压铸模CAD／CAE／CAM

出处：按学科分类—工业技术 江苏科学技术出版社《模具工实用技术手册第2版》第437页（6449字）

1．压铸模CAD的基本内容

压铸模的设计一般采用各种通用CAD软件平台，如AutoCAD、Pro／E、UG等。压铸模的计算机辅助设计内容大致为：在输入铸件具体形状、尺寸、合金种类后，可估算出铸件体积与质量，选择压铸机，设计浇注系统、型腔镶块、导向机构、模板、推出机构等，并选用材质，最后绘出模具图样。

三维压铸模CAD系统的总体结构如图3．1－5所示。

图3．1－5 三维压铸模CAD系统的总体结构

一个典型的三维压铸模CAD系统，主要包括下述几个方面：

(1)压铸件工艺参数的计算

实现对每一种压铸件的压铸工艺参数(如体积、质量、投影面积、浇注温度、模温等)的计算或选择。

(2)压铸机的参数选择

完成压铸机各参数(如压射比压、压射速度、锁模力等)的选择与校核。

(3)浇注系统的设计

通过与计算机交互选择并设计直浇道、横浇道、内浇道、溢流槽、排气道等。

(4)分型面的设计

通过与计算机交互确定压铸件的分型线和分型面，完成型腔和型芯区域的提取。

(5)模具结构的设计

通过概括和总结压铸模设计的规律与经验，运用数学方法由计算机交互进行模具结构的设计，包括型腔和型芯、导柱和导套、动定模套板、定模座板、动模支撑板、动模垫块、动定模座板等的设计。

(6)推出机构的设计

完成包括推杆固定板、推板、推杆基本尺寸的设计计算及强度校核。

2．压铸模CAD系统总体功能及结构设计

压铸模CAD系统的功能模型如图3．1－6所示。该系统的主要输入为压铸零件和铸造工艺要求，设计要根据一些设计准则、经验、标准进行。设计过程中需要设计人员与系统的交互，同时需要标准件库、UG系统的支撑，最后输出压铸模的三维装配图、零件模型和二维图。

图3．1－6 压铸模CAD系统的功能模型

该压铸模CAD系统分为七个模块：系统的初始化、工艺参数的确定、浇注系统的设计、成型零件的设计、模板结构的设计、导向机构的设计、推出机构的设计，系统模块结构如图3．1－7所示。

图3．1－7 压铸模CAD系统的模块结构

3．压铸模CAE的原理

在现代压铸模设计中，按照虚拟制造和并行设计的思想原则，借助于CAE技术(即计算机数值模拟技术)可实现对连续多周期生产全过程的模拟分析，变未知因素为可知因素，并分析易变因素的影响，实现对压铸过程的金属液体充型凝固模拟、压铸模温度场模拟、压铸模应力场模拟，评价模具冷却工艺和判断模温平衡状态，评估可能出现的缺陷类型、位置和程度，设计合理的铸件、铸型结构及浇注系统，选择恰当的压铸工艺参数，然后围绕此方案进行模具的力学分析和结构设计，保证其合理的力学结构。这种具有过程和质量前瞻性的科学的设计方法，不仅节省了模具开发制造的费用和周期，同时也有力地保证了模具及其所实现的铸造工艺的质量。

4．压铸CAE软件的结构

铸造CAE软件工作的依据是铸件充型及凝固过程的数值模拟，而数值模拟的核心则是数理方程的有限分析求解，实用铸造CAE软件大多是用有限差分法(FDM)进行数值求解。从总的结构来看，基于有限差分方法的软件一般都划分为前置处理、数值求解、后置处理三大模块，图3．1－8所示为铸造CAE软件结构。

图3．1－8 铸造CAE软件结构

(1)前置处理

在数值迭代之前为其准备迭代环境，这是迭代之前要做的工作。这一工作包含几何造型(或称三维建模)，与网格剖分成两大部分。对于用户来说，三维建模是操作工作量最大的环节，因为一般来说，铸件的几何形状都是比较复杂的，要准确地将其每一个局部的细节都造型出来，要投入很多时间。

