计算机模拟在压铸技术中的应用现状分析

摘要：传统压铸技术生产的铸件存在不能热处理等缺陷，开发新的成型技术势在必行。从模拟软件、理论基础和应用现状三方面总结了计算机模拟在铸造成型方面的应用。

关键词：压铸；计算机模拟；软件

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：1672-7800（2013）001-0117-02

0引言

压铸成型过程是在高压下，将熔融态合金以较高的速度充填到模具型腔，并在压力作用下结晶凝固以获得铸件。了解并控制成型过程对获得良好铸件质量至关重要。长期以来对这个复杂过程的认知是建立在大量实验基础上的经验准则。随着计算机及相关科学的发展，计算机模拟技术在压铸生产中的应用越来越受到关注。

压铸理论的研究途径不外乎传统的试错法等试验研究法和计算机模拟仿真法。相比之下，计算机模拟不但可以帮助人们掌握铸造缺陷的形成机理，优化铸造工艺参数，确保铸件的质量，而且能缩短试制周期，降低生产成本。近年来，计算机模拟有了长足发展，其在压铸技术方面的应用越来越受到人们的关注，在模拟软件的开发及其应用方面也有较多的研究。

1模拟软件

铸造模拟软件作为一个系统分析软件，在铸造成型技术方面有广阔的应用前景。开发此类软件的国家主要有美国、德国、法国、日本等工业国家，近10年来，我国在这方面的研究也取得了一定成果。

美国流体科学公司研发的FLOW3D是一款三维流体动力学和传热学分析软件，主要分析充型过程中金属流体的速度场、压力场、温度场、自由表面变化以及铸型的温度场；精确描述凝固过程、计算冷却或加热通道的位置以及加热冒口的适应，给出用宏观变量温度梯度、凝固速度和凝固时间表达的微观缩松准则函数，预测可能发生缩松、缩孔缺陷的主要位置。该软件能分析多种金属的多种铸造过程，已有用于镁合金压铸生产的例子。法国ESI公司开发的ProCAST铸造过程模拟软件，除了能进行流场、温度场的模拟外，还能进行热应力模拟、微观结构模拟，通过设置不同的参数，可以模拟多种铸造工艺，包括砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、低压铸造、压力铸造等。德国MAGMA公司研究开发的MAGMASOFT软件能分析压铸过程的传热和流体的物理行为，凝固过程中的应力及应变，微观组织的形成，可以准确地预测铸件缺陷。该软件可以模拟多种金属的常见铸造工艺过程，并能模拟压铸过程的应力应变。此外还有法国的SIMULOR、芬兰的CASTCAE、西班牙的FORCAST、瑞典NOVACAST、日本的CASTEM和JSCAST、韩国的AnyCAST等软件。从功能上看，这些软件可以对压铸等多种工艺进行温度场、流场、应力场的数值模拟，也可以预测铸件的缩孔、缩松、裂纹等缺陷以及铸件各部位的组织。

在国内，北京中铸创业科技有限公司的HZCAE/InteCAST软件，以充型过程、凝固过程数值模拟技术为核心，对铸件进行铸造工艺分析，主要分析冷却凝固过程、流动充型过程、充型换热耦合过程；能预测夹渣、卷气、冷隔、浇不足、缩孔、缩松等缺陷。可用来分析铸钢、球铁、灰铁、铸铝、铸铜、铸镁等各种铸造合金的金属型、精铸、低压铸造、压铸等。北京北方恒力科技发展有限公司开发的CASTsoft/CAE软件集三维造型文件接口、有限差分网络自动剖分、铸造过程仿真、铸造缺陷预测、热应力计算、工艺优化及结果显示为一体，对铸件形成过程中的流场、温度场、热应力场进行模拟，预测铸造缺陷。该软件用于铸钢、铸铁和有色金属的差压铸造、低压铸造、金属型铸造和精密铸造等。华中科技大学研究开发的“华铸CAE”铸造工艺分析软件，以铸件充型、凝固过程数值模拟技术为核心，对铸件的成型过程进行工艺分析和质量预测，适用多种铸造合金和铸造方法。国内软件在镁合金压力铸造方面应用较少，这与国内镁合金及镁合金压铸技术起步晚有一定关系。

2模拟数学物理模型

常用的数值模拟算法有有限差分法（FDM）、直接差分法（DFDM）、控制体积法（VEM）、有限元法（FEM）和边界元法（BEM）等，目前涌现出了无单元法（EFM）、并行计算技术等。这些算法中，以有限差分法和有限元法应用较多。

