邢小颖，汤 彬，马 运，姚启明，徐江波，王龙兵
（清华大学基础工业训练中心,北京 100084）
铸造虚拟仿真技术是现代企业先进设计的必备方法之一。随着铸造虚拟仿真技术的发展,企业对掌握和了解铸造CAE 技术人才有着迫切的需求。结合国家人才培养的重大战略需求，落实清华大学的育人理念，通过对工程实践和创新教育发展趋势的研究，凝练中心发展理念，清华大学基础工业训练中心与MAGMA 合作，并将会用MAGMA 教育版软件为清华大学以及周边大学的学生提供模拟课程及体验。
传统的铸造生产和工艺制定过程中,主要是根据经验的积累和不断反复的试错,直到做出合格产品。这种依靠经验和反复试错的做法,导致生产周期长、成本高,而且很难保证铸件质量。铸造虚拟仿真软件是数字化制造的有机组成部分之一，其目的在于让学生全方位了解铸造流动性、应力、传热、凝固、缺陷分析以及优化的全过程。通过采用铸造虚拟仿真技术,设计人员只要在电脑上直接利用三维造型软件如SolidWorks 等建立铸件的三维模型,再利用铸造虚拟仿真软件模拟铸件的浇注凝固过程,在实际浇注之前就能够对铸件中可能产生的缺陷部位进行预测,从而对现有工艺进行优化改进,以确保铸件质量。铸造虚拟仿真技术已经成为铸造行业的重要技术发展方向,在国外已经普遍使用,我国作为全球铸造第一大国也正在大力推广应用这一技术。虚拟仿真技术的应用,使铸造工艺设计周期缩短,铸件制造速度加快,铸件质量明显提高,同时也对铸造技术人员的素质提出了更高的要求,需要具有扎实的专业基础和较强的创新意识,能够掌握和开发新工艺、新技术的高级应用型人才。目前,国内大部分相关高等院校只开设了CAD/CAM课程,开设铸造虚拟仿真课程的学校还不多。因此,为了适应铸造企业对技术人才的素质和能力的要求,使学生能满足铸造行业可持续发展的需求,迫切需要将先进虚拟仿真技术引入到教学中，全面提高人才培养质量,以适应时代和企业对铸造专业技术人才的要求。
训练中心铸造实验室在2018 年引入铸造虚拟仿真技术，对工程实践进行改革，在实际动手操作的同时，注重对学生的仿真技能培养，主要采用了MAGMA 软件作为仿真平台。该软件以铸件充型及凝固过程的数值模拟技术为核心对铸件进行铸造工艺分析,可以完成多种铸造合金在多种铸造方法下铸件充型流动的全过程，计算温度场、液体压力、气体压力、流动速度、气体含量、各浇道流量等结果，模拟砂芯发气情况，预测砂芯内部气压，预测气孔类缺陷风险区域，并可计算凝固及冷却过程中的体收缩。通过对模拟结果的分析，可预测缩孔、缩松等多种常见铸造缺陷的发生倾向,在改进和优化工艺,降低废品率,提高工艺出品率,缩短生产周期,降低制造成本,减少技术人员对经验的依赖、保持工艺设计稳定等方面都有较好的效果。在专业实践中引入MAGMA 软件进行铸造虚拟仿真技术后,使模具设计方法和手段更加现代化,设计的结果可视化,提高了设计工作的技术层次和教学质量;同时,由于学生接触仿真技术在铸造生产中的应用,对铸造行业的一些负面印象也发生了改变。
2.1 砂型铸造连接盘工艺中的应用
砂型铸造是在砂型中生产铸件的铸造方法，铸造行业80%以上的产品都是砂型铸造完成的。训练中心铸造实验室所开发的砂型铸造实践环节承担了国家级精品课“机械制造实习”、文化素质核心课“工业系统基础”、“材料加工实验课”以及“材料流动性实验”等多个课程的实践操作环节，且在铸造实践中占比较重，同时课程内容也受到了学生的一致好评。为了提高所做产品的铸件质量，全方位的了解铸造充型及凝固的全过程，数字化模拟技术与试验研究成为提高铸造技术的有效手段。
本案例首先针对实践操作的连接盘模样进行三维设计，然后利用MAGMA 仿真软件模拟铸造，对模拟结果进行分析验证，如模拟有缺陷，分析缺陷改进铸造工艺参数的设定或浇注系统的设计，如模拟没问题，则利用模具通过砂型铸造实际操作得到铸型并现场浇注得到铸件，使铸件和模拟结果进行再次比对，检查两者结果是否一致，如一致，说明模拟有效，如不一致，分析原因，找出问题，进行再次试验。所有的结果一致，形成系统有效的教案和课件，并加入到实践教学当中。如图1所示为连接盘工艺流程图，图2 为零件图及铸造工艺图。
