CAE技術(shù)在模具設(shè)計與制造實驗課程中的應(yīng)用

張曉光，王宏祥

（遼寧工業(yè)大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，遼寧錦州121001）

0 引 言

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

1 CAE仿真分析實驗

模具設(shè)計與制造課程是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)指選課，該課程共32學(xué)時，其中理論22學(xué)時，實驗部分10學(xué)時，實驗內(nèi)容及學(xué)時分配如表1所示。

表1 模具設(shè)計與制造實驗內(nèi)容及學(xué)時分配表

為了將CAD/CAE技術(shù)與熔模鑄造模具設(shè)計實驗結(jié)合起來，在原有的模具設(shè)計與制造課內(nèi)實驗的基礎(chǔ)上，修改部分實驗內(nèi)容為熔模鑄造模具設(shè)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(nèi)容暫時不做修改，只對實驗2的內(nèi)容進行調(diào)整，拆裝部分由于實驗1的內(nèi)容包含相關(guān)內(nèi)容，原來實驗2拆裝部分可以利用理論學(xué)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(diào)整為設(shè)計性實驗，4學(xué)時一起上，這樣能保證實驗結(jié)果的連續(xù)性，具體實驗內(nèi)容及學(xué)時分配如表2所示。

表2 調(diào)整后的實驗2內(nèi)容及學(xué)時分配表

在熔模模具設(shè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)、改進澆注工藝參數(shù)得到最優(yōu)的澆注工藝，對于提高學(xué)生的模具CAD/CAE設(shè)計能力、軟件操作能力和解決實際工程技術(shù)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(fā)的鑄造過程的模擬軟件，采用基于有限元（FEM）的數(shù)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(yè)最富挑戰(zhàn)的需求［11］。

2.2 實驗?zāi)Ｐ瓦x擇

實驗?zāi)Ｐ蜑楹辖痄撨B接件結(jié)構(gòu)一般復(fù)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(shè)計，如圖1所示。鑄件整體結(jié)構(gòu)不規(guī)則，由圓形面、類似矩形面、管道組成，采用Pro/E軟件構(gòu)建連接件澆注系統(tǒng)三維立體模型［12］，熔模鑄件澆注系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 連接件Pro/E開模圖

圖2 Pro/E澆注系統(tǒng)圖

2.3 仿真實驗初始參數(shù)

在利用ProCAST進行澆注仿真前，首先要根據(jù)實驗鑄件進行查表，確定其初始仿真數(shù)據(jù)，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(jīng)驗數(shù)據(jù)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(shù)等［13］。

2.4 實驗仿真項目確定

在ProCAST中模擬參數(shù)設(shè)置結(jié)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(shù)據(jù)：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(tǒng)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(jù)凝固百分比來確定，第3截取的時間點為凝固完成，當(dāng)凝固百分比達到100%時截取數(shù)據(jù)；③在仿真澆注過程中鑄件內(nèi)部缺陷分布情況，需調(diào)整缺陷清晰出現(xiàn)在非鑄件內(nèi)，或在鑄件內(nèi)的缺陷百分比在許可的范圍內(nèi)即可。

3 澆注參數(shù)優(yōu)化實驗

3.1 優(yōu)化實驗參數(shù)

在鑄件澆注過程中，根據(jù)初始參數(shù)進行澆注系統(tǒng)的模擬分析，發(fā)現(xiàn)在鑄件內(nèi)部總會出現(xiàn)縮孔縮松的現(xiàn)象，接下來要根據(jù)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(yù)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(shù)根據(jù)正交試驗的方法分析。

型殼的預(yù)熱溫度一般在1 000℃左右，對于連接件的結(jié)構(gòu)內(nèi)部較復(fù)雜，并且屬于薄壁的小零件，應(yīng)適當(dāng)提高預(yù)熱溫度50～100℃，合金鋼鑄件在澆注過程中的澆注溫度要根據(jù)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(jié)合實習(xí)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(yōu)化參數(shù)確定之后，可以分別在一定的范圍內(nèi)調(diào)整數(shù)據(jù)，得到3個澆注溫度數(shù)值，3個澆注速度數(shù)值，3個型殼預(yù)熱溫度數(shù)值，如表3所示。

根據(jù)正交實驗因素表，得到9組澆注仿真數(shù)據(jù)，針對這9組數(shù)據(jù)利用pro/E重新建立有限元模型，輸入相應(yīng)的參數(shù)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(yōu)實驗方案

根據(jù)正交實驗法中的數(shù)據(jù)可以進一步利用極差法優(yōu)化，得到最優(yōu)工藝參數(shù)組為A3B3C1，即澆注溫度1 430℃，澆注速度352 mm/s，型殼預(yù)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(shù)最優(yōu)方案的充型狀態(tài)、凝固狀態(tài)圖及缺陷圖，把實驗結(jié)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(jié)果的正確性，經(jīng)過實習(xí)工廠的實際鑄造，連接件鑄件質(zhì)量檢測符合要求。連接件鑄件如圖3所示。

5 結(jié) 語

模具設(shè)計與制造課程的實驗教學(xué)內(nèi)容應(yīng)隨著機械行業(yè)的發(fā)展進行隨時調(diào)整，教學(xué)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(nèi)容的改革，可以達到以下教學(xué)效果：

（1）通過模具設(shè)計與制造課程理論和實驗學(xué)時的調(diào)整，使學(xué)生充分了解更加豐富的模具設(shè)計與制造發(fā)展的動向。

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

（3）對原有的實驗二內(nèi)容進行調(diào)整，將CAE技術(shù)融入到實驗教學(xué)中，運用ProCAST軟件優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)，準(zhǔn)確地預(yù)測鑄件的縮松縮孔情況，指導(dǎo)鑄造實驗，并獲得預(yù)期的實驗效果，提高學(xué)生對模具的感性認(rèn)識，這對于提高學(xué)生的實驗操作和提高學(xué)生的工程能力具有重要意義。