【铸造工艺】
CAD是利用计算机软硬件系统，通过输入、存贮、计算和输出对铸件的铸造工艺进行最佳设计。通过铸造工艺CAD，可以预测铸件缺陷，优化工艺方案，降低试制成本，提高产品质量。通过CAD过程，可以把设计者从繁重的计算和人工绘图等工作中解放出来。同时，由于计算机运算速度快，因而可大大缩短产品的设计周期，提高产品的竞争能力。
以传热学为基础的凝固模拟的发展过程，大体上可以分为3个阶段(张毅、1987)：(1)计算模拟的研究；(2)预测研究(主要对已经拟定好的工艺方案进行检查)；(3)优化工艺设计，亦称为铸造工艺CAD。可见，凝固模拟是CAD的基础，CAD是凝固模拟的实际应用和向高层次发展的标志。计算模拟是指通过建立各种应用程序，来完成设计过程中所涉及的大量计算和数据处理。应用程序可以由不同的语言编成，并与其他软件接口，形成一个完整的大型铸造工艺CAD软件。应用程序库应包括通用工艺参数设计、浇冒口系统设计、冷铁设计、凝固与充填过程数值模拟、工艺优化与质量预测、工艺图和工艺文件的输出等。几何模拟是通过计算机编码，完成识图、解图、剖分和建立多功能交互式图形库、屏幕动态显示、工艺图绘制和工艺文件输出等。数据库是用来贮存和管理铸造工艺设计所需的信息，其内容很多，包括贮存各项热物理参数、力学参数、工艺参数等，并贮存有关判据准则，建立其间的函数关系，提供工艺、工装制图标准及规定，按各种形式对文件管理，贮存各种铸件工艺文件。充型和凝固是铸件成形的主要过程。由于凝固对铸件宏观质量的影响更大，因而对凝固数值模拟的研究起步较早。温度场的数值模拟已趋于成熟，并继续向深度和广度发展。国内外已有许多较实用的软件，其中美国研制的CAST软件采用正交网格有限差分法对铸件凝固进行计算，为铸件的优化设计提供了依据；SPIDER软件采用有限元计算复杂铸件的凝固过程，用热边界条件对铸件的边界进行处理，可避开计算铸型的温度场；SWIFT软件采用几何模数的方法模拟各种铸件的凝固过程，并能预测铸件的宏观组织。美国的E．J．Bradloy用凝固动力学与传热分析相结合的方法，模拟了球铁的凝固过程，并建立了缩孔的判据。日本的富迫达一等分别在数据处理程度、边界条件处理、优化判据及各种热交换方面进行了研究。日立公司的HICASS软件采用曲线座标划分单元的有限元方法进行模拟，可预测缩孔和缩松；大阪大学的SOLAN软件和川崎制铁所的BACCAS软件都是具有同类功能的优秀软件包。加拿大的E．Hughos用Thevoz-Rappz模型根据冷度和热力学理论，将等轴晶形核与生长过程代入凝固传热模型的方法，开发了可容纳5万多个单元的三维有限元传热计算程序。英国Y．Nagsaka等人开发了铸造过程三维数值模拟软件包，可预测缩孔和使用线性插值显示有限差分法解热平衡方程，从而大大节省计算时间和内存，该软件已应用于生产的优化设计。中国铸造凝固模拟研究起步较晚，但进展较快，目前已有许多单位开发了一些应用软件。如沈阳铸造所开发的SIMU－3D软件用Saulyev格式的有限差分法进行数值模拟，可实现适用于任何铸件的实体三维建模，不等几何步长自动剖分，不等时间步长计算，动态显示凝固过程，可在微机上处理数万个单元。清华大学的FTSOLVER三维铸件凝固模拟分析系统，采用CSG立体造型技术几何建模，建立了热物性数据库，进行三维有限差分传热计算，可处理数十万个单元，铸件可与图形软件包接口，具有丰富的彩色图形功能。哈尔滨工业大学建立了数值模拟的统一模型，着重于传质分析，可预测微观偏析。目前，该校正致力于浇注过程充型模拟的研究。大连理工大学编制了显示时间差分有限元的铸件凝固模拟通用程序。北京科技大学进行了球铁轧辊凝固过程中体积变化的数值模拟。充填过程是一个复杂的过程，模拟其流动过程比模拟温度场要困难得多，它是当今研究的一个前沿课题。充填的数值模拟有两种方法，一种是以伯努利方程加上一系列经验修正系数为基础；另一种是以能量方程、动量方程和连续方程为基础，若是紊流还须加紊流传输方程和能量耗散方程。台湾的黄文新等对铸件的充型过程进行了计算机模拟。美国C．W．Hirt利用FLOW－3D流动分析软件，通过对薄壁铸件浇注过程模拟，研究了流动量对充型行为的影响。荷兰P．C．Jeurissen等进行了薄壁球铁件充型流动过程的模拟。丹麦的P．N．Hansen教授开发了把充型与凝固结合在一起进行模拟的软件。日立金属公司的久保公雄、法国的P．Laty用充型模拟与凝固模拟相结合的方法，模拟了低压铸造汽车轮毂，并通过模拟改进了工艺设计。在以传热学为基础的凝固模拟迅速发展的同时，以Chvorinov-Wlodawer准则和经验、半经验为基础的CAD软件已经开始流行。其特点是只给出工艺设计的结果，不描述动态过程，不追求太高的科学性，重在实用。主要内容包括各种工艺参数的设计、浇口、冒口、冷铁、补贴的设计等。