鑄造凝固模擬(CAE)技術(shù)可以在鑄件實(shí)際澆注前對多個鑄造工藝方案進(jìn)行驗(yàn)證，預(yù)測縮孔、縮松、卷氣、夾雜、裂紋、應(yīng)力集中等常見鑄造缺陷，為優(yōu)化鑄造工藝提供參考。因?yàn)镃AE的前提是必須要有一個初始工藝方案，所以目前CAE的作用還基本體現(xiàn)在對已有工藝方案的驗(yàn)證，不能智能地設(shè)計鑄造工藝。一個合理的鑄造工藝依賴工藝人員豐富的專業(yè)知識和寶貴的經(jīng)驗(yàn)，而對經(jīng)驗(yàn)不足者，很難在短時間內(nèi)得到合理的工藝方案。即便借助CAE軟件，由于對模擬顯示結(jié)果的理解程度不同，基于模擬結(jié)果進(jìn)行工藝優(yōu)化的能力也因人而異。專業(yè)技能知識，現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)積累、軟件的正確使用和熟練程度等，都決定了凝固模擬(CAE)與工藝優(yōu)化設(shè)計(CAD)的有效銜接。本研究以鑄鋼件的冒口智能優(yōu)化為突破口，結(jié)合CAE模擬得到的鑄件孤立液相區(qū)信息與周界商法，進(jìn)行了鑄鋼件冒口的自動優(yōu)化設(shè)計研究，實(shí)現(xiàn)了CAD與CAE的耦合，開發(fā)出了一套基于UG(UniGraphics)和孤立液相區(qū)的鑄鋼件智能冒口優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)。

　　1 智能化冒口工藝設(shè)計路線

　　冒口的選擇是鑄造工藝設(shè)計中非常重要的一部分，同時是鑄造工藝設(shè)計的難點(diǎn)所在。常用的冒口設(shè)計方法包括模數(shù)法、補(bǔ)縮液量法、比例法、Q參數(shù)法、三次方程法、周界商法。在鑄鋼件冒口設(shè)計中，模數(shù)法是一個廣泛應(yīng)用的計算方法。鑄件模數(shù)對冒口設(shè)計至關(guān)重要，應(yīng)用整體模數(shù)法設(shè)計冒口，不如采用局部模數(shù)法準(zhǔn)確，但是很難獲得準(zhǔn)確的局部模數(shù)，因?yàn)榫植磕?shù)的獲得要靠設(shè)計人員對鑄件進(jìn)行手動分割，局部分割的體積、形狀各異，散熱面積各異，導(dǎo)致計算出的局部模數(shù)不能定量，這是制約鑄造工藝CAD實(shí)用化的瓶頸之一。

　　本研究基于CAE凝固模擬的孤立液相區(qū)進(jìn)行鑄鋼件的冒口自動優(yōu)化設(shè)計，能定量地跟蹤各個孤立液相區(qū)的體積和表面積大小，以及各孤立區(qū)的凝同時間，比局部模數(shù)法更準(zhǔn)確、方便。軟件編制的總體技術(shù)路線如圖l所示。首先使用本課題組開發(fā)的華鑄CAE軟件對不帶冒口工藝的鑄件模型進(jìn)行初步的溫度場計算，得到鑄件的孤立液相區(qū)信息;接著利用UG/Open二次開發(fā)技術(shù)，將計算結(jié)果信息導(dǎo)人三維CAD軟件UG中，以面片形式建立孤立液相區(qū)三維模型，在原鑄件模型的相應(yīng)位置顯示各孤立區(qū);然后根據(jù)周界商法，對大于一定體積的孤立液相區(qū)，計算出所需冒口的體積，選擇合適的冒口種類，根據(jù)體積查詢冒口標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，確定冒口的尺寸;最后，根據(jù)孤立液相區(qū)在鑄件模型中的相對位置，在相應(yīng)位置建立冒口的三維參數(shù)化模型，從而實(shí)現(xiàn)冒口的自動生成與定位。得到的推薦方案，可直接用于實(shí)際生產(chǎn)。但為保險起見，一般還要采用CAE軟件進(jìn)行模擬驗(yàn)證，如不理想，以此為參考進(jìn)行優(yōu)化，最終獲得在保證鑄件質(zhì)量完好條件下的體積最小的冒口。

