铸造模具范文第1篇

关键词：间接挤压;铸造模具;设计;特点

间接挤压铸造工艺需要采用液压机这种设备，将这一工艺应用在模具结构设计中，需要考虑液压机工作的原理，由于液压机与压铸机的工作原理有着较大的差异，所以，设计人员需要了解液压机的工作原理以及特性，要保证模具结构设计的合理性，这样才能保证制件的质量，才能保证间接挤压铸造模具设计的应用效果。

1 间接挤压铸造的优点

间接挤压铸造是一种新的铸造方式，其与直接挤压铸造方式相比，有着较多的优点，采用间接挤压铸造工艺制作出的工件，壁厚更薄，而且结构更加复杂。间接挤压铸造工艺在工业生产中有着广泛的应用，在选择铸造工艺时，需要结合制件的特点，而且需要保证制件的使用功能。应用间接挤压铸造工艺，需要不断的对其进行优化，为了提高工作的效率，技术人员需要降低模具的复杂程度，要保证制件工艺操作的简便性，这样才能促进工业生产。相关技术利用改变制件局部结构的方式，有效的提高了挤压铸造工艺的适用性，扩大了间接挤压铸造工艺的应用范围。

在工业生产中，相关技术人员需要控制制件壁厚的大小，采用间接挤压铸造技术，制成的工件壁厚比较薄，但是这会增加工件成型时的金属液的流动阻力，不利于保证制件的质量，而且不利于降低铸造工艺生产的成本。如果制件的壁厚比较厚，又会消耗过多的金属资源，会延长制件成型的时间，不利于提高工业生产的效率。所以，在应用间接挤压铸造技术时，一定要合理控制制件的厚度。要优化模具结构的设计，还要了解液压机的工作原理，控制挤压充填的速度，改善挤压铸造的缺陷，从而提高工件铸造的质量。

2 间接挤压铸造模具设计的流程

在应用间接挤压铸造工艺进行模具设计时，需要考虑影响设计质量的因素，比如设计人员的技术水平、设计的风格、设计人员对模具设计的熟练操作程度等。在间接挤压铸造模具设计时，还需要按照一定流程进行操作，这样可以有效的提高设计的质量。下面笔者结合自身经验，对间接挤压铸造模具设计的流程进行简单的介绍：

第一，了解并熟悉零件实物或者零件图纸，并据此进行工艺分析。需要了解并熟悉的主要内容有：结构特点、材料特性、尺寸精度、壁厚、圆角、孔等，并对以上内容进行分析。第二，基于以上分析来选取分模面和浇道的位置。第三，压机规格及压室容量的确定。主要内容包括，确定胀型力、压机行程、锁模力以及压室容量等。第四，成型条件的确定。需要明确的具体内容包括：速度参数、温度参数、时间参数以及压力参数。第五，模具结构的确定。具体需要确定的内容有：模体部分、导向部分、吊装部分、成型部分、抽芯机构、浇注系统、推出或卸料机构、排溢系统、冷却系统以及加热系统等。

3 对挤压铸件结构工艺性分析

与直接式挤压铸造相比，间接式挤压铸造优点之一就是能制出结构较复杂、壁厚较薄的制件。实际生产中并非所有零件开始都适合用挤压铸造方法生产，但在不影响使用的情况下，通过改变制件的局部结构，可方便生产，降低模具复杂程度，使其更适合用挤压铸造方法生产。壁厚大小对制件的成型性影响很大，壁厚过小则成型时流动阻力大，对大型复杂制件就难以充满型腔，即便能够成型，制件的质量也难以保证，不如采用压铸工艺生产来得经济，而壁厚过大则浪费原料，增加成本，而且会增加成型时间和冷却时间，降低生产率，还容易产生缩孔、缩松等缺陷。在制件的截面形状急剧变化的部位，如厚与薄的交接处，两个相交面的接合处等，一般都是应力集中的部位，必须把这些应力集中的尖角部位做成圆角，以分散其应力，避免在模具和制件上因应力集中而产生裂纹。

在分析制件工艺性时脱模斜度也应引起重视，此参数若选取不合理往往会造成制件拉伤或损坏，脱模斜度的大小取决于合金性质及制件壁厚，高熔点合金及收缩率大的合金制件，脱模斜度较大些;制件壁厚越大，合金对型芯的包紧力也越大，脱模斜度也要求大些，制件外壁的脱模斜度小于内壁的脱模斜度，一般可取内壁的一半。在零件图中未注公差一般均可按IT12级制定。从图纸要求的材料来判断零件材料的成型工艺性和收缩率等。

