柴油机铸锻中的数值模拟

1.前言

铸造是国民经济的重要产业部们之一，它反映了一个国家制造工业的规模和水平。随着航空、航天、船舶、汽车、机械等各行业的蓬勃发展，技术装备中大型复杂铸件的需求量越来越大，对铸造金属的性能及铸件本身的可靠性等要求越来越高。先进制造技术的发展，要求铸件的生产向轻型化、精确化、强韧化、复合化及无环境污染方向发展。

锻造成形是一个复杂的过程，坯料的变形程度、模具承受的压应力及最大损伤值，工序的载荷峰值、润滑等都是工艺评估与优化过程不可忽略的因素。如果采用传统的数学近似公式来计算各个影响因素, 不仅工作量大, 而且精度低，很难保证工艺方案的最佳合理性。随着有限元理论的不断完善以及计算效率的日益提高, 使得数值模拟技术在铸造锻造工艺设计中得到广泛的应用, 并已成为评估工艺成形性的重要手段。

数值模拟技术的飞速发展及其在铸造锻造生产中的广泛应用，可以通过对制造工艺过程进行数值模拟及仿真，使得上述目标得以实现。这项工作以数值计算为基本方法，对铸造过程中流场、温度场、应力场及微观组织形貌进行模拟，从而帮助工艺设计人员对不同时刻的金属流态、凝固过程温度分布、应力分布、结晶晶粒尺寸形貌等重要物理参数有所了解，并以此为依据，预测是否有缩孔、疏松、夹杂、偏析及热裂纹等缺陷出现；数值模拟方法能够比较精确地模拟金属塑性变形的整个流动过程, 而且能够精确地给出载荷——行程曲线和应力场、应变场、温度场等场量的定量值, 还能预测填充不满等缺陷。可以实现铸造锻造工艺设计——校核——再设计——优化设计的全过程，以提高铸件质量，缩短试制周期，降低生产成本，提高市场竟争能力。同时，用计算机等高新技术来改造制造传统产业是国内外科学技术发展的共同趋势，是铸造锻造领域的学科前沿，也是铸造锻造工艺由“经验设计”走向“科学指导”的重要途径，具有重大的实际意义。

2、数字模型的生产实际应用

2.1 铸锻件产品技术信息的收集、处理和数字化

创建柴油机机体（见图1）的模型与产品技术信息库，首先对此产品的技术信息进行全面收集、处理并使技术信息数字化，如产品各部分的设计基准、参照基准在哪里，这是以后加工基准和装配基准的基础；之后分析各部分结构的几何形状特征、相互依赖关系，这些是构成设计产品的基本要素，其占据空间的尺寸形状、位置至关重要；还有产品设计的材料设定、单位设置等相关设计意图的获取建立。

图1   某机体铸件的建模

2.2 工艺设计

在正确领会设计图纸意图后建立产品模型，建立工艺信息库，设计出铸件的浇注系统、冒口、冒口套、内外冷铁等，并进行工艺系统建模（见图2）。

图2   某机体工艺系统建模

连杆是柴油机的主要运动件，承受着强烈的交变载荷，随着强化程度的提高，大功率中高速机连杆均采用了合金钢的模锻毛坯。柴油机连杆模型见下图。

图3   柴油机连杆建模

在建模中考虑铸锻件的加工余量与拔模斜度等工艺参数。在所有这些工艺设计建模完成后，即可进行模型的网格剖分，为大型复杂铸锻件的热流动分析前处理提供原始依据。

2.3 三维建模、数值模拟及工艺优化

在计算机上建立大型复杂铸锻件（机体、缸头、连杆等）三维模型及其模具等工艺三维模型后，根据柴油机铸锻件的生产条件，应用ProCast、Deform 模拟软件对铸锻件的充型和凝固过程进行数值模拟并反复优化工艺，建立最优铸锻件成形的技术信息库系统（见图4）。

     图4  产品模型技术信息库系统图

2.4  铸造模具生产和机械加工

根据模型的特征信息生产出铸造用的模具或砂芯（见图5、图6），也可以利用激光快速成形技术得到铸件产品本身，例如某柴油机缸头的激光快速成形（见图7）； 在产品精加工过程中，可根据这些工程数据信息快速生成NC加工程序，完成产品的最终加工；最后，可以根据以上这些工程技术信息进行产品的数据管理 （PDM），进行在线检测、质量评估及装配调试等生产活动一体化管理。

