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引言

铸造工艺工装计算机辅助设计是铸造领域应用计算机技术的重要方面之一。随着三维造型理论和实用化技术的日趋成熟，三维铸造工艺工装CAD系统必将成为铸造工艺工装CAD系统的主流。国外CAD/CAE/CAM技术在模具制造上的应用已相当普遍，在我国，模具CAD/CAE/CAM技术起步较晚，模具CAD/CAE/CAM技术的应用还处于起步阶段。国内一些有实力的模具制造企业已逐渐开始在模具设计制造中应用CAD/CAE/CAM技术，初步取得了较好的经济效益。依赖于CAD/CAE/CAM技术的集成，传统的设计与制造彼此相对分离的任务作为一个整体来规划和开发，实现了信息处理的高度一体化。

本文研究开发了一个铸造工艺工装CAD系统EXPERT-CAD。它以中端造型软件Solid Edge作为造型平台，主要针对球铁件的DISA垂直无箱造型工艺设计。Solid Edge是Intergraph公司开发的优秀的特征造型软件，1998年被IT业巨头EDS Unigraphics并购，并购后的Solid Edge造型内核将采用Parasolid造型引擎，功能、性能均可望再上一个台阶。

EXPERT-CAD系统主要功能包括：通用铸造工艺参数设计、实用冒口系统设计、恒压等流量浇注系统设计、模板布置设计等。开发的辅助造型模块能将工艺设计计算模块生成的各种数值结果反映到三维铸件模型上。采用了先进的数据库技术存储和管理各工艺设计模块的设计结果和设计所需的各种标准数据。

1铸造工艺参数设计

铸造工艺参数设计的目的是将三维的产品模型转化为三维铸件模型，包括对机械加工余量、拔模斜度、铸造收缩率、最小铸出孔的设计。设计过程分两步，首先查询标准工艺参数数据库，得到合适的铸造工艺参数值，然后利用Solid Edge的造型功能或开发的辅助造型功能，将铸造工艺参数反映到三维铸件模型上。图1是进行拔模斜度设计的查询用户界面。

图1拔模斜度设计用户界面

2实用冒口系统设计

2.1实用冒口设计原理

球铁铸件的冒口系统设计采用的是实用冒口设计方法。球铁在凝固过程中要经历液态收缩、石墨化膨胀、二次收缩三个阶段，二次收缩发生在固相率非常高的时候，用传统冒口难以实现有效的补缩。实用冒口的设计原理是用冒口补偿设置冒口的关键分体的液态收缩，而充分利用关键分体的石墨化膨胀产生的内压力补偿更厚大分体的液态收缩或自身的二次收缩。根据铸型强度和铸件壁厚的不同，实用冒口系统设计方法可分为三大类。图2是实用冒口系统设计方法分类图。DISA工艺采用湿型砂造型，铸型强度较低，只能选用控制压力冒口系统设计方法和直接实用冒口系统设计方法，二者主要是在对石墨化膨胀的利用上有所区别。控制压力冒口适用于中等壁厚件，铸件的膨胀量相对较大，为防止挤坏铸型，通过允许部分金属液回流冒口来释放部分膨胀量，用合适的剩余额膨胀量产生的内压力，补偿自身的二次收缩；直接实用冒口适用于薄壁件，石墨化膨胀量均用于补偿更厚大分体的液态收缩和自身的二次收缩。

图2实用冒口设计方法分类

2.2分体体积、模数计算

关键模数是进行实用冒口系统设计所需的重要参数。分体体积、模数的计算是确定关键分体，进而确定关键模数的基础。EXPERT-CAD系统开发了分体体积、模数计算功能模块，能充分利用分体的三维造型信息准确计算体积、表面积、模数。对非散热面的处理采用方便直观的交互方式。图3是计算轮毂铸件的2#分体体积、模数的用户界面。图4是铸件分块情况及模数计算结果。图5是根据系统、根据计算结果绘制的分体模数—体积份额关系条纹图。

图3分体模数计算用户界面

图4铸件分块及分体模数计算结果

图5铸件分体模数—体积份额条纹图

2.3冒口系统设计程序实现

以上述实用冒口的设计原理为理论依据，分别设计了控制压力冒口系统和直接实用冒口系统设计模块。模块将冒口系统尺寸计算功能和冒口三维模型生成功能在三维造型软件Solid Edge中很好地集成起来，尺寸计算所需的关键分体模数来源于Solid Edge中的三维模型，尺寸计算完成后，可自动匹配合适的标准冒口，并添加到铸件模型上。设计结果可通过用户接口存入工艺项目数据库中。工艺项目数据库以零件的一个工艺设计版本为一个工艺项目，对工艺设计结果进行统一管理，它支持多版本设计。

DISA工艺推荐的两种标准冒口系列分别是球形和柱形冒口，冒口颈截面形状有圆形、梯形、正方形、矩形、三角形、正六边形共六种。图6是添加了柱形冒口系统后的轮毂铸件模型。