4 间接挤压铸造模具的技术要求

4.1 模具装配的技术要求

4.1.1 定模或动模的分模面与底板表面之间的平行度误差不要超过表1的误差值。

表1 平行度误差值

4.1.2 分模面上的镶块应保持密合，局部地方的间隙不得超过0.05 mm，而且镶块不得低于套板平面，一般应高出套板平面0.05mm以下。

4.1.3 导柱导套与分模面之间的垂直度，允许误差在200mm长度内不得超过0.05mm。

4.1.4 推杆在推杆固定板中应能灵活转动，轴向间隙不大于0.10mm，复位杆不得高出分模面。

4.1.5 所有活动部分，如导柱与导套的配合，斜销与滑块的配合，型芯推杆、复位杆、卸料扳等动作应灵活可靠，不得有啮合卡死现象。

4.1.6 滑块在开模后应定位可靠。合模时，滑块斜面与楔紧块的斜面应压紧，且具有一定的预应力。

4.2 模具外形和安装尺寸的技术要求

4.2.1 各模板的边缘应倒角或倒圆，安装面应光滑平整，不应有突出的螺钉头、销钉、毛剌等。

4.2.2 分模面上所有制造过程中的工艺孔、螺钉孔都应阻塞，并且与分模面平齐。

4.2.3 安装部位的尺寸，如∪型槽或压边应符合所选用压机规格，在动、定模上应分别设计吊装用螺钉孔。

结束语

间接挤压铸造工艺在工业生产中有着良好的应用，其可以提高制件的质量，可以生产出壁厚更薄、结构更加复杂的工件材料。在应用间接挤压铸造工艺时，需要了解液压机的工作原理，还需要对制件局部结构进行改造，这也有利于提高工业企业的经济效益，可以控制工业生产的成本。间接挤压铸造模具设计有着一定特点，相关技术人员需要掌握模具设计的技巧，还要掌握挤压铸造工艺的特点，对模具结构的参数进行调整，对模具结构进行优化，这样才能保证间接挤压铸造工艺更好的应用在工业模具设计与工件生产中。

参考文献

[1]陈P，李智丽.关于间接挤压铸造模具设计的分析和探讨[J].科技创新导报，2011（34）.

[2]赵章焰，罗继相，骆国建，陈云.挤压铸造模具结构的运动仿真技术研究[J].特种铸造及有色合金，2009（6）.

铸造模具范文第2篇

关键词：压铸；品质；压铸机；工艺；密封；模具

1 引言

压铸是金属加工中一项常见的切削工艺技术，使用装好的模具，增大压铸机的压力，把液态的铜、铝等金属浇入压铸机的入料口，铸出一定规则形状的零件，这些压铸件的应用范围较广，如压铸汽车配件、压汽车发动机管件或压铸壳体等。但是它的过程相对复杂，非常容易出现不良品，严重制约着行业的发展。随着压铸机的装备水平不断提高，压铸制造的零件种类不断广泛，零件精度更高。本文通过压铸机、压铸工艺参数、压铸模具结构等对压铸件的影响进行分析。

2 压铸设备性能对铸件品质影响

要确保能够得到高质量的压铸件，就需要选择适当型号、性能优越的压铸设备。目前压铸机的压射机构使用的是三级压射方式，通过高速填充型腔不间断地给液态合金提供稳定的高压。我国目前绝大多数企业都是采用人工手动的压铸机设备，给压铸工艺的规范执行造成了一定的困难，对于压铸件的品质保证产生了一定的影响。在使用压铸机时，要通过定期维护与保养不断提高压铸设备的运行性能，避免设备因素造成压铸件质量受到过多的影响。[1]对于每个周期在设备检修过程中发现的问题要及时进行解决，避免设备带病操作。通过制定的完善、维护技术的提高可以有效提高压铸件的制成质量。

3 压铸工艺参数对铸件品质的影响

压铸是一个涉及到多个工艺过程的处理流程，在压力、冲头速度、温度与时间等因素综合影响下，压铸件的质量很可能会发生一些明显的变化，只有选择正确的工艺参数，才能获得预期的质量效果，从而不断提高质量与性能。

