传统铸造工艺设计包括：造型工艺设计、熔炼工艺设计和后续处理工艺设计；现代铸造工艺设计包括：铸造工艺仿真设计、熔炼工艺设计和后续处理工艺设计，但熔炼工艺设计的部分参数和后处理工艺设计的部分参数已直接作为自变量参与铸造工艺仿真设计模型的运算中，它们相互间体现了更大的关联性。

1 铸造工艺设计与铸件质量控制

1.1 铸造工艺设计主要内容与方法

砂型铸造是数十种铸造方法的基础，水玻璃砂型铸造和树脂砂型铸造至今在大部分中大型铸件和部分小铸件的生产上仍占有重要一席。近年来，压力铸造和消失模铸造得到了快速发展。

（1） 熔炼工艺。其主要任务是使配置合理的炉料与熔剂在熔炼和过热过程中产生的冶金反应有利于造渣，有利于净化金属液，有利于进行成分调整，有利于进行变质处理和孕育处理。

（2） 造型工艺。其主要任务是使铸型与浇注系统、冷却系统和排气系统在造型、制壳等制作过程形成的空腔有利于充型，有利于净化入型金属液，有利于实现型内杂物、气体离开型腔，有利于凝固期维系补缩液的有效补缩通道，有利于减少铸件的残余应力。

（3） 后续处理工艺。主要包括铸件清理和铸件热处理。铸件清理工艺不仅影响铸件表面质量，而且将影响铸件表层组织和性能，影响铸件残余应力的大小和分布。铸件热处理的主要工艺目的是消除应力、稳定组织和力学性能；并通过调控炉气氧化性和强化炉内炉气对流换热，提高同类铸件热处理后所获组织和力学性能的一致性。

1.2 铸件质量控制主要内容和方法

（1） 铸态力学性能控制。铸件材料的铸态力学性能取决于材料的铸态金相组织，而其组织取决于材料化学成分、冷却速度和动态结晶条件。因此，在生产条件下，要获得稳定的铸件铸态力学性能，首先要制定和执行以熔炼工艺为主的使铸型内的金属液能获得高度净化的工艺。这样，可在熔炼过程通过炉料配料和成分元素调整将其稳定控制在所要求的成分范围内。在此基础上，再通过以改变铸型冷却环境和调整铸件冷却系统设计方案为主的工艺手段建立与其成分相宜的冷却速度和以有效的变质处理和孕育处理为主的工艺手段改变铸件结晶前沿的动态结晶条件来实现铸态组织的一致性。

（2） 表面质量控制。一方面，采取以改变铸型、型芯和涂料材料为主的工艺手段控制铸件的表面质量；另一方面，以改变熔炼温度和浇注温度为主的熔炼工艺手段控制铸件的表面质量。

（3） 内部质量控制。在实现金属液高度净化的基础上，一方面采用强化金属液补缩能力和铸件排气能力等工艺，防止产生不致密组织；另一方面采用合理造型工艺，防止产生过高残余应力。

2 铸造工艺仿真设计

2.1 铸造工艺仿真设计主要内容与方法

在传统铸造工艺设计时，一直凭借熟练工程师的经验或者多次的工艺设计方案修改，反复试制，才能确定最终的生产工艺。当铸件结构较简单和铸造相类似的铸件时，长期积累的生产经验确实能起到一定作用，但在生产单件小批量的大型、复杂铸件时，在采用新的铸造方法及生产不同材质的铸件时，往往由于缺乏相关经验，不能及时有效地制定合理的铸造工艺，且当工艺存在重大失误时，可能会使得先前的工艺设计方案被全部否定，导致铸件、模具、工装等报废，给企业带来巨大的经济损失，严重影响新产品的开发周期。

计算机模拟技术在铸造工艺仿真设计上的应用，为解决这些难题提供了强有力的手段。工艺设计人员可在实际铸造前，针对生产铸件的工艺条件、基本特性和铸件品质要求在分析铸件可能产生的铸造缺陷的基础上，提出初步工艺解决方案并利用铸造CAE技术对其工艺克服铸件缺陷的有效性进行仿真验证，以便根据模拟结果，采取对策，修改工艺。铸造工艺仿真设计在确保铸件质量的前提下，可缩短产品开发时间，降低生产成本，减少研制费用。

应运用当今主流铸造工艺仿真软件，来帮助科研人员进行宽领域应用铸造工艺仿真设计，以便为在现场工作的工程师提供针对性强、效果优越、方便快捷、简单实用的工程解决方案和适应于企业现有产品的软件购置方案服务。具体步骤和方法有：①针对不同的铸件铸造方法、材质和结构，分析存在的缺陷或预测缺陷的种类、大小、形貌和分布状态；②针对缺陷，确定仿真内容；③针对仿真内容，选择仿真软件及其相应模块；④使用所选择的仿真软件及其相应模块进行计算机模拟；⑤分析仿真结果，通过工艺改进，设计出合格的铸件铸造工艺；⑥针对铸件浇注系统结构和尺寸的影响因素，确定仿真水平点，应用优选法设计出铸件较佳仿真设计工艺；⑦针对铸件较佳仿真设计工艺在生产现场运用调优设计的周相迁移原理获得铸件的最佳生产工艺；⑧针对铸件最佳生产工艺，编制产品技术文件和产品生产管理文件，确保铸件最佳生产工艺稳定的执行；⑨将上述铸件铸造工艺和管理过程信息并入企业ERP。

