第十一章材料成形CAD／CAE／CAM的实际应用1

如果说10年前，大多数铸造技术人员对模拟仿真 技术还抱有观望、怀疑态度的话，那么10年后的 今天，已有众多的企业纷纷采用数值模拟技术， 应用于实际生产。目前，欧、美、日等西方发达 国家的铸造企业普遍应用了模拟技术，特别是汽 车、航空、航天铸件生产商几乎全部装备了仿真 系统，成为确定工艺的固定环节和必备工具。20 世纪90年代中后期以来，国内铸造厂家逐渐认识 到其重要性，纷纷引入该技术，在实际生产中起 到了较为重要的作用。
摆脱这一困境的途径主要有两条： 一是加紧制定铸造行业的技术标准，规范工艺设 计的各个环节； 二是借助于迅速发展的计算机技术，搭建强大、 灵活的铸造工艺CAD系统框架，利用此框架可以 迅速、方便地生成适合于某一行业、某个工厂的 铸造工艺CAD。 就目前而言，第一条途径困难重重，很难制定一 个大家都能接受、可以迅速推广应用的技术标准。 而第二条路线虽然困难也很大，但随着计算机软、 硬件及信息技术的快速进步，会逐步克服掉各种 障碍，使铸造工艺的设计实现“无图纸”化、计 算机化甚至远程网络化。
1．复杂多相流模拟 多相流是指两种或两种以上的流体同时存在， 每相都具有自己的流场但又相互影响的流动。铸 造过程的流动实际上就是典型的多相流动，不仅 仅只有液相，还包括气相和固相。具体说来，液 态金属为液相；卷入性、析出性气体为气相；氧 化夹杂、冲掉的砂粒是固相。因此从理论上讲， 欲准确模拟铸造的充型过程，就必须研究多相的 流动，例如卷气、氧化夹杂、砂型冲蚀、压铸过 程的排气等的计算分析都离不开多相流的模拟。 复杂流动是指真实的铸造流动是具有紊流、表 面张力、自由表面、相变、热交换等众多影响因 素的复杂流动，考虑了这些影响因素的模拟结果 将更接近真实的铸造过程。
一、液态成型工艺CAD
传统的液态成型工艺的设计都是基于人工的、经验 的，利用红蓝铅笔直接在图纸上画出铸造工艺。 而利用CAD进行工艺设计不仅甩掉红蓝铅笔，在计 算机里完成所有的工艺设计任务，而且还会有很多 辅助性功能，例如自动设计导航、电子工艺手册等 等，帮助设计者高效率地完成工艺设计任务。 特别是基于三维的工艺CAD，一旦完成一个工艺后 就可将数据直接输入到液态成型CAE系统中，对所 设计的工艺进行分析模拟，使工艺的设计方案得到 优化。进一步，基于优化的工艺方案，利用CAD系 统可以快捷、方便地完成模具(或模样)的设计方案， 最后由CAM生成NC代码进行数控加工。
铸造过程数值模拟技术(CAE)经过了40年的 发展历程，其间，从简单到复杂，从温度 场发展到流动场、应力场，从宏观模拟深 入到微观领域，从普通的重力铸造拓展到 低压、压铸等特种铸造，从实验室研究进 入到工业化实际应用。特别是近些年来， 在包括计算机硬件、软件、信息处理技术 以及相关学科的强有力的推动下，数值模 拟技术在人类社会的各个领域得到了广泛 的应用，取得了长足的进步。
第一节 液态成型
市场对铸件的要求不再仅限于数量，更多的 是质量、速度以及集约化和绿色化。 为了满足这一要求，铸造生产就必须变革传 统的生产方法，引进新技术、新思维。 而以计算机为代表的信息技术进入到铸造领 域使得铸造业发生了翻天覆地的变化，产生 了根本性的变革，由基于经验逐步转变为基 于科学，由基于手工转变为自动化生产。 液态成型CAD／CAE／CAM就是这一变革的 产物。
目前，三维工艺CAD开发和应用的困难包括以下 几点： 1)不能跨平台，例如基于UG开发的工艺CAD不 能运行在PRO／E平台上。 2)零件设计还没有完全三维化、无图纸化。三 维铸造工艺CAD工作的前提是应有对象的三维 CAD数据，如果零件设计是基于纸介质或者是二 维CAD设计的，则无法直接应用三维工艺CAD。 3)对工程技术人员的素质要求高。不仅有丰富 的实践经验，还必须熟悉三维造型、数据库、 CAE等知识。 4)建立三维CAD平台的成本较高，投资较大。 UG、PRO／E、CATIA等CAD平台价格比较昂贵， 中小企业难以承受。
