鋼鐵研究總院高溫材料研究所100081

摘要：本文介紹了CA精密鑄造工藝。重點闡述了計算機輔助工程，包括三維CAD、凝固過程數(shù)值模擬等在精密鑄件研制過程中的應(yīng)用。I-DEAS可以方便地進(jìn)行三維設(shè)計或逆向工程，獲得三維模型，然后通過快速成型技術(shù)，能迅速得到鑄造原型；用ProCast對鑄件的澆注工藝進(jìn)行模擬，以優(yōu)化澆注參數(shù)，消除鑄造缺陷。
關(guān)鍵詞：CA精密鑄造計算機輔助工程

1引言：
精密鑄造是用可溶（熔）性一次模型使鑄件成型的方法。精密鑄造的最大優(yōu)點是表面光潔，尺寸精確，而缺點是工藝過程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，影響鑄件質(zhì)量的因素多，生產(chǎn)中對材料和工藝要求很嚴(yán)。在生產(chǎn)過程中，模具設(shè)計和制造占很長的周期。一個復(fù)雜薄壁件模具的設(shè)計和制造可能需一年或更長的時間。隨著世界工業(yè)的進(jìn)步和人們生活水平的提高，產(chǎn)品的研發(fā)周期越來越短，設(shè)計要求響應(yīng)時間短。特別是結(jié)構(gòu)設(shè)計需做些修改時，前期的模具制造費用和制造工期都白白地浪費了。因而模具設(shè)計和制造成為新產(chǎn)品開發(fā)的瓶頸。計算機輔助工程的發(fā)展，使得傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與新技術(shù)的融合成為可能。三維CAD可以把設(shè)計從畫圖板中解放出來，大大簡化了設(shè)計者的設(shè)計過程，減少出錯的幾率。并且隨著快速成型（RP）技術(shù)，特別是激光選區(qū)燒結(jié)工藝（SLS）的發(fā)展，三維模型可以通過RP設(shè)備，快速轉(zhuǎn)變成精密鑄造所需的原型，打破了模具設(shè)計的瓶頸。另外在傳統(tǒng)鑄造中，開發(fā)一個新的鑄件，工藝定型需通過多次試驗，反復(fù)摸索，最后根據(jù)多種試驗方案的澆鑄結(jié)果，選擇出能夠滿足設(shè)計要求的鑄造工藝方案。多次的試鑄要花費很多的人力、物力和財力。采用凝固過程數(shù)值模擬，可以指導(dǎo)澆注工藝參數(shù)優(yōu)化，預(yù)測缺陷數(shù)量及位置，有效地提高鑄件成品率。CA精密鑄造技術(shù)就是將計算機輔助工程應(yīng)用到精密鑄造過程中，并結(jié)合其他先進(jìn)的鑄造技術(shù)，以高質(zhì)量、低成本、短周期來完成復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)和試制。目前，利用CA精鑄技術(shù)，已完成多種航天、航空、兵器等關(guān)鍵部件的試制，取得滿意的效果。

2材料與實驗方法
CA精鑄可應(yīng)用于不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、鋁合金等多種合金，CA精鑄工藝流程見圖1。三維模型可采用I-DEAS、UGII、PRO-E等三維設(shè)計軟件進(jìn)行設(shè)計，工藝結(jié)構(gòu)和模型轉(zhuǎn)換采用MagicRp進(jìn)行處理和修復(fù)，在AFS-MZ320自動成型系統(tǒng)上進(jìn)行原型制作，采用熔體浸潤進(jìn)行原型表面處理，凝固過程數(shù)值模擬采用PROCAST和有限差分軟件進(jìn)行計算。

3CA精密鑄造工藝的關(guān)鍵問題及相關(guān)技術(shù)討論
近年來，與CA精鑄技術(shù)相關(guān)的三維CAD設(shè)計、反求工程、快速成型、澆注系統(tǒng)CAD、鑄造過程數(shù)值模擬(CPS)以及特種鑄造等單體技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，這些成就的取得為集成化的CA精鑄技術(shù)的形成奠定了基礎(chǔ)，促進(jìn)了CA精鑄技術(shù)的迅猛發(fā)展和應(yīng)用。為了使各單體技術(shù)成功地用于CA精鑄，必須消除彼此之間的界面，將這些技術(shù)有機地結(jié)合起來。從而在產(chǎn)品開發(fā)中做到真正意義上的先進(jìn)設(shè)計＋先進(jìn)材料＋先進(jìn)制造。

3.1三維模型的生成與電子文檔交換
如何得到部件精確的電子數(shù)據(jù)模型，是CA精鑄至關(guān)重要的第一步。隨著三維CAD軟件、逆向工程等技術(shù)的發(fā)展，這項工作變得簡單而且迅捷。在此主要介紹利用I-DEAS進(jìn)行實體建模和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程。I-DEAS9集成了三維建模與逆向工程建模模塊。通過MasterModeler模塊可以得到復(fù)雜模型（見圖2），既可以進(jìn)行全幾何約束的參數(shù)化設(shè)計，又可進(jìn)行任意幾何與工程約束的自由創(chuàng)新設(shè)計；曲面設(shè)計提供了包括變量掃掠、邊界曲面等多種自由曲面的造型功能。逆向工程Freeform可將數(shù)字化儀采集的點云信息進(jìn)行處理，創(chuàng)建出曲線和曲面，進(jìn)行設(shè)計，曲面生成后可直接生成RPM用文件，也可傳回主建模模塊進(jìn)行處理（見圖4）。實體文件生成后需轉(zhuǎn)變成STL文件（見圖3）以作為RP設(shè)備的輸入。轉(zhuǎn)換過程應(yīng)注意選擇成型設(shè)備名稱，通常選用SLA500，三角片輸出精度在0.005~0.01之間。采用MagicRp處理時應(yīng)注意乘上25.4，得到實際設(shè)計尺寸。

3.2凝固過程的數(shù)值模擬
3.2.1凝固過程的數(shù)值模擬原理
鑄造是一個液態(tài)金屬充填型腔、并在其中凝固和冷卻的過程，其中包含了許多對鑄件質(zhì)量產(chǎn)生影響的復(fù)雜現(xiàn)象。實際生產(chǎn)中往往靠經(jīng)驗評價一個工藝是否可行。對一個鑄件而言，工藝定型需通過多次試驗，反復(fù)摸索，最后根據(jù)多種試驗方案的澆鑄結(jié)果，選擇出能夠滿足