首先模具的温度对于压铸工艺的影响较为重要。一般模具的预热温度为160度左右，通过煤气火焰加热。提高模具的温度可以有效促进金属液在模具内的填充，提高铸件的力学性能。但如果模具的温度过高，将会造成合金液体的冷却速度降低，压铸件的表面有可能会产生凹陷或气泡，强度也就随之下降，另外也将会给脱模带来困难。[2]模具温度过低的话，将会造成铸件冷隔问题。其次，快压射行程因素也是影响压铸件质量的一大因素。对于快压射行程的选择要坚持一定的原则，要以浇入压室内的铝液在压射活塞向前推进到铝液充满到内浇口时为佳。第三，增压大小也是影响质量的一大因素。对于其参数的大小，可以通过旋动调节增压的单向阀来进行调节，并非增压越大越好，增加过大很容易造成分型面披缝加剧、滑块咬死。但如果增压过低，铸件补缩不够，铸件的内部将会产生一定的缩孔。除此之外，铝锭熔炼温度、浇注温度、开模时间与顶出时间等同样也会对压铸件的质量产生直接的影响。只有选择合理的工艺参数，才能确保得到高质量的压铸件。[3]

4 压铸模结构对铸件品质的影响

压铸工艺的完成离不开模具，模具在设计时重点会对铸件的开头与尺寸精度进行规划，在模具试模之后完成浇注系统与溢流排气系统的设计。传统的模具结构中，模框与座板都是采用分开式的，这种结构适用于无滑块机构模具，但对于抽芯滑块，或者滑块较大时，铸件侧面成型都是通过滑块上的模具形成，在强度与刚度方面存在着一定的问题。一些模具模框结构不合理，锁紧斜面后端存在悬空的现象，受力占在着力后强度低，力量不平衡，容易造成滑块拉毛或咬死的问题。需要不断进行改善，才能真正做到压铸件的高质量。[4]

压铸模的影响主要体现在以下几个方面。首先是压铸模决定着铸件的形状与尺寸公差等级；其次压铸模的浇注系统决定了熔融金属的填充状况；三是溢流排气系统将会对熔融金属的溢渣排气条件；另外压铸模将会控制与调节压铸过程中的热平衡，模具的强度也将会对压射比压的最大限度进行限制，直接影响着操作生产的效率。压铸件的质量除了受到模具质量的影响外，还与工艺、生产操作有着密切的联系。

4.1模具机械设计

模具在进行设计时首先会注意到压铸件的形状与尺寸精度，但对于模具的强度却没有引起足够的重视。在进行模具设计时，要充分了解用户的使用要求与工作条件，根据使用环境选择合适的材质，但是需要注意在满足使用要求的基础上，要尽可能地使压铸件的结构简单。[5]要保持模具的壁厚均匀，留出必要的出模斜度，避免压铸件出现气孔、欠铸与变形等缺陷，尽可能地消除侧面凹凸与深腔。内部侧面的深腔是脱模的最大问题之一。模具进行机械设计时，尽可能地保证铸件能够从压铸模具中顺利地取出。模具上采用抽芯机构很常见，在设计时，要尽可能地减少抽芯结构，可以有效降低模具使用故障率，在进行设计时，要消除模具型芯出现交叉的部位，消除尖角来减少铸造的应力。

4.2模具材料选择

铝合金的熔点为580-740度，所以在操作铝合金的熔体温度要控制在650-720度，在未对模具进行预热的情况进行压铸，型腔表面的温度从室温快速升高至熔体温度，型腔表面的承受拉应力非常大。[6]在开模顶件时，型腔表面受到极大的压应力。在使用多次后，模具表面将有可能会产生裂缝等缺陷。所以压铸模具不但能够在高温、高压下使用，在急热与急冷条件下同样适用。模具的材料选择需要具有冷热疲劳抗力、高热稳定性的热作模具钢。模具材料选择不当或热处理达不到相关的要求，将会造成型腔表面加速损坏，从而对压铸件的质量造成影响。

另外压铸工艺过程中的密封性、压铸模的表现处理等，都与压铸件的形成质量有着重要的影响。

5 结语

压铸件的质量影响因素较多，除了压铸工艺过程中的工艺参数外，压铸模的设计、处理等都对压铸件的质量有着重要的影响。在进行压铸技术改进时，要从这些影响因素入手，对工艺流程涉及到的相关因素进行深入分析，确定压铸件质量不高的根本原因，从而进行有针对性地改善，不断提高压铸件的质量。随着现代技术的应用、设计水平的提高、压铸设备的不断先进，我国的压铸行业水平不断提升，为我国工业经济的发展起到重要的推进作用。

参考文献：

[1]王宏霞，朱芬芳，左德荣.浅谈影响压铸件品质的主要因素[J].特种铸造及有色合金，2009，10：921-923+878.