铸造充型模拟过程中，将金属液看作不可压缩的流体，其流动服从质量和动量守恒，其数学形式是连续性方程和Navierstocks方程，压铸件充型过程中金属液的流动通常是紊流流动，常用涡粘性模式中的kε双方程模型来描述充型过程的紊流现象。凝固过程包括热量传递、动量传输、质量传输和相变等一系列过程的耦合，由于压铸生产的时间短，一般只计算温度场。在温度场计算中对结晶潜热有不同的处理方法，常用的有温度回升法、等效比热和热焓法，Procast软件采用的是热焓法。

3数值模拟研究方向

目前，对压铸过程的数值模拟研究主要有：模具与压铸件的温度场、型腔充型过程的流场、模具与压铸件应力场，凝固过程微观组织等，这些模拟对优化工艺参数，合理设计浇注和排溢系统，预测铸件缺陷，提高压铸件力学性能有一定的指导意义。但未形成有普遍指导意义的规律或准则；另外，针对特种合金的新压铸技术模拟研究的报告较少，可以开展这方面的工作以促进镁合金新压铸技术的发展。

4结语

计算机模拟为直观了解压铸过程的规律和理论提供了便利，随着计算机和信息技术的发展，产品设计、性能分析、制造和生产管理等的关系越来越密切，这对软件的集成化要求越发显得重要。因此，软件开发既可以走大集成化的路子，也可以走小集成化多接口的路子；模拟镁合金压铸成型并得到有普遍意义的结论对镁合金压铸成型的研究有重要价值。

参考文献：

[1]杨亚杰.铸造模拟软件PROCAST[J].CAD/CAM与制造信息，2004（6）.

[2]柳百成，荆涛.铸造工程的模拟仿真与质量控制[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3]李世宁.大型薄壁件充型过程数值模拟[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2002.

[4]YCHENYIM.Threedimensionalfiniteelementanalysiswithphasechangebytemperaturerecoverymethod[J].InternationalJournalofmachinetoolsmanufacturing，1991（1）.

[5]陈海青.铸件凝固过程数值模拟[M].重庆：重庆大学出版社，1991.

[6]FJBRADLEY.Astereologicalformulationforthesourceterminmicromodelsofequiaxedeutecticsolidification.

[7]谭建荣，吴培宁，张树有.压铸件铸造缺陷的计算机模拟[J].中国机械工程，2003（5）.

[8]于彦东，马秋，徐云龙.镁合金压铸件凝固过程计算机模拟[J].热加工技术，2005（12）.

[9]李朝霞，刘文辉，熊守美.镁合金压铸用模具的应力场和变形数值模拟[J].铸造，2004（6）.

[10]李朝霞，刘文辉，熊守美.镁合金压铸用模具温度场分布的研究[J].铸造，2003（6）.

[11]马秋，于彦东，赵康培.镁合金压铸件充型过程的数值模拟技术研究[J].哈尔滨理工大学学报，2004（4）.

[12]王武，袁森，熊爱华.镁合金半固态成形技术的研究现状及发展[J].铸造技术，2004（6）.

[13]赵康培，于彦东.镁合金通讯件压铸模浇注系统的设计与充型模拟[J].哈尔滨理工大学学报，2003（6）.

[14]庄一强，马晓春.基于数值模拟的镁合金仪表盖浇注系统的设计与优化[J].特种铸造及有色合金，2010（10）.

[15]徐绍勇，龙思远，廖慧敏.压铸镁合金摩托车轮毂缺陷分析及工艺改进措施[J].热加工工艺，2010（2）.

[16]常青梅，龙思远，曹韩学.压铸镁合金轮状产品的结构优化设计[J].特种铸造及有色合金，2010（3）.

[17]何毅，曹文炅，周照耀，等.薄板镁合金压铸件热变形数值模拟及工艺对比[J].热加工工艺，2010（2）.

[18]郑金星，王成勇，刘全坤.基于准固相区多场仿真的镁合金压铸件热裂成因分析[J].特种铸造及有色合金，2010（9）.

[19]黄昕，闫洪.镁基复合材料流变压铸数值模拟[J].铸造，2010（10）.

[20]常庆明，栗晨星，王涛.半固态镁合金压铸充型过程的数值模拟研究[J].武汉科技大学学报，2010（5）.

[21]张立强，李落星，朱必武.基于数值模拟的铝合金薄壁件金属型低压铸造工艺设计[J].铸造技术，2008（9）.