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大型铸钢件铸造工艺CAD系统开发和应用
发表时间：-10-8 朱炳文 廖敦明 陈立亮 林平 粱向方 起源：e-works
关键字：参数化设计 铸造工艺 CAD系统 大型铸钢件
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基于AutoCAD平台，以ObjectARX和VC++．NET为开发工具，结合ODBC技术，并利用参数化设计方法开发适适用于大型铸钢件铸造工艺CAD系统。系统功效关键包含冒口系统设计、浇注系统设计、冷铁系统设计、砂芯系统设计及铸造工艺参数设计，并依据工厂实际生产情况设计对应辅助功效系统。
    大型铸钢件广泛用于电站、石油化工、冶金、船舶等装备，如核电设备中不锈钢主泵泵体、汽轮机缸体，水电机组转轮、叶片、上冠、下环，火电机组中汽缸体，大型冶金设备中轧机机架、轧辊、大型轴承座等。这些大型铸钢件制造直接关系到国家关键工程项目标质量、安全及进度，对于国计民生含相关键意义。
    本文以AutoCAD为平台，VC++．NET为开发环境，结合AUTODESK企业推出Object—ARX二次开发工具，依据中国第二重型机械集团铸造分厂大型铸钢件铸造工艺要求，采取参数化设计方法，进行针对大型铸钢件铸造工艺CAD系统开发。此工艺CAD系统在实际利用中，改变了
    人工纸板绘制工艺和手工查阅铸造手册情况，加紧了新产品开发速度，提升了其市场竞争力。工艺人员经过计算机辅助设计绘图，并利用此工艺CAD系统进行铸造工艺设计，减轻了劳动强度，提升了工艺设计效率。
1 大型铸钢件铸造工艺CAD系统设计
    大型铸钢件铸造工艺CAD系统是一个基于AutoCAD二次开发系统，对大型铸钢件铸造工艺CAD系统应施行模块化设计。首先，要计划好系统结构。本文把铸造工艺CAD系统大致上分为六大模块：浇注系统、冒口系统、冷铁系统、砂芯系统、辅助系统、工艺参数系统。整个系统结构图1。每个系统模块完成所对应大型铸钢件铸造工艺过程，整个铸造工艺CAD系统涵盖大型铸钢件铸造工艺设计全部步骤。

图1 铸造工艺CAD系统结构图
Fig.l  Structure sketch of casting process CAD system
2 开发工具和开发环境
    一个CAD系统所支持多种程序设计语言统称语言开发环境。语言开发环境是CAD系统开放式结构一个关键组成部分，它能够将高级语言运算、判定及字符处理功效和CAD系统图形处理功效有机地结合起来，从而为CAD系统二次开发提供强大工具。
    基于AutoCAD平台，以ObjectARX为开发工具，开发环境为VC ++. NET。Object-ARX最大特点是引入了面向对象编程思想，提供了大量类库，而且ObjectARX生成是动态链接库，共享程序地址空间，相比之前经过IPC(进程间通信)进行交互， Obj ectARX开发系统效率更高，有愈加好控制能力。ObjectARX支持和Microsoft基础类库(MFC)混合编程，使得开发者能够创建基于MFC用户界面，其外观和内建和AutoCAD用户界面完全相同，和其它应用程序如ADS和Lisp相比，ObjectARX充足利用了Windows现有资源，能够方便、高效和可靠地设计出含有经典Windows风格AutoCAD应用程序。
3 系统开发和实现
    大型铸钢件铸造工艺CAD系统二次开发过程中，冒口系统、冷铁系统、砂芯系统及辅助系统中吊把和铁芯头、铁芯座、全部采取参数化设计方法进行设计。参数化设计方法就是指在保持图形结构拓扑关系不变情况下，经过设置对应参数来控制图形几何尺寸大小，部分参数值改变能够造成设计图形自动修改。这种设计方法显著地改善了图形设计重构能力和设计柔性。
    3.1 大型铸钢件窗口系统设计

    一般铸钢件冒口尺寸设计通常采取一般模数法计算，取冒口模数Mr=(1.1～1.2)Mc(铸件模数)，并由补缩效率η=14%～20%来验证。为了确保大型铸钢件质量，Mr往往要取上限，但这么可能会造成相当大浪费。故在二次开发中对于大型铸钢件采取动态模数法：在冒口一铸件凝固体系中，冒口不停地向铸件补缩，使得Mr和Mc处于动态改变状态。当铸件凝固结束时，铸件实际体积增加到Vc+εVc,冒口残余体积降低到Vc-εVc。所以，这时它们确实切模数分别为：

    从理论上讲，当初，冒口和铸件凝固时间相等，而在凝固结束以前Mr均大于Mc，铸件可得到充足补缩。按此标准制订冒口尺寸是最经济、合理。
    大型铸钢件多为单批或小批生产，且制作冒口需花费大量木材和工时。所以二重铸造厂将冒口尺寸进行标准化和系列化，这么就能够充足发挥冒口模型使用价值，节省大量人力，物力。在用铸造工艺CAD系统绘制冒口时，我们依据大型铸钢件结构和工艺步骤，确定冒口尺寸和类型，点击所需类型冒口图标，以圆形明冒口为例，在编辑框中输入冒口尺寸参数、视图类型及冒口线型，并依据需要计算出冒口重量和冒口模数。参数设置完成后，点击“开始绘制冒口”按钮，进入冒口绘制阶段，此时，工艺人员用鼠标选择冒口放置平面及方向，系统自动生成冒口3种视图，并自动标注尺寸。圆形明冒口设计界面图2所表示。

