基于CAE分析的鑄鋼件冒口優化技術探討

潘力輝

摘 要：隨著不斷完善計算機技術與鑄造CAE技術，鑄造模擬軟件越來越普遍地運用于實際生產中。當前的市場競爭異常激烈，如果鑄造企業不能保證較低的生產成本并且提供質量比同行業高的產品以及縮短新產品的研發周期，那么極有可能面臨淘汰的局面。文章針對傳統鑄造工藝的缺點提出了一種新的自動優化鑄鋼件冒口的方法，該方法大大減少了工藝優化的時間，是切實可行的。

關鍵詞：CAE分析；鑄鋼件冒口；優化技術

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）24-0014-01

熔融金屬液是鑄型過程中所必須的，但是熔融金屬液通常在凝固的時候會伴隨有體積收縮的情況，因此理論上當新注入金屬液時，部分金屬液會對收縮的體積進行補償，實際上在澆注的過程中，由于金屬液不可能在一個時刻一起凝固住，因此已經凝固好的金屬液就自然地隔離沒有凝固的金屬液，使得后面注入的金屬不能填由于充體積的收縮引起的小空隙，這些間隙就會形成孔洞，通常也稱為縮孔，該現象可以說是鑄造中經常遇到的一個問題。若想有效彌補凝固過程中的收縮體積帶來的問題，一般情況下都是在鑄造的過程中人為增添冒口這樣的方式，來達到凝固的方向固定的目的，先后次序是從鑄件到冒口，并使最后凝固點在冒口附近，當完成凝固工作之后，冒口就可以切除下來循環使用。因此我們可以明確整個鑄造過程的核心部分在于設計合理的冒口數目、位置、尺寸以及形狀等體系，如何使冒口體系在達到最優時體積最小。

1 鑄鋼件冒口優化的現狀

近幾年，鑄造模擬技術發展迅速，尤其是在工藝體系設計的評估方面的應用，此外，該項技術對預測縮孔縮松缺陷也有顯著作用。從各個不同的角度來看，評判鑄造模型體系是否優良，主要是看該體系能否接收用戶的設計方案之后給出分析結果，只有達到這個要求，才有可能成為一款能成功預估缺陷的軟件。當分析的結果顯示出來時，用戶能夠很容易從結果中得出結論，而且有時通過分析結果能找到潛在缺陷所在位置，根據缺陷所在區域對設計進行調整和優化，優化之后再仿真模擬一次，達到用戶所要的效果。但是當前鑄造業中的試錯機制正在變化，傳統方式慢慢被計算機替代；此外，設計者如果要運行一次鑄造凝固的模擬，除了需掌握如CAE的軟件、創建凝固模型的方法外，還需了解冒口設計的理論知識等，而且用戶對冒口設計理論知識掌握的多少，往往決定了最終的設計方案的優良程度，因為這些知識可以在整個過程中輔助分析各類情況。現在全球基于數值冒口優化設計方法已經大量涌現，從表面上看這些研究工作都見證了冒口優化設計的進步，但實際情況是現在市面上還沒有一款能真正達到冒口自動優化設計功能的軟件，或多或少受限于傳統設計。

冒口工藝發展迅速，出現在該領域的方法有將CAE、最優化方法以及人工智能三者結合，這標志著冒口設計正邁向自動、智能化。在當今科技和經濟迅猛發展的年代，想要滿足客戶更多的需求，具有冒口工藝具有優化功能的軟件，從而使得工藝人員便捷快速獲取冒口設計方案的鑄造的仿真結果，無疑是具有巨大優勢的。

2 鑄造數值模擬中冒口優化設計的發展以及自動優

化的設計

2.1 數值模擬中冒口優化設計的發展

數值模擬來實現冒口優化的設計，最先是由美國的Finite Solutions Co.結合多變量優化運算，通過將鋼鑄件凝固過程模擬與工藝的優化相結合，最先打開了計算機模擬效率提高的大門。這些年來，國外的許多針對冒口優化功能的模擬軟件如雨后春筍般涌現。如熟悉的MAGMA軟件的一款子產品 Magmafrontier軟件，就是為冒口的自動優化而生，使得冒口設計過程的初步智能化得以實現。Z-Cast給出了一種冒口優化的新方法，該方法通過其設計的模擬軟件獲得鋼鑄件缺陷，之后再人為從已創建的冒口庫選擇適當的冒口，接著再將選出的冒口優化到最好，一步步達到對優化工藝過程的重現的目的。

我國冒口優化設計領域的學者和專家對此作出的研究也有一定成效。李智深入研究了補縮的原理，闡述了傳統工藝的缺陷，采用粒子群算法，給出冒口優化設計的方案，其中的優化指標包含有冒口直徑、高度、頸直徑等尺寸。張丹不僅給出了數值模擬的結果，而且思維獨到，建立了從設計到分析，分析到優化的完美體系。

2.2 自動優化的設計

冒口的自動優化設計系統如何有效建立，首先創建合適的冒口模型是關鍵，然后如何跟遺傳優化的算法結合應用也是重中之重，這樣才能數學模型以及遺傳算法集成起來。對每個鑄件模塊一一進行單獨優化，得到優化后的冒口，再對其造型，通過仿真軟件CAE進行運算，各項參數合格之后再將模擬的冒口進行加工，在實際的澆注實驗中對冒口進行各項性能檢測，證明該體系建立的意義以及潛在的應用價值。

3 鑄鋼件冒口注意事項

前文所述的鑄鋼件中最關鍵的問題，就是能讓冒口實現補償凝固過程中的收縮體積，在冒口設計中應注意以下幾個方面。

①首先是冒口的凝固時間，不小于鋼鑄件被補縮處的收縮時間。

②冒口擁有的補縮量，不小于鋼鑄件的液態、凝固收縮以及型腔擴大量三者總和。

③補縮過程，鑄件補縮處與冒口要留有通道。

④補縮的壓力要一直處于正壓狀態，才能讓補縮金屬液可以按照指定方向流到補縮處，并能排除流動阻力的干擾。

⑤冒口與鋼鑄件連接處的處理也很關鍵，連接處的接觸熱節應不能大于鋼鑄件幾何熱節，以免由于冒口的設計不當，使鑄件凝固的時間延長。

4 結 語

隨著計算機技術的不斷完善以及鑄造CAE和自動化技術的深入發展，鑄造模擬軟件普遍應用于實際生產中，并且在應用的過程中又慢慢對軟件進行改進和完善，使其更好的應用于實際，趨于自動化。本文在仿真計算出的結果輔助下，結合數值優化算法以及形狀優化方法，進一步優化鑄件的冒口。所開發的系統可以自動對簡單鑄件進行優化與設計，為未來開發更為高級的鑄造智能優化系統打下了堅實的基礎。

參考文獻：

[1] 廖敦明，陳立亮，周建新，等.鑄造CAD/CAE智能冒口工藝優化設計[J].鑄造，2010，（5）.

[2] 沈旭，陳立亮，周建新，等.基于CAE技術的鑄鋼件自動冒口優化設計[A].2008年中國鑄造活動周論文集[C].2008.

[3] 邵雄.基于CAE分析的鑄鋼件冒口優化技術的研究[D].武漢：華中科技大學，2011.