[2]潘宪曾，李远发.核查压铸机压射功率平衡对压铸件品质的影响[J].特种铸造及有色合金，2006，10：642-645+605.

[3]凌振飞.压铸件品质在线控制系统[D].浙江大学，2011.

[4]朱旭中.铝合金分段式倾斜板法半固态压铸工艺及性能研究[D].昆明理工大学，2012.

铸造模具范文第3篇

（1）浇口面积设计要点。低压铸造方案较其它铸造法单纯，铸件由离浇口最远程开始往浇口处凝固，而产生方向性凝固，为达成此目的，浇口的大小、位置和数量都需考虑。就铝合金轮圈低压铸造来说，浇口的数量及位置有机台决定。浇口的断面积设计需避免产生扰流，下式为浇口断面积的理论计算公式。式中a：浇口最小断面积（cm2）G：含浇口铸件重量；t：浇注时间μ：金属液在某温度时的流动阻力系数，一般为0.3~0.4。ρ：金属液在该温度时的密度，2.4g/cm3g：重力加速度H：液面至铸件顶端的高度，cm但上式只考虑铸件的充模而未考虑铸件的补缩，因此计算所得到的结果将比实际所需要的断面积小很多，为了考虑浇口系统的补缩作用，可采用断面内接园直径来确定浇口尺寸。为了有效完成铸件补缩的要求，使铸件产生方向性凝固，必须符合以下条件：升液管上段内径铸件浇口内接园直径铸件最厚断面内接园直径。

（2）模具分型面的确定。模型采用水平分模，分上模、边模和底模三部分。边模与底模分型面选择在离轮圈下端面上偏尺寸R处，以保证轮圈加工时定位准确及夹持。边模为四拆结构，与铸造机台的水平液压缸连接。底模材料采用热作模具钢如H13。上模、边模选用QT600。

（3）模具壁厚的确认。模具厚度一般依据铸件的方向性凝固，在需先凝固的地方模具厚度采用较厚的原则，在需提供补水的通道采用较薄的原则。局部厚度及间隙依据模具热胀系数来设计其间隙，并利用厚度变化来对铸胚局部变形作校正处理，防止漏水。模具的中心部位，铸件壁较厚，为了充分发挥中心浇口的补缩作用，有利于铸件的顺序凝固，希望此处最后凝固。在确定壁厚时，选取较小的壁厚比，即模具壁厚（δm）与铸件壁厚（δc）之比较小，δm/δc=1.5-1.8；而在模具四周轮缘部位，铸件壁较薄，此处铸件应最先凝固，选取较大的壁厚比，即δc=4-4.8。模具的其它部位平滑过渡。模具制作完成后需经过测量核对重要尺寸是否于设计图面吻合。

（4）模具型腔尺寸的确定。铸件的梯度一般依据铸件的方向性凝固，在先凝固的部位铸件较薄，然后按顺序凝固的顺序依次增大，到最后凝固的地方铸件最厚，确认轮圈Rim加工余量时，在对加工部位留正常的余量外，还应考虑铸造时轮圈Rim的顺序冷却，即要求铸件壁厚有一定的渐变度，上（下）部比下（上）部增厚0.5~1mm。根据此轮圈Rim顺序冷却原则对轮圈Rim余量作相应的增加，以保证铸件的顺序冷却。

（5）模具的排气系统设计。低压铸造一般是不设冒口，顶端为封闭，因此模具的排气设计特别重要，常用的排气方式有下列几种：1）在分模面设置排气槽，可迅速排出模穴内的气体而又不会使铝液溢出；2）将方形、六角形或八角型之销打入圆形之孔洞中，达到排气之目的；3）在需要排气处设置透气塞；4）利用各个模具之间隙排气。

