铸造模拟技术对铸造专业教学改革的应用研究

孟保战（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安　710302）



·教学研究·

铸造模拟技术对铸造专业教学改革的应用研究

孟保战
（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安710302）

摘要：通过对铸造模拟技术及专业软件ProCAST的介绍，结合实际铸件的模拟过程分析演示，直观的展示了铸造模拟技术的基本特点及应用。讨论了铸造模拟技术在专业教学中的意义。

关键词：铸造模拟；ProCAST；教学

铸造过程数值模拟技术是通过对铸件成型系统即铸件、型芯、铸型等物理模型进行几何上的有限离散，计算分析铸造过程中流场、温度场、应力场的变化，结合铸造过程中缺陷的形成判据来进行铸件质量预测。通过铸件凝固组织数值模拟，在减少工作量的基础上，实现对铸件凝固微观组织形成及机械性能的预测，从而得到主要工艺参数对铸件凝固组织影响的关系，为铸件工艺优化和质量控制提供相应的理论依据[1-3]。

铸造充型过程的数值模拟仿真起步于20世纪80年代，台湾学者黄文星与R.A.Stoehr教授在美国匹兹堡大学一同首次将流体力学计算的研究成果应用于铸造方面，运用MAC法计算了平板铸件的充型过程，从此充型过程数值模拟开始蓬勃发展及应用[4、5]。随着计算机技术的不断进步，铸造模拟技术在生产实际中得到了广泛应用，同时出现了越来越多的商品化模拟软件，例如：德国的MAGMA、法国ESI公司的ProCAST、瑞典的NovaCast、韩国的Anycasting等。此类软件已经在生产实际中得到应用，并在企业的铸造生产过程中发挥了一定的作用。

本文通过对模拟软件ProCAST的应用介绍，结合高等院校在铸造专业教学、人才培养模式，对铸造模拟技术在专业教学中的重要意义进行探讨。

1　ProCAST简介

ProCAST是USE公司开发的一款专业的铸造模拟软件。软件主要采用有限元（FEM）算法，通过综合求解对铸造过程中的充型、凝固和冷却等提供模拟。它能够进行传热、充型、热场耦合应力方面的计算并对微观组织及缩孔缩松进行预测。ProCAST可用于多种铸造工艺模拟，例如：砂型铸造、半固态成形、离心铸造、消失模铸造、压铸、低压铸造、连续铸造等。其主要特点有以下几个方面[6-8]：

1）软件采用模块化设计，能够适用于任何铸造过程的模拟；

2）采用有限元算法，无需与第三方软件进行耦合计算，便可获得高精度的模拟结果；

3）在薄壁铸件模拟方面更具优势，处理流动问题能力突出。

4）CAD/CAE集成度高，通过标准数据格式能读取多数主流软件数据，几何修复功能强大；

5）操作界面工程化，大幅提高使用者操作效率。

ProCAST可对铸造过程的流动-传热-应力耦合作出分析计算。通过多个模块可以进行缩孔、冲砂、裂纹等常见铸造问题分析；模拟铸件生产过程中潜在的问题，为铸造技术人员提供可视化的途径来研究整个过程，使其能够看到型腔内发生各种变化，从而进行新方案的优化设计。

2　铸造模拟过程实例演示

通过三维制图软件Pro/E进行铸件模型建立，输出为igs格式后导入ProCAST软件进行网格划分、计算参数设置、模拟计算等过程后，采用后处理模块ViewCAST来观察结果。图1是某钛合金零件熔模铸造过程，为减轻模拟计算量，因此采用1/4模型进行演示。

图1中给出了铸件从浇铸0.18 s到0.77 s的充型过程及金属液温度变化。从图中可以直观、明显地看到从浇铸开始到充型完成整个过程。由于零件较小，充型过程几乎在很短的瞬间就得以完成。随着浇铸时间的变化，可以看到大部分金属液首先通过浇道系统进入最底层的铸件型腔，随后逐层进行充型；底部型腔最先完成充型，顶部型腔则最后完成充型。通过整个过程可以看到，由于不断有金属液浇铸，浇道系统中的金属液温度始终最高；而充型过程中与模壳接触的金属液温度则有所下降。

图1　 铸件充型过程

图2是铸件完成充型后凝固时的温度场变化。通过铸件从浇铸0.78 s到21 s之间的温度变化可以看到，随着充型过程结束，铸件进入凝固过程，各部分的温度开始发生变化。通过图2中温度变化可以看到，铸件外表面与模壳接触的尖角部分温度下降最快，依次是铸件中心部位，最后是浇道系统。从温度场的变化可以直观的看到铸件在凝固过程中各个部分的凝固顺序，对实际铸件工艺设计可以提供数据支持。

图2　 充型完成后的温度场变化

图3是模拟计算后的铸件缺陷判定。当整个模拟计算完成后，可以得到大量的铸造过程数据，其中铸件缺陷判定就是极为重要的一部分。前面通过充型过程、温度场变化能够看到铸件形成的过程；缺陷判定则可以发现铸件成型后，可能存在的缺陷及缺陷位置。图中紫色斑点位置，就是铸件存在的缩孔缺陷；通过对缺陷及其位置的直观信息反馈，说明该铸件需要进行铸造工艺改进，以避免实际生产中出现缺陷造成不合格品。