时下流行的铸造CAE软件大多是将三维建模任务剥离出来，借用市场上各种强大的三维CAD软件完成此项工作。

三维建模功能剥离之后，剥离交界处数据的交换是一个非常敏感的问题。目前流行的铸造CAE软件，包括国外最响品牌的一些软件，如德国的MagmaSoft、美国的ProCast，以及国内的FT-Star、华铸CAE／InteCAST等，大多采用STL数据格式与前端三维建模软件进行接口。由于这种数据格式受到绝大多数不同档次三维CAD软件如Pro／E、UG、SolidWorks、AutoCAD等的支持，因此，前端建模工具的可选范围非常宽。

STL数据格式是将零部件实体表面划分成一系列足够小的三角形，记录这些三角形三顶点的坐标和外法线单位向量的三分量，这就是STL的全部数据。在这种数据格式下，实体中原有的几何要素，如方形、球形、柱形、锥形等的几何特征全部消失，取而代之的是千篇一律的小三角形。于是，复杂的几何构造被转化为简单的三角形序列。前置处理接口的任务就是要从这种小三角形序列中提取几何信息，进而构建差分用的网格系统。

网格剖分，就是选择适当的单元尺寸，将整个域空间划分成一系列小立方体，形成网格构造，并相应地建立一个巨大的三维数组，用数组里的每个数组元素分别去对应网格中的一个小立方体单元。然后进行几何识别，也就是扫描每一个立方体单元，按其与STL描述的各表面之间的相对几何关系，区分出每个立方体单元各落在铸件铸型系统的哪一部分，是铸件内，还是铸型内、型芯内、冷铁内等。识别的结果用一个专门的数组进行标识，这种标识既包含了几何信息，也包含了物理信息，是以后迭代计算和后置处理的基本依据。

网格剖分不仅是满足一定求解精度的需要，也是确保大量迭代计算有序化的需要。铸件铸型系统极其复杂的几何结构和物理属性的差异，未经处理计算机是无法识别，更无法运算的。但是，通过网格剖分和单元标识，几何的信息和物理的信息被统一到有序的、线性的代数结构中，使极其复杂的四维空间里的数理方程可以不受这些复杂的几何结构和物理属性的困扰，而以极其规则、极其有序的方式通过数值迭代、循环计算完成求解。这对于整个数值求解，甚至于整个CAE都是非常重要的。

由于铸件铸型系统几何关系的复杂性，目前流行的许多强大的三维CAD软件，其输出的STL数据难免存在一些瑕疵。这些瑕疵轻者会造成网格剖分时的识别错误；重者会造成软件系统的运行失衡；严重者会使系统崩溃、硬件死机。因此，优秀的前置处理必须具备STL容错、纠错的能力，确保在任何情况下系统能够正确稳定地运行。

(2)数值求解

数值求解是整个软件的核心，其任务是用数值的迭代去求解各相应物理场的数理方程，包括流动场、温度场、应力场等。

数值求解阶段，首先要为方程的各有关参数、系数赋值，为温度场、流动场各初始条件和各数组元素赋初值。数理方程各系数一般都是各相关的物性参数，其值一般都要从相关的数据库查询，因此赋值过程首先包含一个查取参数值的操作。紧接着，要对计算中的一些选项，如时间步长、存盘方式、存盘间隔、计算终止方式等进行选择、设定。这些都是维持适当的、正常的迭代计算所必需的环境，是商品软件为用户提供充分的运行灵活性，为用户提供丰富的服务功能的方式。

对于复杂的铸件，其计算过程的耗时一般都比较长，对这一过程进行维护和对其间发生的各种异常情况进行应急处理，是商品软件必须具备的能力。比如，出于某种需要，用户可能会要求中途临时中止计算，此时软件应能自动保留断点的现场，并在后续开始运行时自动恢复现场。在意外掉电的情况下，软件应有能力尽量减少丢失数据的损失等。

虽然数值求解是整个软件的核心，但由于数值迭代的有序性，程序循环的自持性，巨大的计算工作量都是在软件的控制下自动进行的，需要用户操作的工作量很少。对于用户来说，数值求解模块所需的操作是整个软件三大部分工作量中最少的部分。