图6设计了冒口系统的轮毂铸件模型

3浇注系统设计

DISA垂直分型浇注系统的设计，依据的是DISA工艺设计规范。为保证平稳浇注和同时充填，采用了恒压等流量的设计方法。对于横浇道、直浇道、浇口杯的选择，均按DISA工艺标准进行。

浇注系统设计模块寄生于造型平台Solid Edge，实现了真正意义上的三维设计。系统工作流程如下：首先将作完工艺参数设计和冒口设计的铸件模型沿分型面劈开，生成模样的三维模型。在Solid Edge的装配环境中，将模样的三维模型安装到DISA标准模板上，进行模板布置的设计，进而确定浇注系统布置形式。然后，用Solid Edge提供的辅助工具，测量各个内浇道到浇口杯的距离(即静压高度)。将测量所得的结果作为内浇道设计模块额输入，计算内浇道面积，校核内浇道形状以使紊流系数不超过一定范围。计算直浇道和横浇道的面积，匹配标准浇道系列。最后将浇注系统设计结果的三维模型添加到铸件模型上，并生成三维模板布置模型。

3.1平面分型

沿分型面将铸件模型分开，目的是为了获得DISA工艺中的模样的三维模型。在浇注系统设计模块中，模样的三维模型用于模板布置的设计。

3.2内浇道设计和校核

恒压等流量浇注系统内浇道的设计原则是使不同高度上的型腔同时充型和充满。静压高度的不同导致压力、速度的不同，因此不同高度上的内浇道面积是不同的。设计计算公式为：

浇注时间T表示通过充满与内浇道相连的型腔所需的时间，而不是整个浇注过程所需的时间。DISA工艺中，为满足连续浇注的需要，浇注时间应根据机器造型速度确定，计算公式为：

T=T1-T2-T3(2)

式中：T1—生产一个铸型所需时间(s)；
T2—铸型传输时间，一般为2s左右；
T3—金属液充满浇注系统所需的时间。

求得内浇道的面积后，应设计校核内浇道的具体形状，以满足平稳充型的要求，这是因为内浇道的形状对金属液的流动阻力和流动状态都有重要影响。用计算紊流系数来定量评估金属液的流动状态，从而校核内浇道的具体几何尺寸。紊流系数Re的计算公式为：

式中：G—铸件重量(kg)；
T—浇注时间(s)；
P—横截面周长(cm)。

经验表明，紊流系数Re＞13 800时，液体处于完全紊流状态，这在内浇道设计中是应绝对避免的。系统中内浇道的形状设为广义梯形(矩形也包括)，内浇道的设计校核模块允许用户反复尝试在面积相同的情况下，不同高度和上下底比例条件下，紊流系数的大小，直到获得满意的设计结果为止。设计结果存入工艺项目数据库。
3.3直浇道和横浇道设计
DISA工艺中的横浇道和直浇道采用的是标准梯形浇道。标准浇道的几何参数已输入铸造工艺数据库中。直浇道和横浇道的面积按下列公式计算。
直浇道：

FS=1.1×(N1．F1+N2．F2+…+NK．FK)(4)

横浇道：

FR=1.1×NS．FS(5)

式中：N1、N2…NK—与直浇道相连的各高度上的内浇道数；
F1、F2…FK—各高度上的内浇道面积；
NS—与横浇道相连的直浇道数。

在求得直浇道、横浇道面积后，程序与铸造工艺数据库中的标准浇道系列的面积比较，并自动匹配合适的标准浇道。

4模板布置设计

首先在Solid Edge的零件设计环境下，根据计算结果自动生成内浇道、直浇道、横浇道的三维模型。采取的方法是修改事先建立的相应三维标准件造型文件中的变量表，通过尺寸驱动获得合适尺寸的各浇注系统组成三维模型。

然后，在Solid Edge的装配环境下将浇注系统和模样装配在一起，生成三维模板装配模型。图7是轮毂件的模板装配三维模型。在Solid Edge的工程绘图环境下，可以很方便的将生成的三维模板装配模型转化为二维工程图纸。通过工艺数据库查询，获得各个工艺的设计尺寸，能自动生成工艺卡。

图7轮毂铸件模板布置三维模

5结论

以Solid Edge作为造型平台，开发了基于三维造型的铸造工艺工装CAD系统EXPERT-CAD，可对球铁件进行DISA垂直分型无箱造型的工艺工装设计。主要功能包括铸造工艺参数设计(加工余量、拔模斜度等)，并将设计结果反映到铸件三维模型，铸件分体模数、重量、体积计算以及分体模数—体积份额图绘制，球铁件实用冒口设计，垂直分型的浇注系统设计，模板设计等。设计生成的三维工艺模型可通过Solid Edge的Draft功能快速绘制铸造工艺图。系统采用先进的数据库技术管理和维护工艺设计过程中数据传递和交换。(end)