鑄造凝固模擬(CAE)技術可以在鑄件實際澆注前對多個鑄造工藝方案進行驗證，預測縮孔、縮松、卷氣、夾雜、裂紋、應力集中等常見鑄造缺陷，為優化鑄造工藝提供參考。因為CAE的前提是必須要有一個初始工藝方案，所以目前CAE的作用還基本體現在對已有工藝方案的驗證，不能智能地設計鑄造工藝。一個合理的鑄造工藝依賴工藝人員豐富的專業知識和寶貴的經驗，而對經驗不足者，很難在短時間內得到合理的工藝方案。即便借助CAE軟件，由于對模擬顯示結果的理解程度不同，基于模擬結果進行工藝優化的能力也因人而異。專業技能知識，現場經驗積累、軟件的正確使用和熟練程度等，都決定了凝固模擬(CAE)與工藝優化設計(CAD)的有效銜接。本研究以鑄鋼件的冒口智能優化為突破口，結合CAE模擬得到的鑄件孤立液相區信息與周界商法，進行了鑄鋼件冒口的自動優化設計研究，實現了CAD與CAE的耦合，開發出了一套基于UG(UniGraphics)和孤立液相區的鑄鋼件智能冒口優化設計系統。

　　1 智能化冒口工藝設計路線

　　冒口的選擇是鑄造工藝設計中非常重要的一部分，同時是鑄造工藝設計的難點所在。常用的冒口設計方法包括模數法、補縮液量法、比例法、Q參數法、三次方程法、周界商法。在鑄鋼件冒口設計中，模數法是一個廣泛應用的計算方法。鑄件模數對冒口設計至關重要，應用整體模數法設計冒口，不如采用局部模數法準確，但是很難獲得準確的局部模數，因為局部模數的獲得要靠設計人員對鑄件進行手動分割，局部分割的體積、形狀各異，散熱面積各異，導致計算出的局部模數不能定量，這是制約鑄造工藝CAD實用化的瓶頸之一。

　　本研究基于CAE凝固模擬的孤立液相區進行鑄鋼件的冒口自動優化設計，能定量地跟蹤各個孤立液相區的體積和表面積大小，以及各孤立區的凝同時間，比局部模數法更準確、方便。軟件編制的總體技術路線如圖l所示。首先使用本課題組開發的華鑄CAE軟件對不帶冒口工藝的鑄件模型進行初步的溫度場計算，得到鑄件的孤立液相區信息;接著利用UG/Open二次開發技術，將計算結果信息導人三維CAD軟件UG中，以面片形式建立孤立液相區三維模型，在原鑄件模型的相應位置顯示各孤立區;然后根據周界商法，對大于一定體積的孤立液相區，計算出所需冒口的體積，選擇合適的冒口種類，根據體積查詢冒口標準數據庫，確定冒口的尺寸;最后，根據孤立液相區在鑄件模型中的相對位置，在相應位置建立冒口的三維參數化模型，從而實現冒口的自動生成與定位。得到的推薦方案，可直接用于實際生產。但為保險起見，一般還要采用CAE軟件進行模擬驗證，如不理想，以此為參考進行優化，最終獲得在保證鑄件質量完好條件下的體積最小的冒口。

　　圖1 CAD/CAE智能冒口工藝優化設計系統框圖

　　2孤立液相區(ISL)的建模與顯示

　　2.1孤立液相區的定義

　　孤立液相區是指在鑄件凝固過程中被已凝固金屬所包圍的多個封閉熔融金屬區域。孤立液相區對定量預測鑄件的縮孔、縮松缺陷非常重要。本文中通過計算孤立液相區的體積、表面積、相對位置等信息來設計冒口工藝。在鑄件凝固過程中，孤立液相區是動態變化的，不同時刻孤立液相區體積和個數不同。隨著凝固的進行，孤立液相區不斷分裂出子孤立液相區，孤立液相區之間存在父子關系。設計者可以先根據孤立液相區的演化信息選擇要放置冒口的孤立液相區，再根據選定的孤立液相區體積等信息定量設計冒口。如果應用一些規則，也可以實現自動設計。如規定選擇第幾代孤立液相區，或設定一定的體積閾值，只有當大于一定體積時才考慮設置冒口。

　　要記錄CAE模擬計算中產生的孤立液相區信息，必須采用一定格式的文件進行保存。對每個網格采用特殊的數據編碼進行記錄，編碼格式如表1所示。#p#分頁標題#e#

　　表1 孤立液相區的數據格式

　　例如：102030201，意義為：該單元在第2個一代孤立區中的第3個二代孤立區的第2個三代孤立區的第1個四代孤立區中。

　　2.2基于UG的孤立液相區的建模與顯示

　　2.2.1 基于UG建立ISL面片模型

　　UG軟件是集CAD/CAE/CAM于一體的高端三維設計軟件，提供有功能強大的二次開發工具UG/Open。利用CAE模擬得到的孤立液相區后，以UG為CAD系統平臺，利用UG/Open API二次開發技術基于參數化的實體建模技術，在UG建立的鑄件模型或導人的中性文件如STL模型中的相應位置顯示這些孤立液相區。

