ＣＡＤ技术应用于铸造工艺设计中 ,利用计算机的信息存储、信息检索、图形处理和高速计算能力 ,可使设计人员从传统的繁重设计工作中解脱出来。为满足国内企业界对计算机辅助设计不断发展的需求 ,真正实现铸造工艺设计ＣＡＤ ,本项研究主要侧重两个方面进行了深入细致的工作 :①砂型铸钢件工艺设计内容的编制 ;②绘图软件的选用和工艺设计软件的开发。1 铸造工艺设计内容的编制铸钢件由于金属的自身特性需要在高温下成形 ,凝固收缩率变化较大 ,加之铸钢件的结构差异 ,因此工艺设计过程较为复杂。同时各铸钢件生产厂家的设计方法差异也较大。在本项目的研究工作中 ,共收集、整理、归纳和总结了多种版本和厂家的铸造工艺设计参考资料和手册〔1～ 6〕,并在此基础上模拟人工设计方法和思维方式 ,创建了包含铸造工艺方案的确定、工艺参数的选择、铸件补缩系统设计和浇注系统设计等主要工艺设计环节在内的 3个模块 ,见图 1。 在模块的每项菜单命令中 ,采用对话框的形式实现人机对话。为使每个对话框更加直观、生动 ,便于工艺设计人员分析问题和计算选用参数 ,利用ＣＡＸＡ电子图板〔7〕二维绘图软件和三维绘图软件精心绘制了30 0多幅铸造工艺方案图、铸件体积计算图、热节模数计算图、工艺参数选择图和浇冒口设计用图以及相关的表格。此外 ,本软件的另一个显著特点是工艺图库的建立 ,工艺设计人员可方便地浏览和查阅相应的工艺资料。同时 ,利用ＣＡＸＡ电子图板的一些功能特点 ,创建铸钢工艺卡的基本框架 ,并按顺序填写有关内容 ,即可输出完整的铸钢工艺卡 ,也可在资料库中存档。2 绘图软件和开发语言的选用计算机的图形处理功能是ＣＡＤ的基础 ,目前计算机辅助绘图软件版本较多 ,各有所长 ,对比功能价格和普及程度后 ,选择北京北航海尔软件有限公司推出的ＣＡＸＡ电子图板〔7～ 8〕作为绘图软件 ,并利用其二次开发程序接口 ,采用Ｃ/Ｃ + +作为开发语言〔9〕,选用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶｉｓｕａｌＣ + + 6 0作为开发环境 ,将铸造工艺设计的相关内容纳入其中 ,形成集绘图、铸造工艺方案确定、参数选取、浇冒口设计为一体的能够快速生成铸造工艺图和工艺卡的实用软件。图 1 铸造工艺设计模块结构Ｆｉｇ 1 Ｔｈｅｍｏｄｕｌｅｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｆｏｕｎｄｒｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｅｓｉｇｎ3 所研制软件的基本功能本软件适用于砂型铸造的铸钢件工艺设计 ,呈现形式是以ＣＡＸＡ电子图板为基本绘图工具 ,在其基础上加载铸造工艺的 3个模块。3 1
铸造工艺 (一 )3 1 1 绘制二维毛坯图工艺设计人员利用软件的图库查询功能可查阅、调用图库中的铸件毛坯图 ,同时选择一些工艺参数如加工余量和铸死孔槽等 ,利用ＣＡＸＡ电子图板绘制铸件毛坯图。新绘制的工艺图通过输入特征参数可添加到图库中 ,使图库内容不断丰富。3 1 2 毛坯重量计算毛坯重量计算方法有两种①分体组合法 ;②余量增加法。分体组合法可计算 2 5种基本几何体的体积和重量。虽然铸件结构千差万别 ,但其形状都是由若干基本几何体加减组合而成 ,通过分体组合运算 ,可以很快捷地求出各个简单几何体的体积和重量最终求得铸件的总重量。