郭心春 鄭書邦 樊未封

【摘 要】鑄造是一種非常廣泛的生產(chǎn)工藝。影響鑄件好壞的因素很多，只靠經(jīng)驗來進行鑄造的傳統(tǒng)方法已經(jīng)不適用于時代的發(fā)展。鑄造模擬軟件的運用極大地提高了鑄造生產(chǎn)效率及水平。本文介紹了當前比較流行的幾款鑄造模擬軟件及其優(yōu)缺點，對鑄造模擬的整個行業(yè)概況進行了闡述。

【關(guān)鍵詞】鑄造；模擬；軟件；對比

1.介紹

鑄造是人類掌握比較早的一種金屬熱加工工藝，已有約6000年的歷史。鑄造是指將室溫中為液態(tài)但不久后將固化的物質(zhì)倒入特定形狀的鑄模待其凝固成形的加工方式。

雖然鑄造是從液態(tài)金屬到最終形狀的最直接成形途徑，但這種最直接的途徑卻蘊含著巨大的困難。因為在這一制作過程中需要同時控制的環(huán)節(jié)很多，包括金屬的熔煉、合金化、造型、澆注、凝固和加工等諸多方面。其中每一環(huán)節(jié)都必須準確控制，因為僅一方面的失誤就有可能導(dǎo)致整個鑄件的報廢。[1]

傳統(tǒng)依靠經(jīng)驗和試錯開發(fā)新工藝的方法已不能滿足現(xiàn)在的要求。鑄造過程的計算機模擬就是在這樣的背景下應(yīng)運而生的。

鑄造過程的計算機模擬依靠鑄造模擬軟件的實現(xiàn)。鑄造模擬軟件為一個系統(tǒng)分析軟件，應(yīng)用在鑄造的流程當中。一般的模擬軟件可以計算出金屬液從鑄模中的豎澆道倒入之后，流經(jīng)過橫流道，最后經(jīng)過進水口進入到鑄件當中，金屬液會慢慢地開始填滿整個模穴，當整個模穴都填滿后，金屬液開始慢慢地冷卻凝固，最后變成固態(tài)，形成所需要的鑄件。

目前主要開發(fā)此軟件的國家包括：德國、法國、美國及日本等工業(yè)國家，目前軟件的發(fā)展趨勢朝鑄造過程中可能產(chǎn)生的鑄疵、金屬流體在模穴中的狀態(tài)分析-流速、壓力、溫度，及生產(chǎn)流程最佳化。[2]

鑄造工廠目前使用上，在企業(yè)經(jīng)營上可獲得的好處有：

1.1降低生產(chǎn)成本

傳統(tǒng)在鑄件開發(fā)階段，通常利用試誤法來找到生產(chǎn)的最佳工法，但在開發(fā)過程中要花費很多的人力時間、材料費用、熔解電力等，故如果利用軟件模擬方式，就可以減少前述的成本。

1.2教育新進人員

現(xiàn)在的鑄造廠不太容易找到年輕學(xué)子來投入此行業(yè)，主要原因有-工作環(huán)境不好，高溫高污染，再者現(xiàn)場的資深員工較不愿將鑄造技術(shù)傳授 給新進員工，所以在沒辦法學(xué)到專業(yè)，也沒有工作成就感時，就容易提高公司的離職率，此軟件可以取代部份現(xiàn)場的技術(shù)教學(xué)，而且容易表達其原理，讓新進人員易 于吸收。

1.3與國際大廠接軌

世界上主要的工業(yè)國家都在積極的發(fā)展類似軟件，所以在這些國家的鑄造廠應(yīng)用已算相當普遍，鑄造業(yè)若要繼續(xù)發(fā)展下去，必然要在資訊系統(tǒng)上跟國外廠商接軌，以加速訊息的流通。

1.4降低廢品率（scrap rate）

在進入大量生產(chǎn)前，若可以先利用軟件進行分析，則可以大大降低進入大量生產(chǎn)時，因為設(shè)計上的錯誤而產(chǎn)生大量的廢品。

鑄造過程計算機數(shù)值模擬技術(shù)包括鑄件充型過程（流場）數(shù)值模擬、凝固過程（溫度場）數(shù)值模擬、微觀組織數(shù)值模擬、熱應(yīng)力數(shù)值模擬、宏觀和微觀偏析數(shù)值模擬及鑄造缺陷（如縮孔、疏松及熱裂等）預(yù)測等。經(jīng)歷數(shù)十年的努力，鑄件充型和凝固過程的計算機模擬技術(shù)的發(fā)展已進入工程實用化階段，可以幫助工程技術(shù)人員在鑄造工藝設(shè)計過程中對鑄件可能出現(xiàn)的各種缺陷及其大小、部位和發(fā)生的時間給予有效的預(yù)測，從而優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計，確保鑄件的質(zhì)量，縮短試制周期，降低生產(chǎn)成本。

本文主要綜述多種鑄造模擬軟件在實際鑄造工廠中的應(yīng)用，以期為工廠實際提供多元化選擇，更好地更有針對性地開展生產(chǎn)實際。

2.主要鑄造模擬軟件介紹

2.1 ProCAST

（1）軟件來源：ProCAST由法國ESI公司開發(fā)的綜合的鑄造過程軟件解決方案，有20多年的歷史，提供了很多模塊和工程工具來滿足鑄造工業(yè)最富挑戰(zhàn)的需求。