（6）冷却系统。冷却系统的设计原则是：首先Rim部位由上往下顺序凝固，随后A面肋部位由外部向中心逐渐冷却；这样铸件冷却时才能保证充分补缩，防止产生缩孔、缩松、夹渣、热裂等缺陷。而Rim铸件厚度一般在7-8.5mm，且Rim部位远离中心浇口，铸件散热快，由模具本身自然冷却即可，但对模具自然散热而言，控制模具铸胚厚度来保证由上往下的顺序凝固。故模具的冷却部位主要集中在A面肋、中心浇口处，而Rim部位则无需冷却系统。低压铸造生产的缺陷比较多主要有缩孔、水痕、冷隔、气孔、渣孔、拉模等，例铝合金轮毂模具生产的过程中容易拉模咬伤改善，轮毂的设计外观往往由于客户的要求，肋侧的脱模角度比较小，容易在生产过程中拉莫以及模具生产时间久后模具表面擦伤，改善方法：1）设计图面时尽量说服客人，改大肋侧的脱模角度；2）底模的硬度提升；3）底模可以在首批量生产后表面进行氮化处理。

2发展方向

铸造模具范文第4篇

关键词：铝合金；支架压铸；模具设计；工艺模拟

引言：压铸是近年来材料成型工艺中发展十分迅速的特种铸造方法之一。铝及铝合金的使用主要分为加工材和铸造材两大类，本文用到的铝合金即属于铸造铝合金，铸造铝合金为保持流动性好、易于充型的特点，除含有一些强化元素外，还有大量的共晶元素。目前，铸造铝合金已被大量用于工业、农业、航天和建筑材料等各个领域，在工业发展过程中有举足轻重的地位。

1.铝合金压铸技术概述

1.1压铸工艺原理

压铸方法可分为热室压铸和冷室压铸两大类。热室压铸中，压射系统的压室置于坩埚内，充型时，压射冲头可以直接将坩埚内的金属液推进压室，然后通过压射系统的鹅颈管进入型腔。冷室压铸中，熔化金属的坩埚和冷室压铸机相分离，冷室压铸生产效率较热室低，但其应用范围较广，铝、锌、镁、铜等有色合金均可使用冷室压铸方法加工。

1.2压铸工艺特点

压铸填充压力一般为几兆帕到几十兆帕，最大填充速度能够达到每秒上百米，使整个压铸过程中压射时间极短，体现了压力铸造技术高速高压的优势。由于充填时有增压过程，得到的压铸件组织致密，能够保证所需要的强度和硬度。互换性方面，在同一压铸厂，同一型号的零件均由同一副压铸模具成型，所以零件的互换性好。压铸工艺的以上特点，使其在提高有色金属合金铸件的精度水平、表面质量及生产效率等方面显示出较大优势。

1.3铝合金支架

副机组支架是将动力转向泵与水泵等附件固定于汽车副机组发动机上的直接支撑，且负责油道和水道的运输，保障发动机的正常运转。在汽车行驶过程中，该零件一方面要保持副机组发动机与动力转向泵等附件的固定和平稳，另一方面还需要承受汽车震动时产生的扭力作用。所以，它是汽车发动机动力系统当中的一个安全件，产品对其表面质量与内部致密性都有严格要求。

零件结构如图1所示，属于复杂薄壁铸件，体积为8.51*1.05mm3，平均壁厚4.3mm，投影面积为1.39*104mm2，质量2.2kg，共有32处加工表面，轮廓基本尺寸约为380mm*158mm*135mm。

该副机组支架结构复杂，从各个方向来看均不对称，前后视图面均为曲面外形，多处有管状开孔特征，支架下端有两个具有特殊角度的固定脚架，每个脚架上有1个沉孔，这两个沉孔在同一平面上，是承受扭力的主要部位。

2.模具的整体设计

压铸模具是压力铸造正常运行的重要保证，它直接决定了压铸件成品率的高低，其制造费用昂贵，制造完成后无法进行大幅度修改，因此压铸模具的设计尤为重要，一般需要综合考虑以下几点：

