas可以方便地进行三维设计或逆向工程,获得三维模型,然后通过快速成型技术,能迅速得到铸造原型;用procast对铸件的浇注工艺进行模拟,以优化浇注参数,消除铸造缺陷。

关键词:ca精密铸造计算机辅助工程

1引言:

精密铸造是用可溶(熔)性一次模型使铸件成型的 方法 。精密铸造的最大优点是表面光洁,尺寸精确,而缺点是工艺过程复杂,生产周期长, 影响 铸件质量的因素多,生产中对材料和工艺要求很严[1]。在生产过程中,模具设计和制造占很长的周期。一个复杂薄壁件模具的设计和制造可能需一年或更长的时间。随着世界 工业 的进步和人们生活水平的提高,产品的研发周期越来越短,设计要求响应时间短。特别是结构设计需做些修改时,前期的模具制造费用和制造工期都白白地浪费了。因而模具设计和制造成为新产品开发的瓶颈。计算机辅助工程的 发展 ,使得传统产业与新技术的融合成为可能。三维cad可以把设计从画图板中解放出来,大大简化了设计者的设计过程,减少出错的几率。并且随着快速成型(rp)技术,特别是激光选区烧结工艺(sls)的发展[2,3,4],三维模型可以通过rp设备,快速转变成精密铸造所需的原型,打破了模具设计的瓶颈。WWW.11665.COm另外在传统铸造中,开发一个新的铸件,工艺定型需通过多次试验,反复摸索,最后根据多种试验方案的浇铸结果,选择出能够满足设计要求的铸造工艺方案。多次的试铸要花费很多的人力、物力和财力。采用凝固过程数值模拟,可以指导浇注工艺参数优化,预测缺陷数量及位置,有效地提高铸件成品率。ca精密铸造技术就是将计算机辅助工程应用到精密铸造过程中,并结合其他先进的铸造技术,以高质量、低成本、短周期来完成复杂产品的研发和试制。 目前 ,利用ca精铸技术,已完成多种航天、航空、兵器等关键部件的试制,取得满意的效果。

2材料与实验方法

ca精铸可应用于不锈钢、耐热钢、高温合金、铝合金等多种合金,ca精铸工艺流程见图1。三维模型可采用ideas、ugii、proe等三维设计软件进行设计,工艺结构和模型转换采用magicrp进行处理和修复,在afsmz320自动成型系统上进行原型制作,采用熔体浸润进行原型表面处理,凝固过程数值模拟采用procast和有限差分软件进行计算。

3ca精密铸造工艺的关键 问题 及相关技术讨论

近年来,与ca精铸技术相关的三维cad设计、反求工程、快速成型、浇注系统cad、铸造过程数值模拟(cps)以及特种铸造等单体技术取得了长足的进步,这些成就的取得为集成化的ca精铸技术的形成奠定了基础,促进了ca精铸技术的迅猛发展和应用。为了使各单体技术成功地用于ca精铸,必须消除彼此之间的界面,将这些技术有机地结合起来。从而在产品开发中做到真正意义上的先进设计+先进材料+先进制造。

3.1三维模型的生成与 电子 文档交换

如何得到部件精确的电子数据模型,是ca精铸至关重要的第一步。随着三维cad软件、逆向工程等技术的发展,这项工作变得简单而且迅捷。在此主要介绍利用ideas进行实体建模和数据转换的过程。ideas9集成了三维建模与逆向工程建模模块。通过mastermodeler模块可以得到复杂模型(见图2),既可以进行全几何约束的参数化设计,又可进行任意几何与工程约束的自由创新设计;曲面设计提供了包括变量扫掠、边界曲面等多种自由曲面的造型功能。逆向工程freeform可将数字化仪采集的点云信息进行处理,创建出曲线和曲面,进行设计,曲面生成后可直接生成rpm用文件,也可传回主建模模块进行处理(见图4)。实体文件生成后需转变成stl文件(见图3)以作为rp设备的输入。转换过程应注意选择成型设备名称,通常选用sla500,三角片输出精度在0.005~0.01之间。采用magicrp处理时应注意乘上25.4,得到实际设计尺寸。

3.2凝固过程的数值模拟

3.2.1凝固过程的数值模拟原理

铸造是一个液态金属充填型腔、并在其中凝固和冷却的过程,其中包含了许多对铸件质量产生 影响 的复杂现象。实际生产中往往靠经验评价一个工艺是否可行。对一个铸件而言,工艺定型需通过多次试验,反复摸索,最后根据多种试验方案的浇铸结果,选择出能够满足设计要求的铸造工艺方案。多次的试铸要花费很多的人力、物力和财力。

