CAE技術在模具設計與制造實驗課程中的應用

張曉光，王宏祥

（遼寧工業大學機械工程與自動化學院，遼寧錦州121001）

0 引 言

模具設計與制造課程是機械專業培養計劃里的專業課，它主要介紹沖壓模具、塑料模具、熔模鑄造模具設計以及制造的基本概念、基礎理論以及實際設計時應注意的問題，為在今后的模具設計實踐中應用這些方法打下堅實基礎。通過模具設計與制造課程的學習，培養學生具有分析問題和解決問題的實際工作能力和基本設計軟件的操作使用方法。模具設計與制造課程為了全面推廣應用CAD/CAM/CAE技術，在原有實驗的基礎上調整學時和內容，增加了熔模鑄造模具設計與熔模鑄造CAE模擬分析實驗，目的是為了使機械專業學生對于熔模鑄造過程、熔模模具設計和熔模鑄造CAE分析得到更深入的學習，并且使學生了解CAE技術與在熔模鑄造工藝上的應用［1～5］。

1 CAE仿真分析實驗

模具設計與制造課程是機械設計制造及其自動化專業指選課，該課程共32學時，其中理論22學時，實驗部分10學時，實驗內容及學時分配如表1所示。

表1 模具設計與制造實驗內容及學時分配表

為了將CAD/CAE技術與熔模鑄造模具設計實驗結合起來，在原有的模具設計與制造課內實驗的基礎上，修改部分實驗內容為熔模鑄造模具設計與熔模鑄造CAE模擬分析實驗。將針對實驗1和實驗3的內容暫時不做修改，只對實驗2的內容進行調整，拆裝部分由于實驗1的內容包含相關內容，原來實驗2拆裝部分可以利用理論學時時間通過動畫的方式進行講解，實驗類型由原來的驗證性調整為設計性實驗，4學時一起上，這樣能保證實驗結果的連續性，具體實驗內容及學時分配如表2所示。

表2 調整后的實驗2內容及學時分配表

在熔模模具設計和CAE模擬分析實驗中，全部為上機操作，利用鑄造仿真CAE軟件（ProCAST）進行澆注過程的模擬分析，通過改進澆注系統結構、改進澆注工藝參數得到最優的澆注工藝，對于提高學生的模具CAD/CAE設計能力、軟件操作能力和解決實際工程技術問題具有重要意義［6～10］。

2 實驗分析過程

2.1 ProCAST軟件模擬分析簡介

ProCAST軟件是由美國UES（Universal Energy System）公司開發的鑄造過程的模擬軟件，采用基于有限元（FEM）的數值計算和綜合求解的方法，對鑄件充型、凝固和冷卻過程等提供模擬，提供了很多模塊和工程工具來滿足鑄造工業最富挑戰的需求［11］。

2.2 實驗模型選擇

實驗模型為合金鋼連接件結構一般復雜，其外形尺寸為50 mm×50 mm×100 mm，整個鑄件的平均壁厚為9 mm，鑄件壁厚均勻，材料成分分別為：C 0.19%～ 0.31%，Si 0.20% ～0.40%，P 0 ～ 0.029%，Mn 0.59% ～0.96%，Cr 0.39% ～0.69%，S 0 ～0.029%，Ni 0.19% ～ 0.69%，Mo 0.19% ～ 0.29%，Cu 0 ～0.25%。

利用Pro/E軟件的模具模塊進行熔模鑄造開模設計，如圖1所示。鑄件整體結構不規則，由圓形面、類似矩形面、管道組成，采用Pro/E軟件構建連接件澆注系統三維立體模型［12］，熔模鑄件澆注系統如圖2所示。

圖1 連接件Pro/E開模圖

圖2 Pro/E澆注系統圖

2.3 仿真實驗初始參數

在利用ProCAST進行澆注仿真前，首先要根據實驗鑄件進行查表，確定其初始仿真數據，材料成分可以通過軟件自帶的材料庫進行選擇，型殼屬性、重力加速度采用經驗數據確定，除此通過鑄造工藝手冊確定澆注溫度、澆注速度、澆注時間、換熱系數等［13］。

