CAD在铸造工艺中的应用及发展(二）

2.2铸造工艺CAD的应用

　　80年代以来，数值模拟技术得到了飞速的发展。一方面由于研究过程中不断建立新的数学模型和各种判据，使模拟计算结果不断近似于实测结果，另一方面，由于凝固基础理论研究所取得的新成果，使宏观模拟计算与微观的结晶过程有机结合成为可能，并也取得了突破性的成果。就铸造工艺CAD的应用而言，主要有以下几方面。

　　(1)铸件凝固过程的数值模拟

　　铸件凝固过程的数值模拟是通过计算温度场的温度梯度、固相率凝固时间等，用一系列准则来预测铸件在凝固过程中产生缩孔缩松的部位及大小、产生的时间等。通过这种预测可对所制定的铸造工艺方案进行修改，再通过数值模拟进行验证。利用凝固数值模拟的方法确定了获得健全铸件时内浇口与铸件的关系

　　1=<τf／τr＞k(0.566～0.575)

　　式中：τf——内浇口凝固的时间；τr——补缩铸件凝固的时间。

　　通过修改工艺获得了健全的铸件。很明显在其他工艺条件一定的前提下，这一关系具有通用性。数值凝固模拟可使浇注系统的设计更为准确，更具科学性，而且，大大缩短了设计的周期，减少了工装模具的反复修改。所以，凝固数值模拟应用是最广泛和最成熟的。

　　(2)铸件充型过程的数值模拟

　　铸件充型过程的数值模拟是通过计算金属液充型过程中的流体流动得出的。充型过程的数值模拟可以分析在给定工艺条件下，金属液在浇注系统中以及在型内的流动情况。包括：流量的分布、流速的分布以及由此而导致的铸件温度场。因此，充型模拟在浇注系统及冒口优化设计中是非常重要和有价值的。

　　(3)铸件热应力的数值模拟

　　铸件热应力的数值模拟是通过对铸件凝固过程中热应力场的计算、冷却过程中残余热应力的计算来预测热裂纹敏感区和热裂纹的。铸件应力的形成不仅影响铸件最终的质量和使用效果(裂纹变形等)，而且影响工艺设计的质量(收缩量的准确给定等)。如果能模拟出铸件在给定工艺下的应力分布，就可修改工艺把铸件产生应力的可能降低到最低限度，从而保证铸件的质量。但由于铸件的结构、铸型材料对铸件凝固过程的影响是非常复杂的，这种模拟计算本身也很复杂，所以，应力的模拟仍有很长的路要走。

　　(4)铸件微观组织数值模拟

　　铸件微观组织数值模拟是计算铸件凝固过程中的成核、生长等，以及凝固后铸件的微观组织和可能具备的性能。在微观组织模拟中，用宏观传热、传质与微观形核、生长相统一的数学模型，来描述微观组织形成的动态过程。包括：自发或非自发成核、晶粒长大、枝晶生长、二相质点的分布等。微观组织模拟为相关的工艺提供了依据，保证了铸件的质量，也是从事金属研究的有力手段。

　　铸造工艺CAD的发展和应用对铸造生产具有重大的意义和价值。但必须清楚地认识到铸造工艺CAD不是目的，而是手段。应用和加速发展铸造工艺CAD是为了铸造工艺的最优化设计、提高设计的质量和科学性、缩短设计的周期、保证铸件质量和提高经济效益。所以，从应用的角度上讲，各种数值模拟最终要服务于铸造工艺的优化设计。