鑄造模擬技術(shù)對鑄造專業(yè)教學(xué)改革的應(yīng)用研究

孟保戰(zhàn)（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安　710302）

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·教學(xué)研究·

鑄造模擬技術(shù)對鑄造專業(yè)教學(xué)改革的應(yīng)用研究

孟保戰(zhàn)
（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安710302）

摘要：通過對鑄造模擬技術(shù)及專業(yè)軟件ProCAST的介紹，結(jié)合實(shí)際鑄件的模擬過程分析演示，直觀的展示了鑄造模擬技術(shù)的基本特點(diǎn)及應(yīng)用。討論了鑄造模擬技術(shù)在專業(yè)教學(xué)中的意義。

關(guān)鍵詞：鑄造模擬；ProCAST；教學(xué)

鑄造過程數(shù)值模擬技術(shù)是通過對鑄件成型系統(tǒng)即鑄件、型芯、鑄型等物理模型進(jìn)行幾何上的有限離散，計(jì)算分析鑄造過程中流場、溫度場、應(yīng)力場的變化，結(jié)合鑄造過程中缺陷的形成判據(jù)來進(jìn)行鑄件質(zhì)量預(yù)測。通過鑄件凝固組織數(shù)值模擬，在減少工作量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對鑄件凝固微觀組織形成及機(jī)械性能的預(yù)測，從而得到主要工藝參數(shù)對鑄件凝固組織影響的關(guān)系，為鑄件工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制提供相應(yīng)的理論依據(jù)[1-3]。

鑄造充型過程的數(shù)值模擬仿真起步于20世紀(jì)80年代，臺灣學(xué)者黃文星與R.A.Stoehr教授在美國匹茲堡大學(xué)一同首次將流體力學(xué)計(jì)算的研究成果應(yīng)用于鑄造方面，運(yùn)用MAC法計(jì)算了平板鑄件的充型過程，從此充型過程數(shù)值模擬開始蓬勃發(fā)展及應(yīng)用[4、5]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，鑄造模擬技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用，同時出現(xiàn)了越來越多的商品化模擬軟件，例如：德國的MAGMA、法國ESI公司的ProCAST、瑞典的NovaCast、韓國的Anycasting等。此類軟件已經(jīng)在生產(chǎn)實(shí)際中得到應(yīng)用，并在企業(yè)的鑄造生產(chǎn)過程中發(fā)揮了一定的作用。

本文通過對模擬軟件ProCAST的應(yīng)用介紹，結(jié)合高等院校在鑄造專業(yè)教學(xué)、人才培養(yǎng)模式，對鑄造模擬技術(shù)在專業(yè)教學(xué)中的重要意義進(jìn)行探討。

1　ProCAST簡介

ProCAST是USE公司開發(fā)的一款專業(yè)的鑄造模擬軟件。軟件主要采用有限元（FEM）算法，通過綜合求解對鑄造過程中的充型、凝固和冷卻等提供模擬。它能夠進(jìn)行傳熱、充型、熱場耦合應(yīng)力方面的計(jì)算并對微觀組織及縮孔縮松進(jìn)行預(yù)測。ProCAST可用于多種鑄造工藝模擬，例如：砂型鑄造、半固態(tài)成形、離心鑄造、消失模鑄造、壓鑄、低壓鑄造、連續(xù)鑄造等。其主要特點(diǎn)有以下幾個方面[6-8]：

1）軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠適用于任何鑄造過程的模擬；

2）采用有限元算法，無需與第三方軟件進(jìn)行耦合計(jì)算，便可獲得高精度的模擬結(jié)果；

3）在薄壁鑄件模擬方面更具優(yōu)勢，處理流動問題能力突出。

4）CAD/CAE集成度高，通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式能讀取多數(shù)主流軟件數(shù)據(jù)，幾何修復(fù)功能強(qiáng)大；

