精密（mì）铸造是用可溶（熔）性（xìng）一次模型使铸件成型的（de）方法。精密（mì）铸（zhù）造的最大（dà）优点是表（biǎo）面光洁，尺（chǐ）寸（cùn）精确，而缺点是（shì）工艺过程复杂（zá），生产周期长（zhǎng），影响铸件质量的因素多（duō），生产中对材料和工艺要求很严。在生产过程中，模具设计和制造占很长的周期。一个复杂薄壁件模（mó）具的设（shè）计和制造可能需（xū）一年或更长的时间。随着世界工业的进步和人们（men）生活（huó）水平的提高，产品的研发周期越来越短，设计要求响（xiǎng）应时间短。特别是（shì）结构设计需做些修改时，前期的模具制造费用和制造（zào）工期都白白地浪费了。因而模具设（shè）计和制造成为新产品开发的瓶颈（jǐng）。

　　计（jì）算机辅助工程的发展，使得传统产业（yè）与新技术的融合成为可能。三维CAD可以把设计从画图板中解放出来，大大（dà）简（jiǎn）化了设计者的设计过程，减少出错的几率。并且（qiě）随（suí）着快速成型技术，特别是激光选区烧结工艺的发展，三维模型可以通过（guò）RP设备，快速转变成精密铸造所需的原型，打破（pò）了模具设（shè）计的瓶（píng）颈。另外在传统铸造中，开发（fā）一个新的铸件，工艺定型（xíng）需通过多次试（shì）验，反复摸索，最后根据多种试验方案的浇铸结果，选择出能够满足设计要求的铸造工艺方（fāng）案。

　　多次（cì）的试铸要花费很多（duō）的人力、物力和财力。采用凝固过程数值模拟，可以指导浇注工艺参数（shù）优化，预测（cè）缺陷数量及位置，有效地提高铸件成品（pǐn）率。精（jīng）密铸造技术就（jiù）是将计算机（jī）辅助工程应用到精密铸造过（guò）程中，并结合其他先进的铸造技术，以高质量、低成本（běn）、短周期（qī）来完成复杂产品的研发和（hé）试制。目前，利用（yòng）CA精铸技术，已完成多种航天、航（háng）空、兵器等关键部件的试制，取得满意的效果。

　　材料与实验方法

　　精铸可应用于不锈钢、耐热（rè）钢、高（gāo）温合金、铝合金等多种合金。三维模型可采用三维设（shè）计软件进行设计，工艺结构和模（mó）型转换采用MagicRp进行处理和修（xiū）复，在AFSMZ320自动成型系统上（shàng）进行（háng）原型制作，采用熔（róng）体浸润进行原型（xíng）表面处理（lǐ），凝（níng）固过程数值模拟采用有限差分软件进行计算。

　　精密铸造工艺的关键问题及相关技术讨论

　　近年来，与精铸技术相关的三维设计、反求工程、快速（sù）成型、浇注系统CAD、铸造过程数值模拟以及特种铸造等单体技术取得了（le）长足的（de）进步，这（zhè）些成就的取得为集成化的精铸技术的形成奠定了基础，促进了精铸技术的迅猛发展和应用。为了使各单体技术成功地用于精铸，必须消（xiāo）除彼此之间（jiān）的界面，将（jiāng）这些技术有机地结合起（qǐ）来。从而在产品（pǐn）开发中做到真正意义上的先进（jìn）设计+先进材料+先（xiān）进（jìn）制造。

　　三维模型的生成与电子文档交换

　　如何得到部件精确（què）的电子数据模型，是CA精铸至关重要的第一步。随着三维软（ruǎn）件、逆向（xiàng）工（gōng）程等（děng）技术的发展（zhǎn），这项工作变得简单（dān）而且迅捷。在（zài）此主要介绍利用IDEAS进行实体建模和数据转（zhuǎn）换的过程。IDEAS9集成了三维建模与（yǔ）逆向工程（chéng）建模模块。通过模块可以得到复（fù）杂模型既可以进行全几何约束的参数化设计，又可进行任意几何与工程约束（shù）的自由创新设计；曲面设计提供了包括变量扫掠、边界曲（qǔ）面等多种自由曲面的造型功能。

　　逆向工程可将数字化（huà）仪采集的点云信息进行处理，创（chuàng）建出曲线和曲面，进行设计，曲面生成（chéng）后可直接生成（chéng）RPM用（yòng）文件，也可传回主建模模块进行处理。实体文（wén）件生成后需转变成STL文件以（yǐ）作为RP设备的输（shū）入。转换过程应注意选择成型设（shè）备名称，通常选用SLA500，三角片输出（chū）精度在（zài）0.005~0.01之间。采用（yòng）MagicRp处理时应注意乘上25.4，得到实际设（shè）计尺寸。

　　凝固过程的数值模拟

　　凝固（gù）过程的数值模拟原理

　　铸造是一个液态金（jīn）属充填型（xíng）腔、并在其（qí）中凝（níng）固和冷（lěng）却的过程，其中包含了许多（duō）对铸件质量产生影响（xiǎng）的复杂现象。实际生产中往往靠经验（yàn）评价一个工艺是否可行。对一个铸件而言，工（gōng）艺定型需（xū）通过多次试验，反复摸索，最后根据多种试验方案的浇铸结果，选择出能够满足设计（jì）要求的（de）铸造工艺方案。多次的试铸要花费很（hěn）多的人力、物（wù）力和财力。

　　铸造过程虽然很复杂，偶然因素很（hěn）多，但仍遵循基本（běn）科学理论，如流体力学、传热学、金属凝固、固体力学等。这样，铸造过程可以抽象成求解液态（tài）金属流动（dòng）、凝固及温度（dù）变化的问题，就是要在给定的初始条件和边界条件下，求解付（fù）立（lì）叶热传导方程、弹塑性方程。计（jì）算机技术的发展，使得求解物理过程的数值解成为可（kě）能。应用（yòng）计算机数值模拟，可对（duì）极其复杂的铸造过程进行定量的（de）描述。

