工艺技术_大型铸钢件铸造工艺cad系统的研究与开发

华中科技大学 硕士学位论文 大型铸钢件铸造工艺CAD系统的研究与开发 姓名：朱炳文 申请学位级别：硕士 专业：数字化材料成形 指导教师：廖敦明 2011-01-12 I 摘要摘要 目前，通用的 CAD 系统已普遍应用于机械、建筑、电气等与设计相关的行业， 但是，通用的 CAD 系统并不能完全满足各行业不同的设计要求。在铸造行业中，各 个企业工艺设计的标准、规范和使用的标准件库都各不相同，没有通行的标准，于 是就需要针对铸造行业的工艺设计特点进行 CAD 系统的二次开发。 二重铸造厂生产的主要产品是大型铸钢件，而大型铸钢件的铸造工艺设计是一 个复杂和繁重的过程，大量的图形绘制和频繁的手工查表会花费工艺设计人员很多 的精力，为减轻设计人员的劳动强度，提高企业新产品的研发和设计效率，二重铸 造厂和华铸软件中心合作开发了一套适用于大型铸钢件铸造工艺设计的 CAD 系统。 根据二重铸造厂所使用的 CAD 平台，结合当前流行的开发环境，工艺 CAD 系 统选择 AutoCAD2006 作为支撑平台，在 VS2002.NET 环境中，利用 ObjectARX2006 二次开发工具，依据大型铸钢件的工艺设计规则，并在充分调研生产实际的基础上， 进行系统的研究与开发工作。 工艺 CAD 系统的总体功能包括： 铸造工艺参数的查询、 设计与绘制，分型面和分模面的绘制、单层和多层浇道的绘制，砂芯芯头和钢管芯 的设计，圆形、腰圆形和球形冒口的查询与设计，工艺辅助系统中吊把、工艺卡和 和本体试料的绘制以及图纸管理功能的实现。整个系统涵盖了铸造工艺设计的完整 流程。 工艺 CAD 系统已在二重铸造厂中得到应用，根据实际运用的情况说明工艺 CAD 系统能够简化和加快铸钢工艺的设计与绘制，减轻设计人员的工作量，提高设计效率。 关键词关键词：大型铸钢件，铸造工艺 CAD，二次开发，ObjectARX II Abstract Currently, the general CAD system has been widely used in machinery, architecture, electronics and other related industries, but the general CAD system can not fully meet the requirements of different industries. In the foundry industry, different companies have different process design standards, specifications and standard parts libraries, there are no accepted standards for the whole industry, so it is need to use secondary-development technology to develop the cast process design CAD system on general CAD platform for foundry industry. Erzhong foundrys main products are large steel castings, the process design for large steel casting is complex and arduous, technologists need to use a lot of energy to draw and look up tables. In order to reduce the labor intensity and improve the efficiency of new product development, erzhong foundry and huazhu software center have developed a casting process CAD system for large steel castings. According to the CAD platform used in erzhong foundry and comparing with the popular development environment, the large steel casting process CAD system has been