CADCAECAM在铸造生产中的应用

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1、第 三 章!#$!%$!&在铸 造 工 程 中 的 应 用计 算 机 技 术 的 飞 速 发 展 ， 已 使 计 算 机 成 为 自 电 力 发 明 以 来 最 具 生 产 潜 力 的 工 具 。数 字 化 时 代 正 一 步 步 向 我 们 走 来 。 计 算 机 辅 助 设 计 （ !#） 、 计 算 机 辅 助 工 程 分 析（ !%） 、 计 算 机 辅 助 制 造 （ !&） 等 技 术 在 铸 造 领 域 得 到 了 广 泛 的 应 用 ， 并 已 成 为 铸 造学 科 的 技 术 前 沿 和 最 为 活 跃 的 研 究 领 域 。 只 要 将 铸 件 图 样 、 铸 型 材 料

2、、 铸 造 合 金 热 物性 参 数 、 凝 固 特 性 及 数 学 模 型 等 输 入 计 算 机 ， 即 可 计 算 出 合 理 的 浇 冒 口 系 统 。 运 用 相应 的 数 值 模 拟 技 术 可 对 设 计 的 工 艺 进 行 屏 幕 试 浇 ， 模 拟 铸 件 凝 固 过 程 ， 预 测 凝 固 缺陷 、 微 观 组 织 、 残 余 应 力 ； 再 利 用 先 进 的 图 像 显 示 技 术 对 屏 幕 试 浇 结 果 作 逼 真 的 三 维图 像 显 示 ， 对 缺 陷 位 置 、 程 度 进 行 全 面 的 评 估 ， 从 而 提 出 工 艺 改 进 措 施 ， 进 行 新

3、一 轮 工艺 设 计 优 化 、 屏 幕 试 浇 、 工 艺 校 核 。 随 着 这 一 技 术 的 逐 渐 成 熟 和 实 用 化 ， 其 应 用 已 不仅 仅 局 限 于 对 成 形 铸 件 进 行 工 艺 分 析 和 评 判 ， 研 究 人 员 已 将 其 作 为 实 现 并 行 工 程 环境 下 产 品 的 虚 拟 制 造 的 一 个 关 键 技 术 ， 同 计 算 机 辅 助 产 品 设 计 、 计 算 机 辅 助 加 工 工 艺规 划 、 计 算 机 辅 助 制 造 集 成 在 一 起 ， 以 达 到 从 全 局 出 发 ， 优 化 产 品 设 计 、 提 高 产 品 质量 、 缩

4、 短 制 造 周 期 的 目 的 。 即 产 品 设 计 不 仅 考 虑 产 品 的 功 能 ， 同 时 考 虑 产 品 的 可 制 造性 。众 所 周 知 ， 铸 造 工 艺 是 非 常 复 杂 的 ， 并 具 有 显 著 的 与 生 产 实 际 经 验 紧 密 结 合 的 特点 。 同 时 ， 人 们 也 最 先 开 始 研 究 计 算 机 辅 助 设 计 技 术 在 这 一 领 域 的 应 用 。 多 年 的 研究 和 开 发 应 用 经 验 表 明 ， 铸 造 工 艺 !# 软 件 必 须 在 通 用 工 艺 参 数 设 计 的 基 础 上 ， 结合 企 业 的 具 体 情 况 开 发

5、 应 用 才 能 收 到 好 的 效 果 。 本 章 首 先 以 铸 钢 件 铸 造 工 艺 设 计 问题 为 例 ， 介 绍 如 何 把 传 统 的 工 艺 设 计 问 题 转 化 为 计 算 机 辅 助 设 计 。 在 铸 造 工 装 设 计方 面 ， 以 介 绍 现 代 模 具 设 计 制 造 技 术 为 重 点 。 最 后 ， 介 绍 并 行 工 程 的 基 本 技 术 及 其 在铸 造 工 程 中 的 应 用 。()第 三 章 !#$!%$!& 在 铸 造 工 程 中 的 应 用第 一 节 铸 钢 件 铸 造 工 艺!#原 理随 着 三 维 造 型 理 论 和 实 用 化 技 术 的

