計算機輔助設計在鑄造工藝中的應用及發展
鑄造工藝設計是鑄造生產的核心技術環節。鑄造生產是一種材料通過“固態-液態-固態”的轉變，一次性成型來完成產品生產的工藝過程。材料這種通過物理狀態的改變而成型的特殊性給鑄造工藝設計帶來了極大的困難，導致鑄造工藝設計存在從設計到生產的周期長、修改次數多、設計缺少科學性等諸多問題。而計算機的迅速發展使得解決這些長期阻礙鑄造生產發展的問題成為現實。
1 鑄造工藝CAD
隨著計算機技術的迅猛發展，計算機在鑄造中的應用越來越廣泛。60年代初，丹麥的Forsund把Dusinberre等人在工程應用中提出的有限差分近似法第一次用于鑄造凝固過程的傳熱計算，開始了鑄件凝固的過程模擬。此后，美國Michigan大學的Marrone等人以及日本的大中逸雄等相繼開始了凝固過程模擬，并取得了顯著的進步。在第50屆國際鑄造年會舉辦的“凝固過程計算機模擬”專題討論會上，深入討論了鑄件凝固過程數值模擬在研究微觀組織結構和鑄件性能等方面的應用，總結了凝固過程模擬所依據的一系列關系式，并設想利用這些關系式將幾何模數、凝固參數、合金性能及微觀組織參數等有機地聯系起來，并提出了鑄造工藝CAD的概念。我國從1978年開始開展鑄件凝固數值模擬研究，十多年來的研究已形成了我國凝固模擬技術研究的特色。
鑄件凝固數值模擬技術發展至今可分為3個階段：①基礎研究階段，著重于計算模擬；②預測研究階段，對擬定好的工藝方案進行檢查，以預測質量，并通過模擬澆注來修改方案；③優化工藝設計，包括計算模擬、幾何模擬及數據庫，并使之有機結合起來。有時把這3個階段綜合稱為鑄造工藝CAD，有時又特指為第三階段。目前就國外而言，鑄造工藝CAD正處在第三階段。因此，在實際研究中鑄造工藝CAD應包括4個部分，即：凝固過程數值模擬(熱場模擬)、充型過程數值模擬(流場模擬)、熱應力及殘余熱應力數值模擬(力場模擬)和微觀模擬(組織模擬)。
2 鑄造工藝CAD的現狀及應用
2.1 鑄造工藝CAD的現狀
目前，國內外鑄造工藝CAD方面的研究已達到了相當的水平，并已逐步進入實用化階段。這主要反映在以下3個方面。
(1) 前置處理
根據實際物體的結構和形狀建立實體模型，并自動剖分為多面體單元。一般來講，對于形狀簡單的鑄件，通常采用二維的方法近似地進行數值模擬就可得到較為精確的結果。而對于結構復雜的鑄件，則需三維模擬計算才能滿足精度的要求。
(2) 中央處理
中央處理是數值模擬的核心，通過數值模擬計算法對熱平衡方程進行解析和縮孔縮松的預測判斷，同時也可通過求解Navier-Stokes方程來模擬充型過程等。
(3) 后置處理
后置處理是將計算的結果經分析后通過彩色圖形或圖象等方式動態地表示出來。如用二維方式顯示鑄件某一斷面或某點的溫度-時間動態曲線圖，用三維方式顯示鑄件的溫度變化、縮孔縮松的形成、或是反映鑄件的應力場分布等。
由于現在的許多軟件具有很強的前后置處理功能，因此，通過前置-中央-后置處理，可以連續地完成對鑄件的三維造型、網格自動剖分；在給定的初始條件和邊界條件下，進行數值模擬計算，然后按使用者的要求，顯示出鑄件的三維溫度場、應力場，甚至包括固相率場等，使得設計者可以很快得到在此工藝條件下所生產鑄件的質量，并通過模擬結果對工藝進行修改，以滿足鑄件質量的要求。