　　在UG中如果對每個孤立液相區的網格單元采用實體建模，則數據量巨大，建模和顯示速度很慢。文章采用表面模型，將ISL表面正方形網格轉變成六個正方形面片。該過程可簡述為：首先獲取工作部件的標識tag;接著，在工作部件中用函數“UF_FACET_ create_model”創建一個空的片體模型;最后，在這個空的面片模型中循環用函數“UF_FACET_add_facet to_model”添加面片，直到所有面片添加完畢。

　　2.2.2理順ISL間的父子關系

　　在鑄件的凝同過程中孤立液相區不斷演變，可能分裂出子孫孤立液相區，所以，理順ISL間的父子關系也是關鍵之一。其過程可分為如下三步：第一步，解析所有ISL名稱，如102030201(孤立液相區標識)解析為2.3.2.1(孤立液相區名稱);第二步，根據每個ISL的名稱，找到其父ISL;第=三步，將每個ISL序號以屬性的形式寫人相應的父片體模型中。

　　2.2.3確定ISL的重心，保存ISL信息

　　孤立液相區的重心位置能為冒口的自動定位提供參考。為此，需要首先計算出各個ISL的重心。對于均質物體，物體重心與形心一致。對大多數情況，一般在孤立液相區的重心位置上方鑄件的外表面加冒口，這也是自動設計冒口時的缺省位置。將這些點以屬性的形式寫入到對應的ISL片體模型中去，方便以后調用。孤立液相區的信息也要保存到相應的面片模型中，以屬性的形式寫入相應的ISL面片模型中。

　　3基于周界商法和ISL的自動冒口優化設計

　　3.1周界商法

　　周界商法是一種數學推導嚴密的冒口計算方法，也是基于模數理論發展起來的，該法適合于冒口CAD設計。在鑄件澆注完后，隨著冒口中的金屬液不斷補充鑄件的凝固收縮，冒口中的金屬液不斷減少，使冒口中的縮孔越來越大，冒口的實際模數也隨之不斷減小，直至凝同結束。為了滿足補縮要求，當凝固結束時，殘余冒口的模數要正好等于被補縮鑄件的模數，則這個冒口是滿足要求的最小冒口，可用公式表示為：

　　 (1)

　　式中：為鑄件的有效散熱面面積; 為鑄件被補縮部分的體積; 為冒口的有效散熱面面積; 為冒口的體積;ε為合金的凝固收縮率。　　

　　式中： 為胃口的理論模數; 為鑄件的理論模數。

　　將式(2)、式(3)代入式(1)，整理得：

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　　式中：為冒口的周界商;

                   為鑄件的周界商。

　　方程(7)近似解表達式為：

　　對于一般鑄件， (9)

　　周界商，即鑄件或冒口的形狀系數。采用周界商法設計冒口，既考慮了冒口動態補縮的影響，又考慮了鑄件和冒口的形狀因素對鑄件凝固補縮的影響，這種影響被定量地反映在冒口的尺寸方程里，使冒口的計算更加科學、合理和精確。而且，用周界商表示冒口的尺寸方程，由于變量少，形式簡明，其物理意義比較明確。物體的周界商只與物體的形狀有關，而與物體的大小無關。周界商法將鑄件形狀參數作為主要影響因素，形成了適合于各種復雜鑄件的冒口計算方法。

　　3.2 ISL與周界商法的結合

　　由式(8)和(9)可以看出，如果知道了鑄件要補縮部位的體積vc和周界商qc，以及冒口的周界商qr還有合金的凝同收縮率ε，那就可以方便地計算出待求冒口的體積。最后根據胃口的種類和體積，查詢冒口數據庫，得到冒口的關鍵尺寸。

　　只要選定了冒口的類型，冒口的周界商口，值就確定了。例如，如果選擇圓柱形明冒口中的高等于直徑(H=D)這一類冒口，其周界商qr=170，與冒口體積大小無關。但鑄件的周界商qc的求取比較繁瑣，因為整體模數不準確，局部模數又難以獲得。如果采用CAE模擬得到的孤立液相區，則能方便地得到這些孤立液相區的較準確的周界商qc。