2.4 實驗仿真項目確定

在ProCAST中模擬參數設置結束后，接下來對鑄件澆注過程進行模擬，分析過程中要得到以下幾個實驗數據：①記錄不同時刻充型過程中流場的模擬圖形，不同零件、不同形式的澆注系統澆注時間有所差別，第1個截取的時間點為澆注開始，金屬液剛剛進入主流道時刻，大約時間0.5 s，第2個截取的時間點為金屬液澆注完成一半的時間，大約時間2 s，第3截取的時間點為澆注完成，大約為4 s左右；②凝固過程中溫度場的變化，這一階段需要注意的是時間記錄從完成澆注開始計時，第1個截取的時間點為剛開始凝固，大約時間4.5 s，第2個截取的時間點為金屬液凝固完成一半的時間，這個時間較長，具體時間要根據凝固百分比來確定，第3截取的時間點為凝固完成，當凝固百分比達到100%時截取數據；③在仿真澆注過程中鑄件內部缺陷分布情況，需調整缺陷清晰出現在非鑄件內，或在鑄件內的缺陷百分比在許可的范圍內即可。

3 澆注參數優化實驗

3.1 優化實驗參數

在鑄件澆注過程中，根據初始參數進行澆注系統的模擬分析，發現在鑄件內部總會出現縮孔縮松的現象，接下來要根據鑄件成形過程中主要的影響因素進一步分析，本實驗主要對型殼預熱溫度、澆注溫度和澆注速度3個因素影響比較顯著的參數根據正交試驗的方法分析。

型殼的預熱溫度一般在1 000℃左右，對于連接件的結構內部較復雜，并且屬于薄壁的小零件，應適當提高預熱溫度50～100℃，合金鋼鑄件在澆注過程中的澆注溫度要根據合金的液相線溫度來確定，通過查表得知要比合金液相線溫度高出50～100℃，澆注速度要結合實習工廠實際的澆注速度來確定。

3.2 模擬澆注正交實驗

三個優化參數確定之后，可以分別在一定的范圍內調整數據，得到3個澆注溫度數值，3個澆注速度數值，3個型殼預熱溫度數值，如表3所示。

根據正交實驗因素表，得到9組澆注仿真數據，針對這9組數據利用pro/E重新建立有限元模型，輸入相應的參數分別進行模擬，得到的縮松縮孔值填入實驗報告上［14-16］。

3.3 最優實驗方案

根據正交實驗法中的數據可以進一步利用極差法優化，得到最優工藝參數組為A3B3C1，即澆注溫度1 430℃，澆注速度352 mm/s，型殼預熱溫度995℃，充型時間3.565 s，縮孔率0.570%。

利用實驗軟件ProCAST做出澆注參數最優方案的充型狀態、凝固狀態圖及缺陷圖，把實驗結果記錄在實驗報告上。

4 熔模鑄造實驗

為了進一步驗證實驗仿真結果的正確性，經過實習工廠的實際鑄造，連接件鑄件質量檢測符合要求。連接件鑄件如圖3所示。

5 結 語

模具設計與制造課程的實驗教學內容應隨著機械行業的發展進行隨時調整，教學模式的研究對于任何一門課程來說都是非常重要的。本文通過課程內容的改革，可以達到以下教學效果：

（1）通過模具設計與制造課程理論和實驗學時的調整，使學生充分了解更加豐富的模具設計與制造發展的動向。

（2）實驗學時調整熔模鑄造上機內容，把原來熔模鑄造模具拆裝部分改由理論學時完成。

（3）對原有的實驗二內容進行調整，將CAE技術融入到實驗教學中，運用ProCAST軟件優化鑄造工藝參數，準確地預測鑄件的縮松縮孔情況，指導鑄造實驗，并獲得預期的實驗效果，提高學生對模具的感性認識，這對于提高學生的實驗操作和提高學生的工程能力具有重要意義。