智能化的铸造技术CAD软件包的开发

智能化的铸造技术CAD软件包的开发

侯华1 ， 2 ，徐宏1

（１、材料科学与工程系，中北大学，太原030051，中国；

2、科学与技术系，中国兵器工业集团公司，北京 100083，中国）

①

摘要：开发一个基于凝固数值模拟的铸造技术CAD软件包 ，用于智能化设计冒口系统。这个软件能够计算尺寸和指出隔离的熔体的位置。根据每一隔离的熔体的液态收缩量和数据库里的标准冒口参数，只要冒口的形状选择好，冒口的位置和尺寸就能够智能化确定后。3-D软件和铸造模拟分析软件/CAE软件表明冒口和浇注系统的设计是可行的。

关键字：CAD；铸造技术；隔离的熔体；冒口系统；浇注系统；数据库

1 简介

随着电脑科技的发展，计算机辅助设计（ＣＡＤ）和计算机辅助工程（Ｃ

ＡＥ）技术已经在铸造工艺［１－５］中得到应用。近些年来，许多实用的铸造ＣＡＤ软件有所发展

［６－７］

，如美国铸协（ＡＦＳ）软件，它可以用于设计铸钢和铸

铁的冒口和浇注系统。英国ＦＯＳＥＣＯ公司开发的ＦＥＥＤＥＲＣＡＬＣ软件能够计算浇冒口系统的尺寸、补缩距离及选择冒口套等。清华大学研制的ＦＴＣＡＳＴ软件适于计算球墨铸铁浇冒口系统。所有这些软件的设计都是通过将铸件离散化和计算热节模块来得到冒口尺寸［８－１１］。因为离散来计算模块是一个非常专业的技术，因此很难离散复杂的铸件，但是恰当的离散决定计算的精度，这样就的铸造ＣＡＤ的应用和普及。今天，找一个确定冒口尺寸的快速方法就成了一个热门的领域。在这篇文章里，一种结合数据库的二次－数值模拟技术用于确定冒口的尺寸，并且采用伯努利方程和流体公式设计浇注系统，最后，ＣＡＥ技术用于检验铸造设计［１２，１３］。

一个完整的铸造ＣＡＤ应该包括冒口系统设计，浇注系统设计，技术图和技术卡［１２，１３］。在这片论文中，主要的集中讨论怎样实现智能化铸造技术。

２ 冒口CAD

大体上，主要的冒口设计就是计算铸件模块。但是对于一个复杂的铸件，第一步就是将其划分成几个部分，然后分别计算每一个部分的体积和表面积。这样

计算每一部分截面积 确定阻力截面积 计算阻力截面积 咨询数据库 计算填充时间和有效顶部压力 选择浇注系统类型 确定截面积比例 浇注系统临界数据库

咨询临界数据库，确定每一部分界面尺寸 确定每一部分截面图行

浇注系统的3-D立体结构 确定浇注系统的布置 图1 浇注系统流程图

所有铸件模块计算完毕，并且冒口的尺寸经过修改三次方程而确定。这种方法的难点就是怎样进行模块划分。根据凝固数值模拟，动态的隔离熔体的尺寸和体积就能确定，用这种方法，可以不用计算零件模块就能确定冒口尺寸。在铸件

凝固过程中，有许多隔离的熔体并且凝固收缩同时地受到每一区域的。并不是所有的体积收缩都来自顶部单元，在每一个隔离的熔体部分，补缩总是自上而下的发生，并且因为这个原因，每一个隔离的熔体部分的尺寸和体积才是确定的。

在这篇文章中，数值模拟直接用于计算铸件。通过动态熔体的确定来确定隔离熔体的体积，冒口尺寸才能跟液态收缩率和标准的冒口数据库一直。

３ 浇注系统CAD

浇注系统设计主要包括浇注系统类型，填充阻力面积，每组元面积比，每一截面的图形和尺寸及浇注系统分布。在这篇文章中，用循环逼近法设计铸钢件浇注系统。只要输入铸件的质量和结构尺寸，许多重要的可变的参数就能够迅速得到。这种方法能够满足期望的温度分布。浇注系统流程图如图１所示。

4 实际中的应用实例

用ＣＡＤ软件包设计的５８０千克的铸钢件（图２所示）。用这个软件铸件工艺技术设计如图3所示，流程图如图4所示。

图 2 铸件结构图

图3 铸件工艺图

4.1 冒口设计 生成 工艺是否合适 CAE模拟 导入“STL”文件 铸造工艺图及3-D立体模型构建 构建3D模型 导入“STL”文件 访问隔离熔确定补缩体积 计算冒口尺否 计算浇口尺寸 是 图4 铸件工艺设计流程图