　　為實現ISL和周界商的結合，作者采用如下步驟：①根據孤立液相區的體積和表面積，由周界商的定義方程式(6)，可以方便地求出各孤立區的周界商qc。②根據冒口的種類，計算冒口的周界商qr。本研究在開發冒口工藝設計CAD系統時，提供了缺省設置的冒口種類，同時提供了用戶手動選擇功能，通過人機交互確定冒口類型。這樣，既能實現冒口尺寸的自動計算，又提供人工干預功能。③根據鑄件補縮部位也即孤立液相區的周界商值的范圍，選擇方程(8)或方程(9)，計算得到每個胃口的體積虬。其中要用到的合金的凝固收縮率占可查表確定。④根據冒口的體積y，和冒口種類，查詢冒口數據庫，得到冒口的關鍵尺寸，如圓柱冒口的直徑D和高H。

　　3.3冒口模型的建立與定位

　　基于UG，建立冒口數據庫，結合ISL和周界商法，自動完成冒口庫的查詢，得出冒口的關鍵尺寸。圖2所示為根據選擇的孤立液相區獲得推薦冒口尺寸的一個實例。在大量的試驗和總結歸納的基礎上，可以建立相應的數學模型，對冒口的尺寸進行一定程度的修正。

　　圖2 選擇孤立液相區獲得冒口尺寸

　　最后添加冒口，實現冒口的定位。定位分自動和手動兩種。對環形孤立液相區和部分較復雜的情況，要采用手動放置，而一般情況下，可實現自動定位。自動定位時，從孤立液相區重心坐標點沿Z軸正向畫一條直線，與鑄件實體表面的第一個交點即為冒口定位點。以定位點為中心，建立冒口的三維幾何模型。圖3顯示的是在孤立液相區上方自動添加冒口。#p#分頁標題#e#

　　圖3 自動添加冒口

　　4實例應用及驗證

　　作者以兩個圓柱相連的簡單鑄件為例進行了測試。鑄件尺寸為：小圓柱φ90mmxl50mm，大圓柱中120 mmx200mm。首先使用華鑄CAE對不加冒口的鑄件進行模擬，得到一系列包含孤立液相區信息的結果文件。然后，使用基于UG平臺開發的智能冒口設計CAD系統，進行冒口尺寸的自動獲取，推薦尺寸為：大圓柱冒口尺寸為φ170mmxl70mm，小圓柱冒口φ130mmxl30 mm。完成冒口的建模后，加上澆注系統和鑄型，得到一個完整的鑄造工藝，如圖4所示。

　　圖4 鑄造工藝立體圖

　　4.1實驗方案

　　為了驗證設計結果是否合理，作者進行了CAF模擬驗證和實際澆注實驗驗證。作者針對上述圓柱鑄件，根據不同的安全級別設置了四組不同尺寸的冒口進行澆注實驗，并事先分別進行了CAE模擬。實驗方案如表2所示，其中方案二的冒口尺寸就是上述采用冒口智能優化設計系統設計出來的推薦值，即大冒口φ170mmxl70mm、小冒口φ130mmxl30mm。鑄件材料為WCB，澆注初始溫度l560℃，鑄型材質為水玻璃砂。

　　表2 實驗方案

　　4.2實驗結果與分析

　　針對上述每種實驗方案造型、澆注、清理后，將鑄件沿著圓柱中間切開，再進行顯影處理，效果如圖5-圖8所示。每個圖中左邊兩個剖視圖下面的橫線是鑄件和冒口的分界線，上面部分為冒口，從各圖可以看見剖面上的縮孔。右邊是模擬結果，圖中顯示的分別為縮松、縮孔。

　　圖5 方案一冒口的剖面圖及模擬結果圖(都無缺陷)

　　圖6 方案二冒口的剖面圖及模擬結果圖(都無缺陷)

　　圖7方案三冒口的剖面圖及模擬結果圖(有缺陷)

　　圖8 方案四冒口的刮面圖及模擬結果圖(有缺陷)

　　對比方案一、二、三、四，可以得到如下結論：①對比四種方案的模擬結果與實驗圖片可以看出，模擬結果基本與實驗吻合。②對比四種方案實驗圖片可知：方案一的鑄件質量沒有問題，但冒口過大，安全級別最高;方案二的冒口尺寸滿足鑄件補縮，且尺寸較小，安全級別較高;方案三中鑄件頂部有少量縮孔、縮松，安全級別較低;方案四中鑄件的縮孔比方案三要多，安全級別最低。③方案二完全能夠滿足初始化冒口的尺寸要求，這說明采用所開發的智能冒口優化設計CAD系統設計出的冒口尺寸符合要求。

　　5結束語

　　本文介紹了基于孤立液相區的鑄鋼件智能冒口優化設計CAD系統，通過CAD與CAE的耦合，將孤立液相區與冒口設計，特別是周界商法聯系在一起，在鑄件孤立液相區的基礎上結合周界商法，完成了鑄鋼件冒口工藝的自動優化設計。通過澆注實驗和CAD模擬驗證，采用開發的智能冒口優化設計CAD系統設計出的冒口尺寸符合要求，設計結果正確。該技術能提高設計效率，縮短試制周期，保證鑄件質量及提高鑄件工藝出品率。