图1 连接盘工艺流程图
图2 连接盘零件图及铸造工艺图
根据二维图绘制三维图（图3），通过MAGMA软件几何体处理界面，与几何体进行材料匹配和排序（图4），所选浇注材料用AiSi7Mg-sand，浇注时间6s,添加边界条件如浇口位置、排气孔等，利用有限差分法划分网格（图5），进行模拟浇注，通过设定的参数得到模拟结果（图6）。结果没问题，进行砂型铸造，根据模样特点，选择造型方法为手工两箱整模造型，确定浇注位置竖直放置，小端面朝上，大端面朝下，外圆面侧立，选用这种浇注位置，浇注工艺及铸件质量有以下特点：小端面有夹渣及气孔倾向，大端面及外圆面质量较好。为了便于分型，铸件的分型面只有一个，将其确定在铸件截面最大位置，铸件全部处于下箱。模样使用的是铝合金金属模样，它的强度高、尺寸精确、表面光洁、耐磨耐用。砂箱尺寸为300mm×250mm×90mm，浇口杯为漏斗形状，结构简单，消耗金属量少；
直浇道使用的是斜度1°～2°，上大下小的圆锥形直浇道，它起模方便，浇注时充型快，金属液在直浇道中成正压状态流动，从而可以防止吸气和杂质进入型腔。内浇道选择开在分型面上，便于造型操作，内浇道与铸件接口处的横截面厚度小于铸件壁厚的1/2，纵截面离接口处呈“远厚近薄”的状态。
图3 连接盘三维模型
图4 排序
图5 网格划分
图6 模拟结果
通过铸造得到铸件，将模拟与试验结果对比发现，结果比较一致（图7）。
图7 连接盘铸件及结果对比
2.2 消失模铸造齿轮箱工艺中的应用
消失模铸造是将与铸件尺寸形状相似的泡沫模型，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在负压状态下浇注，模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法，这种铸造工艺又被称为“气化模铸造”、“泡沫聚苯乙烯塑料造型”及“实型铸造”等。
本案例是以齿轮箱为例，在聚苯乙烯珠粒预发泡之前加入虚拟仿真进行模拟，然后通过聚苯乙烯珠粒预发泡，板材粘接，刷涂料及涂料烘干，填砂振动抽真空，浇注液态金属和落砂等工序后得到铸件（图8），将模拟结果与铸件对比后发现最终的铸件表面粘砂严重，且伴有少量针孔，分析其原因可能是涂料问题。消失模铸造涂料与砂型铸造的一个显著不同点是将涂料涂刷在消失模表面上，而不是涂在铸型的型腔表面上，涂料的主要作用是防止铸件表面粘砂，提高消失模的表面强度和刚度，防止造型时产生变形，涂料在使用过程中，要求能很好地粘附在气化模表面，干燥后不分层、不剥落，而此次使用的涂料为水基涂料，涂料的烘干时间较长，悬浮性和涂挂性都较差，所以铸件表面粘砂较为严重（图8）。
图8 齿轮箱制造流程
为了防止铸件表面粘砂，提高模样的表面强度和刚度，防止造型时产生变形，又重新选用了一种悬浮性以及涂挂性能比较好的树脂系快干涂料，并且将制好的聚苯乙烯泡沫模型用毛刷涂刷两遍并保证其均匀。通过实际铸造验证，发现确是涂料环节出现的问题。图9 为重新铸造所得铸件。
图9 齿轮箱铸件
通过此案例可以发现，铸造虚拟仿真技术模拟出来的结果如果是正确的，并不能确定的说明所得铸件也完全没有问题，因为铸造过程是环环相扣的，是较为复杂的，所以虚拟仿真只是起到对于缺陷产生的一个预测作用。但是仿真技术在铸造里面又是不可或缺的，针对于大型复杂需要优化的铸件它还是有一定优势的。
本文以虚拟仿真技术在砂型铸造和消失模铸造中的应用进行阐述并对工艺进行分析，说明了仿真在铸造专业使用的必要性，在我国从铸造大国向铸造强国转变进程中，铸造虚拟仿真技术的应用，有利于发挥铸造技术设计人员的创造性，缩短铸造工艺及工装模具的设计周期，减少铸造缺陷，从而保证铸件质量。
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