图2 圆形明冒口设计界面
Fig.2  Interface of round-external riser system design
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3.2 大型铸钢件浇注系统设计

    大型铸钢件几乎全部是采取漏包浇注，设计步骤为：首先计算浇注时间和平均压力头，并利用流体力学公式计算阻流截面积，然后选择截面比计算各单元截面积，并结合浇道结构和截面参数设计各个浇道。
    依据二重铸造厂大型铸钢件铸造工艺要求，浇注系统分为3部分：单层浇注系统、多层浇注系统和冒口补浇多向浇注系统，其中每个部分又分为俯视和侧视两种视图方法。以单层浇注系统为例，首先计算出直浇道、横浇道和内浇道截面尺寸和道数，然后在绘制俯视图时，鼠标点击各浇道放置位置，程序自动生成各个浇道并进行标注。绘制侧视图时，在编辑框中输人浇道尺寸参数，点击“开始绘制”按钮，自动生成侧视图，再用鼠标点击确定放置位置。浇注系统单层侧视图设计界面如3所表示。

图3 浇注系统单层侧视图设计界面
Fig. 3 Interface of single-stratum  gating system design
    3.3 大型铸钢件冷铁系统设计
    大型铸钢件壁厚较大，凝固时液态收缩和凝固收缩值也较大，单靠冒口往往不能充足补缩铸件，所以普遍使用冷铁。冷铁按在铸型中所处位置可分为内外两种：外冷铁设置在砂型表面；内冷铁设置在相当铸件热节部位型腔之中。在实际冷铁设计中，应依据生产设计经验调整冷铁尺寸参数和部署方法，以更有效地满足工艺要求。
    依据二重铸造厂大型铸钢件铸造工艺要求，将冷铁系统分为规则外冷铁、不规则外冷铁和内冷铁3种。以规则外冷铁为例，先依据激冷区铸钢件结构，计算出所需外冷铁尺寸、块数和摆放位置，然后再在对话框中设置外冷铁尺寸参数、块数、线型和绘制方法。点击“开始绘制”按钮，用鼠标选择放置外冷铁矩形区域，系统自动按要求完成外冷铁绘制并自动标注。规则外冷铁设计界面图4所表示。

图4 规则外冷铁设计界面
Fig.4  Interface of regular surface chilled iron design
    3.4 大型铸钢件其它s艺CAD系统设计

    其它部分常见铸造工艺，如绘制分型线、分模线和分型负数等功效全部包含在铸造工艺CAD系统中，工艺人员能够很方便地利用鼠标来指定位置，系统自动生成对应工艺符号和参数。在工艺卡绘制中，系统采取ODBC(开放数据库互连)技术，将工艺卡中信息储存在数据库中，工艺人员依据不一样铸钢件工艺要求，方便地改写工艺卡，自由拖动技术能使工艺员拖动工艺卡放置在任何适宜位置上，工艺卡设计界面图5所表示。以上功效具体实现，限于篇幅，本文不再详述。

图5 工艺卡设计界面
Fig.5 Interface of process card design
4 应用实例

    以二重铸造厂设计上支撑轴承座为例。该铸钢件最大外轮廓尺寸为1 266 mm X 610 mm X 1 172 mm，重3 252 kg，属于中等复杂程度较大型铸钢件，且其铸造工艺较经典。设计步骤以下。
    依据铸钢件结构特点和技术要求，确定浇注位置，利用浇注系统设计模块，计算出直浇道、横浇道和内浇道直径，在主视图和侧视图上完成浇道绘制。在轴承座长边侧面进行分型，绘制分型线并标出上下型。
    经过特殊加工量和分型负数模块，确定工艺参数值，在铸件图上选择绘制位置，完成绘制，并将需铸死位置绘制铸死符号。依据轴承座中空位置尺寸大小确定砂芯尺寸和间隙，并绘制砂芯引气和砂芯固定符号。依据铸钢件热节大小和位置及最终凝固部位体积和表面积，计算出铸钢件模数，由此确定冒口模数，然后依据铸造工艺要求选择圆形保温明冒口，选择冒口放置位置并完成绘制。在轴承座外壁较厚部位上放置外冷铁，然后将绘制好铸造工艺图和工艺卡打印输出。工艺设计最终止果图6所表示。

图6 上支撑轴承座铸造工艺图
Fig.6 Casting process diagram of up-support bearing housing
5 结论

    以AutoCAD为平台，VC++.NET和Object为二次开发工具，针对大型铸钢件铸造工艺要求开发了铸造工艺CAD系统。此系统功效包含了大型铸钢件铸造工艺设计全部步骤，并以工厂实际需要建立了冒口、铁芯头铁芯座和工艺卡等数据库。经过尺寸驱动方法，工艺人员经过简单操作可快速正确地进行铸造工艺设计，减轻了其工作强度，提升了工作效率。
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