体积收缩主要分布在四个轮上（模拟结果如图5），收缩体积分别是211 216.56 mm3,283 686.19 mm3,37 366.8 mm3和35 704.50 mm3。根据铸件的特点，选择腰圆装的冒口补缩铸件。收缩率设为7%。对两个较大收缩的部分的冒口设

计如图6（a）所示。计算得出冒口直径为117.7 mm，宽为176.9 mm，高为147.3 mm，冒口体积为3 017 386 mm3及质量为20.87kg。根据标准冒口数据库，冒口标准尺寸选择如下：直径是120 mm，宽是180 mm，高是150 mm。对于较小收缩部分，冒口设计如图6（b）。计算得出冒口直径为81.57 mm，宽为122.3 mm，高为101.04 mm，冒口体积为510 0mm3及质量为3.78 kg。根据标准冒口数据库，冒口尺寸选择如下：直径是80 mm,宽是120 mm，高是100 mm。

图5 铸件收缩体积

（a）-轴向图；（b）-主视图

1-第一个轮；2-第二个轮； 3-第三个轮；4-第四个轮

图6 腰圆状冒口设计对话框

（a）-冒口设计 1；（b）-冒口设计 2

4.2 浇注系统设计

铸件质量是580 kg，铸件轮廓尺寸是794 mm×756 mm×756 mm，浇注系统设计如下：

1） 形状圆形，直径为 mm，编号为 1.；

2）道形状为梯形，上底宽为95 mm，下底宽为100 mm，及高为70 mm。横浇道有两面。

3）道形状为矩形，长70 mm，及宽50 mm。有两个内浇口。

4.3 验证设计

图7 工艺设计后的铸件收缩体积量

（a）-轴向图；(b)-主视图

根据设计技术要求，凝固过程数值模拟执行两次，计算结果如图7所示。收缩量从铸件的顶部转移到冒口的内部。在铸件内部没有大的缩松，因此这种技术是合理的。四川Yingi公司成功生产了此铸件。

5 结论

1） 隔离熔体的尺寸和位置的计算需要运用数值模拟技术，获得收缩体积，从而快速地确定冒口尺寸。

2） 这个铸造CAD软件包能够成功地确定实际铸件的冒口和横浇道。 3） 这个铸造软件快速发展了铸造技术。

参考文献：

[1] Foseco T M．Solidifying casting’s future：process simulation software roundup[J-]．Modern

Casting，2002，92(8)：32—35．

[2] Ryan P．Mcdermott soft solutions[J]．Foundry Management&Technology,1999，127(9)：28

—40．

[3] Adams A．review iron gating design，filter use to optimize benefits[J]．Modern Casting，2001，

91(3)：34—36．

[4] SONG Yong-heng，JING Tao．Study on 3D CAD／CAE system of casting technology&tooling

equipment[J1．Modern Manufacture Engine，2002，(6)：14—16．(in Chinese)

[5] Midea T C，Schmidt D．Casting simulation softwaresurvey[J]．Modern Casting，1999，(5)：

45—51．

[6] Estrin L．A deeper look at casting solidification software[J]．Modern Casting，1994，84(7)：

20—24．

[7] Kurz W，Fisher D J．Fundamentals of Solidification[M]．Uetikon-Zuerich：Hobbs Printer Ltd，

1998．

[8] HOU Hua，CHENG Jun，XU Hong．The computer ailed design of the casting

technology[J]．MachinistMetal Forming，1999，20(7)：40—43．(in Chinese)

[9] HU Hong-jun．The development of the casting technology CAD software package[J]．Casting

Equipment&Research，2003，(2)：16—18．(in Chinese)

[10] xIAo Rong-cun，CHEN Li—liang，LIU Rui—xiang．Development of practical riser design CAD

modulefor casting[J]．Special Casting 8L Nonferrous Alloys，2000，(1)：42—44．(in Chinese) [11] ZHoU Dan-chen，JIANG Yu—ming，YANG Yi．Development of casting riser and runing

system CAD based on ansys[J]．Foundry，2001，50(4)：211—214．(in Chinese) [12] HoU Hua，DONG Xiao-bin，LIANG Min-jie，et a1．The development of casting riser and

running system CAD software package[A]．PAN Yun-he，LIN Zongkai．Proceeding of 5th International Conference on Compurer Aided Industfial Design and Conceptual Design[c]．Beijing：China Machine Press，2003．118—124．

[13] HOU Hua，XU Hong，CHENG Jun．Research of CAD／CAE application in foundry

technology[J]．Foundry，2003，52(11)：1087—1090．(in Chinese)

(Edited by YANG You-ping)