字化。 在缸盖类复杂型腔铸件建模过程中，对气道 设计特点的理解和曲线数据处理是建模的关键。 设计要求进、排气道内外壁曲面光滑，保证在Ｇ２ 以上连续是建模的难点。根据气道设计曲线之间 的形状和结构变化，采用了曲面特征与控制点约 束特征，同时还采用曲面片连续及拼接相结合的 综合方法进行建模，最终实现了光滑气道模型的 建立（图１）。 分别进行进、排气道和水道的建模，并建立 不同的层特征进行管理，最后进行特征之间的布 尔运算，获得最终的缸盖模型（图２）。随后应用 于下游的ＣＡＥ分析，为缸盖类复杂铸件的工艺 优化奠定基础。 １．１．２工艺设计 在正确领会设计图纸意图后建立产品模型， 建立工艺信息库，设计出产品的工艺及工装辅具 等，并进行工艺系统建模（图３）。 １．１．３三维建模、数值模拟及工艺优化 在计算机上建立大型复杂铸件三维模型（图 ４）及其模具等工艺三维模型后，根据柴油机铸件 的生产条件，应用Ｐｒｏｃａｓｔ模拟软件对铸件的充 型和凝固过程进行数值模拟并反复优化工艺，建 立最优铸件成形的技术信息库系统。 １．１．４铸造模具生产和机械加工 根据模型的特征信息生产出铸造用的模具 工程序，完成产品的最终加工；最后，可以根据以 上这些工程技术信息进行产品的数据管理 （ＰＤＭ），进行在线检测、质量评估及装配调试等 生产活动一体化管理。 １．１．５生产过程跟踪与完善 利用建立的技术信息库，从设计、工艺到加 工制造及性能比较分析的各个过程进行现场跟 踪、再现，及时发现问题及时纠正，不断改进完 善。从图８可看出缸盖内部孔腔多，壁薄而且形 状复杂，曲面多，质量检查比较困难，笔者采用模 型与实际铸件解剖比照的方法进行验证。缸盖三 维模型与实际解剖基本符合。这种方法可以提前 ２００８／２现代铸铁｛７５ 一０。 一０誊 维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ簟； １．２．１铸件充型模拟 金属液充型过程对铸件的最终质量起着决 定性的作用，许多铸造缺陷，如浇不足、冷隔、卷 气、氧化夹渣乃至缩松、缩孔等都与铸造的充型 过程密切相关，利用ＰｒｏＣＡＳＴ软件对大型复杂铸 件进行工艺优化，数值模拟能够较为准确地表达 充型过程和缺陷生成过程，这对于优化充型系统 设计，避免充型不合理引起的铸造缺陷具有重要 预测生产的全过程，减少不必要的浪费，缩短产 品的生产链，使生产过程更自动化、人性化。 １．２建立缸体缸盖ＣＡＥ平台 近年来，铸造ＣＡＥ商品化软件功能逐渐增 加，其中美国的ＰｒｏＣＡＳＴ软件是由ＥＳＩ公司开发 的基于有限元法（ＦＥＭ）的铸造过程模拟软件 ， 能够进行流场、温度场、应力场三场耦合模拟。 ＰｒｏＣＡＳＴ采用基于有限元法（ＦＥＭ）的数值计算 方法，与有限差分法（ＦＤＭ）相比，有限元法具有 较大的灵活性，特别适用于模拟复杂铸件成型过 程中的各种物理现象。通过分析可以获得铸造过 程的各种现象、铸造缺陷形成及分布、铸件最终 质量的模拟和预测。 ７６ ｊ 现代铸铁２００８／２ 的意义。 １．２．２铸件凝固模拟 铸造过程中产生的缺陷主要是缩松和缩孔， 而这些缺陷大都在铸件凝固过程中形成，因而， 比较精确地展示了铸件的凝固过程，对缩松和缩 孔缺陷的预测显得极为重要。ＰｒｏＣＡＳＴ软件能够 较为准确地预测铸件的缩松和缩孔缺陷，软件提 供多种基于不稳定热传导计算的铸件缩松和缩 孔缺陷预测方法，常用的有温度梯度法、固相率 梯度法、凝固时间梯度法、Ｎｉｙａｍａ判据法及其变 种、ＰｒｏＣＡＳＴ软件自带的与密度相关的判据等。 工程师可以通过多种判据的综合应用，达到预测 缩松和缩孔缺陷的目的。图９展示了缸盖凝固数 值模拟效果。 １．２．３铸件应力场模拟 在铸造生产中经常由于铸件结构方面的原 因及工艺处理不当而出现热裂，或者在某些部位 存在较大的残余应力或残余变形，这种情况在铸 钢件尤其是大型铸钢件中普遍存在，这些缺陷严 重影响铸件的质量和使用寿命，而这两种缺陷都 直接与凝固过程中的热应力的产生和发展有关， 特别是热裂缺陷，一般产生在准固相区，而且随 着铸件的后续冷却，裂纹不断扩大，经常造成铸 件报废。 维普资讯 http://www.cqvip.com
