張曉光，王宏祥

（遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧錦州121001）

0 引 言

模具設(shè)計(jì)與制造課程是機(jī)械專業(yè)培養(yǎng)計(jì)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(jì)以及制造的基本概念、基礎(chǔ)理論以及實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題，為在今后的模具設(shè)計(jì)實(shí)踐中應(yīng)用這些方法打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過(guò)模具設(shè)計(jì)與制造課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生具有分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的實(shí)際工作能力和基本設(shè)計(jì)軟件的操作使用方法。模具設(shè)計(jì)與制造課程為了全面推廣應(yīng)用CAD/CAM/CAE技術(shù)，在原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上調(diào)整學(xué)時(shí)和內(nèi)容，增加了熔模鑄造模具設(shè)計(jì)與熔模鑄造CAE模擬分析實(shí)驗(yàn)，目的是為了使機(jī)械專業(yè)學(xué)生對(duì)于熔模鑄造過(guò)程、熔模模具設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)

模具設(shè)計(jì)與制造課程是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)指選課，該課程共32學(xué)時(shí)，其中理論22學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)部分10學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配如表1所示。

表1 模具設(shè)計(jì)與制造實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配表

為了將CAD/CAE技術(shù)與熔模鑄造模具設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，在原有的模具設(shè)計(jì)與制造課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，修改部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為熔模鑄造模具設(shè)計(jì)與熔模鑄造CAE模擬分析實(shí)驗(yàn)。將針對(duì)實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)3的內(nèi)容暫時(shí)不做修改，只對(duì)實(shí)驗(yàn)2的內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，拆裝部分由于實(shí)驗(yàn)1的內(nèi)容包含相關(guān)內(nèi)容，原來(lái)實(shí)驗(yàn)2拆裝部分可以利用理論學(xué)時(shí)時(shí)間通過(guò)動(dòng)畫(huà)的方式進(jìn)行講解，實(shí)驗(yàn)類(lèi)型由原來(lái)的驗(yàn)證性調(diào)整為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，4學(xué)時(shí)一起上，這樣能保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的連續(xù)性，具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配如表2所示。

表2 調(diào)整后的實(shí)驗(yàn)2內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配表

在熔模模具設(shè)計(jì)和CAE模擬分析實(shí)驗(yàn)中，全部為上機(jī)操作，利用鑄造仿真CAE軟件（ProCAST）進(jìn)行澆注過(guò)程的模擬分析，通過(guò)改進(jìn)澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、改進(jìn)澆注工藝參數(shù)得到最優(yōu)的澆注工藝，對(duì)于提高學(xué)生的模具CAD/CAE設(shè)計(jì)能力、軟件操作能力和解決實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)題具有重要意義［6～10］。

2 實(shí)驗(yàn)分析過(guò)程

2.1 ProCAST軟件模擬分析簡(jiǎn)介

ProCAST軟件是由美國(guó)UES（Universal Energy System）公司開(kāi)發(fā)的鑄造過(guò)程的模擬軟件，采用基于有限元（FEM）的數(shù)值計(jì)算和綜合求解的方法，對(duì)鑄件充型、凝固和冷卻過(guò)程等提供模擬，提供了很多模塊和工程工具來(lái)滿足鑄造工業(yè)最富挑戰(zhàn)的需求［11］。

2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x擇

實(shí)驗(yàn)?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(gè)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(jìn)行熔模鑄造開(kāi)模設(shè)計(jì)，如圖1所示。鑄件整體結(jié)構(gòu)不規(guī)則，由圓形面、類(lèi)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(kāi)模圖

圖2 Pro/E澆注系統(tǒng)圖

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)初始參數(shù)

在利用ProCAST進(jìn)行澆注仿真前，首先要根據(jù)實(shí)驗(yàn)鑄件進(jìn)行查表，確定其初始仿真數(shù)據(jù)，材料成分可以通過(guò)軟件自帶的材料庫(kù)進(jìn)行選擇，型殼屬性、重力加速度采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，除此通過(guò)鑄造工藝手冊(cè)確定澆注溫度、澆注速度、澆注時(shí)間、換熱系數(shù)等［13］。