developed on AutoCAD2006 platform in the use of ObjectARX2006 secondary development tool with VS2002.NET environment, based on casting process design rules and actual production. The casting process CAD system consists of riser system design, gating system design, chill system design, sand core system design and common casting process parameter system design, an auxiliary system for actual production is also included. The entire process CAD system covers the complete casting process design. The casting process CAD system has been applied in actual production in erzhong foundry, according to the usage situation the process CAD system can simplify and speed up the process design, reduce the workload. Key words: large steel castings, casting process CAD, secondary development, ObjectARX 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本 论 文 属 1 1 绪论绪论 1.1 课题的来源与意义课题的来源与意义 铸造工业作为一个传统行业已有数千年的历史，是国民经济中最重要的基础工 业之一，每年生产的大量铸件支持着机械工业的快速发展。随着科学技术的进步， 铸造工业也发生了显著的变化，铸造所用的材料的范围越来越广泛，从最初的青铜 器、铸铁件到现在的铸钢件、钛合金铸件等；铸造工艺方法越来越多样，有熔模铸 造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造和离心铸造等；铸造工艺绘制方式越来越智 能，从最初的纸板绘图、人工计算到现在的计算机辅助工艺设计，大大减轻了铸造 工艺人员的劳动负担，提高了工作效率。 自从以蒸汽机为代表的第一次工业革命以来，社会发展速度更加迅猛，技术创 新更加频繁，现代企业面临的竞争也更加剧烈。德阳二重集团是中国最大的重型机 械制造企业之一，二重铸造厂为使自己能在激烈竞争中始终处于领先位置，根据本 厂的铸造工艺设计需要，与华中科技大学材料成型与模具技术国家重点实验室合作 开发了大型铸钢件铸造工艺 CAD 设计系统，此工艺 CAD 系统包括大型铸钢件铸造 工艺的完整流程， 从参数计算、 工艺设计、 图形绘制到图纸管理全部集成到工艺 CAD 系统中，铸造工艺设计人员只需在对话框中输入相关尺寸，选择工艺绘制位置就能 完成铸造工艺设计，极大地提高了新产品设计和开发的速度和效率，为企业的快速 发展和提高竞争力提供了坚实的基础。 针对二重铸造厂开发的大型铸钢件铸造工艺CAD系统与传统的工艺绘制方式相 比主要有以下一些优点： （1）集成化 铸造工艺 CAD 系统将大型铸钢件的铸造工艺流程无缝集成， 使工艺人员在进行工艺设计时，过程清楚流畅，设计规范完整，数据交互准确可靠， 工艺系统各个模块依流程使用完毕则铸造工艺设计随即完成。 （2）模块化 铸造工艺设计各个主干子流程模块化，如整个工艺 CAD 系统 主要分为冒口系统设计模块、浇注系统设计模块、砂芯系统设计模块、冷铁系统设 2 计模块和工艺参数系统设计模块等。各个模块之间根据工艺流程集成为大型铸钢件 铸造工艺 CAD 系统。 （3） 参数化 整个工艺系统全部采用参数化设计方法， 各个绘图过程和设计 计算过程均采用参数化设计思想，保证各工艺参数的计算快捷迅速，绘图过程快捷 准确，图形设计的重构能力和设计柔性大幅提高。 （4）无图纸化 工艺设计过程全部在计算机上完成，工艺图纸完全电子化， 方便利用计算机网络进行共享和传输，借助计算机的复制功能，设计的铸造工艺可 以方便地进行重用和借用，提高了设计效率。 （5） 专家化 将专家经验集成在各个设计模块中， 使工艺人员在设计工艺的 过程中根据文字或图片的提醒，借助专家经验更快速地设计出合理的工艺。 本课题以 VS2002.NET 为开发环境，以 ObjectARX2006 为开发工具，运用 C+ 程序设计语言、MFC 框架和 ODBC 数据库互联技术，在 AutoCAD2006 平台上进行 二次开发。将二重工艺人员的铸造工艺设计方法转变为计算机程序集成到 AutoCAD2006 上，并运用到大型铸钢件铸造工艺的实际设计中。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 目前， 通用的二维或三维 CAD 系统在我国的应用已经相当广泛， 特别是在机械， 建筑等与设计相关的行业。但是，针对各行业不同的设计需要进行 CAD 系统二次开 发的却很少。我国企业所用的 CAD 系统大多是国外公司开发的，在设计标准、规范 和标准件库上与国内的企业的需求相差很大，而且适用于铸造行业的更少，因此， 以通用商品化的 CAD 系统为平台进行二次开发， 积极研究和探索铸造工艺过程 CAD 技术，使之适合国内铸造企业的设计要求，是铸造业信息化和现代化的必由之路。 根据最新资料显示，国内外铸造行业开发的工艺设计 CAD 系统，主要分为通用 和专用铸造工艺 CAD 系统两大类: 通用铸造 CAD 系统：应用于普通砂型铸造工艺的设计，分为铸钢、灰铸铁、球 墨铸铁及有色合金等材料。系统功能主要包括浇注系统设计、冒口系统设计、砂芯 系统设计、分型分模面和拔模斜度等工艺参数的确定、尺寸标注以及工艺图的输出 3 和传输。 专用铸造 CAD 系统：应用于某些特定产品和特定目的的铸造工艺设计，如压铸 类 CAD、齿轮类 CAD、阀体类 CAD、曲轴类 CAD、缸体类 CAD、叶片类 CAD、 DISA 造型线铸造工艺设计 CAD 和大型铸钢件 CAD 等。 1.2.1 国内研究现状国内研究现状 大型铸钢件的制造业是国家装备制造的基础行业，其发展水平是衡量一个国家 综合国力的重要标志1。我国大型铸件生产企业有三十多家，大部分是国有大中型企 业。目前能生产 200 吨级以上铸钢件的只有一重、二重等少数几个企业。整个铸件 生产行业的产品主要供给国内市场，少部分出口。品种主要集中在电站电机设备、 冶金生产设备和石油化工设备、船用设备、矿山设备以及航空航天设备中的大型铸 件2。 近年来，铸造行业在我国政府的大力支持和相关研究者的共同努力下，情况发 生了很大的改观。我国企业自主研发生产的大吨位(20 吨/小时)树脂砂成套设备已 经大批量的投入生产，其中 30 吨/小时、40 吨/小时混砂机已在多家大型铸造企业中 应用。在 2006 年“北京国际铸造、锻压、冶金工业展览会”上，国内两家铸造设备 生产商展出了自己最新设计并投产的 60 吨/小时升降移动式连续混砂机， 是目前我国 最大的连续混砂机。标志着我国在大型、特大型铸件的铸造设备的设计和制造能力 等方面有了新的突破3。 随着计算机技术的发展和微型计算机的普及，工艺人员在铸造工艺设计中越来 越多地借助于计算机的高速计算和可视化绘图能力。 目前铸造工艺 CAD 的研究范围 从广义上讲主要分为两个部分： 铸件凝固过程数值模拟(CAE)和铸造工艺计算机辅助 设计(CAD)。凝固过程数值模拟包括宏观和微观模拟，研究的目的就是对铸件生产中 可能产生的缩孔、缩松、微观组织、残余应力、偏析等进行预测，对缺陷位置及大 小进行全面分析判断，从而对工艺设计方案进行优化，提高工艺出品率，降低生产 成本45。而在铸造工艺 CAD 方面，我国的研究始于沈阳铸造研究所开展的“大型 铸钢件凝固数值模拟及铸造工艺 CAD 研究”国家“七五”重点攻关项目6，项目选 4 择了五类典型铸件作为研究对象：轧钢机架类、轮形类、叶片类、缸体类和阀体类。 相关研发人员开发了铸造领域所需要的一系列软件，并在应用中取得了相当好的效 果，设计效率和铸件的生产率有了大幅的提高。其中外冷铁铸造工艺 CAD 系统运用 创新设计，使大型铸钢件摆脱了传统的加内冷铁的生产工艺，满足了关键铸件的工 艺生产要求7。 在高校中，清华大学、大连理工大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学等也先 后致力于铸造工艺 CAD 系统的研究与开发，并取得了一定的成绩，在工厂实际应用 中也产生了非常高的价值。由清华大学承担开发的 THFSCAD 系统是完全面向铸造 工艺设计的 CAD 系统，但由于其基于 DOS 操作系统和 AutoCADR11 平台，人机交 互界面较差，图形显示方式落后，未能获得较好的应用8。