２工艺优化流程 对于缸体及缸盖类大型复杂铸件的制造，其 同理 的热物性 传统流程可分为三个大的阶段：设计、试制和批 产。在这三个阶段中，试制是很重要的一个环节。 而试制的关键需要利用先进工具对其开展工艺 优化，获取定型的铸造工艺，以保证产品批产的 实现。 大型复杂铸件的热工工艺优化一般由以下 三个阶段组成：几何模型的建立、几何数据导人 和有限元处理、计算及后处理。下面以某柴油缸 体为例，简述其试制中的工艺优化流程。 ２。１ 几何模型的建立 采用三维建模软件对柴油机缸体铸件及其 工艺系统进行三维建模。缸体及其工艺冷铁加载 的几何模型见图１０。 ２＿２几何数据导入和有限元处理 首先对几何数据进行导人，然后采用有限元 软件中的ＭｅｓｈＣＡＳＴ模块进行四面体网格的划 分。柴油机缸体铸件及部分冷铁网格如图１ １所示。 柴油机缸体铸件砂箱的网格尺寸为１６０ ｍｍ；浇注系统的网格尺寸为１５ ｍｍ；铸件及冒口 的网格尺寸为３０ ｍｍ；以上三部分总和的节点数 １７４ ２５１；体网格数（单元数）７８４ ０２６。 ２。３计算及后处理 根据预设的工艺，确定该铸件的成分控制， 确定材料的密度随温度变化，确定材料的比热容 随温度变化，确定材料的热导率随温度变化，确 定材料的固相率分数随温度变化，确定材料的凝 固潜热，以及材料的液相线温度，固相线温度等， 如图１２所示。 在求解区 地点和时间的变化规律。对于初始条件和边界条 件的处理，直接影响计算结果的精度。 Ｐｔ●ｔ蝴 疆臻疆强翳‘￡盈；蚕 篷二臣 麟艘圈舔疆船麟瑚嘲 豳豳豳鞠 — ——— 黼瀚ｒ 一＿＿ ． 。 一～一 ∞ ■■日 目■ ∞ ■蜊 一 ． Ｉ 霸黼豳 —— 。 Ｊ｝ …………… ！Ｉ ～ 墨… ■ 墨蓦 ．麓 强￡－强． 图１２柴油机缸体铸件材料参数输入界面 Ｆｉｇ．１２ Ｉｎｐｕｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｂｌｏｃｋ ｃａｓｔｉｎｇ ３建立缸体缸盖流程规范 ３。１ 制定优化方案 根据多年铸造ＣＡＥ实践经验，一般经过两 到三个工艺改进循环即可确定出优化后的工艺 方案，流程如下：制定工艺——验证工艺——模 拟分析——工艺改进——二次、三次或多次模拟 分析——最终定型工艺。 ３．２建立模拟分析流程 以某铸件铸造工艺优化为例，一个模拟分析 循环流程如下：造型——（ＨｐｅｒＭｅｓｈ）划分表面网 格——（ＭｅｓｈＣＡＳＴ）划分体网格——（ＰｒｅＣＡＳＴ） 设置边界条件和运行参数）——（ＤａｔａｃＡｓＴ）—— ２００８／２现代铸铁Ｉ ７７ Ｉ维普资讯 http://www.cqvip.com － 薹鍪 誉摹爹 爹ｌ誊 ｉ …、； 蓁蓁鋈 汽车发动机镁合金缸盖罩压铸过程数值模拟 常永贵，胡清明，刘 斌，林颖 （华南理工大学，广东广州５１０６４０） 摘要：为了给汽车发动机镁合金缸盖罩选择最佳浇注系统和最佳工艺参数，利用ＪＳＣＡＳＴ软件对铸件的压铸过稃进行了 数值模拟，并根据模拟结果逐步改进浇注系统，最终确定了合理的压铸浇注系统和最优的工艺参数，为模具设计提供了 依据。 关键词：数值模拟；压铸；ＡＺ９１Ｄ镁合金；浇注系统 中图分类号：ＴＧ２４９．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—８３４５（２００８）０２—００７８—０５ Ｄｉｅ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ Ａｌｌｏｙ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ Ｈｅａｄ Ｃｏｖｅｒ Ｕｓｅｄ ｆｏｒ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｅｎｇｉｎｅ ＣＨＡＮＧ Ｙｏｎｇ—ｇｕｉ，ＨＵ Ｑｉｎｇ—ｍｉｎｇ，ＬＩＵ Ｂｉｎ，ＬＩＮ Ｙｉｎｇ （Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １ ０６４０，Ｃｈｉｎａ） ．Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｇａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ａ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｈｅａｄ ｃｏｖｅｒ ｃａｓｔｉｎｇ ｏｆ ａｎ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｅｎｇｉｎｅ，ｔｈｅ ＪＳＣＡＳＴ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｄｉｅ—ｃａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｓｔｉｎｇ，ａｎｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ ｇａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｔｅｐ ｂｙ ｓｔｅｐ．Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｇａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗａｓ ｆｉｎａｌｌｙ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｄｉｅ ｃａｓｔｉｎｇ；ＡＺ９ １ Ｄ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ａｌｌｏｙ；ｇａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ 收稿日期：２００７—１１—０９ 修定日期：２００７—１２—１９ 压铸数值模拟技术可以对压铸充型、凝固过 作者简介：常永责（１９８２一），男，山东莱芜人，华南理工大学机械 程中的流动和温度场进行模拟，这对于充分了解 工程学院Ｏ５级硕士研究生，研究方向为现代检测及故障诊断 充填过程的流动和换热规律，预测实际压铸过程 技术 （Ｐｒ０ＣＡＳＴ）解算——（ＰｏｓｔＣＡＳＴ，ＶｉｅｗＣＡＳＴ）处 造参数和工艺方案； 理、分析模拟结果。 （２）通过对缸体及缸盖工艺优化及对流程的 ３．３数值模拟分析报告 规范、对比，发现采用规范流程耗时短、计算速度 在分析报告中包含以下三方面的内容：①产 快、效率高；流程的规范也使整个模拟过程数据 品的Ｔ艺系统ＣＡＤ模型，即铸件及工艺的几何 传输加快，海量的数据管理和存储更方便可靠， 结构及技术状态，固有属性等；②产品工艺加载 从而有效加速了热工数值模拟自主创新发展进 模拟过程，即铸件成形过程，在不同时间、压力和 程，提高了用户企业的核心竞争力。 温度等环境下发生的全部变化；③针对产品技术 要求进行后处理分析，对暴露出的可能缺陷部位 参考文献 做判据评估，提出可实施的有效解决方案。 【１］中船重工办．中国造船展望【Ｎ１．中船重上报，２００７，（３）：ｌ一３． 【２】陈心德，吴忠．生产运营管理【Ｍ】．ｊＥ京：清华大学出版社，２００５ ４结束语 １—１３． 【３】柳百成．铸件充型凝固过程数值模拟国内外研究进展『Ｊ１．铸造 （１）借助ＣＡＤ／ＣＡＥ无缝集成技术平台，铸造 １９９９，（８）：２２—３１ 工程师在完成工艺编制之前，就能够对缸体、缸 ［４ＩＥＳＩ—Ｇｒｏｕｐ．ＰｒｏＣＡＳＴ Ｕｓｅｒ Ｍａｎｕａ１．２００６：２ １－３０．椭 盖在铸造过程中的温度场、流场和应力场等进行 仿真分析，并预测铸件的质量、优化出可行的铸 （编辑：袁亚娟） ７８｛现代铸铁２００８／２
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