基于CAE分析的铸钢件冒口优化技术探讨

潘力辉

摘 要：随着不断完善计算机技术与铸造CAE技术，铸造模拟软件越来越普遍地运用于实际生产中。当前的市场竞争异常激烈，如果铸造企业不能保证较低的生产成本并且提供质量比同行业高的产品以及缩短新产品的研发周期，那么极有可能面临淘汰的局面。文章针对传统铸造工艺的缺点提出了一种新的自动优化铸钢件冒口的方法，该方法大大减少了工艺优化的时间，是切实可行的。

关键词：CAE分析；铸钢件冒口；优化技术

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）24-0014-01

熔融金属液是铸型过程中所必须的，但是熔融金属液通常在凝固的时候会伴随有体积收缩的情况，因此理论上当新注入金属液时，部分金属液会对收缩的体积进行补偿，实际上在浇注的过程中，由于金属液不可能在一个时刻一起凝固住，因此已经凝固好的金属液就自然地隔离没有凝固的金属液，使得后面注入的金属不能填由于充体积的收缩引起的小空隙，这些间隙就会形成孔洞，通常也称为缩孔，该现象可以说是铸造中经常遇到的一个问题。若想有效弥补凝固过程中的收缩体积带来的问题，一般情况下都是在铸造的过程中人为增添冒口这样的方式，来达到凝固的方向固定的目的，先后次序是从铸件到冒口，并使最后凝固点在冒口附近，当完成凝固工作之后，冒口就可以切除下来循环使用。因此我们可以明确整个铸造过程的核心部分在于设计合理的冒口数目、位置、尺寸以及形状等体系，如何使冒口体系在达到最优时体积最小。

1 铸钢件冒口优化的现状

近几年，铸造模拟技术发展迅速，尤其是在工艺体系设计的评估方面的应用，此外，该项技术对预测缩孔缩松缺陷也有显著作用。从各个不同的角度来看，评判铸造模型体系是否优良，主要是看该体系能否接收用户的设计方案之后给出分析结果，只有达到这个要求，才有可能成为一款能成功预估缺陷的软件。当分析的结果显示出来时，用户能够很容易从结果中得出结论，而且有时通过分析结果能找到潜在缺陷所在位置，根据缺陷所在区域对设计进行调整和优化，优化之后再仿真模拟一次，达到用户所要的效果。但是当前铸造业中的试错机制正在变化，传统方式慢慢被计算机替代；此外，设计者如果要运行一次铸造凝固的模拟，除了需掌握如CAE的软件、创建凝固模型的方法外，还需了解冒口设计的理论知识等，而且用户对冒口设计理论知识掌握的多少，往往决定了最终的设计方案的优良程度，因为这些知识可以在整个过程中辅助分析各类情况。现在全球基于数值冒口优化设计方法已经大量涌现，从表面上看这些研究工作都见证了冒口优化设计的进步，但实际情况是现在市面上还没有一款能真正达到冒口自动优化设计功能的软件，或多或少受限于传统设计。

冒口工艺发展迅速，出现在该领域的方法有将CAE、最优化方法以及人工智能三者结合，这标志着冒口设计正迈向自动、智能化。在当今科技和经济迅猛发展的年代，想要满足客户更多的需求，具有冒口工艺具有优化功能的软件，从而使得工艺人员便捷快速获取冒口設计方案的铸造的仿真结果，无疑是具有巨大优势的。

2 铸造数值模拟中冒口优化设计的发展以及自动优

化的设计

2.1 数值模拟中冒口优化设计的发展

数值模拟来实现冒口优化的设计，最先是由美国的Finite Solutions Co.结合多变量优化运算，通过将钢铸件凝固过程模拟与工艺的优化相结合，最先打开了计算机模拟效率提高的大门。这些年来，国外的许多针对冒口优化功能的模拟软件如雨后春笋般涌现。如熟悉的MAGMA软件的一款子产品 Magmafrontier软件，就是为冒口的自动优化而生，使得冒口设计过程的初步智能化得以实现。Z-Cast给出了一种冒口优化的新方法，该方法通过其设计的模拟软件获得钢铸件缺陷，之后再人为从已创建的冒口库选择适当的冒口，接着再将选出的冒口优化到最好，一步步达到对优化工艺过程的重现的目的。

我国冒口优化设计领域的学者和专家对此作出的研究也有一定成效。李智深入研究了补缩的原理，阐述了传统工艺的缺陷，采用粒子群算法，给出冒口优化设计的方案，其中的优化指标包含有冒口直径、高度、颈直径等尺寸。张丹不仅给出了数值模拟的结果，而且思维独到，建立了从设计到分析，分析到优化的完美体系。

2.2 自动优化的设计

冒口的自动优化设计系统如何有效建立，首先创建合适的冒口模型是关键，然后如何跟遗传优化的算法结合应用也是重中之重，这样才能数学模型以及遗传算法集成起来。对每个铸件模块一一进行单独优化，得到优化后的冒口，再对其造型，通过仿真软件CAE进行运算，各项参数合格之后再将模拟的冒口进行加工，在实际的浇注实验中对冒口进行各项性能检测，证明该体系建立的意义以及潜在的应用价值。

3 铸钢件冒口注意事项

前文所述的铸钢件中最关键的问题，就是能让冒口实现补偿凝固过程中的收缩体积，在冒口设计中应注意以下几个方面。

①首先是冒口的凝固时间，不小于钢铸件被补缩处的收缩时间。

②冒口拥有的补缩量，不小于钢铸件的液态、凝固收缩以及型腔扩大量三者总和。

③补缩过程，铸件补缩处与冒口要留有通道。

④补缩的压力要一直处于正压状态，才能让补缩金属液可以按照指定方向流到补缩处，并能排除流动阻力的干扰。

⑤冒口与钢铸件连接处的处理也很关键，连接处的接触热节应不能大于钢铸件几何热节，以免由于冒口的设计不当，使铸件凝固的时间延长。

4 结 语

随着计算机技术的不断完善以及铸造CAE和自动化技术的深入发展，铸造模拟软件普遍应用于实际生产中，并且在应用的过程中又慢慢对软件进行改进和完善，使其更好的应用于实际，趋于自动化。本文在仿真计算出的结果辅助下，结合数值优化算法以及形状优化方法，进一步优化铸件的冒口。所开发的系统可以自动对简单铸件进行优化与设计，为未来开发更为高级的铸造智能优化系统打下了坚实的基础。

参考文献：

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[2] 沈旭，陈立亮，周建新，等.基于CAE技术的铸钢件自动冒口优化设计[A].2008年中国铸造活动周论文集[C].2008.

[3] 邵雄.基于CAE分析的铸钢件冒口优化技术的研究[D].武汉：华中科技大学，2011.