　　圖1 CAD/CAE智能冒口工藝優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)框圖

　　2孤立液相區(qū)(ISL)的建模與顯示

　　2.1孤立液相區(qū)的定義

　　孤立液相區(qū)是指在鑄件凝固過程中被已凝固金屬所包圍的多個封閉熔融金屬區(qū)域。孤立液相區(qū)對定量預(yù)測鑄件的縮孔、縮松缺陷非常重要。本文中通過計算孤立液相區(qū)的體積、表面積、相對位置等信息來設(shè)計冒口工藝。在鑄件凝固過程中，孤立液相區(qū)是動態(tài)變化的，不同時刻孤立液相區(qū)體積和個數(shù)不同。隨著凝固的進(jìn)行，孤立液相區(qū)不斷分裂出子孤立液相區(qū)，孤立液相區(qū)之間存在父子關(guān)系。設(shè)計者可以先根據(jù)孤立液相區(qū)的演化信息選擇要放置冒口的孤立液相區(qū)，再根據(jù)選定的孤立液相區(qū)體積等信息定量設(shè)計冒口。如果應(yīng)用一些規(guī)則，也可以實(shí)現(xiàn)自動設(shè)計。如規(guī)定選擇第幾代孤立液相區(qū)，或設(shè)定一定的體積閾值，只有當(dāng)大于一定體積時才考慮設(shè)置冒口。

　　要記錄CAE模擬計算中產(chǎn)生的孤立液相區(qū)信息，必須采用一定格式的文件進(jìn)行保存。對每個網(wǎng)格采用特殊的數(shù)據(jù)編碼進(jìn)行記錄，編碼格式如表1所示。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　表1 孤立液相區(qū)的數(shù)據(jù)格式

　　例如：102030201，意義為：該單元在第2個一代孤立區(qū)中的第3個二代孤立區(qū)的第2個三代孤立區(qū)的第1個四代孤立區(qū)中。

　　2.2基于UG的孤立液相區(qū)的建模與顯示

　　2.2.1 基于UG建立ISL面片模型

　　UG軟件是集CAD/CAE/CAM于一體的高端三維設(shè)計軟件，提供有功能強(qiáng)大的二次開發(fā)工具UG/Open。利用CAE模擬得到的孤立液相區(qū)后，以UG為CAD系統(tǒng)平臺，利用UG/Open API二次開發(fā)技術(shù)基于參數(shù)化的實(shí)體建模技術(shù)，在UG建立的鑄件模型或?qū)说闹行晕募鏢TL模型中的相應(yīng)位置顯示這些孤立液相區(qū)。

　　在UG中如果對每個孤立液相區(qū)的網(wǎng)格單元采用實(shí)體建模，則數(shù)據(jù)量巨大，建模和顯示速度很慢。文章采用表面模型，將ISL表面正方形網(wǎng)格轉(zhuǎn)變成六個正方形面片。該過程可簡述為：首先獲取工作部件的標(biāo)識tag;接著，在工作部件中用函數(shù)“UF_FACET_ create_model”創(chuàng)建一個空的片體模型;最后，在這個空的面片模型中循環(huán)用函數(shù)“UF_FACET_add_facet to_model”添加面片，直到所有面片添加完畢。

　　2.2.2理順I(yè)SL間的父子關(guān)系

　　在鑄件的凝同過程中孤立液相區(qū)不斷演變，可能分裂出子孫孤立液相區(qū)，所以，理順I(yè)SL間的父子關(guān)系也是關(guān)鍵之一。其過程可分為如下三步：第一步，解析所有ISL名稱，如102030201(孤立液相區(qū)標(biāo)識)解析為2.3.2.1(孤立液相區(qū)名稱);第二步，根據(jù)每個ISL的名稱，找到其父ISL;第=三步，將每個ISL序號以屬性的形式寫人相應(yīng)的父片體模型中。

　　2.2.3確定ISL的重心，保存ISL信息

　　孤立液相區(qū)的重心位置能為冒口的自動定位提供參考。為此，需要首先計算出各個ISL的重心。對于均質(zhì)物體，物體重心與形心一致。對大多數(shù)情況，一般在孤立液相區(qū)的重心位置上方鑄件的外表面加冒口，這也是自動設(shè)計冒口時的缺省位置。將這些點(diǎn)以屬性的形式寫入到對應(yīng)的ISL片體模型中去，方便以后調(diào)用。孤立液相區(qū)的信息也要保存到相應(yīng)的面片模型中，以屬性的形式寫入相應(yīng)的ISL面片模型中。

　　3基于周界商法和ISL的自動冒口優(yōu)化設(shè)計

　　3.1周界商法

　　周界商法是一種數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)密的冒口計算方法，也是基于模數(shù)理論發(fā)展起來的，該法適合于冒口CAD設(shè)計。在鑄件澆注完后，隨著冒口中的金屬液不斷補(bǔ)充鑄件的凝固收縮，冒口中的金屬液不斷減少，使冒口中的縮孔越來越大，冒口的實(shí)際模數(shù)也隨之不斷減小，直至凝同結(jié)束。為了滿足補(bǔ)縮要求，當(dāng)凝固結(jié)束時，殘余冒口的模數(shù)要正好等于被補(bǔ)縮鑄件的模數(shù)，則這個冒口是滿足要求的最小冒口，可用公式表示為：