（1）模具设计应结合实际，掌握现有设备及装备情况，设计出的模具结构应满足现场要求，使压铸机的生产能力得到最大程度的发挥。

（2）采用与铸件具体结构相匹配的浇注系统，注意内浇口布局与方向需保证合金液平稳充型，且尽量使铸型中的空气全部排出，进而避免气孔缺陷的产生。

（3）压铸模具要有足够的强度，足以承受锁模力及合金液压力的作用，并在压铸制造时不产生变形，保证生产安全可靠。

（4）尽量使压铸模具结构设计得简单，保证动模行程平稳可靠。

（5）确保铸型、浇注与溢流系统在试模后可以作适当修改。

（6）压铸模具结构设计合理，方便进行维护和拆装。

（7）选取恰当的模具材料及合理的热处理工序，延长模具的使用寿命。

（8）尽量选取标准模具通用零部件，缩短制造周期，使其有良好的互换性，节省维修成本。

2.1拟定模具总体设计的方案

压铸模具总体的设计原则是让模具满足铸件成型工艺要求，同时具有高效低耗的经济效益。压铸模设计主要内容在上文已提及。拟定了初步方案后，现场调研，并对设计方案加以补充和修正，使所设计的压铸模结构更加合理、实用和经济。

2.1.1绘制零件图纸

首先绘制主要零件图，对装配草图中有些考虑不周的地方加以修正和补充。

在绘制零件图时，应注意如下几点：

（1）图面尽量1：1的比例画出，以便于发现问题；

（2）合理选择各视图的视角，注意投影、剖视等的正确表达，避免繁琐、重复：

（3）标注尺寸、制造公差、形位精度、表面粗糙度以及热处理等技术要求：

在主要零件的绘制过程中，需要对装配草图进行审查，存在遗漏的问题，在装配草图的基础上加以修正和补充并注意以下几点：

（1）对零件正式编号，并列出完整的零件明细表、技术要求和标题栏；

（3）装配图上应标注模型的立体尺寸，模具的定位安装信息，模具的安装方向也要加以标示：

（4）所选用压铸机的型号、压室的内径及喷嘴直径；

（5）压铸件合金种类、压射比压、推出机构的推出行程、冷却系统的进出口等：

（6）模具制造的技术要求。

2.1.2制定模拟工艺

根据实际生产条件和设计好的浇注系统，对模型进行网格划分和参数设置，以缩孔缩松率为考察标准，浇注温度、压射速度、模具温度为考察因素，对压铸过程进行数值模拟。分析模拟的结果，对压铸过程进行考察，通过合理的分析手段取得合理的工艺参数，并分析问题的形成原因。

3.压铸数值模拟技术的理论基础

3.1铸造过程模拟的主要内容

铸件充型过程数值模拟：充型顺序和金属液的流动方式是铸件充型过程重要的评价因素，关系到许多铸造缺陷如卷气、夹杂、缩孔等。传统手段很难观察和控制充型状态和流动方式，计算机数值模拟技术出现后，对充型过程的可视化模拟成为现实。

3.2铸件凝固过程的数值模拟

压铸凝固过程一个非常复杂的物理化学过程。大部分的铸造缺陷即是产生于凝固过程中。因此，凝固过程的数值模拟对预测各种铸造缺陷，改善铸件质量，优化铸造工艺，以及提高生产效率都具有非常重要的作用。在压力铸造过程中，高温金属液在冷却凝固时向铸型及其周围环境传递热量。

3.3铸造应力场数值模拟

应力场模拟铸件凝固和冷却过程中，由于各部位收缩率不同，不同温度区间出现的箱变，铸型或者型芯受到连续的加热和冷却导致的膨胀收缩，都会使铸件在成形过程受到不同的应力，通过数值模拟软件对铸件凝固过程中的应力场进行分析，可以帮助铸造工艺人员提前预测铸件可能产生的形变，残余应力的大小和铸件裂纹可能存在的位置，减少因应变而造成的缺陷，以较低的成本优化铸造工艺，提高T件精度和性能。

3.4铸件微观组织数值模拟

计算机数值模拟技术可以预测铸件微观组织的形成，并以此进一步预测铸件的力学性能和工艺性能，从而达到控制铸件品质的目的。通常采用有限元法或者有限差分法来求解诸如温度速度等宏观量，而微观领域内的枝晶端部，共晶薄层或球粒的动力学生长状态则采用解析法来分析。

铸造模具范文第5篇

摘要：本文介绍了CA精密铸造工艺。重点阐述了计算机辅助工程，包括三维CAD、凝固过程数值模拟等在精密铸件研制过程中的应用。IDEAS可以方便地进行三维设计或逆向工程，获得三维模型，然后通过快速成型技术，能迅速得到铸造原型;用ProCast对铸件的浇注工艺进行模拟，以优化浇注参数，消除铸造缺陷。

