智能化的鑄造技術(shù)CAD軟件包的開發(fā)

1、智能化的鑄造技術(shù)CAD軟件包的開發(fā)侯華1， 陳軍2，徐宏1、材料科學(xué)與工程系，中北大學(xué)，太原030051，中國；2、科學(xué)與技術(shù)系，中國兵器工業(yè)集團(tuán)公司，北京 100083，中國摘要：開發(fā)一個(gè)基于凝固數(shù)值模擬的鑄造技術(shù)CAD軟件包 ，用于智能化設(shè)計(jì)冒口系統(tǒng)。這個(gè)軟件能夠計(jì)算尺寸和指出隔離的熔體的位置。根據(jù)每一隔離的熔體的液態(tài)收縮量和數(shù)據(jù)庫里的標(biāo)準(zhǔn)冒口參數(shù)，只要冒口的形狀選擇好，冒口的位置和尺寸就能夠智能化確定后。3-D軟件和鑄造模擬分析軟件/CAE軟件說明冒口和澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是可行的。關(guān)鍵字：CAD；鑄造技術(shù)；隔離的熔體；冒口系統(tǒng)；澆注系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫1 簡介 隨著電腦科技的開展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)

2、算機(jī)輔助工程技術(shù)已經(jīng)在鑄造工藝中得到應(yīng)用。近些年來，許多實(shí)用的鑄造軟件有所開展，如美國鑄協(xié)軟件，它可以用于設(shè)計(jì)鑄鋼和鑄鐵的冒口和澆注系統(tǒng)。英國公司開發(fā)的軟件能夠計(jì)算澆冒口系統(tǒng)的尺寸、補(bǔ)縮距離及選擇冒口套等。清華大學(xué)研制的軟件適于計(jì)算球墨鑄鐵澆冒口系統(tǒng)。所有這些軟件的設(shè)計(jì)都是通過將鑄件離散化和計(jì)算熱節(jié)模塊來得到冒口尺寸。因?yàn)殡x散來計(jì)算模塊是一個(gè)非常專業(yè)的技術(shù)，因此很難離散復(fù)雜的鑄件，但是恰當(dāng)?shù)碾x散決定計(jì)算的精度，這樣就限制的鑄造的應(yīng)用和普及。今天，找一個(gè)確定冒口尺寸的快速方法就成了一個(gè)熱門的領(lǐng)域。在這篇文章里，一種結(jié)合數(shù)據(jù)庫的二次數(shù)值模擬技術(shù)用于確定冒口的尺寸，并且采用伯努利方程和流體公式設(shè)計(jì)澆

3、注系統(tǒng)，最后，技術(shù)用于檢驗(yàn)鑄造設(shè)計(jì)，。一個(gè)完整的鑄造應(yīng)該包括冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，技術(shù)圖和技術(shù)卡，。在這片論文中，主要的集中討論怎樣實(shí)現(xiàn)智能化鑄造技術(shù)。冒口CAD大體上，主要的冒口設(shè)計(jì)就是計(jì)算鑄件模塊。但是對于一個(gè)復(fù)雜的鑄件，第一步就是將其劃分成幾個(gè)局部，然后分別計(jì)算每一個(gè)局部的體積和外表積。這樣選擇澆注系統(tǒng)類型計(jì)算每一局部截面積確定截面積比例確定阻力截面積澆注系統(tǒng)的3-D立體結(jié)構(gòu)圖確定澆注系統(tǒng)的布置澆注系統(tǒng)臨界數(shù)據(jù)庫咨詢臨界數(shù)據(jù)庫，確定每一局部界面尺寸確定每一局部截面圖行計(jì)算填充時(shí)間和有效頂部壓力咨詢數(shù)據(jù)庫計(jì)算阻力截面積圖1 澆注系統(tǒng)流程圖所有鑄件模塊計(jì)算完畢，并且冒口的尺寸經(jīng)過修改三

4、次方程而確定。這種方法的難點(diǎn)就是怎樣進(jìn)行模塊劃分。根據(jù)凝固數(shù)值模擬，動(dòng)態(tài)的隔離熔體的尺寸和體積就能確定，用這種方法，可以不用計(jì)算零件模塊就能確定冒口尺寸。在鑄件凝固過程中，有許多隔離的熔體并且凝固收縮同時(shí)地受到每一區(qū)域的限制。并不是所有的體積收縮都來自頂部單元，在每一個(gè)隔離的熔體局部，補(bǔ)縮總是自上而下的發(fā)生，并且因?yàn)檫@個(gè)原因，每一個(gè)隔離的熔體局部的尺寸和體積才是確定的。在這篇文章中，數(shù)值模擬直接用于計(jì)算鑄件。通過動(dòng)態(tài)熔體確實(shí)定來確定隔離熔體的體積，冒口尺寸才能跟液態(tài)收縮率和標(biāo)準(zhǔn)的冒口數(shù)據(jù)庫一直。澆注系統(tǒng)CAD澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括澆注系統(tǒng)類型，填充阻力面積，每組元面積比，每一截面的圖形和尺寸及澆