　　 (1)

　　式中：為鑄件的有效散熱面面積; 為鑄件被補(bǔ)縮部分的體積; 為冒口的有效散熱面面積; 為冒口的體積;ε為合金的凝固收縮率。　　

　　式中： 為胃口的理論模數(shù); 為鑄件的理論模數(shù)。

　　將式(2)、式(3)代入式(1)，整理得：

　　 #p#分頁標(biāo)題#e#

　　式中：為冒口的周界商;

                   為鑄件的周界商。

　　方程(7)近似解表達(dá)式為：

　　對于一般鑄件， (9)

　　周界商，即鑄件或冒口的形狀系數(shù)。采用周界商法設(shè)計冒口，既考慮了冒口動態(tài)補(bǔ)縮的影響，又考慮了鑄件和冒口的形狀因素對鑄件凝固補(bǔ)縮的影響，這種影響被定量地反映在冒口的尺寸方程里，使冒口的計算更加科學(xué)、合理和精確。而且，用周界商表示冒口的尺寸方程，由于變量少，形式簡明，其物理意義比較明確。物體的周界商只與物體的形狀有關(guān)，而與物體的大小無關(guān)。周界商法將鑄件形狀參數(shù)作為主要影響因素，形成了適合于各種復(fù)雜鑄件的冒口計算方法。

　　3.2 ISL與周界商法的結(jié)合

　　由式(8)和(9)可以看出，如果知道了鑄件要補(bǔ)縮部位的體積vc和周界商qc，以及冒口的周界商qr還有合金的凝同收縮率ε，那就可以方便地計算出待求冒口的體積。最后根據(jù)胃口的種類和體積，查詢冒口數(shù)據(jù)庫，得到冒口的關(guān)鍵尺寸。

　　只要選定了冒口的類型，冒口的周界商口，值就確定了。例如，如果選擇圓柱形明冒口中的高等于直徑(H=D)這一類冒口，其周界商qr=170，與冒口體積大小無關(guān)。但鑄件的周界商qc的求取比較繁瑣，因?yàn)檎w模數(shù)不準(zhǔn)確，局部模數(shù)又難以獲得。如果采用CAE模擬得到的孤立液相區(qū)，則能方便地得到這些孤立液相區(qū)的較準(zhǔn)確的周界商qc。

　　為實(shí)現(xiàn)ISL和周界商的結(jié)合，作者采用如下步驟：①根據(jù)孤立液相區(qū)的體積和表面積，由周界商的定義方程式(6)，可以方便地求出各孤立區(qū)的周界商qc。②根據(jù)冒口的種類，計算冒口的周界商qr。本研究在開發(fā)冒口工藝設(shè)計CAD系統(tǒng)時，提供了缺省設(shè)置的冒口種類，同時提供了用戶手動選擇功能，通過人機(jī)交互確定冒口類型。這樣，既能實(shí)現(xiàn)冒口尺寸的自動計算，又提供人工干預(yù)功能。③根據(jù)鑄件補(bǔ)縮部位也即孤立液相區(qū)的周界商值的范圍，選擇方程(8)或方程(9)，計算得到每個胃口的體積虬。其中要用到的合金的凝固收縮率占可查表確定。④根據(jù)冒口的體積y，和冒口種類，查詢冒口數(shù)據(jù)庫，得到冒口的關(guān)鍵尺寸，如圓柱冒口的直徑D和高H。

　　3.3冒口模型的建立與定位

　　基于UG，建立冒口數(shù)據(jù)庫，結(jié)合ISL和周界商法，自動完成冒口庫的查詢，得出冒口的關(guān)鍵尺寸。圖2所示為根據(jù)選擇的孤立液相區(qū)獲得推薦冒口尺寸的一個實(shí)例。在大量的試驗(yàn)和總結(jié)歸納的基礎(chǔ)上，可以建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對冒口的尺寸進(jìn)行一定程度的修正。