5）操作界面工程化，大幅提高使用者操作效率。

ProCAST可對鑄造過程的流動-傳熱-應(yīng)力耦合作出分析計(jì)算。通過多個模塊可以進(jìn)行縮孔、沖砂、裂紋等常見鑄造問題分析；模擬鑄件生產(chǎn)過程中潛在的問題，為鑄造技術(shù)人員提供可視化的途徑來研究整個過程，使其能夠看到型腔內(nèi)發(fā)生各種變化，從而進(jìn)行新方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2　鑄造模擬過程實(shí)例演示

通過三維制圖軟件Pro/E進(jìn)行鑄件模型建立，輸出為igs格式后導(dǎo)入ProCAST軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分、計(jì)算參數(shù)設(shè)置、模擬計(jì)算等過程后，采用后處理模塊ViewCAST來觀察結(jié)果。圖1是某鈦合金零件熔模鑄造過程，為減輕模擬計(jì)算量，因此采用1/4模型進(jìn)行演示。

圖1中給出了鑄件從澆鑄0.18 s到0.77 s的充型過程及金屬液溫度變化。從圖中可以直觀、明顯地看到從澆鑄開始到充型完成整個過程。由于零件較小，充型過程幾乎在很短的瞬間就得以完成。隨著澆鑄時間的變化，可以看到大部分金屬液首先通過澆道系統(tǒng)進(jìn)入最底層的鑄件型腔，隨后逐層進(jìn)行充型；底部型腔最先完成充型，頂部型腔則最后完成充型。通過整個過程可以看到，由于不斷有金屬液澆鑄，澆道系統(tǒng)中的金屬液溫度始終最高；而充型過程中與模殼接觸的金屬液溫度則有所下降。

圖1　 鑄件充型過程

圖2是鑄件完成充型后凝固時的溫度場變化。通過鑄件從澆鑄0.78 s到21 s之間的溫度變化可以看到，隨著充型過程結(jié)束，鑄件進(jìn)入凝固過程，各部分的溫度開始發(fā)生變化。通過圖2中溫度變化可以看到，鑄件外表面與模殼接觸的尖角部分溫度下降最快，依次是鑄件中心部位，最后是澆道系統(tǒng)。從溫度場的變化可以直觀的看到鑄件在凝固過程中各個部分的凝固順序，對實(shí)際鑄件工藝設(shè)計(jì)可以提供數(shù)據(jù)支持。

圖2　 充型完成后的溫度場變化

圖3是模擬計(jì)算后的鑄件缺陷判定。當(dāng)整個模擬計(jì)算完成后，可以得到大量的鑄造過程數(shù)據(jù)，其中鑄件缺陷判定就是極為重要的一部分。前面通過充型過程、溫度場變化能夠看到鑄件形成的過程；缺陷判定則可以發(fā)現(xiàn)鑄件成型后，可能存在的缺陷及缺陷位置。圖中紫色斑點(diǎn)位置，就是鑄件存在的縮孔缺陷；通過對缺陷及其位置的直觀信息反饋，說明該鑄件需要進(jìn)行鑄造工藝改進(jìn)，以避免實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)缺陷造成不合格品。

3　鑄造模擬對專業(yè)教學(xué)的意義

當(dāng)前鑄造專業(yè)教學(xué)主要以課堂理論學(xué)習(xí)、鑄造工藝實(shí)驗(yàn)及工廠實(shí)習(xí)三部分組成。通過基礎(chǔ)理論及專業(yè)理論學(xué)習(xí)，使得學(xué)生能夠明確掌握液態(tài)金屬的性質(zhì)、充型能力、凝固過程、結(jié)晶和收縮等基本規(guī)律；對鑄件形成各階段的實(shí)質(zhì)、特點(diǎn)、內(nèi)在聯(lián)系、半生現(xiàn)象的形成機(jī)理及影響因素等有深入的理解，能針對防止各種鑄造缺陷的產(chǎn)生、提高鑄件質(zhì)量等問題提出改進(jìn)工藝[9、10]。鑄造工藝實(shí)驗(yàn)主要是通過實(shí)驗(yàn)室各種實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握型砂性能及測試方法、學(xué)會調(diào)整和控制型砂性能、了解澆道模型及設(shè)計(jì)的基本原則等，工藝試驗(yàn)主要通過實(shí)驗(yàn)的方式加深學(xué)生對理論知識的理解。工廠實(shí)習(xí)則是通過實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場學(xué)習(xí)進(jìn)一步展現(xiàn)所學(xué)知識的實(shí)際應(yīng)用。

