1.2计算机技术在铸造业的应用

1.2.1铸造模拟软件的概述

计算机技术的高速发展使得工业4.0的时代逐渐到来。通过计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程分析(CAE)、计算机辅助制造(CAM)等技术在工业领域的应用与融合，使得各种计算机辅助技术已成为学术和研究领域最为活跃的前沿区域。

在德国Aachen大学成功开发了铸造模拟软件之后，各种商业化的铸造模拟软件如雨后春笋般相继问世。目前在美国、德国、法国、比利时、日本等很多发达国家都有着自己的商业化铸造模拟软件，并且在实际生产中取得了很好的应用。表1-1列出了常用的一些铸造模拟软件。

表1–1铸造工艺模拟软件[5]

名称 开发商 简 介

ProCAST 美国UES公司 有限元软件，可模拟铸造工艺的温度场，流场，也能够模拟应力场、填充过程、凝固组织，也可以模拟执行应力分析。包含铸造工艺设计中的各种数据库软件，并可自动网格以及先进的可视化工具。

ViewCast 比利时金属加工中心 用于铸造过程模拟，属于辅助工艺设计商业软件，可模拟凝固过程的温度场、固相分数、充型过程中的速度场等，特别适用于铸造缺陷的预测和浇注系统的设计。

PAM-CAST/SIMULOR 法国AluminumPechiney 可以模拟铸件的充型和凝固过程，并能预测铸件的缩孔和疏松。

MAGAMASOFT 德国Aachen大学 以有限差分和有限元为基础的软件包。用于三维流体流动和热传导模拟。可进行充型、凝固模拟，预测缩孔、缩松等铸造缺陷，可以快速模拟复杂铸件。

NOVACAST 瑞典 有限差分软件，可以模拟温度场和流场。

SOLDIA 日本小松制作所 有限差分软件，继承了Niyama判据，可模拟充型、传热等过程。

本文中的铸造工艺模拟结果是通过美国UES公司开发的铸造模拟软件ProCAST模拟分析得出的，采用基于有限元(FEM)的数值计算和综合求解的方法，对铸件充型、凝固和冷却过程等提供模拟，是唯一一款针对铸造过程进行流动一传热一应力耦合作出分析的系统。实践证明，ProCAST可以准确地模拟型腔的浇注过程，精确地描述凝固过程。ProCAST几乎可以模拟分析任何铸造生产过程中可能出现的问题，为铸造工程师提供新的途径来研究铸造过程，使他们有机会看到型腔内所发生的一切，从而决定如何优化设计方案。

1.2.2计算机模拟的优点

随着工业4.0时代的到来，对传统铸造产业进行转型升级乃是大势所趋，而铸造过程的计算机模拟技术等计算机辅助技术的应用则为实现产业转型提供了强劲的推力。自铸造模拟软件成功开发以来，国内外各种类型的铸造模拟软件层出不穷，经过不断的换代升级，现在的模拟软件则综合考虑了温度场的计算、凝固期间的体流动补缩、重量密度及合金显微组织的影响，铸造模拟效果越来越精确[6]。

根据相关调查，采用计算机模拟技术能够显著缩短产品的制造周期，大约降低30%的生产成本和提高近25%的材料利用率。铸造工艺计算机辅助设计及铸造过程计算机模拟仿真(简称铸造CAD/CAE)涉及到计算机辅助绘图、计算机辅助工艺与工装设计及充型凝固过程模拟仿真等三部分内容[7]。

通过计算机模拟仿真可以针对其模拟的铸造工艺过程进行优化，设计出最优的铸造工艺过程，以期获得高品质的铸件产品。即使生产过程的铸造工艺设备或操作员工发生变化，只需严格按照相关的铸造工艺过程操作执行，仍可获得同样高质量的产品；可减少生产过程中的试错环节，缩短产品的设计、生产周期，降低生产成本；实现铸造工艺模拟的可视化，使企业操作者和模拟工作者之间有着便于交流的平台，使之能够更直观分析出最佳的工艺模拟方案[8]。通过对铸造工艺过程的模拟可以对铸件可能出现的各种缺陷进行有效预测，通过对缺陷出现的部位、大小及其时间进行分析，在实际铸造生产之前，对产品工艺进行改进[9]，保证质量达标的铸件一次性铸出。