浇注系统的设计，一般是先确定浇注位置、浇道形式，再根据铸件重量计算浇注时间、浇道数量和截面积等工艺参数。冒口设计的计算方法目前主要有参数方程法、形状系数法、比例法、模数法、补缩液量法、三次方程法等。外冷铁的设计大多采用冷却面积扩大系数法计算。用上述简便的方法计算确定各项工艺参数后，再通过数值模拟和各项判据准则预测铸件的质量，达到优化设计的目的。在这方面的软件美国较多，如NOVACAST软件、RISERPRO软件、FEEDERCAIC软件和TTU软件，都可用来设计浇冒口、冷铁和补贴等，还可对重量、成本作估计以及凝固模拟优化工艺。其次如德国亚琛工大铸造研究所开发出一些用于辅助设计的半应用性软件。中国在这方面也做了许多工作，如沈阳铸造所、沈阳工业大学、哈尔滨科技大学等，分别开发了轮类、叶片类、缸体类和阀体类铸件的CAD；西北工业大学开发了铸件外冷铁工艺CAD哈尔滨工业大学开发了通用冒口CAD。这些软件都具有数值模拟的功能。模拟充型和凝固的目的是预测铸件的质量，为此，必须研究各种缺陷的判据准则。研究得最多的是缩孔和缩松的判据准则，目前已有十几种。其中最简单和应用得最广泛的是能否保证顺序凝固，即基于等凝固曲线能否形成封闭环。这种判据准则称为等固相线温度法或临界固相率法。在远离冒口的位置，需要有大于某一临界值的温度梯度，以使铸件中心得到补缩。这种方法称为“温度梯度法”。凝固速度R对临界温度梯度G有强烈的影响，可用冷却速度Vc表达凝固速度R的效应，将
和G／R等用作判据，这一判据已被广泛接受。对于共晶合金，因凝固区域不存在温度梯度，故采用固相率法和梯度法。P值法和时间参数法常被用来预测缩松。除此以外，还有流导法、液态金属补缩距离法等。这些判据已分别在上述的各种软件中得到应用。预测宏观偏析的方法有凝固速度法、RxVc法、浓化时间法等。通过结晶过程模拟，可以预测凝固的组织和性能，如二次枝晶间距和铸件的抗拉强度。模拟铸件的热应力场，考虑弹塑性蠕变，计算残余应力，可以预计冷裂；以流变学为基础，建立高温应力应变本构方程进行数值模拟，则是热裂研究的一个新发展；利用热裂判据进行热裂预测，将给热裂研究提供新方向。关于裂纹的预测，丹麦工大、法国GRENARLES工艺研究所、挪威TRANDHEIM大学及中国清华大学、哈尔滨工业大学和沈阳铸造所等在这方面都已取得一些成绩。利用计算机系统自动绘出铸造工艺图，是铸造工艺CAD的重要方面。铸造工艺图的绘制，主要有参数法和工具软件法两种。参数法绘制铸造工艺图，利用能充分表达零件尺寸的有关参数，由计算机来完成工艺数据的分析计算，确定工艺方案，制定工艺卡，绘制出铸造工艺图。参数法适合于结构比较简单、规律性较强、批量大的铸件生产。对于结构复杂没有规律的铸件一般采用工具软件法。工具软件法是利用图形软件的支撑，用人机对话的方式来绘制图示。其过程为：通过数据交换文件把信息传递到应用程序中，计算出工艺数据，再将这些工艺数据转换成图形数据文件，绘图软件包读入此文件，即可绘制工艺图或工艺卡。利用工具软件法绘制铸造工艺图，不仅质量好，而且效率高，可以随时补充修改，工艺继承性也好。对各种技术文件进行存贮，可以形成铸造工艺文件技术档案，使用十分方便。随着计算机硬件设备的完善，近几年来开拓出一种智能型专家系统的CAD软件。所谓铸造工艺专家系统，就是把搜集、整理的大量具有权威性的铸造专家的经验，用来解决铸造领域中的实际问题。专家系统由知识库、数据库、咨询程序、推理程序、解释程序等组成，各部分之间相互联系。知识库里存有大量的有关专家的知识，这些知识包括已被实践证明是正确的公式、规则，以及一些不能用公式表达的经验和规则。通过铸造工艺专家系统能使众多第一流专家的知识为各铸造厂共享。铸造工艺专家系统包括铸造工艺方案确定、工艺参数选择、浇冒口系统的设计等。专家系统的设计结果可直接指导生产，也可经过数值模拟进行试浇，以验证工艺设计的合理性。因此，智能型专家系统将成为铸造工艺CAD的一个重要方面。随着计算机软硬件的进一步发展，将给铸造工艺CAD带来美好的前景。图形软件包和实体造型技术使得图形处理得到解决，从而加快了复杂铸件三维凝固模拟研究的进展。由于微机386、486的出现，使其内存量和运算速度大大提高，因而CAD的功能大大增强。今后值得重视的问题是，如何提高程序的设计技巧，使设计的程序正确可靠、操作方便、具有更高的计算速度。铸造过程数值模拟的发展，促使铸造工艺CAD的迅速发展；专家系统的进展，又使铸造工艺CAD再加完善。当今铸造过程数值模拟发展的趋势是：在逐渐由传热模型过渡对传热、传质、流动综合模型的同时，正在从宏观凝固模型向包括动力学因素在内的微观模型努力。未来的凝固模型将建立在原子量级上。液态金属充型过程的模拟，已成为当今研究的一个前沿课题。此外，还将进行各种特种铸造过程的数值模拟研究。(戚墅堰机车车辆工艺研究所徐贵宝、高锡源撰)