三維CAD/CAE／CAM技術在試驗轉輪葉片鑄造中的應用

2015-04-23 04:23:22王清宇矯勇劉忠仁

金屬加工(熱加工) 2015年17期

■ 王清宇，矯勇，劉忠仁

近年來，計算機鑄造工藝模擬軟件開始被大多數鑄造工廠所接受，應用這些軟件可以較為準確地預測各種鑄造缺陷，優化澆注系統設計，提高工藝出品率，有利于鑄造工藝的優化和鑄件的質量提高，是鑄造工藝由“經驗設計”走向“科學指導”的重要途徑，具有重大的實際意義。

一、三維CAD/CAE/CAM的現狀及使用

CAD是CAE、CAM的基礎，CAE、CAM服務于CAD。在CAE中無論是單個零件還是整機的有限元分析及機構的運動分析，都需要CAD為其造型、裝配；在CAM中，則需要CAD進行曲面設計、復雜零件造型和模具設計。CAD設計是否正確，可以通過CAE和CAM來發現，否則只能通過現實生產才能發現。

1. 鑄造過程CAD/CAM/CAE一體化

實現鑄造過程 CAD/CAE/CAM一體化的關鍵在于將CAD、CAM與CAE有機地聯系起來，而實現這種連結的基礎則基于統一的三維數據模型。鑄造CAD/CAE/CAM一體化的技術路線如圖1所示。

鑄造過程CAD/CAE/CAM一體化是將鑄造生產方式融入整個零件的設計、生產和裝配中。主要由以下幾步完成：

零件設計階段（鑄造工藝CAD/CAE）；鑄造毛坯工藝設計階段（鑄造工藝CAD）；鑄造工藝優化階段（CAD/CAE）；模具生產階段（鑄造工藝CAD/CAM）；零件加工階段（鑄造工藝CAD/加工工藝CAM）。

傳統鑄造過程與應用鑄造過程 CAD/CAE/CAM技術后的鑄造過程對比分析如圖2所示，CAD/CAE/CAM的應用大幅縮減了鑄造過程循環。

2. 鑄造過程CAD/CAE/CAM技術應用的經濟效益

鑄造過程CAD/CAE/CAM技術的重大意義在于能大幅提高設計合理性、加工制造的速度和精度，從而改善產品結構和產品質量，減少了產品結構不合理造成的鑄造問題，提高工藝出品率和成品率，將大幅縮短設計和修改的周期，降低成本，提高經濟效益。因此，鑄造業應適時開展鑄造過程 CAD/CAE/CAM技術應用，跟上現代工業的發展步伐。據調查，鑄造過程 CAD/CAE/CAM技術有以下幾個方面的經濟效益。

圖1 鑄造 CAD/CAE/CAM一體化流程

（1）減少零件結構再設計問題，避免結構性鑄造缺陷。

（2）顯著提高工藝設計水平及工藝文件的編制效益，一般可提高功效10～20倍。

（3）使工藝參數選取與計算更趨于正確可靠。

（4）明顯提高鑄造工藝出品率及鑄造合金的利用率。

從鑄造生產的全局來看，采用鑄造過程 CAD/CAE/CAM技術后，鑄件重量平均減少10%，模樣制作時間縮短25%，成本降低10%以上。

二、轉輪葉片三維CAD/CAE/CAM應用實例

以往銅葉片鑄件在試驗車間加工后，發現鑄件存在局部夾雜、縮松和氣孔，這些缺陷大都在鑄件澆注和凝固過程中形成，因而比較精確地再現鑄件的充型和凝固過程，對鑄件缺陷的預測顯得極為重要。

以往的工藝流程為：葉片理論型線（水輪機）→鑄件模樣（試驗車間）→鑄造工藝設計（熱加工）→鑄件生產（熱加工）→葉片加工（試驗車間）。由于涉及到理論型線數據的保密問題，熱加工部門在鑄造工藝設計和鑄件生產時一直是使用試驗車間制作的鑄件模樣實物進行的，是實物“翻”實物的做法，由于不能精確測量“實物”的詳細尺寸，所以不能全面、詳細地掌握鑄件的尺寸和結構，當然也就無法建立鑄件的三維實體模型。若只靠鑄造工藝員對實物的測量和經驗來制訂鑄造工藝，就會出現圖2a中的多次循環往復過程，對保證鑄件質量和生產周期均較為不利。經過我公司事業部與研究所的溝通與協商，重新確定了工藝流程。

1. 葉片鑄件設計與三維建模

鑄件設計階段：加工工藝在葉片水力模型（三維實體）的基礎上增加工藝卡頭加工余量等結構和參數，初步確定了鑄件的三維結構；鑄造工藝通過初步的鑄造CAE模擬結果來優化零件結構，保證在零件滿足功能的前提下，確保零件結構有利于鑄造生產和保證零件的鑄造質量。

2. 鑄造工藝設計

鑄造工藝設計階段：零件確定后，通過鑄造 CAD確認加工余量，設定鑄件的變形量，計算冒口大小、冷鐵面積、澆注系統、模數，以及鑄件和砂型總重等工藝參數計算，初步確定鑄造工藝。

3. 鑄造工藝優化

鑄造工藝優化階段：通過鑄造CAE進行鑄造過程的模擬。根據實際生產狀況設定工藝參數：如砂箱尺寸、鑄件在砂型中的位置、澆注及補縮系統、澆注溫度、鑄件材質、砂型材質及涂料材質等，進而模擬鑄造的充型、凝固過程，預測鑄件各處溫度、鑄型溫度的變化，鑄件（包含澆注及補縮系統）應力的變化及鑄件成分和組織變化，預測鑄件澆不足、卷氣、縮孔、縮松等缺陷，對鑄造過程中所涉及的工藝參數和工藝方案做出評價，通過一次或多次修改工藝和工藝模擬，最后確定鑄造工藝，如圖3～圖6所示。

通過對比以上幾個方案，可以看出：圖3中由于鑄件的澆注位置使得鑄件處于“兩頭厚，中間薄”的狀態，模擬結果中部出現了缺陷；圖4中由于鑄件側立后，鑄件處于“兩頭厚，中間薄”的狀態，故而設計了2個冒口，這樣雖然進行了補縮，但是冒口根部較厚，不利于射線檢測、鑄件清理、機械加工及砂型制作；圖5是根據圖4中的模擬結果進一步改進鑄件冒口結構，使得便于造型。缺陷出現在加工卡頭上，不影響葉片本體質量。圖6是根據圖5中的模擬結果進一步改進鑄件結構，使之利于鑄件清理和機械加工。