铸造工艺计算机辅助设计技术简介

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铸造工艺计算机辅助设计技术 1 铸造工艺CAD 在铸造工艺设计过程中，有许多繁琐的数学计算和大量的查表选择等工作，仅凭工艺设计人员的个人经验和手工操作，不但要花费很多时间，而且设计结果往往因人而异，很难保证铸件质量，60年代以来，特别是进入80年代后，随着电子计算机技术的迅猛发展，计算机辅助设计技术在工业中得到愈来愈广泛的应用，也为铸造工艺设计的科学化、精确化提供了良好的工具，成为铸造技术开发和生产发展的重要内容之一。 典型的铸造工艺CAD系统工作过程是： 1）接收用户送给的铸件图纸，在以工程图方式接收时可自行进行三维造型； 2）工艺分析和报价； 按需要从任一角度或对铸件任一部分结构加以观察，根据三维实体计算铸件重量和不同部位的模数，计算浇冒口等工艺数据，进行铸件的初步设计，估算成本并提出报价。 3）进行铸件的详细设计； 从建立的铸件三维实体抽取数据进行三维凝固模拟并修改铸件设计，然后自动生成相应的铸型、芯盒或模具图。 4）铸型、芯盒和模具经数控加工成形，进行浇铸和检验，收集生产中的数据供质量跟踪和知道以后的铸件设计。 目前铸造工艺CAD的软件功能一般是单一的，分为铸件设计、凝固模拟和模样加工等相对独立的系统。 2 铸造工艺CAD的特点 首先将零件图通过数字化仪或其他图形输入设备输入计算机内，然后根据要求标出浇注位置和分型面的位置，进一步绘出加工余量及不铸孔、槽的符号，以及拨模斜度，并标出尺寸，形成铸件图；以此为依据进行铸件模数和重量计算、进行补缩系统和浇注系统设计；将设计计算的结果以图形方式加到铸件图上，再绘出砂芯形状，算出芯头间隙、芯头压紧环、防压环、积砂槽和芯头分块线及尺寸等，从而形成一个完整的工艺图；最后绘制出铸造工艺卡片。将图形由绘图仪输出，完全取代了手工绘制工艺图和描图、晒图等繁琐工序，而且修改、存档方便，大大提高了设计效率。 与传统的铸造工艺设计方法相比，用计算机设计铸造工艺有如下特点： 1）计算准确、迅速、消除了人为的计算误差。 2）可同时对几个不同的方案进行工艺设计和比较，从而找出较好的方案。 3）能够储存并系统利用铸造工作者的经验，使得使用者不论其经验丰富与否都能设计出较合理的铸造工艺。 4）计算结果能自动打印记录，并能绘制铸造工艺图等技术文件。 计算机辅助设计不仅使计算机代替了人工设计铸造工艺和绘制工艺图，而且还能优化工艺设计，提高工艺出品率。 铸造工艺计算机辅助设计程序的功能主要表现在以下几方面： 1）铸件的几何、物理量计算，包括铸件体积、表面积、重量及热模数的计算。 2）补缩系统的设计计算，包括冒口的设计和计算、冷铁设计计算和设计合理的补缩通道。 3）浇注系统的设计计算，包括选择浇注系统的类型和各部分截面积计算。 4）绘图，包括铸件图、铸造工艺图、铸造工艺卡等图形的绘制和输出。 3 图形处理的软件系统 近年来，国内外在铸造工艺计算机辅助设计方面已作了较多的研究和开发，相继出现了一批较实用的软件，如美国铸协（AFS）的AFS-oftware软件，可用于铸钢铸铁的浇冒口设计；英国Foseco公司的FEEDERCALC软件可计算铸钢件的浇冒口尺寸，补缩距离及选择保温冒口套等；丹麦DISA公司的DISAMATIC软件专用垂直分型生产线的浇冒口设计；清华大学研制开发的FTCAD软件适用于球铁浇冒口系统设计；铸造工艺辅助设计集成软件--CASTCAD适用于铝合金、铸件和铸钢生产；华北工学院开发的铸钢件集成软件提出了改进RUDDLE三次方法设计冒口且实现了参数化设计。此外，还有许多这方面的软件都已在铸造生产中得到较好的应用，产生了明显的经济效果。 铸造工艺计算机辅助设计中，微机上较多的是采用AutoCAD软件(2D)作为图形处理的支撑软件，国内已有很多再其基础上二次开发的软件，完成铸件图、铸造工艺卡等图形处理功能。但目前,3D软件发展很快,既有大型软件,如UG、Pro/E、CATIA，也有中档软件，如Solid Edge、Solid Work、MDT等以及低档的一些软件。对工作站，基本上是大型软件。 