（2）應(yīng)用范圍：基于強大的有限元分析，它能夠預(yù)測嚴重畸變和殘余應(yīng)力，并能用于半固態(tài)成形，吹芯工藝，離心鑄造，消失模鑄造、連續(xù)鑄造等特殊工藝?？梢杂脕砟M任何合金，從鋼和鐵到鋁基、鈷基、銅基、鎂基、鎳基、鈦基和鋅基合金，以及非傳統(tǒng)合金和聚合體。可以分析縮孔、裂紋、裹氣、沖砂、冷隔、 澆不足、應(yīng)力、變形、模具壽命、工藝開發(fā)及可重復(fù)性。[3，4]

2.2 Magma

（1）軟件來源：Magma是德國Aachen工業(yè)大學(xué)、丹麥Copenhagen科技大學(xué)和Magma公司聯(lián)合開發(fā)軟的一款有限差分軟件。

（2）應(yīng)用范圍：可以模擬溫度場、流場、應(yīng)力場及溶質(zhì)場，預(yù)測縮孔及宏觀偏析等。該軟件應(yīng)用幾乎覆蓋所有鑄造工藝及合金，如砂模鑄造、金屬模鑄造、重力鑄造、高壓鑄造等等。

2.3 Viewcast

（1）軟件來源：Viewcast是WTCM鑄造中心開發(fā)的有限差分模擬軟件。

（2）應(yīng)用范圍：可以模擬流場、穩(wěn)溫度場及應(yīng)力場。還可以進行澆注系統(tǒng)和冒口設(shè)計。適用于重力鑄造、高壓鑄造及低壓鑄造。功能相對簡單，易于使用。

ViewCast模擬圖[9]

2.4 Flow-3D

（1）軟件來源：FLOW-3D是由 Flow Science 開發(fā)之高性能計算流體力學(xué)（CFD）軟件。

（2）應(yīng)用范圍：Flow-3D可用于重力澆注、砂模澆注、低壓鑄造、高壓鑄造（冷室/熱室）、傾斜澆注、消失模鑄造、連續(xù)鑄造、離心鑄造、精密鑄造、半固態(tài)鑄造、觸變鑄造等領(lǐng)域，用途廣泛，可廣泛地應(yīng)用于鑄造、水利及環(huán)境工程、船舶及海洋工程、微流體以及消費產(chǎn)品等各個領(lǐng)域。

2.5 JSCAST

（1）軟件來源：JSCAST是日本銷售業(yè)績第一的鑄造CAE軟件，適用于各種鑄造工藝及合金的充型及凝固過程的數(shù)值解析。通過充型流動模擬可預(yù)測充填不良、卷氣等缺陷；通過凝固模擬可預(yù)測縮孔等缺陷的發(fā)生。

（2）應(yīng)用范圍：操作簡單、功能齊全、模擬精度高、計算速度快是JSCAST的主要特點。該軟件適用于以壓力鑄造和重力鑄造為代表的幾乎所有鑄造工藝及各種合金材料?？蓽蚀_預(yù)測卷氣、夾雜、充填不良、冷隔、流痕等流動缺陷，及縮孔、縮松、氣孔等凝固缺陷。新增加的“鑄造應(yīng)力及變形解析”模塊，可預(yù)測熱裂及變形。

2.6華鑄CAE

（1）軟件來源：“華鑄CAE”鑄造工藝分析軟件是分析和優(yōu)化鑄造工藝的重要工具，是華中科技大學(xué)（原華中理工大學(xué)）經(jīng)20多年研究開發(fā)，并在長期的生產(chǎn)實踐中不斷改進，完善起來的集成軟件系統(tǒng)。

（2）應(yīng)用范圍：它以鑄件充型、凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)為核心對鑄件的成型過程進行工藝分析和質(zhì)量預(yù)測，從而協(xié)助工藝人員完成鑄件的工藝優(yōu)化工作。

該軟件對鑄件充型、凝固過程進行計算機模擬，預(yù)測鑄造過程中可能產(chǎn)生的卷氣、夾渣、沖砂、澆不足、冷隔、縮孔、縮松等缺陷。

3.總結(jié)

鑄造模擬技術(shù)在當今鑄造行業(yè)中具有十分重要的地位，它可以有效地預(yù)測及控制鑄造過程中的各項參數(shù)，為實際鑄造過程提供依據(jù)，極大地促進了材料的高效利用。

鑄造模擬軟件是實現(xiàn)鑄造模擬的載體，其對于實際鑄造過程的適用與否對于模擬效果起到關(guān)鍵性的作用。本文綜述了當前比較主流的幾款鑄造模擬軟件，比較了它們的優(yōu)缺點，希望能對鑄造一線人員提供一定的參考意義。

【參考文獻】

[1]鑄造原理，約翰.坎貝爾著，李殿中，李依依等譯.科學(xué)出版社，2011，4.

[2]維基百科，http：//zh.wikipedia.org/wiki/鑄造模擬軟件.

[3]湯愛濤，胡紅軍等主編.計算機在材料工程中的應(yīng)用.重慶大學(xué)出版社，2008，6.

[4]李日主編.鑄造工藝仿真ProCAST從入門到精通.中國水利水電出版社，2010，9.

[5]百思論壇http：//www.baisi.net/thread-2481455-1-1.html.

[6]http：//www.flow3d.cn/success1/cast3.htm.