图5  某缸头气道的激光快速成型

图6  某缸头水道的激光快速成型

图7  某缸头的激光快速成型

2.5  生产过程跟踪与完善

利用建立起的产品全相关的技术信息库，从设计、工艺到加工制造及性能比较分析的各个过程进行现场的跟踪、再现，及时发现问题及时纠正，不断改进完善。如此可以提前预测以上生产的全过程，减少不必要的浪费，缩短产品的生产链条，使生产过程更自动化、人性化。

创建大型复杂铸锻件三维参数化零件模型，不仅仅是为了造型，正确的模型应当是以后的原始技术信息库，可以应用于成形工艺分析、结构优化分析、加工制造、测 量分析、生产管理中的全过程，使得设计的修改和调整、CAE分析、参加装配、力学分析、运动分析、数控加工等变得容易实现，因为基于一个技术信息数据库， 数据和参数驱动成为可能。可以说，建模的近期目标是为了修改。这就要求所创建出的产品模型结构完整，尺寸和几何约束齐全、正确，以便在产品设计、加工和分 析过程中，可以对不合理的结构随时作相应的调整而保证前后一致。

3、铸造数值模拟的生产实际应用

近年来，铸造CAE商品化软件功能逐渐增加，其中主要有美国的ProCAST、德国的MAGMASOFT、芬兰的CastCAE、法国的Simulor、西班牙的Forcast及日本的Soldia、Castem等软件。ProCAST软件是由ESI公司开发的基于有限元法（FEM）的铸造过程模拟软件，能够进行流场、温度场、应力场三场耦合模拟。ProCAST采用基于有限元法（FEM）的数值计算方法，与有限差分法（FDM）相比，有限元法具有较大的灵活性，特别适用于模拟复杂铸件成型过程中的各种物理现象。通过分析可以获得铸造过程的各种现象、铸造缺陷形成及分布、铸件最终质量的模拟和预测。图8展示了铸件工艺优化的整个流程。图9为ProCAST软件进行模拟分析的步骤。

在设计过程引入CAE来指导设计决策，通过对大型复杂铸件制造工艺过程进行数值模拟及仿真，对铸造过程中流场、温度场、应力场及微观组织形貌进行模拟，从而帮助工艺设计人员对不同时刻的金属流态、凝固过程温度分布、应力分布、结晶晶粒尺寸形貌等重要物理参数有所了解，并以此为依据，预测是否有缩孔、疏松、夹杂、偏析及热裂纹等缺陷出现，可以实现铸造工艺设计——校核——再设计——优化设计的全过程，最终提高铸件质量，缩短试制周期，降低生产成本，提高产品竟争力。

图8   铸件工艺优化流程图

图9  ProCAST分析流程

3.1 铸件充型模拟

铸造充型过程对铸件的最终质量起着决定性的作用，许多铸造缺陷，如浇不足、冷隔、卷气、氧化夹渣乃至缩松、缩孔等都与铸造的充型过程密切相关，利用ProCAST软件对柴油机机体及缸头进行了工艺优化，数值模拟能够较为准确的表达充型过程和缺陷生成过程，这对于优化充型系统设计，避免充型不合理引起的铸造缺陷具有重要的意义。

3.2　铸件凝固模拟

铸造过程中大部分缺陷主要是缩松和缩孔缺陷，而这些缺陷大都在铸件凝固过程中形成，因而，比较精确的再现铸件的凝固过程，对缩松和缩孔缺陷的预测显得极为重要，ProCAST软件能够较为准确的预测铸件的缩松和缩孔缺陷，软件提供多种基于不稳定热传导计算的铸件缩松和缩孔缺陷预测方法，常用的有：温度梯度法、固相率梯度法、凝固时间梯度法、Niyama判据法及其变种、ProCAST软件自带的与密度相关的判据等。工程师可以通过多种判据的综合应用，达到预测缩松和缩孔缺陷的目的。

最初铸件的工艺经模拟分析，应用温度梯度法和固相率梯度法显示无缺陷，而应用ProCAST软件自带的判据显示两处有缩松和缩孔缺陷，这与实际铸件探伤结果一致，见图10。使用软件经过多次优化，最终解决了问题，所生产的铸件内部致密无缺陷。