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(二)三维工艺CAD
二维工艺CAD系统虽然可以帮助技术人员甩 掉红蓝铅笔、绘图板，并且习惯于纸面介质 绘制工艺的工程师也可以较快适应CAD方式 的电子绘图。 但是二维工艺CAD的致命缺陷正是它的二维 描述方式，不能为后续的CAE、CAM乃至 RPM提供必要的三维信息。 如果说甩红蓝铅笔、甩绘图板需要二维工艺 CAD的话，那么实现CAD／CAE／CAM一体 化就必须要求铸造工艺CAD的立体化。因此 三维工艺CAD是铸造工艺计算机辅助设计的 必然发展方向。
第十一章 材料成形CAD／CAE ／CAM的实际应用
何乃军
前言 材料成形CAD/CAE/CAM应用概述
一、铸造成形CAD/CAE/CAM 1、铸造CAD
包括铸造工艺CAD以及铸造工装(模具／模 板)CAD。前者的主要功能有铸造浇注系统设计、 冒口补缩系统设计、冷铁设计、砂芯设计、铸造 分型面确定、加工余量确定、拔模斜度确定等。 还包括浇注系统库、冒口库、冷铁库、芯头库的 建立，工艺图的标注与打印等，可以实现铸造工 艺的快速、准确设计。
二、液态成型CAE
液态成型CAE技术主要包括充型流动过程 模拟、结晶凝固过程模拟、应力／应变分 析、微观组织模拟等。众所周知，铸造是 一个过程复杂，影响因素多、废品率高的 成形方式。“睁眼造型、闭眼浇注”，产 品的质量到底如何只有生产完毕后才能知 晓，“马后炮”的质量检测反馈模式造成 的后果是新产品开发周期长，废品率高， 质量不易保障。
借助于三维造型技术的发展和进步，基于 成熟的、商品化的三维CAD系统，进行铸 造工艺的二次开发形成三维的铸造工艺 CAD系统已成为可能。目前常见的三维造 型平台，包括Pro／E、UG、Solidwoks、 Solidedge等都提供了友好的二次开发环境。 下图就是基于UG开发出的三维“华铸CAD'’ 的一个应用实例。
二维工艺CAD的一个很大的共同点是，它 们大都是基于AutoCAD系统进行二次开发 的。 原因显而易见的：AutoCAD是世界上最流 行的二维CAD系统，拥有非常庞大的用户 群；AutoCAD提供方便灵活的二次开发环 境，如AutoLisp、 ADS、ARX、Visual AutoLisp等，使二次开发变得非常容易。基 于AutoCAD开发出的CAD系统运用各行各 业，包括机械、服装、建筑、土木等等， 当然也包括材料成形领域。
2．氧化夹杂的数值模拟 基于复杂多相流以及冶金学理论可以对 铸件的氧化夹杂形成过程进行模拟分析， 包括一次夹杂的卷入以及二次氧化夹杂的 形成过程。目前该领域是国际上研究的前 沿之一。
(二)压力与低压铸造CAE 压力铸造、低压铸造与普通重力铸造有 很大的不同，例如它们都是多周期连续生 产，一般都采用金属模具，并且都需要进 行模具预热，生产过程中大都采用冷却工 艺以保持模温平衡等等。利用数值模拟技 术分析这些特种铸造生产过程就必须能够 进行连续多周期、多阶段的计算，并能对 冷却工艺进行模拟。
2、铸造CAE 基于有限分析(包括有限元及有限差分技术)的 模拟优化技术，包括充型过程模拟、凝固过程 模拟、应力应变分析、微观组织模拟等，为制 定合理的铸造工艺提供有力的指导。 3、铸造CAM 主要是铸造工装的数控加工成形，包括模具、 模板等的计算机辅助制造。
二、塑性成形CAD/CAE/CAM 1、塑性成形CAD 包括冷冲模、冲裁模、弯曲模、拉深模以 及锻造模设计CAD。例如美国的Diecomp 公司开发的计算机辅助级进模设计系统 PDDC，可以完成冷冲模设计的全过程，包 括从输入产品和技术条件开始设计出最佳 样图，确定操作顺序、步距、空位、总工 位数、绘制排样图、输出模具装配图和零 件图等，比传统设计提高工效8倍以上。