2.4 實(shí)驗(yàn)仿真項(xiàng)目確定

在ProCAST中模擬參數(shù)設(shè)置結(jié)束后，接下來(lái)對(duì)鑄件澆注過(guò)程進(jìn)行模擬，分析過(guò)程中要得到以下幾個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：①記錄不同時(shí)刻充型過(guò)程中流場(chǎng)的模擬圖形，不同零件、不同形式的澆注系統(tǒng)澆注時(shí)間有所差別，第1個(gè)截取的時(shí)間點(diǎn)為澆注開(kāi)始，金屬液剛剛進(jìn)入主流道時(shí)刻，大約時(shí)間0.5 s，第2個(gè)截取的時(shí)間點(diǎn)為金屬液澆注完成一半的時(shí)間，大約時(shí)間2 s，第3截取的時(shí)間點(diǎn)為澆注完成，大約為4 s左右；②凝固過(guò)程中溫度場(chǎng)的變化，這一階段需要注意的是時(shí)間記錄從完成澆注開(kāi)始計(jì)時(shí)，第1個(gè)截取的時(shí)間點(diǎn)為剛開(kāi)始凝固，大約時(shí)間4.5 s，第2個(gè)截取的時(shí)間點(diǎn)為金屬液凝固完成一半的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間較長(zhǎng)，具體時(shí)間要根據(jù)凝固百分比來(lái)確定，第3截取的時(shí)間點(diǎn)為凝固完成，當(dāng)凝固百分比達(dá)到100%時(shí)截取數(shù)據(jù)；③在仿真澆注過(guò)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(shí)驗(yàn)

3.1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)

在鑄件澆注過(guò)程中，根據(jù)初始參數(shù)進(jìn)行澆注系統(tǒng)的模擬分析，發(fā)現(xiàn)在鑄件內(nèi)部總會(huì)出現(xiàn)縮孔縮松的現(xiàn)象，接下來(lái)要根據(jù)鑄件成形過(guò)程中主要的影響因素進(jìn)一步分析，本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)型殼預(yù)熱溫度、澆注溫度和澆注速度3個(gè)因素影響比較顯著的參數(shù)根據(jù)正交試驗(yàn)的方法分析。

型殼的預(yù)熱溫度一般在1 000℃左右，對(duì)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(guò)程中的澆注溫度要根據(jù)合金的液相線溫度來(lái)確定，通過(guò)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(shí)習(xí)工廠實(shí)際的澆注速度來(lái)確定。

3.2 模擬澆注正交實(shí)驗(yàn)

三個(gè)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(gè)澆注溫度數(shù)值，3個(gè)澆注速度數(shù)值，3個(gè)型殼預(yù)熱溫度數(shù)值，如表3所示。

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)因素表，得到9組澆注仿真數(shù)據(jù)，針對(duì)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(jìn)行模擬，得到的縮松縮孔值填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告上［14-16］。

3.3 最優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)法中的數(shù)據(jù)可以進(jìn)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(shí)間3.565 s，縮孔率0.570%。

利用實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上。

4 熔模鑄造實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果的正確性，經(jīng)過(guò)實(shí)習(xí)工廠的實(shí)際鑄造，連接件鑄件質(zhì)量檢測(cè)符合要求。連接件鑄件如圖3所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

模具設(shè)計(jì)與制造課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)隨著機(jī)械行業(yè)的發(fā)展進(jìn)行隨時(shí)調(diào)整，教學(xué)模式的研究對(duì)于任何一門(mén)課程來(lái)說(shuō)都是非常重要的。本文通過(guò)課程內(nèi)容的改革，可以達(dá)到以下教學(xué)效果：

（1）通過(guò)模具設(shè)計(jì)與制造課程理論和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的調(diào)整，使學(xué)生充分了解更加豐富的模具設(shè)計(jì)與制造發(fā)展的動(dòng)向。

（2）實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)調(diào)整熔模鑄造上機(jī)內(nèi)容，把原來(lái)熔模鑄造模具拆裝部分改由理論學(xué)時(shí)完成。

（3）對(duì)原有的實(shí)驗(yàn)二內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，將CAE技術(shù)融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，運(yùn)用ProCAST軟件優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鑄件的縮松縮孔情況，指導(dǎo)鑄造實(shí)驗(yàn)，并獲得預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果，提高學(xué)生對(duì)模具的感性認(rèn)識(shí)，這對(duì)于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作和提高學(xué)生的工程能力具有重要意義。