6、 日 趋 成 熟 ， 三 维 铸 造 工 艺 !# 系 统 必 将 成 为铸 造 工 艺 !# 系 统 的 主 流 。 基 于 三 维 的 铸 造 工 艺 !# 系 统 具 有 许 多 二 维 系 统 无 法比 拟 的 优 越 性 ， 如 几 何 信 息 的 完 整 ， 易 于 与 铸 造 工 艺 !$ 系 统 、 铸 造 工 装 !#%!& 系统 衔 接 ， 可 实 现 数 据 共 享 ， 设 计 结 果 直 观 ， 可 方 便 地 生 成 二 维 工 程 图 样 等 。 由 于 实 际铸 造 生 产 的 复 杂 情 况 ， 铸 造 工 艺 设 计 的 内 容 因 各 种 实 际 工 艺 条

7、 件 而 有 区 别 。 在 此 以铸 钢 件 铸 造 工 艺 为 例 ， 介 绍 工 艺 设 计 的 主 要 内 容 。一 、 铸 钢 件 冒 口 设 计以 浇 冒 口 系 统 设 计 为 主 的 铸 造 工 艺 !# 是 铸 造 领 域 应 用 计 算 机 技 术 的 重 要 方面 之 一 。 铸 件 浇 冒 口 系 统 计 算 机 辅 助 设 计 的 研 究 近 年 来 得 到 了 普 遍 重 视 。 用 计 算 机设 计 冒 口 系 统 有 如 下 优 点 ：（ ） 计 算 准 确 、 迅 速 ， 消 除 了 人 为 的 计 算 误 差 。（ (） 可 同 时 按 几 个 不 同 的

8、工 艺 方 案 试 算 ， 从 而 找 出 较 好 的 方 案 。（ )） 不 要 求 使 用 者 在 铸 造 工 艺 设 计 方 面 有 丰 富 的 经 验 ， 即 使 个 工 作 时 间 不 长 的人 也 能 运 用 自 如 。（ *） 能 够 打 印 及 存 储 设 计 结 果（ 一 ） 铸 钢 件 冒 口 设 计 的 基 本 原 理冒 口 系 统 设 计 的 目 的 ， 是 补 偿 铸 件 在 凝 固 过 程 中 的 体 积 变 化 ， 是 消 除 缩 孔 、 缩 松等 收 缩 缺 陷 ， 从 而 获 得 组 织 致 密 的 优 质 铸 件 。 影 响 收 缩 缺 陷 产 生 的 因

9、素 主 要 是 铸 造合 金 凝 固 和 冷 却 过 程 中 的 体 积 变 化 特 性 及 合 金 的 凝 固 方 式 。 铸 钢 从 液 态 转 变 为 固态 ， 体 积 要 显 著 地 缩 小 ， 即 有 很 大 的 体 收 缩 。 因 体 积 的 缩 小 而 得 不 到 钢 液 的 补 缩 时 ，则 凝 固 后 在 铸 件 内 部 那 些 模 数 较 大 的 部 位 会 产 生 缩 孔 或 缩 松 。 为 了 获 得 致 密 的 铸件 ， 基 本 的 条 件 是 定 向 凝 固 。 这 就 必 须 在 补 缩 通 道 上 设 置 模 数 比 补 缩 通 道 的 模 数 大和 储 有 足

10、 够 多 的 钢 液 的 冒 口 ， 使 铸 件 在 凝 固 过 程 中 ， 能 不 断 地 从 冒 口 获 得 钢 液 进 行 补缩 ， 以 消 除 铸 件 的 缩 孔 和 缩 松 ， 使 缩 孔 移 入 冒 口 之 中 。冒 口 是 消 除 缩 孔 等 缺 陷 而 获 得 致 密 铸 件 的 基 本 措 施 。 冒 口 !# 的 主 要 内 容 是采 用 计 算 机 完 成 冒 口 形 状 、 位 置 、 数 量 及 尺 寸 的 确 定 及 计 算 。 冒 口 形 状 及 位 置 可 根 据凝 固 过 程 数 值 模 拟 或 几 何 模 拟 结 果 来 确 定 ， 也 可 以 采 用 人

11、机 对 话 方 式 ， 由 操 作 者 来 确定 。 冒 口 尺 寸 的 计 算 方 法 较 多 ， 传 统 的 有 模 数 法 、 比 例 法 、 补 缩 液 量 法 、 三 次 方 程 法 、点 模 数 法 、 点 热 阻 法 及 模 数 梯 度 法 等 等 。(+,第 二 篇 铸 造 工 艺 技 术 设 计从 得 到 优 良 铸 钢 件 和 降 低 非 生 产 性 消 耗 两 方 面 看 ， 铸 钢 件 冒 口 设 计 极 为 重 要 。它 在 工 艺 方 案 制 订 中 起 主 导 作 用 。 冒 口 设 计 主 要 应 正 确 解 决 以 下 三 个 问 题 ：（ !） 在 铸 钢