余量增加法中汇集并图示列出 2 2种规则表面图形 ,软件使用者可根据铸件结构、加工面分布、最小铸出孔槽等情况 ,仅需输入各部位所选取的加工余量值 ,便可准确快捷地求出铸件的毛坯重量。3 1 3 模数计算铸件各部位凝固时间取决于该部位体积与有效散热面积的比 ,该比值称为“凝固模数”或简称“模数”。任何复杂的铸件均是由若干简单的板、杆、圆柱体、圆 筒体、球体和Ｌ型、Ｔ型、十型的板杆等交接组合而成〔6〕,因此软件在模数计算中建立了简单几何体的模数计算、组合体接头的模数计算,从而解决了繁杂的模数计算。此外 ,针对铸钢件中轮类铸件的比例较大特设了轮类铸件的模数计算 ,根据轮的结构类型 (工字筋、平板筋、十字筋 )可分别准确地计算出其热节模数。为方便用户还设置了依基本公式的模数计算 ,使用户在特殊情况下可灵活进行模数计算。3 1 4 工艺方案确定和参数选择铸造工艺方案主要指浇注位置和分型面的选择和确定〔4〕,在此命令下 ,用户可以了解其确定的基本原则和示例说明 ,同时该功能也弥补了工艺设计者因经验不足所造成的盲目性设计。浇注位置确定之后 ,毛坯上、下、侧面的加工余量选择可在对话框的提示下 ,查看《铸件加工余量》国家标准的使用说明 ,也可根据铸件的生产批量、工艺及造型材料查阅相应的表格 ,选取适宜的加工余量。铸件线收缩率可根据铸型的种类不同输入铸件的尺寸后自动求得 ,如若遇到特殊情况 ,仅需点击相应选项 ,软件会对收缩率进行修正。为防止铸件某些部位由于缩尺不准确及其它原因造成误差 ,使这些部位壁厚减薄 ,需预先设置工艺补正量。本软件结合 7种典型件以图例的形式提示用户确定设置工艺补正量的部位 ,并输入相关尺寸后求得工艺补正量。采用实样造型或局部实样时 ,模样应设置拔模斜度。拔模斜度有三种形式 ,软件提示了每种形式的选用原则 ,对应每种形式的具体数值待用户输入 (选中 )铸件高度和砂型种类后便可获得。为避免实际操作中因分型面选择不当而产生铸件尺寸超差 ,工艺设计时应考虑增设分型负数 ;同时针对因拔模等生产操作所造成的铸件筋板厚度增加应设置非加工壁厚负余量。软件以表格的形式将上述两项展现在用户面前 ,便于用户选取。图 2为参数之一缩尺的选择对话框。图 2 铸件线收缩率选择Ｆｉｇ 2 Ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌｉｎｅａｒｓｈｒｉｎｋａｇｅｒａｔｉｏｏｆｃａｓｔｉｎｇ3 2 铸造工艺 (二 )3 2 1 冒口设计本选项的功能是以文字说明的形式进一步提示工艺人员如何正确合理地设计和设置冒口。生产中经常采用的冒口类型可分成 4类 ,此项详细地论述了各种类型冒口的特点。本软件在考虑冒口计算时 ,主要以模数法为主〔1〕,其对话框见图 3。用户可在 9种常见冒口中任图 3 模数法计算冒口对话框Ｆｉｇ 3 Ｄｉａｌｏｇｂｏｘｏｆｒｉｓｅｒｄｅｓｉｇｎｂｙｕｓｉｎｇｍｏｄｕｌｕｓｍｅｔｈｏｄ意选择并加以编号 ,可显示所选冒口的立体示意图和平面尺寸示意图 ,方便选用。在输入铸件补缩部位的模数后 ,可计算出应选择的冒口模数和相应冒口尺寸。为更接近实际 ,可将计算值加以调整。3 2 2 冒口能力核算单个冒口尺寸初定后应进行冒口能力核算 ,包括冒口补缩距离、冒口最大补缩量和铸件工艺出品率核算三个方面。