三、焊接成形CAD/CAE/CAM 1、焊接成形CAD 包括排料设计、焊接材料的选择、保护气体的选择、 焊接工艺的制订等。 2、焊接成形CAE 包括焊接过程的传热分析、应力分析、焊接熔池内 的流动分析以及微观组织模拟等，优化焊接工艺。 3、焊接成形CAM CAM在焊接领域的应用主要包括焊接机器人控制、 结构件焊接的数控代码自动生成、焊接过程的动态 模拟等方面。CAM利用CAD的设计结果控制数控切 割机以及焊接机器人进行切割或焊接。
2、塑性成形CAE 主要是利用有限元技术对塑性成形的应力、 应变进行模拟分析，预测应力集中、开裂、 变形等缺陷。对于热锻过程的模拟还存在着 传热过程和再结晶过程的模拟分析。 3、塑性成形CAM 模具对于塑性成形而言具有非常重要的地位， 因此塑性成形CAM技术主要是研究如何利用 数控、电火花等加工手段，快速、精确地制 造出塑性成形用模具。
液态成型工艺CAD根本功能是应能完成工 艺基本要素的设计与绘制(造型)任务，这些 要素包括浇注系统、冒口系统、分型面、 加工余量、起摸斜度、砂芯及芯头、冷铁、 不铸孔、铸造圆角、工艺卡等等，可以顺 利地完成铸造工艺设计。
因为铸造行业的特殊性，液态成型工艺的 标准没有统一，不同国家、不同行业、不 同工厂所采用的标准和习惯都不一致。这 一现状导致了铸造工艺CAD系统的开发极 其困难，普适性问题至今无法彻底解决。 因此，与液态成型CAE、 CAM比较，工艺 CAD发展相对滞后，在实际生产中的应用 还很少。
四、注射成形CAD/CAE/CAM 1、注射成形CAD 包括产品图与模具型腔图的尺寸转换、标准模架与 典型结构的生成、模具零件图和总装图的生成、模 具刚度与强度校核、设计进程管理、模具成本分析 与计算等。 2、注射成形CAE 注射工艺分析已有成熟的商品化软件，可以预测注 射成型流动及保压阶段的压力场、温度场、应力应 变场和凝固层的生成，流道的分析、优化，冷却工 艺的制订等等，从而有效地指导实际生产。 3、注射成形CAM 重点研究注射模具的数控加工。
(三)液态成型CAE的新进展 作为铸造领域的高新技术，模拟仿真领 域的理论研究和应用开发非常活跃，其内 涵和外延不断得到丰富与拓展。目前液态 成型复杂多相流模拟、氧化夹杂过程模拟、 造型／制芯过程模拟、消失模成形过程模 拟、半固态成型模拟以及微观过程数值模 拟等是液态成型模拟领域的研究前沿和热 点。
目前在国内常见的铸造CAE系统包括德国 MAGMA、法国的PROCAST、瑞典的 NOVACAST以及国内华中科技大学的“华 铸CAE”、清华大学的“铸造之星”等。下 面以“华铸CAE'’为例来说明铸造凝固模拟 CAE技术的实际应用。
(一)普通重力铸造CAE 重力铸造按合金分为铸钢、灰铸铁、球 墨铸铁、铸铝等类型；按铸造方式又分为 砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造等。不 同的合金、不同的铸造方式， CAE系统都 要进行适当的处理，使系统能够较好地反 映实际情况，更有效地指导实际生产。
铸造过程数值模拟技术(CAE)与CAD技术相结合 完全改变了传统的模式。设计者先在三维CAD平 台上设计出一个铸造工艺方案，然后利用CAE进 行模拟分析，预测缺陷，发现问题。设计者根据 CAE的模拟结果在CAD上对方案进行修改，再进 行CAE分析，如此往复直到得到满意的工艺设计 方案，根据优化后的方案组织实际生产。传统的 工艺优化是在实际生产中完成的，而先进的模式 则是利用CAE、CAD技术，在计算机上完成的， 两者有根本的区别。
(一)二维工艺CAD
虽然到目前为止还没有完全通用的二维铸 造工艺CAD系统。但实际上一些专用的工 艺CAD软件已有很多，例如DISA线铸造专 用工艺CAD软件、压铸 CAD、齿轮类CAD、 阀体类CAD、曲轴类CAD、机架类CAD、 缸体类CAD以及叶片类CAD等。一些工艺 CAD软件初步在实际生产中进行应用。