基于CAE分析的鑄鋼件冒口優(yōu)化技術(shù)探討

潘力輝

摘 要：隨著不斷完善計(jì)算機(jī)技術(shù)與鑄造CAE技術(shù)，鑄造模擬軟件越來越普遍地運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)中。當(dāng)前的市場競爭異常激烈，如果鑄造企業(yè)不能保證較低的生產(chǎn)成本并且提供質(zhì)量比同行業(yè)高的產(chǎn)品以及縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，那么極有可能面臨淘汰的局面。文章針對(duì)傳統(tǒng)鑄造工藝的缺點(diǎn)提出了一種新的自動(dòng)優(yōu)化鑄鋼件冒口的方法，該方法大大減少了工藝優(yōu)化的時(shí)間，是切實(shí)可行的。

關(guān)鍵詞：CAE分析；鑄鋼件冒口；優(yōu)化技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）24-0014-01

熔融金屬液是鑄型過程中所必須的，但是熔融金屬液通常在凝固的時(shí)候會(huì)伴隨有體積收縮的情況，因此理論上當(dāng)新注入金屬液時(shí)，部分金屬液會(huì)對(duì)收縮的體積進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)際上在澆注的過程中，由于金屬液不可能在一個(gè)時(shí)刻一起凝固住，因此已經(jīng)凝固好的金屬液就自然地隔離沒有凝固的金屬液，使得后面注入的金屬不能填由于充體積的收縮引起的小空隙，這些間隙就會(huì)形成孔洞，通常也稱為縮孔，該現(xiàn)象可以說是鑄造中經(jīng)常遇到的一個(gè)問題。若想有效彌補(bǔ)凝固過程中的收縮體積帶來的問題，一般情況下都是在鑄造的過程中人為增添冒口這樣的方式，來達(dá)到凝固的方向固定的目的，先后次序是從鑄件到冒口，并使最后凝固點(diǎn)在冒口附近，當(dāng)完成凝固工作之后，冒口就可以切除下來循環(huán)使用。因此我們可以明確整個(gè)鑄造過程的核心部分在于設(shè)計(jì)合理的冒口數(shù)目、位置、尺寸以及形狀等體系，如何使冒口體系在達(dá)到最優(yōu)時(shí)體積最小。

1 鑄鋼件冒口優(yōu)化的現(xiàn)狀

近幾年，鑄造模擬技術(shù)發(fā)展迅速，尤其是在工藝體系設(shè)計(jì)的評(píng)估方面的應(yīng)用，此外，該項(xiàng)技術(shù)對(duì)預(yù)測縮孔縮松缺陷也有顯著作用。從各個(gè)不同的角度來看，評(píng)判鑄造模型體系是否優(yōu)良，主要是看該體系能否接收用戶的設(shè)計(jì)方案之后給出分析結(jié)果，只有達(dá)到這個(gè)要求，才有可能成為一款能成功預(yù)估缺陷的軟件。當(dāng)分析的結(jié)果顯示出來時(shí)，用戶能夠很容易從結(jié)果中得出結(jié)論，而且有時(shí)通過分析結(jié)果能找到潛在缺陷所在位置，根據(jù)缺陷所在區(qū)域?qū)υO(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，優(yōu)化之后再仿真模擬一次，達(dá)到用戶所要的效果。但是當(dāng)前鑄造業(yè)中的試錯(cuò)機(jī)制正在變化，傳統(tǒng)方式慢慢被計(jì)算機(jī)替代；此外，設(shè)計(jì)者如果要運(yùn)行一次鑄造凝固的模擬，除了需掌握如CAE的軟件、創(chuàng)建凝固模型的方法外，還需了解冒口設(shè)計(jì)的理論知識(shí)等，而且用戶對(duì)冒口設(shè)計(jì)理論知識(shí)掌握的多少，往往決定了最終的設(shè)計(jì)方案的優(yōu)良程度，因?yàn)檫@些知識(shí)可以在整個(gè)過程中輔助分析各類情況?，F(xiàn)在全球基于數(shù)值冒口優(yōu)化設(shè)計(jì)方法已經(jīng)大量涌現(xiàn)，從表面上看這些研究工作都見證了冒口優(yōu)化設(shè)計(jì)的進(jìn)步，但實(shí)際情況是現(xiàn)在市面上還沒有一款能真正達(dá)到冒口自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)功能的軟件，或多或少受限于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。

冒口工藝發(fā)展迅速，出現(xiàn)在該領(lǐng)域的方法有將CAE、最優(yōu)化方法以及人工智能三者結(jié)合，這標(biāo)志著冒口設(shè)計(jì)正邁向自動(dòng)、智能化。在當(dāng)今科技和經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的年代，想要滿足客戶更多的需求，具有冒口工藝具有優(yōu)化功能的軟件，從而使得工藝人員便捷快速獲取冒口設(shè)計(jì)方案的鑄造的仿真結(jié)果，無疑是具有巨大優(yōu)勢(shì)的。