铸造过程虽然很复杂,偶然因素很多,但仍遵循基本 科学 理论 ,如流体力学、传热学、金属凝固、固体力学等。这样,铸造过程可以抽象成求解液态金属流动、凝固及温度变化的 问题 ,就是要在给定的初始条件和边界条件下,求解付立叶热传导方程、弹塑性方程。 计算 机技术的 发展 ,使得求解物理过程的数值解成为可能。 应用 计算机数值模拟,可对极其复杂的铸造过程进行定量的描述。

通过数学物理 方法 抽象,铸造过程可表征成几类方程的耦合:

1热能守恒方程: 2连续性方程: 3动量方程: 常用的数值模拟方法主要是有限差分法、有限元法。有限元差分法数学模型简单,推导简单易于理解,占用内存较少。但计算精度一般,当铸件具有复杂边界形状时,误差较大,应力 分析 时需将差分网格转换成有限元网格进行计算。有限元法技术根据变分原理对单元进行计算,然后进行单元总体合成,模拟精度高,可解决形状复杂的铸件问题。无论采用什么数值方法,铸造过程的数值模拟软件应包括三个部分:前处理、中间计算和后处理。前处理主要为中间计算提供铸件、型壳的几何信息;铸件和型壳的各种物理参数和铸造工艺信息。中间计算主要根据铸造过程设计的物理场,为数值计算提供计算模型,并根据铸件质量或缺陷与物理场的关系预测铸件质量。后处理是指把计算所得结果直观地以图形方式表达出来。图5是铸造过程的数值模拟系统组成。

铸造过程流场、温度场 计算 的主要目的时就是对铸件中可能产生的缩孔缩松进行预测,优化工艺设计,控制铸件内部质量。

通过在计算机上进行铸造过程的模拟,可以得到各个阶段铸件温度场、流场、应力场的分布,预测缺陷的产生和位置。对多种工艺方案实施对比,选择最优工艺,能大幅提高产品质量,提高产品成品率。

3.2.2铸造过程数值模拟软件[5]

经过多年的 研究 和开发,世界上已有一大批商品化的铸造过程数值模拟软件,表明这项技术已经趋于成熟。这些软件大都可以对砂型铸造、金属型铸造、精密铸造和压力铸造等工艺进行温度场、应力场和流场的数值模拟,可预测铸件的缩孔、疏松、裂纹、变形等缺陷和铸件各部位的纤维组织、并且与cad实体模型有数据转换接口,可将实体文件用于有限元 分析 。

procast是 目前 应用 比较成功的铸造过程模拟软件。在研制和生产复杂、薄壁铸件和近净型铸件中尤能发挥其作用。是目前唯一能对铸造过程进行传热-流动-应力耦合分析的系统。该软件主要由八大模块组成:有限元网格剖分,传热分析及前后处理,流动分析,应力分析,热辐射分析,显微组织分析,电磁感应分析,反向求解等。

它能够模拟铸造过程中绝大多数 问题 和物理现象。在对技术充型过程的分析方面,能提供考虑气体、过滤、高压、旋转等对铸件充型的 影响 ,能构模拟出消失模铸造、低压铸造、离心铸造等几乎所有铸造工艺的充型过程,并对注塑、压蜡模和压制粉末材料等的充型过程进行模拟。procast能对热传导、对流和热辐射三类传热问题进行求解,尤其通过“灰体净辐射法”模型,使得它更擅长解决精铸尤其是单晶铸造问题。应力方面采用弹塑性和粘塑性模型,使其具有分析铸件应力、变形的能力。

对铸件进行分析时,简单的模型网格可以直接在procast生成。复杂模型可以由ideas等软件生成,划分网格后输出*.unv通用交换文件,该文件应带有节点和单元信息。meshcast模块读入网格文件后输出四面体单元用于前处理。precast对模型进行材料、界面传热、边界条件、浇注速度等参量进行定义,最后由procast模块完成计算。

应用ideas与procast,我们对某发动机部件进行了凝固过程模拟。该部件由于有一个方向尺寸较薄,浇注过程中极易发生裂纹与变形,通过模拟,对浇注系统结构进行了优化,减少应力集中,防止变形和开裂,取得明显的效果。

结论:

1.计算机辅助工程与精密铸造结合而成的ca精密铸造技术具有很强的通用性,可以缩短研制周期,节约开发成本;

2.ideas与rpocast的配合,可以对复杂件进行铸造过程数值模拟;

3.计算机凝固模拟技术可用于复杂件的浇注系统设计和优化,并能较为准确的预测缺陷及其位置、变形开裂倾向,用于指导浇注系统的优化。