3　铸造模拟对专业教学的意义

当前铸造专业教学主要以课堂理论学习、铸造工艺实验及工厂实习三部分组成。通过基础理论及专业理论学习，使得学生能够明确掌握液态金属的性质、充型能力、凝固过程、结晶和收缩等基本规律；对铸件形成各阶段的实质、特点、内在联系、半生现象的形成机理及影响因素等有深入的理解，能针对防止各种铸造缺陷的产生、提高铸件质量等问题提出改进工艺[9、10]。铸造工艺实验主要是通过实验室各种实验让学生掌握型砂性能及测试方法、学会调整和控制型砂性能、了解浇道模型及设计的基本原则等，工艺试验主要通过实验的方式加深学生对理论知识的理解。工厂实习则是通过实际生产现场学习进一步展现所学知识的实际应用。

图3　铸件缺陷

在铸造专业教学的各个环节中，理论学习较为晦涩，工艺试验和实习依然无法对铸造型腔中金属液的流动充型、凝固、缺陷形成等过程进行视觉上的直观展示。铸造模拟技术的发展就为铸造过程的直观展示提供了可能，通过为学生提供铸造过程的演示，来加深该专业学生对铸造过程的认识，提高对专业知识的理解。

以往传统铸造往往是给人以环境脏、污染重的印象；然而随着计算机技术的飞速发展、绿色铸造概念的提出，越来越多的企业进行了技术升级、加大计算机模拟技术的实际应用，铸造模拟技术一方面可以大大缩短铸造工艺设计、试制周期，提高生产效率；另一方面可以提高产品的成品率，降低企业生产成本，增强产品的竞争力。采用铸造模拟技术进行工艺设计，能够以可视化的方式展示铸件产品的模拟浇铸过程，提前对生产中可能出现的问题作出预判，为实际生产提供前瞻性的技术支持。

从传统铸造专业教学过程、铸造模拟技术的发展应用、企业发展的需要等方面综合来看，铸造模拟技术能够促进铸造专业教学的信息化发展、提高学生在专业领域的学习能力、拓展学生的专业理论认知水平、增强学生在未来企业中工作的适应性。因此，铸造模拟技术在专业教学中有非常重要的意义，该技术在教学中的引入能使专业知识可视化，引导并扩大学生的视野，使其在校学习过程中不断接触到实际应用的新技术，提高学生综合能力，更好地适应专业领域的技术发展。

4　结束语

通过对铸造模拟技术及专业软件ProCAST的介绍，结合实际铸件的模拟过程分析演示，直观地展示了铸造模拟技术的基本特点及应用。通过计算机模拟，为学生提供铸造过程的演示，可以加深学生对铸造过程的认识，提高对专业知识的理解和掌握，引导并扩大学生的视野，对学生专业综合能力培养起到了积极的促进作用。随着教学改革的深入与计算机在高校的普及，铸造模拟技术在专业教学中将越来越广泛地被应用。

参考文献：

［1］孙邈，安阁英，苏仕方，等.铸件充型凝固过程数值模拟发展现状［J］.铸造，2000，49（2）：84-89.

［2］康道安，杨屹，吴敏，等.铝合金铸造充型凝固数值模拟的研究现状与发展［J］.热加工工艺，2008，37（23）：113-109.

［3］王莹莹.铝合金叶轮低压铸造模具设计及数值模拟［D］.济南：山东大学，2012.

［4］陈立亮.低压铸造连续生产过程数值模拟及其质量控制［D］.武汉：华中理工大学，1997.

［5］Radovic Z，Lalovic M.Numerical simulation of steel ingot solidification process［J］.Journal of Material Processing Technology，2005，16（3）：156-159.

［6］ 杨亚杰.铸造模拟软件ProCAST［J］.CAD/CAE与制造业信息化，2004（1）：109-111.

［7］ 胡红军.ProCAST软件的特点及其在铸件成形过程中的应用［J］.热加工工艺，2005（1）：70-71.

［8］ 李日，马军贤，崔启玉，等.铸造工艺仿真ProCAST从入门到精通［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［9］ 安阁英.铸件形成理论［M］.北京：机械工业出版社，1989.

［10］王文清，李魁盛.铸造工艺学［M］.北京：机械工业出版社，1998.

中图分类号：TG245

文献标识码：A

文章编号：1674-6694（2016）01-0047-03

doi：10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.01.015

收稿日期：2015-06-19

作者简介：孟保战（1980-），男，陕西咸阳人，大学本科，主要研究方向：实体造型及测量技术。

Application Research of Casting Simulation Technology on Professional Teaching Reform

MENG Bao-zhan
（Shanxi Institute of Technology，Xi＇an Shanxi 710302，China）

Abstrct：In this paper，the casting simulation technology and the professional software ProCAST were introduced，the basic characteristics of casting simulation technology and application were shown by the actual casting process simulation analysis demonstration，the significance of casting simulation technology on professional teaching was discussed.

Keywords：casting simulation，ProCAST，teaching