三维铸造工艺ＣＡＤ系统的开发清华大学（北京１０００８４）李永保，柳百成，荆涛【摘要】在三 维模型上，采用离散法计算铸件的模数和重量，从而计算浇冒口系统和冷铁，最后输出工艺卡和铸 造工艺图，供设计人员参考和使用．由于铸造工艺ＣＡＤ系统的所有计算功能都是自身的．因而可 以很容易地移植到其它系统上。【关键词】离散法，
模数，铸造工艺ＣＡＤＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎ ｔｏｆａＣＡＤＳｙｓｔｅｍｆｏｒＣａｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢａｓｅｄｏｎ３－Ｄ ｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＭｏｄｅｌ￥ＬｉＹｏｎｇｂａｏ；ＬｉｕＢａｉｃｈｅｎｇ；ＪｉｎｇＴ ａｏＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎｔｈｅｂａｓｅｏｆ３－Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｇｅｏｍｅｔｒｙ ｍｏｄｅｌ．ａｃｏｍｐｕｔｅｒｐｒｏｇｒａｍｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａ ｔｅｔｈｅｍｏｄｕｌｕｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐａｒｔｓａｎｄｗｅｉｇｈｔｏｆｃａｓｔ ｉｎｇｂｙｄｉｓｃｒｅｔｉｚａｔｉｏｎ，ｒｉｇｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｃｈｉｌｌｉｆ ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙ．Ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｒｄａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉ ｎｇｄｒａｗｉｎｇｃａｎａｌｓｏｂｅｇｏｔｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｒ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆｔｈｅｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｉｔｃａｎｂｅｔｒａｎｓｌａｔｅｄｔｏｏｔｈｅｒｓｙ ｓｔｅｍａｓａｕｓｅｆｕｌｍｏｄｕｌｅ．［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］：ｄｉｓｃｒｅｔｉｚａｔｉ ｏｎｍｏｄｕｌｕｓＣＡＤｏｆｃａｓｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１引言随着计算机技术的发 展，数值模拟在我国的应用越来越广泛。为了充分利用三维模型．我们开发了基于三维模型的通用 工艺设计系统。以往的辅助设计软件和凝固模拟软件相互独立，不能充分地利用各自的设计结果， 同时ＣＡＤ系统都是采用交互式输入铸件的尺寸，由于把铸件划分成简单形体，因而既不准确又繁 琐，为此开发了此模数计算模块，充分利用模拟软件的三维数据进行模数计算，根据经验公式计算 浇冒口系统和冷铁，并具有工艺卡和工艺图输出功能。同时，可以形成图形文件，把工艺加到铸件 上，进行数值模拟来校校工艺的合理性。２＄数计算原理所谓模数，就是铸件体积Ｖ（。ｍ’）与 表面散热面积Ｓ（ｃｍ‘）之比。