近年來，與CA精鑄技術(shù)相關(guān)的三維CAD設(shè)計(jì)、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(jī)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(jì)+先進(jìn)材料+先進(jìn)制造。
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(xiàng)工作變得簡單而且迅捷。在此主要介紹利用IDEAS進(jìn)行實(shí)體建模和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程。IDEAS9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1)，既可以進(jìn)行全幾何約束的參數(shù)化設(shè)計(jì)，又可進(jìn)行任意幾何與工程約束的自由創(chuàng)新設(shè)計(jì);曲面設(shè)計(jì)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(diǎn)云信息進(jìn)行處理，創(chuàng)建出曲線和曲面，進(jìn)行設(shè)計(jì)，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3)。實(shí)體文件生成后需轉(zhuǎn)變成STL文件(見圖2)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(shí)應(yīng)注意乘上25.4，得到實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸。
圖1
圖2
圖3
凝固過程的數(shù)值模擬原理
鑄造是一個(gè)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(shí)際生產(chǎn)中往往靠經(jīng)驗(yàn)評價(jià)一個(gè)工藝是否可行。對一個(gè)鑄件而言，工藝定型需通過多次試驗(yàn)，反復(fù)摸索，最后根據(jù)多種試驗(yàn)方案的澆鑄結(jié)果，選擇出能夠滿足設(shè)計(jì)要求的鑄造工藝方案。多次的試鑄要花費(fèi)很多的人力、物力和財(cái)力。
鑄造過程雖然很復(fù)雜，偶然因素很多，但仍遵循基本科學(xué)理論，如流體力學(xué)、傳熱學(xué)、金屬凝固、固體力學(xué)等。這樣，鑄造過程可以抽象成求解液態(tài)金屬流動、凝固及溫度變化的問題，就是要在給定的初始條件和邊界條件下，求解付立葉熱傳導(dǎo)方程、彈塑性方程。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得求解物理過程的數(shù)值解成為可能。應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，可對極其復(fù)雜的鑄造過程進(jìn)行定量的描述。
通過數(shù)學(xué)物理方法抽象，鑄造過程可表征成幾類方程的耦合：
1熱能守恒方程：2連續(xù)性方程：3動量方程：常用的數(shù)值模擬方法主要是有限差分法、有限元法。有限元差分法數(shù)學(xué)模型簡單，推導(dǎo)簡單易于理解，占用內(nèi)存較少。但計(jì)算精度一般，當(dāng)鑄件具有復(fù)雜邊界形狀時(shí)，誤差較大，應(yīng)力分析時(shí)需將差分網(wǎng)格轉(zhuǎn)換成有限元網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。有限元法技術(shù)根據(jù)變分原理對單元進(jìn)行計(jì)算，然后進(jìn)行單元總體合成，模擬精度高，可解決形狀復(fù)雜的鑄件問題。無論采用什么數(shù)值方法，鑄造過程的數(shù)值模擬軟件應(yīng)包括三個(gè)部分：前處理、中間計(jì)算和后處理。前處理主要為中間計(jì)算提供鑄件、型殼的幾何信息;鑄件和型殼的各種物理參數(shù)和鑄造工藝信息。中間計(jì)算主要根據(jù)鑄造過程設(shè)計(jì)的物理場，為數(shù)值計(jì)算提供計(jì)算模型，并根據(jù)鑄件質(zhì)量或缺陷與物理場的關(guān)系預(yù)測鑄件質(zhì)量。后處理是指把計(jì)算所得結(jié)果直觀地以圖形方式表達(dá)出來。鑄造過程的數(shù)值模擬系統(tǒng)組成。
本文由專家丘志春提供