关键词：CA精密铸造计算机辅助工程

1引言：

精密铸造是用可溶(熔)性一次模型使铸件成型的方法。精密铸造的最大优点是表面光洁，尺寸精确，而缺点是工艺过程复杂，生产周期长，影响铸件质量的因素多，生产中对材料和工艺要求很严[1]。在生产过程中，模具设计和制造占很长的周期。一个复杂薄壁件模具的设计和制造可能需一年或更长的时间。随着世界工业的进步和人们生活水平的提高，产品的研发周期越来越短，设计要求响应时间短。特别是结构设计需做些修改时，前期的模具制造费用和制造工期都白白地浪费了。因而模具设计和制造成为新产品开发的瓶颈。计算机辅助工程的发展，使得传统产业与新技术的融合成为可能。三维CAD可以把设计从画图板中解放出来，大大简化了设计者的设计过程，减少出错的几率。并且随着快速成型(RP)技术，特别是激光选区烧结工艺(SLS)的发展[2,3,4]，三维模型可以通过RP设备，快速转变成精密铸造所需的原型，打破了模具设计的瓶颈。另外在传统铸造中，开发一个新的铸件，工艺定型需通过多次试验，反复摸索，最后根据多种试验方案的浇铸结果，选择出能够满足设计要求的铸造工艺方案。多次的试铸要花费很多的人力、物力和财力。采用凝固过程数值模拟，可以指导浇注工艺参数优化，预测缺陷数量及位置，有效地提高铸件成品率。CA精密铸造技术就是将计算机辅助工程应用到精密铸造过程中，并结合其他先进的铸造技术，以高质量、低成本、短周期来完成复杂产品的研发和试制。目前，利用CA精铸技术，已完成多种航天、航空、兵器等关键部件的试制，取得满意的效果。

2材料与实验方法

CA精铸可应用于不锈钢、耐热钢、高温合金、铝合金等多种合金，CA精铸工艺流程见图1。三维模型可采用IDEAS、UGII、PROE等三维设计软件进行设计，工艺结构和模型转换采用MagicRp进行处理和修复，在AFSMZ320自动成型系统上进行原型制作，采用熔体浸润进行原型表面处理，凝固过程数值模拟采用PROCAST和有限差分软件进行计算。

3CA精密铸造工艺的关键问题及相关技术讨论

近年来，与CA精铸技术相关的三维CAD设计、反求工程、快速成型、浇注系统CAD、铸造过程数值模拟(CPS)以及特种铸造等单体技术取得了长足的进步，这些成就的取得为集成化的CA精铸技术的形成奠定了基础，促进了CA精铸技术的迅猛发展和应用。为了使各单体技术成功地用于CA精铸，必须消除彼此之间的界面，将这些技术有机地结合起来。从而在产品开发中做到真正意义上的先进设计+先进材料+先进制造。

3.1三维模型的生成与电子文档交换

如何得到部件精确的电子数据模型，是CA精铸至关重要的第一步。随着三维CAD软件、逆向工程等技术的发展，这项工作变得简单而且迅捷。在此主要介绍利用IDEAS进行实体建模和数据转换的过程。IDEAS9集成了三维建模与逆向工程建模模块。通过MasterModeler模块可以得到复杂模型(见图2)，既可以进行全几何约束的参数化设计，又可进行任意几何与工程约束的自由创新设计;曲面设计提供了包括变量扫掠、边界曲面等多种自由曲面的造型功能。逆向工程Freeform可将数字化仪采集的点云信息进行处理，创建出曲线和曲面，进行设计，曲面生成后可直接生成RPM用文件，也可传回主建模模块进行处理(见图4)。实体文件生成后需转变成STL文件(见图3)以作为RP设备的输入。转换过程应注意选择成型设备名称，通常选用SLA500，三角片输出精度在0.005~0.01之间。采用MagicRp处理时应注意乘上25.4，得到实际设计尺寸。

3.2凝固过程的数值模拟

3.2.1凝固过程的数值模拟原理

铸造是一个液态金属充填型腔、并在其中凝固和冷却的过程，其中包含了许多对铸件质量产生影响的复杂现象。实际生产中往往靠经验评价一个工艺是否可行。对一个铸件而言，工艺定型需通过多次试验，反复摸索，最后根据多种试验方案的浇铸结果，选择出能够满足设计要求的铸造工艺方案。多次的试铸要花费很多的人力、物力和财力。