2.2 应用铸造工艺仿真设计进行造型工艺设计

目前西方发达国家在铸件的工艺设计中几乎没有不采用计算机仿真技术的。据美国铸造协会一项调查报告显示，采用计算机仿真技术可以缩短产品试制周期40%，降低生产成本30%及提高材料利用率25%。近3年，西方发达工业国一直致力于大批量、高品质的复杂铸件铸造较佳工艺仿真设计方法的研究；一直致力于针对大批量、高品质的复杂铸件进行铸件最佳生产工艺设计方法的研究，并已取得一些初步成果。

在当前的商业化铸造过程仿真软件中，国外的仿真软件应用范围比较广，而且软件的模拟仿真效果能满足工程应用的要求。

目前我国各类铸造仿真软件用户超过300家，但真正像国外一直实际使用并真正产生效益的很少，至于系统、深入的应用，创造了显著经济效益的企业很少。在国内，铸造工艺仿真设计之所以不能实现较好、较快应用的主要原因有：①高校缺乏实用型铸造工艺仿真设计的教师，缺乏适合的教材；②对生产工艺的系统条件、铸件材料特性、铸件结构特点及铸件铸造方法等对产生铸件缺陷的影响和成因分析不力，导致为解决铸件缺陷确定的仿真内容不合理；③对主流仿真软件的使用特点和功能等内容认识不够，导致针对仿真内容选择软件不合理；④所用仿真软件常用材料数据库数据不全，有的甚至不准确，无法满足生产需要；⑤用户认为仿真软件无法给企业带来可观的经济效益且软件价格昂贵而不愿购买。

因此，面对我国迫切需要各种铸造生产的，大量的大型、优质、新型金属材料铸件的市场形势，一方面要设法加速铸造工艺仿真设计应用的步伐，另一方面要瞄准国际先进水平，设法加速铸造工艺仿真设计研究的步伐，创造出高水准铸件的较佳工艺仿真设计方法和铸件最佳生产工艺设计方法，抢占该领域的技术制高点。真正实现应用铸造工艺仿真设计构筑现代铸造工艺设计主体。

3 铸造工艺仿真设计实用方法

3.1 铸造工艺仿真设计实用方法

学习和掌握铸造工艺仿真设计实用方法是使铸造工艺仿真设计得到全面实际应用的保证。铸造工艺仿真设计实用方法旨在实现如何快捷解决铸件的工艺仿真设计，其主要内容如下。

（1） 简化充型、凝固、冷却模型。根据克服铸件缺陷所选择的仿真内容，确定所涉及的充型、凝固、冷却等相关过程，并从分析铸件的铸造方法、材质和结构3要素出发确定所需仿真的过程，在铸件工艺客观容许的前提下，对该铸件模型进行简化。

（2） 快速绘制3维几何模型。在分析铸件几何形体特征后，选择常用的软件，并从绘制路线、绘制方法、形体分割和组合等方面运用绘图技巧快速完成该铸件的三维建模。

（3） 采用高核CPU工作站。建议采用高性能工作站，有条件单位可购数台，实现并行设计。

（4） 建立程序化仿真设计工作平台。将仿真设计的任务分解成若干阶段，每阶段仿真内容实现流程化，根据每个流程内容确定其工作或操作步骤。

（5） 建立快捷专业化工艺分析模块化方式和建立敏捷化响应工艺分析结果的对策处理方案。

（6） 建立铸造工艺完整体系模块化方式及实现铸件的预测缺陷与铸件的缺陷仿真结果和铸件实际形成缺陷进行快速比照分析，产生对生产实际过程执行状态的理性判断。

（7） 建立工艺图及相关设计资料库。启用搜索引擎，实现快速调用。

（8） 发挥仿真软件外挂、外置、内置软件或模块的作用，增强仿真软件专门化功能。

（9） 实现同种铸件不同仿真内容的并行或同步仿真。

（10） 建立同类铸件相同仿真内容的类比法设计平台。

（11） 以模块化方式处理对克服铸件缺陷进行的仿真内容和影响因素的权重性排序。

（12） 对前处理、中处理和后处理设置内容采用动态链接设库处理 （针对常用铸件材料，用Foxtable建数据库，实现软件外挂，可快捷完成设置内容的编辑、调用、增补等）。

（13） 对前处理、中处理和后处理过程的工作内容、参数内容列表做动态链接 （方法同上）。

（14） 建立后处理缺陷分析的模块化方式。

（15） 建立或可使用相关的产品工艺管理、报表流动和信息监控等企业现代化管理信息体系。

（16） 建立仿真工艺方案、仿真工作内容、参数内容和设置内容的快速存储、更新、调用的模块化方式。

3.2 普及和提升铸造工艺仿真设计水平

（1） 建议增加高校铸造仿真实用技术教学内容和教学课时安排；

（2） 邀请国内外主流软件商工程师来校作商品软件的应用范围、主要功能、使用特性、使用方法、使用技巧等内容的讲授；

（3） 国内有关院所和学校的专家主动与国内外主流软件公司联系和合作，争取双方在深入为软件企业用户的软件工程应用上结成三方工程项目合作联盟，使参与者获得铸造工艺仿真设计技术水平的提高及软件企业用户利用仿真软件解决工程问题，公司商业软件被用户认同获得较丰硕的经济效益和社会效益。

4 结束语

文中论述的铸造工艺仿真设计16个实用方法仍需要进一步的研究和实践验证，铸造工艺仿真设计的工艺方案优化处理技术及其生产现场最佳生产工艺的研究也需要完善。铸造工艺仿真设计引领了现代造型工艺设计方法的发展方向。铸造工艺仿真设计针对铸件缺陷，从铸件铸造方法、材质和结构三要素出发，应用现代信息化和虚拟技术能更好、更快地提出工程解决方案，为生产低成本、高性能的优质铸件服务。