传统铸造走向绿色铸造数字化解决方案

0 前言

    铸造是一个古老的行业，利用材料的物理特性可成形为形状复杂、结构各异、不同尺度的铸件，再加工成人们需要的各类产品。影响铸件品质的因素很多，尤其是各种铸造缺陷的产生。随着计算机数值模拟技术的应用，就是在技术层面对产品设计进行预审、对工艺参数细化量化，通过铸造工艺仿真使技术人员摆脱铸造过程凭个人经验试错、凭模糊感觉设计等随机现象的发生，保障铸造的设计和制造参数能可视化、定量化，促进数字化的应用；铸造的每一个操作过程，尤其是关键工序和关键环节，如模具制造、型芯制造、涂料烘烤等都由执行着统一标准的定量化参数控制，如今的3D打印技术、工业机器人等先进技术的成功应用，就是通过大量数据的交互完成同一产品统一精准的操作，保证了产品制造的重现性；在线数字化控制就是摆脱了传统铸造的粗放式管理，解决了操作人员因情绪因素变化、环境天气差异或人员流失等导致的质量不稳定问题，以确保大批量产品质量的一致性。

1 铸造工艺仿真应用

    铸造是一个复杂的物理化学过程，在这个过程中，材料经液态流动充型、凝固结晶、固态流动变形、相变、再结晶和重结晶等多种微观组织变化及缺陷的产生与消失等一系列复杂的物理、化学、冶金变化而最后成为毛坯或构件。设计阶段的铸造工艺性分析分为初步审查阶段和定型阶段，这两个阶段分别对铸件的铸造方案进行预审和终审，从铸造工艺的可行性方面对铸件结构设计进行预测和优化。因为影响因素很多，难以直接观察，造成设计技术难度大，人员水平要求高；针对新型发动机机体、缸盖、活塞等关键铸件，通过铸件的铸造结构工艺性研究，重点攻克自主品牌机关键铸件铸造成型的缺陷预测和控制，解决关键铸件在充型、凝固和冷却过程中铸造缺陷多、尺寸稳定性差、成品率低等普遍问题，保障整机研制过程的毛坯供货。图1为某型发动机机体零件、铸件及铸造工艺模型。

图1 机体零件、铸件及铸造工艺模型

    1.1 设计阶段铸造工艺性分析研究

    零件设计阶段铸造工艺性分析内容：

    1) 分型分芯；

    2) 热节分布；

    3) 最小铸出孔、槽；

    4) 可充填性；

    5) 拔模斜度；

    6) 材料组织及性能分布；

    7) 铸造应力分布。

    在关键铸件设计阶段，针对零件结构特征分析铸造工艺性，主要分析内容：根据新型发动机机体轻量化结构和技术要求，并结合同类型机体研制时所存在的技术问题，对新型发动机机体结构和技术要求进行分析，结合仿真技术积淀和生产实践经验，综合分析机体辐板壁厚、涨管孔结构、凸轮等连接过渡结构、外部形状，应用铸造工艺仿真软件进行浇注、充型过程及冷却、凝固过程的仿真计算，通过固相分数、温度场、补缩、热节及凝固时间等物理量的计算，给出确定该机体相关铸造工艺参数合理设计范围，包括分型分芯、热节分布、最小铸出孔、槽、可充填性、拔模斜度、材料组织及性能分布、铸造应力分布等，据此对该型机机体结构进行重新设计和优化，确保机体零件原始设计各项指标的可行性，铸件成型符合技术要求，经两次评审后对机体结构进行定型固化。