5、注系統(tǒng)分布。在這篇文章中，用循環(huán)逼近法設(shè)計(jì)鑄鋼件澆注系統(tǒng)。只要輸入鑄件的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸，許多重要的可變的參數(shù)就能夠迅速得到。這種方法能夠滿足期望的溫度分布。澆注系統(tǒng)流程圖如圖所示。4 實(shí)際中的應(yīng)用實(shí)例用軟件包設(shè)計(jì)的千克的鑄鋼件圖所示。用這個(gè)軟件鑄件工藝技術(shù)設(shè)計(jì)如圖3所示，流程圖如圖4所示。圖 2 鑄件結(jié)構(gòu)圖 圖3 鑄件工藝圖4.1 冒口設(shè)計(jì)計(jì)算冒口尺寸構(gòu)建3D模型計(jì)算澆口尺寸確定補(bǔ)縮體積訪問隔離熔體導(dǎo)入“STL文件否工藝是否適宜鑄造工藝圖及3-D立體模型構(gòu)建導(dǎo)入“STL文件CAE模擬是生成圖4 鑄件工藝設(shè)計(jì)流程圖體積收縮主要分布在四個(gè)輪上模擬結(jié)果如圖5，收縮體積分別是211 216.56 mm

6、3,283 686.19 mm3,37 366.8 mm3和35 704.50 mm3。根據(jù)鑄件的特點(diǎn)，選擇腰圓裝的冒口補(bǔ)縮鑄件。收縮率設(shè)為7%。對兩個(gè)較大收縮的局部的冒口設(shè)計(jì)如圖6a所示。計(jì)算得出冒口直徑為117.7 mm，寬為176.9 mm，高為147.3 mm，冒口體積為3 017 386 mm3及質(zhì)量為20.87kg。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)冒口數(shù)據(jù)庫，冒口標(biāo)準(zhǔn)尺寸選擇如下：直徑是120 mm，寬是180 mm，高是150 mm。對于較小收縮局部，冒口設(shè)計(jì)如圖6b。計(jì)算得出冒口直徑為81.57 mm，寬為122.3 mm，高為101.04 mm，冒口體積為510 064mm3及質(zhì)量為3.78 kg。

7、根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)冒口數(shù)據(jù)庫，冒口尺寸選擇如下：直徑是80 mm,寬是120 mm，高是100 mm。圖5 鑄件收縮體積a-軸向圖；b-主視圖 1-第一個(gè)輪；2-第二個(gè)輪； 3-第三個(gè)輪；4-第四個(gè)輪圖6 腰圓狀冒口設(shè)計(jì)對話框 a-冒口設(shè)計(jì) 1；b-冒口設(shè)計(jì) 24.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)鑄件質(zhì)量是580 kg，鑄件輪廓尺寸是794 mm756 mm756 mm，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：1 形狀圓形，直徑為54 mm，編號(hào)為 1.；2道形狀為梯形，上底寬為95 mm，下底寬為100 mm，及高為70 mm。橫澆道有兩面。3道形狀為矩形，長70 mm，及寬50 mm。有兩個(gè)內(nèi)澆口。4.3 驗(yàn)證設(shè)計(jì)圖7 工藝設(shè)計(jì)后的鑄件

8、收縮體積量a-軸向圖；(b)-主視圖 根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，凝固過程數(shù)值模擬執(zhí)行兩次，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。收縮量從鑄件的頂部轉(zhuǎn)移到冒口的內(nèi)部。在鑄件內(nèi)部沒有大的縮松，因此這種技術(shù)是合理的。四川Yingi公司成功生產(chǎn)了此鑄件。5 結(jié)論1） 隔離熔體的尺寸和位置的計(jì)算需要運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)，獲得收縮體積，從而快速地確定冒口尺寸。2） 這個(gè)鑄造CAD軟件包能夠成功地確定實(shí)際鑄件的冒口和橫澆道。3） 這個(gè)鑄造軟件快速開展了鑄造技術(shù)。參考文獻(xiàn)：1 Foseco T MSolidifying castings future：process simulation software roundupJ-Modern

9、Casting，2002，92(8)：32352 Ryan PMcdermott soft solutionsJFoundry Management&Technology,1999，127(9)：28403 Adams Areview iron gating design，filter use to optimize benefitsJModern Casting，2001，91(3)：34364 SONG Yong-heng，JING TaoStudy on 3D CADCAE system of casting technology&tooling equipmentJ1Modern Ma

10、nufacture Engine，2002，(6)：1416(in Chinese)5 Midea T C，Schmidt DCasting simulation softwaresurveyJModern Casting，1999，89(5)：45516 Estrin LA deeper look at casting solidification softwareJModern Casting，1994，84(7)：20247 Kurz W，F(xiàn)isher D JFundamentals of SolidificationMUetikon-Zuerich：Hobbs Printer Ltd，

11、19988 HOU Hua，CHENG Jun，XU HongThe computer ailed design of the casting technologyJMachinistMetal Forming，1999，20(7)：4043(in Chinese)9 HU Hong-junThe development of the casting technology CAD software packageJCasting Equipment&Research，2003，(2)：1618(in Chinese)10 xIAo Rong-cun，CHEN Liliang，LIU Ruixi

12、angDevelopment of practical riser design CAD modulefor castingJSpecial Casting 8L Nonferrous Alloys，2000，(1)：4244(in Chinese)11 ZHoU Dan-chen，JIANG Yuming，YANG YiDevelopment of casting riser and runing system CAD based on ansysJFoundry，2001，50(4)：211214(in Chinese)12 HoU Hua，DONG Xiao-bin，LIANG Min-jie，et a1The development of casting riser and running system CAD software packageAPAN Yun-he，LIN ZongkaiProceeding of 5th International Conference on Compurer Aided Industfial Design and Con