CAD在鑄造工藝中的應用及發展(二）

2.2鑄造工藝CAD的應用

　　80年代以來，數值模擬技術得到了飛速的發展。一方面由于研究過程中不斷建立新的數學模型和各種判據，使模擬計算結果不斷近似于實測結果，另一方面，由于凝固基礎理論研究所取得的新成果，使宏觀模擬計算與微觀的結晶過程有機結合成為可能，并也取得了突破性的成果。就鑄造工藝CAD的應用而言，主要有以下幾方面。

　　(1)鑄件凝固過程的數值模擬

　　鑄件凝固過程的數值模擬是通過計算溫度場的溫度梯度、固相率凝固時間等，用一系列準則來預測鑄件在凝固過程中產生縮孔縮松的部位及大小、產生的時間等。通過這種預測可對所制定的鑄造工藝方案進行修改，再通過數值模擬進行驗證。利用凝固數值模擬的方法確定了獲得健全鑄件時內澆口與鑄件的關系

　　1=<τf／τr＞k(0.566～0.575)

　　式中：τf——內澆口凝固的時間；τr——補縮鑄件凝固的時間。

　　通過修改工藝獲得了健全的鑄件。很明顯在其他工藝條件一定的前提下，這一關系具有通用性。數值凝固模擬可使澆注系統的設計更為準確，更具科學性，而且，大大縮短了設計的周期，減少了工裝模具的反復修改。所以，凝固數值模擬應用是最廣泛和最成熟的。

　　(2)鑄件充型過程的數值模擬

　　鑄件充型過程的數值模擬是通過計算金屬液充型過程中的流體流動得出的。充型過程的數值模擬可以分析在給定工藝條件下，金屬液在澆注系統中以及在型內的流動情況。包括：流量的分布、流速的分布以及由此而導致的鑄件溫度場。因此，充型模擬在澆注系統及冒口優化設計中是非常重要和有價值的。

　　(3)鑄件熱應力的數值模擬

　　鑄件熱應力的數值模擬是通過對鑄件凝固過程中熱應力場的計算、冷卻過程中殘余熱應力的計算來預測熱裂紋敏感區和熱裂紋的。鑄件應力的形成不僅影響鑄件最終的質量和使用效果(裂紋變形等)，而且影響工藝設計的質量(收縮量的準確給定等)。如果能模擬出鑄件在給定工藝下的應力分布，就可修改工藝把鑄件產生應力的可能降低到最低限度，從而保證鑄件的質量。但由于鑄件的結構、鑄型材料對鑄件凝固過程的影響是非常復雜的，這種模擬計算本身也很復雜，所以，應力的模擬仍有很長的路要走。

　　(4)鑄件微觀組織數值模擬

　　鑄件微觀組織數值模擬是計算鑄件凝固過程中的成核、生長等，以及凝固后鑄件的微觀組織和可能具備的性能。在微觀組織模擬中，用宏觀傳熱、傳質與微觀形核、生長相統一的數學模型，來描述微觀組織形成的動態過程。包括：自發或非自發成核、晶粒長大、枝晶生長、二相質點的分布等。微觀組織模擬為相關的工藝提供了依據，保證了鑄件的質量，也是從事金屬研究的有力手段。

　　鑄造工藝CAD的發展和應用對鑄造生產具有重大的意義和價值。但必須清楚地認識到鑄造工藝CAD不是目的，而是手段。應用和加速發展鑄造工藝CAD是為了鑄造工藝的最優化設計、提高設計的質量和科學性、縮短設計的周期、保證鑄件質量和提高經濟效益。所以，從應用的角度上講，各種數值模擬最終要服務于鑄造工藝的優化設計。