　　通过数学物理方法（fǎ）抽象，铸造过程（chéng）可表征成几类（lèi）方程（chéng）的耦合：热能（néng）守恒方程、连续性方程、动量方程。常用的（de）数值模拟方法主（zhǔ）要是（shì）有限差分法、有限元法。有限元（yuán）差分法数学模型简单，推导简单易于理解，占用内存较少。但计算精度一般，当铸件具有（yǒu）复（fù）杂边界形状时，误差较大，应力分析时需将差分网格转（zhuǎn）换成有限元网格进行计算。有限元法技术（shù）根据变分原理对单元进行（háng）计算，然（rán）后进行单元总体合成（chéng），模拟（nǐ）精度高，可（kě）解决形状复杂的铸件问题。

　　无论采用什么数值方法，铸造过程的数值模拟软件应包括三个部分：前处理、中（zhōng）间计算和后处理（lǐ）。前处理主要为中间（jiān）计算提供铸件、型壳的几何信息；铸件和型壳的（de）各种物理参数和铸造工艺信息。中间计算主要根据铸造过程设计的物理场，为数值计算提供计（jì）算模（mó）型，并（bìng）根据铸件质量或缺陷与物理场的关系预测铸件质量（liàng）。后处理是指把（bǎ）计（jì）算所得结果直观地以图形方式表达出来。铸造过程流场、温度场计（jì）算的主要目的时就是对铸件中可能产生的缩孔缩松进行预（yù）测，优化工艺设计，控（kòng）制铸（zhù）件内（nèi）部质量。

　　通过在计算机上进行铸造（zào）过程的模拟，可以（yǐ）得到各个阶段铸件温度场（chǎng）、流场、应力场的分布，预测缺（quē）陷的产（chǎn）生和位置（zhì）。对多种工艺方案实施对比，选择最（zuì）优工艺，能大幅提（tí）高产品质量，提高产品成品率。

　　铸造过程（chéng）数值模拟软件

　　经过多年的研究和开发，世界上已有（yǒu）一大批商品化的铸造过程（chéng）数值模拟软件，表明（míng）这项技术已经（jīng）趋于成熟。这（zhè）些软件大都可以（yǐ）对砂型铸造、金属型铸造、精（jīng）密铸造和压（yā）力铸造等工艺进行（háng）温（wēn）度场、应力场和流场（chǎng）的数（shù）值模拟，可预（yù）测铸件的缩孔、疏（shū）松、裂纹、变形等缺陷和铸件各（gè）部位的纤维组织（zhī）、并且与CAD实体（tǐ）模型有数据转换（huàn）接口，可将实体文件用于有限元分析。

　　Pro是目前应用比较成功的铸造过程模（mó）拟软件（jiàn）。在研制和生产复杂、薄壁铸件和（hé）近净型铸件中尤能发挥其作用。是目前唯一能对（duì）铸造过程进行传热-流动-应力耦合分析的系统。该软件主要由八大模块组成：有限元网（wǎng）格剖分，传热分析及前后处理（lǐ），流动分析（xī），应力分（fèn）析，热辐（fú）射分析，显微组织分析，电磁感应分析，反向（xiàng）求解等。

　　它能够模拟铸造过程中绝大多（duō）数问（wèn）题和物理现象。在对技术充型过程的分析方面，能提（tí）供考虑气体、过滤、高压、旋转（zhuǎn）等对铸件（jiàn）充型的影响，能构（gòu）模拟出消失模铸造（zào）、低压铸（zhù）造、离心铸造等几乎所有铸造工艺的充型过程，并对（duì）注塑、压蜡模和压制粉末材料等的充型过程进行模（mó）拟。Pro能（néng）对热（rè）传导、对流和热辐射三类传热（rè）问题（tí）进行（háng）求解，尤其通（tōng）过（guò）“灰体净辐射法”模型，使得它更擅长解决（jué）精（jīng）铸尤其是（shì）单晶铸造问题。应力方面采用弹（dàn）塑性和粘（zhān）塑性模型，使其具有分析铸件应（yīng）力、变形的能力。

　　对铸件（jiàn）进行分析时，简单的模（mó）型网格（gé）可以直接在Pro生成。复杂模型可以由软件生成，划分网格后输出*.unv通用交换文件，该文件应带有节点和单元信息（xī）。模块读入网格文件后输出四面体单元用于前处理。Pre对模（mó）型进行（háng）材料、界面传热、边界条件、浇注速度（dù）等参量进（jìn）行定义，最后由Pro模块完成计算。

　　应用（yòng）IDEAS与Pro，我们对某发动机部件进行了凝固（gù）过（guò）程（chéng）模拟。该部件由（yóu）于有一个方向尺寸较薄，浇注过程中极易（yì）发生裂（liè）纹与变形，通过模拟，对浇注系统结构进行了优化（huà），减少应力集中，防止变形和开裂，取得明显的效果。

　　结（jié）论

　　计算机（jī）辅助工程与精密铸造结合而成的CA精密铸造（zào）技术具有（yǒu）很（hěn）强的通（tōng）用性，可以缩短（duǎn）研（yán）制（zhì）周期，节约开发成本；IDEAS与RPO的配合，可以（yǐ）对复杂件进行铸造过程数值模拟；计算机凝固模拟技术可（kě）用于复杂件的浇注系统设计和优化，并能较为准确的（de）预测缺陷及其位置、变形开（kāi）裂倾向，用于指导浇注系统的优化。