铸造过程虽然很复杂，偶然因素很多，但仍遵循基本科学理论，如流体力学、传热学、金属凝固、固体力学等。这样，铸造过程可以抽象成求解液态金属流动、凝固及温度变化的问题，就是要在给定的初始条件和边界条件下，求解付立叶热传导方程、弹塑性方程。计算机技术的发展，使得求解物理过程的数值解成为可能。应用计算机数值模拟，可对极其复杂的铸造过程进行定量的描述。

通过数学物理方法抽象，铸造过程可表征成几类方程的耦合：

1热能守恒方程： 2连续性方程： 3动量方程： 常用的数值模拟方法主要是有限差分法、有限元法。有限元差分法数学模型简单，推导简单易于理解，占用内存较少。但计算精度一般，当铸件具有复杂边界形状时，误差较大，应力分析时需将差分网格转换成有限元网格进行计算。有限元法技术根据变分原理对单元进行计算，然后进行单元总体合成，模拟精度高，可解决形状复杂的铸件问题。无论采用什么数值方法，铸造过程的数值模拟软件应包括三个部分：前处理、中间计算和后处理。前处理主要为中间计算提供铸件、型壳的几何信息;铸件和型壳的各种物理参数和铸造工艺信息。中间计算主要根据铸造过程设计的物理场，为数值计算提供计算模型，并根据铸件质量或缺陷与物理场的关系预测铸件质量。后处理是指把计算所得结果直观地以图形方式表达出来。图5是铸造过程的数值模拟系统组成。

铸造过程流场、温度场计算的主要目的时就是对铸件中可能产生的缩孔缩松进行预测，优化工艺设计，控制铸件内部质量。

通过在计算机上进行铸造过程的模拟，可以得到各个阶段铸件温度场、流场、应力场的分布，预测缺陷的产生和位置。对多种工艺方案实施对比，选择最优工艺，能大幅提高产品质量，提高产品成品率。

3.2.2铸造过程数值模拟软件[5]

经过多年的研究和开发，世界上已有一大批商品化的铸造过程数值模拟软件，表明这项技术已经趋于成熟。这些软件大都可以对砂型铸造、金属型铸造、精密铸造和压力铸造等工艺进行温度场、应力场和流场的数值模拟，可预测铸件的缩孔、疏松、裂纹、变形等缺陷和铸件各部位的纤维组织、并且与CAD实体模型有数据转换接口，可将实体文件用于有限元分析。

ProCAST是目前应用比较成功的铸造过程模拟软件。在研制和生产复杂、薄壁铸件和近净型铸件中尤能发挥其作用。是目前唯一能对铸造过程进行传热-流动-应力耦合分析的系统。该软件主要由八大模块组成：有限元网格剖分，传热分析及前后处理，流动分析，应力分析，热辐射分析，显微组织分析，电磁感应分析，反向求解等。

它能够模拟铸造过程中绝大多数问题和物理现象。在对技术充型过程的分析方面，能提供考虑气体、过滤、高压、旋转等对铸件充型的影响，能构模拟出消失模铸造、低压铸造、离心铸造等几乎所有铸造工艺的充型过程，并对注塑、压蜡模和压制粉末材料等的充型过程进行模拟。ProCAST能对热传导、对流和热辐射三类传热问题进行求解，尤其通过“灰体净辐射法”模型，使得它更擅长解决精铸尤其是单晶铸造问题。应力方面采用弹塑性和粘塑性模型，使其具有分析铸件应力、变形的能力。

对铸件进行分析时，简单的模型网格可以直接在ProCAST生成。复杂模型可以由IDEAS等软件生成，划分网格后输出*.unv通用交换文件，该文件应带有节点和单元信息。Meshcast模块读入网格文件后输出四面体单元用于前处理。PreCast对模型进行材料、界面传热、边界条件、浇注速度等参量进行定义，最后由ProCAST模块完成计算。

应用IDEAS与ProCAST，我们对某发动机部件进行了凝固过程模拟。该部件由于有一个方向尺寸较薄，浇注过程中极易发生裂纹与变形，通过模拟，对浇注系统结构进行了优化，减少应力集中，防止变形和开裂，取得明显的效果。

结论：

1.计算机辅助工程与精密铸造结合而成的CA精密铸造技术具有很强的通用性，可以缩短研制周期，节约开发成本;

2.IDEAS与RPOCAST的配合，可以对复杂件进行铸造过程数值模拟;