要计算模数，首先要计算其体积和表面积，这是本程序的关键。 目前的ＣＡＤ／’ＣＡＭ系统都采用将形体划分成若干便于计算的规则形体（一般为四面体）的方 法计算铸件体积．表面积计算则是采用把一个面划成若干三角形来计算，最后进行向量求和的方法 求得总的夫面积。３冒日设计为了得到致密健全的铸，冒口须满足如下条件：（ｌ）存在补缩通道 ；（２）冒口的凝固时间不小于铸件凝固时间；（３具有足够的补缩液量。对于条件（ｌ）可采用 工艺措施，如冷铁、补贴或保温材料等来得到满足，而条件（２）、（３）则是建立冒口方程的基 础。冒口设计采用修正三次方程法：［’］Ｖ，（ｉｇ）ａＭｃＡ．／３ＰＶ。＝０其中：Ｖ。一 冒口初体积（ｃｍ’）；ｐ一体积收缩率；。一冒口缩孔表面系数，Ｍｅ一被补缩部位的铸件模数 （ｃｍ）；Ａ．一冒口初表面积（ｃｍ’）；０一冒ｏ模数系数，Ｇ一人下刀刃【，Ｃ、刀、Ｊ为 比热、密度和导热系数，八一被补缩部位的铸件体积（ｃｍ‘）。上式中只有Ｖ，、Ａｒ是与冒口 尺寸有关的参数，为了计算方便，可以把Ｖ．、Ａ．都化为冒口直径Ｄ的函数，则可得出：ｙ一Ｋ ＩＤ’一ＫＺ＝０冒口形式确定之后．根据计算机中的冒口模型求出方程系数Ｋ；、Ｋ。，然后用 牛顿选代法求解方程，得出胃口直径Ｄ，到此留四尺寸即可完全确定．对于条件（互），可由计算 机综台模数计算结果和冒口的补缩距离来判断通过是否存在，并给出工艺修正后的模数参考值．供 设计人员选择．４＄注系统设计浇注系统的设计依据是水力学伯努利方程式及流量公式，由两式联 立得出：Ｑ＝ａＡｈａ其中：，流量系数；Ａ一阻流断面面积（ｃｍ２）ｌＨＯ一平均压头高度（ ｃｍ）；＊一单位时间的钢液体积（ｃｍ’八）ｉｇ“９８０ｃｍ／ｓ’由上式可得出：ＷＡ一＿ ａｔａ’４ＺＥＨ．２０．００１式中：Ｐ－一钢液比重（ｇ／ｃｍ’）；ｔ。一浇注时间（ｓ） ；Ｗ一浇注重量（ｋｇ）；ａ。０．４～０·７。（１）浇注时间ｔ。的确定最佳浇注时间与铸件 重量及壁厚有关，其关系为：ｔＰ”ＫＩ＋Ｋ：Ｌ‘·。Ｗｑ其中：Ｋ；一０～７；Ｋ：一０．７ ５～１．２５；在一不７十六二万；”‘”“”’””““‘””’—“”””’”ＺＯ一且３１ ＯｑＨ．’Ｔ。一互＊＊Ｏ·、ｔ、ｔＬ——－”一Ｈ．—１００Ｊ了天上；Ｔ，为浇注温度（Ｃ ）；Ｌ为叠厚（ｃｍ）。（２）平均压头高度从的确定ＩＩ！Ｈｎ。Ｈ，＝＝＝－－－－－－－－ ““”２（Ｈ．＋Ｈ。）其中：Ｈ一最大压头高度（ｃｍ）；Ｈ．一上型腔高度（。ｍ）；Ｈ．一 下型胶高度（ｃｍ）．（３）浇注系统各出面尺寸计算在求出阻流出面面积后，只要选定各出面浇 口比，即可求得截面的面积，然后根据不同的出面形状及比例，由几何公式求出各代面的具体尺寸 ．浇口比与浇注系统的压力形式有关。有压时，直说道面积。武浇道面积：内涝道面积一１：２： ２。无压时，直浇道面积。技浇道面积：内涝道面积一１．４３：１．４３：２．在选定压力形式 后，浇口比、各任面面积、各出面尺寸可依次确定．５冷铁设计Ｄ］外冷铁的设计基于下列公式： ＿＿－＿＿．，Ｍｏ—Ｍ．＿．．Ｍｎ—Ｍ－Ｇ—０．００７４Ｖ。＝＝ｌ－－－－－Ｆ—Ｖ。ｑ ４＝＝－－—－’——””””ＡＩＭ“－””ＭａＭ．式中：Ｇ一所需冷铁的重量（ｋｇ）；Ｆ 一冷铁与铸件接触面积（ｃｍ’）；ＶＯ一设置冷铁部位的铸件体积（ｃｍ‘）；ＭＯ一设置冷铁 部位的铸件模数（ｃｍ）；Ｍｒ一放置冷铁后铸件的实际用数（ｃｍ）。内冷铁的设计基于下列公 式：＿＿＿＿＿＿Ｍ＾—Ｍ－Ｇ—０．００１ＣＶ。Ｍｄ—１０ＭＩ·’—”’—”“—””Ｍｒ ｔ““”“”’其中：Ｃ为系数，当浇温为１５５０Ｃ左右时，取１．０５，ｄ为冷铁横断面直径 （ｃｍ）．６