2 鑄造數(shù)值模擬中冒口優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展以及自動(dòng)優(yōu)

化的設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)值模擬中冒口優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展

數(shù)值模擬來實(shí)現(xiàn)冒口優(yōu)化的設(shè)計(jì)，最先是由美國的Finite Solutions Co.結(jié)合多變量優(yōu)化運(yùn)算，通過將鋼鑄件凝固過程模擬與工藝的優(yōu)化相結(jié)合，最先打開了計(jì)算機(jī)模擬效率提高的大門。這些年來，國外的許多針對(duì)冒口優(yōu)化功能的模擬軟件如雨后春筍般涌現(xiàn)。如熟悉的MAGMA軟件的一款子產(chǎn)品 Magmafrontier軟件，就是為冒口的自動(dòng)優(yōu)化而生，使得冒口設(shè)計(jì)過程的初步智能化得以實(shí)現(xiàn)。Z-Cast給出了一種冒口優(yōu)化的新方法，該方法通過其設(shè)計(jì)的模擬軟件獲得鋼鑄件缺陷，之后再人為從已創(chuàng)建的冒口庫選擇適當(dāng)?shù)拿翱冢又賹⑦x出的冒口優(yōu)化到最好，一步步達(dá)到對(duì)優(yōu)化工藝過程的重現(xiàn)的目的。

我國冒口優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的學(xué)者和專家對(duì)此作出的研究也有一定成效。李智深入研究了補(bǔ)縮的原理，闡述了傳統(tǒng)工藝的缺陷，采用粒子群算法，給出冒口優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案，其中的優(yōu)化指標(biāo)包含有冒口直徑、高度、頸直徑等尺寸。張丹不僅給出了數(shù)值模擬的結(jié)果，而且思維獨(dú)到，建立了從設(shè)計(jì)到分析，分析到優(yōu)化的完美體系。

2.2 自動(dòng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)

冒口的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)如何有效建立，首先創(chuàng)建合適的冒口模型是關(guān)鍵，然后如何跟遺傳優(yōu)化的算法結(jié)合應(yīng)用也是重中之重，這樣才能數(shù)學(xué)模型以及遺傳算法集成起來。對(duì)每個(gè)鑄件模塊一一進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化，得到優(yōu)化后的冒口，再對(duì)其造型，通過仿真軟件CAE進(jìn)行運(yùn)算，各項(xiàng)參數(shù)合格之后再將模擬的冒口進(jìn)行加工，在實(shí)際的澆注實(shí)驗(yàn)中對(duì)冒口進(jìn)行各項(xiàng)性能檢測，證明該體系建立的意義以及潛在的應(yīng)用價(jià)值。

3 鑄鋼件冒口注意事項(xiàng)

前文所述的鑄鋼件中最關(guān)鍵的問題，就是能讓冒口實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償凝固過程中的收縮體積，在冒口設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面。

①首先是冒口的凝固時(shí)間，不小于鋼鑄件被補(bǔ)縮處的收縮時(shí)間。

②冒口擁有的補(bǔ)縮量，不小于鋼鑄件的液態(tài)、凝固收縮以及型腔擴(kuò)大量三者總和。

③補(bǔ)縮過程，鑄件補(bǔ)縮處與冒口要留有通道。

④補(bǔ)縮的壓力要一直處于正壓狀態(tài)，才能讓補(bǔ)縮金屬液可以按照指定方向流到補(bǔ)縮處，并能排除流動(dòng)阻力的干擾。

⑤冒口與鋼鑄件連接處的處理也很關(guān)鍵，連接處的接觸熱節(jié)應(yīng)不能大于鋼鑄件幾何熱節(jié)，以免由于冒口的設(shè)計(jì)不當(dāng)，使鑄件凝固的時(shí)間延長。

4 結(jié) 語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷完善以及鑄造CAE和自動(dòng)化技術(shù)的深入發(fā)展，鑄造模擬軟件普遍應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，并且在應(yīng)用的過程中又慢慢對(duì)軟件進(jìn)行改進(jìn)和完善，使其更好的應(yīng)用于實(shí)際，趨于自動(dòng)化。本文在仿真計(jì)算出的結(jié)果輔助下，結(jié)合數(shù)值優(yōu)化算法以及形狀優(yōu)化方法，進(jìn)一步優(yōu)化鑄件的冒口。所開發(fā)的系統(tǒng)可以自動(dòng)對(duì)簡單鑄件進(jìn)行優(yōu)化與設(shè)計(jì)，為未來開發(fā)更為高級(jí)的鑄造智能優(yōu)化系統(tǒng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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