2.2 鑄造工藝CAD的應用
80年代以來，數值模擬技術得到了飛速的發展。一方面由于研究過程中不斷建立新的數學模型和各種判據，使模擬計算結果不斷近似于實測結果，另一方面，由于凝固基礎理論研究所取得的新成果，使宏觀模擬計算與微觀的結晶過程有機結合成為可能，并也取得了突破性的成果。就鑄造工藝CAD的應用而言，主要有以下幾方面。
(1) 鑄件凝固過程的數值模擬
鑄件凝固過程的數值模擬是通過計算溫度場的溫度梯度、固相率凝固時間等，用一系列準則來預測鑄件在凝固過程中產生縮孔縮松的部位及大小、產生的時間等。通過這種預測可對所制定的鑄造工藝方案進行修改，再通過數值模擬進行驗證。同時，利用凝固數值模擬的方法確定了獲得健全鑄件時內澆口與鑄件的關系
1τf／τr＞k（0．566～0．575）
式中：τf——內澆口凝固的時間；
τr——補縮鑄件凝固的時間。
通過修改工藝獲得了健全的鑄件。很明顯在其他工藝條件一定的前提下，這一關系具有通用性。數值凝固模擬可使澆注系統的設計更為準確，更具科學性，而且，大大縮短了設計的周期，減少了工裝模具的反復修改。所以，凝固數值模擬應用是最廣泛和最成熟的。
(2) 鑄件充型過程的數值模擬
鑄件充型過程的數值模擬是通過計算金屬液充型過程中的流體流動得出的。充型過程的數值模擬可以分析在給定工藝條件下，金屬液在澆注系統中以及在型內的流動情況。包括：流量的分布、流速的分布以及由此而導致的鑄件溫度場。在圖6中，當流體流量分布不均勻時，鑄件的溫度分布也不均勻。在圖中，第4個冒口在此時尚未充滿，導致鑄件溫度分布的不均勻。并且這種模擬也能夠為后來的凝固分析提供正確的初始條件。因此，充型模擬在澆注系統及冒口優化設計中是非常重要和有價值的。
(3) 鑄件熱應力的數值模擬
鑄件熱應力的數值模擬是通過對鑄件凝固過程中熱應力場的計算、冷卻過程中殘余熱應力的計算來預測熱裂紋敏感區和熱裂紋的。鑄件應力的形成不僅影響鑄件最終的質量和使用效果(裂紋變形等)，而且影響工藝設計的質量(收縮量的準確給定等)。如果能模擬出鑄件在給定工藝下的應力分布，就可修改工藝把鑄件產生應力的可能降低到最低限度，從而保證鑄件的質量。但由于鑄件的結構、鑄型材料對鑄件凝固過程的影響是非常復雜的，這種模擬計算本身也很復雜，所以，應力的模擬仍有很長的路要走。圖7是床身鑄件導軌縱截面二維模擬應力場。
(4) 鑄件微觀組織數值模擬
鑄件微觀組織數值模擬是計算鑄件凝固過程中的成核、生長等，以及凝固后鑄件的微觀組織和可能具備的性能。圖8就是模擬和實際檢驗的鑄件微觀組織。在微觀組織模擬中，用宏觀傳熱、傳質與微觀形核、生長相統一的數學模型，來描述微觀組織形成的動態過程。包括：自發或非自發成核、晶粒長大、枝晶生長、二相質點的分布等。微觀組織模擬為相關的工藝提供了依據，保證了鑄件的質量，也是從事金屬研究的有力手段。
鑄造工藝CAD的發展和應用對鑄造生產具有重大的意義和價值。但必須清楚地認識到鑄造工藝CAD不是目的，而是手段。應用和加速發展鑄造工藝CAD是為了鑄造工藝的最優化設計、提高設計的質量和科學性、縮短設計的周期、保證鑄件質量和提高經濟效益。所以，從應用的角度上講，各種數值模擬最終要服務于鑄造工藝的優化設計。