12、件 上 正 确 地 布 置 冒 口 ， 并 使 冒 口 同 浇 注 系 统 、 内 外 冷 铁 等 工 艺 措 施 相互 配 合 ， 实 现 正 确 地 控 制 铸 钢 件 凝 固 。 根 据 铸 件 几 何 形 状 及 截 面 大 小 ， 冒 口 补 缩 只 限于 在 一 定 距 离 之 内 有 效 ， 所 以 相 邻 两 个 冒 口 间 的 距 离 必 须 合 适 ， 才 能 保 证 铸 件 补 缩 良好 。 如 果 两 个 相 邻 冒 口 距 离 超 过 能 补 缩 的 距 离 ， 铸 件 内 部 必 将 产 生 缩 孔 或 中 心 缩 松 。（ ） 正 确 地 确 定 冒 口 的 种

13、类 、 形 状 和 尺 寸 。 冒 口 要 有 恰 当 的 直 径 （ 腰 形 冒 口 指 宽度 ） 及 容 积 ， 才 能 较 铸 件 晚 凝 固 以 及 满 足 补 缩 铸 件 凝 固 的 需 要 。 如 果 胃 口 不 够 大 ， 冒口 根 部 的 铸 件 便 会 产 生 缩 孔 、 缩 松 。 在 保 证 铸 钢 件 补 缩 良 好 的 基 础 上 ， 冒 口 尺 寸 要小 ， 数 量 要 少 ， 以 降 低 非 生 产 性 消 耗 。（ #） 提 高 冒 口 的 补 缩 效 率 并 使 冒 口 便 于 去 除 ， 以 利 于 铸 钢 件 清 理 操 作 。冒 口 在 铸 钢 件 上

14、的 布 置 就 是 决 定 在 铸 钢 件 哪 些 部 位 上 安 放 冒 口 。 冒 口 在 铸 钢 件上 的 位 置 正 确 与 否 对 获 得 良 好 铸 钢 件 和 提 高 工 艺 出 品 率 有 重 要 意 义 。 冒 口 位 置 不 正确 ， 即 使 用 大 量 冒 口 补 缩 ， 也 不 能 获 得 补 缩 良 好 的 致 密 铸 件 。（ 二 ） 铸 钢 件 冒 口 设 计 的 数 学 模 型冒 口 布 置 确 定 以 后 ， 下 一 步 就 是 进 行 冒 口 本 身 的 设 计 。 冒 口 设 计 的 主 要 内 容 是正 确 地 选 择 冒 口 种 类 、 冒 口 形 状

15、 ， 正 确 地 确 定 冒 口 尺 寸 ， 确 定 冒 口 的 数 量 及 校 核 冒 口的 补 缩 能 力 等 。为 了 得 到 致 密 健 全 的 铸 件 ， 冒 口 必 须 充 分 补 缩 铸 件 ， 为 此 必 须 满 足 以 下 三 个 条件 ：（ !） 存 在 补 缩 通 道 。（ ） 冒 口 的 凝 固 时 间 不 小 于 铸 件 的 凝 固 时 间 。（ #） 具 有 足 够 的 补 缩 液 量 。其 中 ， 条 件 （ !） 通 过 工 艺 措 施 ， 如 采 用 冷 铁 或 补 贴 等 可 得 到 满 足 ， 而 条 件 （ ） 、（ #）正 是 建 立 冒 口 方 程

16、的 基 础 。下 面 介 绍 三 次 方 程 法 冒 口 设 计 的 基 本 原 理 。由 $%&()*& 等 人 总 结 的 平 方 根 定 律 ， 铸 件 和 冒 口 的 凝 固 时 间 分 别 为!+, +#+-!#+$( )+（ . # . !）!(, (#(.!#+$( )(（ . # . ）式 中 ， !+、 !(分 别 为 铸 件 和 冒 口 凝 固 时 间 ； +、 (分 别 为 铸 件 和 冒 口 凝 固 系 数 ；#+、 #(分 别 为 铸 件 和 冒 口 的 体 积 ； $+、 $(分 别 为 铸 件 和 冒 口 的 表 面 积 ；!为 合 金 凝 固收 缩 率 。#/0第 三 章 $123$143$15 在 铸 造 工 程 中 的 应 用根 据 补 缩 条 件 ， 冒 口 的 凝 固 时 间 应 大 于 铸 件 的 凝 固 时 间 ， 即!#!$（ #% & % &）把 式 （ # % & % ） 、 式 （ # % & % #） 代