在冒口补缩距离核算中 ,可分别实现 :①普通板状件 ;②组合板状件 ;③各种杆形件 ;④几种典型件等冒口补缩距离的核算 ,如发现冒口对铸件的补缩距离满足不了要求 ,则应考虑增加冒口数量。用模数法计算出的冒口 ,不能说明冒口中钢水的体积是否足以补缩整个铸件或热节。因此 ,还需进行冒口最大补缩量核算 ,验算后如不能满足补缩要求 ,则需加大冒口尺寸或增加冒口数量。铸件工艺出品率核算是衡量冒口尺寸正确与否的一个重要方面 ,本软件可对不同重量和壁厚的铸件进行工艺出品率核算。填写对话框的选项后 ,可同时得出按当前冒口和铸件重量计算出的工艺出品率及国内铸钢厂家普遍采用的工艺出品率参考值 ,便于将两者比较。针对常见铸钢件———齿轮类 ,软件可实现齿圈、单辐板齿轮、双辐板齿轮和圆锥齿轮等 4类产品的工艺出品率参考值和计算值的对比核算。用收得率法验算冒口尺寸简单方便、适应性广 ,但铸件工艺出品率的经验数值全靠生产中积累 ,本软件还根据国内两大著名重机厂的统计资料 ,建立了常见铸件工艺出品率的计算和比较功能 ,方便用户使用。3 2 3 冒口颈的计算当采用边侧冒口时 ,作为铸件和冒口的过渡部分 ,冒口颈的尺寸设计和计算是必须的。冒口颈的形式按被补缩铸件的需要分为 3种〔5〕,即水平扩张式、垂直扩张式和不扩张式 ,用户可酌情采用 ,并根据对话框提示完成此项工作。3 3 铸造工艺 (三 )浇注系统设计主要以浇包孔直径和直浇道、横浇道、内浇道的尺寸数量计算选取为主〔3〕。软件 提示用户在设计浇注系统时应注意的事项和必须满足的要求。软件中还归纳了国内几家著名重机厂目前采用的浇注系统形式并整理成图例,配以文字说明 (详见图4 ) ,为用户正确合理地设计浇注系统奠定了基础。包孔直径的计算方法有重量速度计算和上升速度计算两种。重量速度计算是根据铸件重量 (或铸件最大外形体积 )、铸件大部分壁厚及浇包钢水容量等因素分别计算出浇注时间、浇注重量速度、采用单包孔(或双包孔 )浇注时的包孔直径。而上升速度计算法则是根据铸件结构情况、铸件重量和铸件浇注时的高度来确定钢水的上升速度、浇注时间及采用单包孔(或双包孔 )浇注时的包孔直径。计算的包孔直径与生产中使用的包孔直径存在差异时应以实际可行为主。然后计算直、横、内浇道。对浇道的布置进行选项后 ,即可得出相应的直浇道、横浇道的具体尺寸 ,而内浇道的尺寸则需要设计者综合考虑铸件尺寸、结构及冒口的设置情况 ,从计算给出的几种可能的内浇道尺寸和数量明细表中直接选用。该部分还包括了浇注系统重量计算的功能 ,这对精确计算铸件工艺出品率和生产中钢水熔化量的约定都是十分必要的。图 4 浇注系统设置图例Ｆｉｇ 0 4 Ｔｈｅｓｅｔｔｉｎｇｅｘａｍｐｌｅｏｆｇａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ4 应用实例采用本软件对沈阳铸造研究所特钢产业部生产的“下环”铸件生产工艺进行了设计 ,提高了设计效率和水平。图 5和图 6为采用该软件设计的工艺图和工艺卡。图 5 下环铸钢件铸造工艺设计结果Ｆｉｇ 5 Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｓｕｌｔｏｆｆｏｕｎｄｒｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｂｏｔｔｏｍｒｉｎｇｓｔｅｅｌｃａｓｔｉｎｇ图 6