　　圖2 選擇孤立液相區(qū)獲得冒口尺寸

　　最后添加冒口，實(shí)現(xiàn)冒口的定位。定位分自動和手動兩種。對環(huán)形孤立液相區(qū)和部分較復(fù)雜的情況，要采用手動放置，而一般情況下，可實(shí)現(xiàn)自動定位。自動定位時，從孤立液相區(qū)重心坐標(biāo)點(diǎn)沿Z軸正向畫一條直線，與鑄件實(shí)體表面的第一個交點(diǎn)即為冒口定位點(diǎn)。以定位點(diǎn)為中心，建立冒口的三維幾何模型。圖3顯示的是在孤立液相區(qū)上方自動添加冒口。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　圖3 自動添加冒口

　　4實(shí)例應(yīng)用及驗(yàn)證

　　作者以兩個圓柱相連的簡單鑄件為例進(jìn)行了測試。鑄件尺寸為：小圓柱φ90mmxl50mm，大圓柱中120 mmx200mm。首先使用華鑄CAE對不加冒口的鑄件進(jìn)行模擬，得到一系列包含孤立液相區(qū)信息的結(jié)果文件。然后，使用基于UG平臺開發(fā)的智能冒口設(shè)計CAD系統(tǒng)，進(jìn)行冒口尺寸的自動獲取，推薦尺寸為：大圓柱冒口尺寸為φ170mmxl70mm，小圓柱冒口φ130mmxl30 mm。完成冒口的建模后，加上澆注系統(tǒng)和鑄型，得到一個完整的鑄造工藝，如圖4所示。

　　圖4 鑄造工藝立體圖

　　4.1實(shí)驗(yàn)方案

　　為了驗(yàn)證設(shè)計結(jié)果是否合理，作者進(jìn)行了CAF模擬驗(yàn)證和實(shí)際澆注實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。作者針對上述圓柱鑄件，根據(jù)不同的安全級別設(shè)置了四組不同尺寸的冒口進(jìn)行澆注實(shí)驗(yàn)，并事先分別進(jìn)行了CAE模擬。實(shí)驗(yàn)方案如表2所示，其中方案二的冒口尺寸就是上述采用冒口智能優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計出來的推薦值，即大冒口φ170mmxl70mm、小冒口φ130mmxl30mm。鑄件材料為WCB，澆注初始溫度l560℃，鑄型材質(zhì)為水玻璃砂。

　　表2 實(shí)驗(yàn)方案

　　4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　針對上述每種實(shí)驗(yàn)方案造型、澆注、清理后，將鑄件沿著圓柱中間切開，再進(jìn)行顯影處理，效果如圖5-圖8所示。每個圖中左邊兩個剖視圖下面的橫線是鑄件和冒口的分界線，上面部分為冒口，從各圖可以看見剖面上的縮孔。右邊是模擬結(jié)果，圖中顯示的分別為縮松、縮孔。

　　圖5 方案一冒口的剖面圖及模擬結(jié)果圖(都無缺陷)

　　圖6 方案二冒口的剖面圖及模擬結(jié)果圖(都無缺陷)

　　圖7方案三冒口的剖面圖及模擬結(jié)果圖(有缺陷)

　　圖8 方案四冒口的刮面圖及模擬結(jié)果圖(有缺陷)

　　對比方案一、二、三、四，可以得到如下結(jié)論：①對比四種方案的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)圖片可以看出，模擬結(jié)果基本與實(shí)驗(yàn)吻合。②對比四種方案實(shí)驗(yàn)圖片可知：方案一的鑄件質(zhì)量沒有問題，但冒口過大，安全級別最高;方案二的冒口尺寸滿足鑄件補(bǔ)縮，且尺寸較小，安全級別較高;方案三中鑄件頂部有少量縮孔、縮松，安全級別較低;方案四中鑄件的縮孔比方案三要多，安全級別最低。③方案二完全能夠滿足初始化冒口的尺寸要求，這說明采用所開發(fā)的智能冒口優(yōu)化設(shè)計CAD系統(tǒng)設(shè)計出的冒口尺寸符合要求。

　　5結(jié)束語

　　本文介紹了基于孤立液相區(qū)的鑄鋼件智能冒口優(yōu)化設(shè)計CAD系統(tǒng)，通過CAD與CAE的耦合，將孤立液相區(qū)與冒口設(shè)計，特別是周界商法聯(lián)系在一起，在鑄件孤立液相區(qū)的基礎(chǔ)上結(jié)合周界商法，完成了鑄鋼件冒口工藝的自動優(yōu)化設(shè)計。通過澆注實(shí)驗(yàn)和CAD模擬驗(yàn)證，采用開發(fā)的智能冒口優(yōu)化設(shè)計CAD系統(tǒng)設(shè)計出的冒口尺寸符合要求，設(shè)計結(jié)果正確。該技術(shù)能提高設(shè)計效率，縮短試制周期，保證鑄件質(zhì)量及提高鑄件工藝出品率。