(3)后置处理

后置处理的基本要求是可视化。从数值求解中得到的解是一个庞大的数据阵列，要从中提取信息，绘制出能够揭示物理内涵、反映工程因果的各种可视化图形，让用户能从数值解数据中得到有助于工艺设计的辅助信息和判断依据，这是后置处理首先要做到的。铸件结构一般比较复杂，表达复杂的三维关系还需配合旋转、剖切、透视等手段，后置处理要在用户操作的环境下向用户提供这些手段，且又要稳定可靠、方便灵活。

图形和动画是后置处理的两个主要表达方式。软件要具备多选项、多方式的图形生成功能，多种灵活性的动画剪辑与合成功能，还要为这些图形动画提供丰富、便利的显示、播放功能。

铸件的质量主要取决于充型凝固过程，铸件的缺陷也大都形成于此过程。过程是第四维变量时间t的函数，准确地模拟显示一个三维过程，最贴切的方式莫过于三维动画。充型中的涡流、翻卷，凝固中液相的孤立、通道的隔断等，都需要动画表现，只有在动画观察下才能有把握得到过程中最准确、最细腻的细节。

5．华铸CAE／InteCAST

华铸CAE／InteCAST是分析和优化铸造(包括压铸)工艺的铸造专用软件系统，是华中科技大学研发的。它以铸件充型过程、凝固过程数值模拟技术为核心，对铸件进行铸造工艺分析。可以完成多种合金材质(包括球墨铸铁、灰铸铁、铸钢、铸造铝合金等)在多种铸造方法(砂型铸造、金属型铸造、铁模覆砂铸造、压铸、差压、低压铸造、熔模铸造等)下的流动分析、凝固分析以及流动和温度的耦合计算分析。

目前，华铸CAE系统已推出V7．0版本，集成在Windows 98及Windows NT、Windows 2000、Windows XP下运行。实践应用证明，本系统在预测铸件缩孔缩松缺陷的倾向、改进和优化工艺、提高产品质量、降低废品率、减少浇冒口消耗、提高工艺出品率、缩短产品制造周期、降低生产成本、减少工艺设计对经验与人员的依赖、保持工艺设计水平稳定等诸多方面都有明显的效果。

(1)华铸CAE系统前置处理软件的主要功能

①三维造型平台用户可任选。绝大部分三维造型系统(包括AutoCAD R14／2000、Pro／E、UG、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Catia、MDT、金银花等)均能与本系统顺利接口。

②读取三维造型系统的数据，显示三维造型系统的数据，显示三维实体，检查各实体的装配关系。

③灵活的材质序列，允许使用材质种类多达72类。

④特有的“优选级别”功能，使造型工作事半功倍。

⑤自动网格剖分速度快，稳定性好，一般中等复杂程度铸件，剖分千万个网格几分钟内可完成。

⑥自动容错，使有缺陷的交换文件能够正常使用。

⑦铸件模数自动计算。

⑧剖分结果自动检查。

⑨自动导航功能，使学习非常容易。

(2)华铸CAE系统软件计算部分的主要功能

①能够进行铸件的凝固分析、充型分析以及流动和传热耦合计算分析。

②在微机上凝固分析处理网格数可达到千万个，甚至上亿个，软件不限制网格数，仅受内存限制。

③在微机上实现实用的流动场分析、流动和温度耦合计算，单元数可达数百万个。

④铸件质量自动计算。

⑤铸件体积自动计算。

⑥铸件工艺出品率自动计算。

⑦多种自动存盘方式。

⑧自动现场保护。

⑨自动电源管理。

⑩自动导航功能，使学习非常容易。

(3)华铸CAE系统后置处理部分软件的主要功能

①后置处理采用最新可视化技术、多媒体技术，丰富、直观、生动，可任意实时缩放、旋转、剖切。另外，它可自动生成X射线透视图、凝固色温图、温度梯度图、铸件结构图、铸型系统装配图、流动向量图、填充体积图、压强分布图、充型温度分布图等。画面直接打印。

②分析结果三维动画自动合成，动画演示直观准确、透彻明了，并动态过程完整细腻。

③自动生成任意点温度曲线，鼠标直接点取，方便灵活。

④铸件(铸型)CT剖片可各个方向任意剖片，直接明了。

⑤孤立区全自动搜索，自动统计、最终缺陷预测。