圖3　鑄件缺陷

在鑄造專業(yè)教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中，理論學(xué)習(xí)較為晦澀，工藝試驗(yàn)和實(shí)習(xí)依然無法對鑄造型腔中金屬液的流動充型、凝固、缺陷形成等過程進(jìn)行視覺上的直觀展示。鑄造模擬技術(shù)的發(fā)展就為鑄造過程的直觀展示提供了可能，通過為學(xué)生提供鑄造過程的演示，來加深該專業(yè)學(xué)生對鑄造過程的認(rèn)識，提高對專業(yè)知識的理解。

以往傳統(tǒng)鑄造往往是給人以環(huán)境臟、污染重的印象；然而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展、綠色鑄造概念的提出，越來越多的企業(yè)進(jìn)行了技術(shù)升級、加大計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，鑄造模擬技術(shù)一方面可以大大縮短鑄造工藝設(shè)計(jì)、試制周期，提高生產(chǎn)效率；另一方面可以提高產(chǎn)品的成品率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭力。采用鑄造模擬技術(shù)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，能夠以可視化的方式展示鑄件產(chǎn)品的模擬澆鑄過程，提前對生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題作出預(yù)判，為實(shí)際生產(chǎn)提供前瞻性的技術(shù)支持。

從傳統(tǒng)鑄造專業(yè)教學(xué)過程、鑄造模擬技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用、企業(yè)發(fā)展的需要等方面綜合來看，鑄造模擬技術(shù)能夠促進(jìn)鑄造專業(yè)教學(xué)的信息化發(fā)展、提高學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)能力、拓展學(xué)生的專業(yè)理論認(rèn)知水平、增強(qiáng)學(xué)生在未來企業(yè)中工作的適應(yīng)性。因此，鑄造模擬技術(shù)在專業(yè)教學(xué)中有非常重要的意義，該技術(shù)在教學(xué)中的引入能使專業(yè)知識可視化，引導(dǎo)并擴(kuò)大學(xué)生的視野，使其在校學(xué)習(xí)過程中不斷接觸到實(shí)際應(yīng)用的新技術(shù)，提高學(xué)生綜合能力，更好地適應(yīng)專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。

4　結(jié)束語

通過對鑄造模擬技術(shù)及專業(yè)軟件ProCAST的介紹，結(jié)合實(shí)際鑄件的模擬過程分析演示，直觀地展示了鑄造模擬技術(shù)的基本特點(diǎn)及應(yīng)用。通過計(jì)算機(jī)模擬，為學(xué)生提供鑄造過程的演示，可以加深學(xué)生對鑄造過程的認(rèn)識，提高對專業(yè)知識的理解和掌握，引導(dǎo)并擴(kuò)大學(xué)生的視野，對學(xué)生專業(yè)綜合能力培養(yǎng)起到了積極的促進(jìn)作用。隨著教學(xué)改革的深入與計(jì)算機(jī)在高校的普及，鑄造模擬技術(shù)在專業(yè)教學(xué)中將越來越廣泛地被應(yīng)用。

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中圖分類號：TG245

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-6694（2016）01-0047-03

doi：10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.01.015

收稿日期：2015-06-19

作者簡介：孟保戰(zhàn)（1980-），男，陜西咸陽人，大學(xué)本科，主要研究方向：實(shí)體造型及測量技術(shù)。

Application Research of Casting Simulation Technology on Professional Teaching Reform

MENG Bao-zhan
（Shanxi Institute of Technology，Xi＇an Shanxi 710302，China）

Abstrct：In this paper，the casting simulation technology and the professional software ProCAST were introduced，the basic characteristics of casting simulation technology and application were shown by the actual casting process simulation analysis demonstration，the significance of casting simulation technology on professional teaching was discussed.

Keywords：casting simulation，ProCAST，teaching