3.1 Auto CAD软件包及基本功能 AutoCAD是美国Autodesk公司为PC机开发的一个交互式图形软件包，它主要是一个二维图形软件包，具有很强的二维作图编辑功能，也具有简单的三维作图功能，它是目前我国微型计算机上应用最广泛的软件包。AutoCAD自1982年在美国首次推出AutoCAD1.00版本后，版本不断升级，目前已有AutoCAD2000版本。它的绘图命令得到了很大改进，产生图形的速度和编辑图形的速度都比以前的版本提高了许多，绘图和编辑功能也都大大增强了。 AutoLisp和ARX语言是一种嵌入在AutoCAD内部的开发语言。它可以让用户和AutoCAD开发者以非常强大的高级语言编写出宏语言程序和函数，非常适合于图形的应用。它为用户提供了强大的二次开发的工具，用户就可以利用AutoLisp编制AutoCAD新的命令，从而实现铸造工艺CAD中对铸件图、铸造工艺图等图形的处理功能。有关AutoLisp语言的实用程序设计方法请读者参阅有关专著。 3.2 Pro/Engineer软件包及基本功能 Pro/Engineer是一套由设计至生产的机械自动化3D软件，是新一代的基于特征的产品造型系统。Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。造型不仅可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件。 Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 3.3 Unigraphics（UG）工业设计软件包 UG包括一个灵活的复合建模模块以及功能强大的逼真照相的渲染，动画和快速的原型工具，复合建模让用户可在下例建模方法中选择：实体建模（Solid）、曲面建模(Surface)、线框建模(Wireframe)及其于特征的参数化建模。 UG的特征和功能有许多独到之处： 1）功能强大的编程框架，使客户和软件供应商能够开发与UG很好集成和完全相关的应用程序。 2）在客户的扩展企业的意义上的数据相互可操作性，甚至包括对那此有问题的输入数据的高成功率。包括培训，直接技术支持，项目实施，系统集成，数据交换和工程应用的完整服务。 3）虚拟产品开发评估，它用图表表示一个公司采用制造业认可的最佳实践的程度。 4）完整的可升级的产品线，为各层次用户优化的产品线，因而，一个公司可以在需要时以最合适的价格购置或租用仅仅是它需要的那些模块。 在美国航天航空工业已安装有１００００多套UG,我们目前也遍及到机械、医疗设备、电子、高技术和消费品工业。 基于以上介绍的各部分内容的设计原理和设计方法，编制计算机程序，即可得到比较系统和完整的铸造工艺计算机辅助设计软件。 首先将零件图通过数字化仪或其他图形输入设备输入计算机内，然后根据要求标出浇注位置和分型面的位置，进一步绘出加工余量及不铸孔、槽的符号，以及拨模斜度，并标出尺寸，形成铸件图；以此为依据进行铸件模数和重量计算、进行补缩系统和浇注系统设计；将设计计算的结果以图形方式加到铸件图上，再绘出砂芯形状，算出芯头间隙、芯头压紧环、防压环、积砂槽和芯头分块线及尺寸等，从而形成一个完整的工艺图；最后绘制出铸造工艺卡片。将图形由绘图仪输出，完全取代了手工绘制工艺图和描图、晒图等繁琐工序，而且修改、存档方便，大大提高了设计效率。 4 铸造机械及铸造工程CAD 铸造机械设计的工艺性强，设备种类多，计算和绘图量大，利用CAD技术可提高效率并优化设计。 国外的铸造设备厂家如德国的BMD已采用了CAD技术；国内也开发了一些铸造机械设计软件，如清华大学的抛丸机CAD系统（SBMCAD）、气冲造型线平面布置系统（MLCAD），机械工业铸机科技信息网CAD开发部的铸造及机械化设计软件系统（ZJCAD），江苏理工大学的S568水玻璃砂再生系统（FSCAD）等。 这些系统大多以微机为硬件环境，以AutoCAD为支撑软件，但所用的开发工具不尽相同。系统都采用结构化方法进行分析、设计和编程。将系统分为不同模块，模块的设计遵循通用原则，每一模块能实现某种功能的通用实际和图形绘出，便于系统升级和扩展。