工艺卡、Ｈ２用的绘制及应用实例为满足工厂的实际生产需要，工艺设计结果拍出应 有工艺卡打印功能。工艺卡内容包括初始工艺参数及浇冒口系统设计结果，数据是通过数据文件存 取方式进行．可根据工厂的实际需要，按合理的样式输出．工艺图的绘制采用ＡＵＴＯＣＡＤｌｌ ．０做为支撑软件，用系统自身的转换接口把三维铸件图转换到ＡＵ．ＴＯＣＡＤ上（三机图）， 利用ＡＵＴＯＣＡＤ上的编辑工具编辑出符台工厂实际情况的工艺图。将该方法用于工厂的一个实 际传件——上馒头，铸件材质为ＺＧ３５ＣｒＭｏ，铸型为干粘土砂型，浇注温度为１５５０℃， 手工造型．根据分块模数计算，上馒头座需要加冷铁，冷铁总面积为１２００ｂｅｒｎ‘，重量为 ４４．４ｋｇ，并计算出了冒口尺寸和浇注系统各部分的尺寸，如图１所示．图互上＠头传件传送 工艺示意图参考文献｜｜１裴清祥．铸造充型过程三维数值模拟及铸造工艺ＣＡＤ系统的研究．【 博士论文】，北京：清华大学机械工程系，１９９１２李弘英．铸钢件凝固和致密度的控制．北京 ：机械工业出版社，１９８５三维铸造工艺CAD系统的开发@李永保，柳百成，荆涛$清华大学 离散法，模数，铸造工艺ＣＡＤ在三维模型上，采用离散法计算铸件的模数和重量，从而计算浇冒 口系统和冷铁，最后输出工艺卡和铸造工艺图，供设计人员参考和使用．由于铸造工艺ＣＡＤ系统 的所有计算功能都是自身的．因而可以很容易地移植到其它系统上。１裴清祥．铸造充型过程三维 数值模拟及铸造工艺ＣＡＤ系统的研究．【博士论文】，北京：清华大学机械工程系，１９９１２ 李弘英．铸钢件凝固和致密度的控制．北京：机械工业出版社，１９８５面形状及比例，由几何公 式求出各代面的具体尺寸．浇口比与浇注系统的压力形式有关。有压时，直说道面积。武浇道面积 ：内涝道面积一１：２：２。无压时，直浇道面积。技浇道面积：内涝道面积一１．４３：１．４ ３：２．在选定压力形式后，浇口比、各任面面积、各出面尺寸可依次确定．５冷铁设计Ｄ］外冷 铁的设计基于下列公式：＿＿－＿＿．，Ｍｏ—Ｍ．＿．．Ｍｎ—Ｍ－Ｇ—０．００７４Ｖ。＝＝ ｌ－－－－－Ｆ—Ｖ。ｑ４＝＝－－—－’——””””ＡＩＭ“－””ＭａＭ．式中：Ｇ一所需 冷铁的重量（ｋｇ）；Ｆ一冷铁与铸件接触面积（ｃｍ’）；ＶＯ一设置冷铁部位的铸件体积（ｃ ｍ‘）；ＭＯ一设置冷铁部位的铸件模数（ｃｍ）；Ｍｒ一放置冷铁后铸件的实际用数（ｃｍ）。 内冷铁的设计基于下列公式：＿＿＿＿＿＿Ｍ＾—Ｍ－Ｇ—０．００１ＣＶ。Ｍｄ—１０ＭＩ·’ —”’—”“—””Ｍｒｔ““”“”’其中：Ｃ为系数，当浇温为１５５０Ｃ左右时，取１．０ ５，ｄ为冷铁横断面直径（ｃｍ）．６工艺卡、Ｈ２用的绘制及应用实例为满足工厂的实际生产需 要，工艺设计结果拍出应有工艺卡打印功能。工艺卡内容包括初始工艺参数及浇冒口系统设计结果 ，数据是通过数据文件存取方式进行．可根据工厂的实际需要，按合理的样式输出．工艺图的绘制 采用ＡＵＴＯＣＡＤｌｌ．０做为支撑软件，用系统自身的转换接口把三维铸件图转换到ＡＵ．Ｔ ＯＣＡＤ上（三机图），利用ＡＵＴＯＣＡＤ上的编辑工具编辑出符台工厂实际情况的工艺图。将 该方法用于工厂的一个实际传件——上馒头，铸件材质为ＺＧ３５ＣｒＭｏ，铸型为干粘土砂型， 浇注温度为１５５０℃，手工造型．根据分块模数计算，上馒头座需要加冷铁，冷铁总面积为１２ ００ｂｅｒｎ‘，重量为４４．４ｋｇ，并计算出了冒口尺寸和浇注系统各部分的尺寸，如图１所 示．图互上＠头传件传送工艺示意图参考文献｜｜１裴清祥．铸造充型过程三维数值模拟及铸造工艺ＣＡＤ系统的研究．【博士论文】，北京：清华大学机械工程系，１９９１２李弘英．铸钢件凝固和致密度的控制．北京：机械工业出版社，１９８５三维铸造工艺CAD系统的开发@李永保，柳百成，荆涛$清华大学离散法，模数，铸造工艺ＣＡＤ在三维模型上，采用离散法计算铸件的模
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