华中科技大学材料学院的 金属凝固模拟实验室从上世纪 80 年代以来一直从事于铸造工艺的 CAD/CAE 系统的 研究，实验室科研人员开发的华铸 CAE 系统远销国内外，是市场占有率最高的国产 CAE 软件，在铸造工艺 CAD 领域也有华铸 CAD 产品应用于专业的铸造企业。2001 年，该实验室和山西榆次液压件厂合作开发了一套专用的符合铸造生产要求的工艺 CAD 系统，该系统针对该厂的实际生产情况定制开发，并对冒口模块进行了通用化 设计，使其也能运用于其他工厂的工艺设计中。2006 年，该实验室又与宝鸡石油机 械厂合作，开发出一套完整的铸钢铸造工艺 CAD 系统，该系统不仅针对该厂实际工 艺方法进行定制，更在调研了众多铸造厂工艺设计的基础上，开发出了适合多数铸 造厂使用的通用化模块， 因此是一套集专用和通用于一身的铸钢铸造工艺 CAD 设计 系统916。 1.2.2 国外研究现状国外研究现状 美国麻省理工学院在上世纪 50 年代初期成功研制出了第一台三坐标铣床，并在 此基础上开展 APT（Automatically Programmed Tools）系统的研发工作，APT 程序系 统是通过描述走刀轨迹的方法实现计算机辅助数控编程。此后，研究者设想如果不 设计走刀轨迹而是根据零件结构本身产生数控加工轨迹，直接根据人与计算机交互 的方式来完成从设计、分析计算到加工的过程，于是就产生了 CAD 的概念17。60 5 年代到 70 年代之间，计算机软硬件设计水平有了很大的进步，一直处于研究状态的 CAD 技术也运用到了实际的生产设计中，并和 CAM 技术进行集成，使机械零件能 快速设计加工。到 90 年代，随着微型计算机的大量普及，数据库技术、计算机图形 学技术等的发展，使 CAD/CAM 技术在发达国家的机械、建筑、电子等领域得到了 越来越广泛的应用。 在铸造领域里，研究的最早的是铸造过程的数值模拟即铸造CAE技术。在铸造 工艺设计中运用CAE技术可以利用电脑来模拟浇注过程，可视化的显示铸件凝固过 程，预测缺陷的产生，根据模拟结果重新审查工艺设计的正确性，确保工艺的可行 性和铸件质量，使铸造工艺设计从定性转变为定量，在经验设计的基础上增加了科 学性。铸造凝固过程CAE的研究起步于60年代1820，美、日、英、法等工业发达国 家的铸造工作者都开展了这方面的研究，到80年代已经提出了多种计算方法21-26， 丹 麦Forsund首次应用有限差分法对铸件凝固过程进行模拟，随后美国通用电气公司应 用瞬态传热通用程序对汽轮机内缸体铸件进行数值模拟, 得出了温度场， 以密西根大 学R.D.Pehlke教授为首的一批科研人员， 以显式有限差分、 交替隐式差分和SAULVEV 显式有限差分建立数学模型，并根据一些假设，对热参数、铸型铸件膨胀收缩和移 动进行了专门的研究。在1988年5月第四届铸造和焊接的计算机数值模拟的会议上, 模拟比赛的结果表明三维温度场计算已经成熟27。90年代以后, 美国、德国、丹麦、 加拿大等国的铸造工作者分别采用了SMAC、SOLA-VOF等数值计算方法, 在各种铸 型中模拟了铸钢、铝合金、灰铸铁、球墨铸铁的充型凝固过程, 并根据二维和三维速 度场和温度场的模拟计算结果, 分析出液态金属的流动模式、充型方式、速度和温度 分布、各部位的凝固时间, 以此来预测偏析、气孔、冷隔、氧化膜卷入等缺陷, 并与 高速摄影、水力模拟试验对比验证工艺设计方式的正确性，以便更快地生产出高质 量的铸件 28。 已有铸造工艺模拟经验的工业国家随着铸造工业发展的需要也纷纷转向铸造工 艺CAD的研究，对铸造工艺CAD的研究晚于对铸造凝固模拟的研究，是凝固模拟研 究发展的必然趋势和结果。美国乔治亚理工大学的J.T.Derry教授和密西根大学的 R.D.Pehlke教授在1983年国际第50届铸造会议上第一次提出了铸造工艺CAD的概念。 6 他们认为铸造工艺CAD就是数值模拟、实体造型和数据交互等技术在铸造工艺设计 中的综合应用。自此以后的20年间，铸造工艺CAD技术的发展有了较大的提高，出 现了一批接近实用的铸造工艺设计软件2933。如可用于铸钢铸铁的浇口和冒口系统 设计的美国铸造协会开发的AFS-Software软件，英国Foseco公司的FEEDERCALC软 件可根据铸钢件结构和工艺流程来计算浇冒口尺寸和位置， 冒口补缩距离， 丹麦DISA 公司的DISAMATIC软件专用于垂直分型生产线的浇冒口设计34。 目前，随着计算机技术和商业社会的不断深入发展，CAD 技术已经不断成熟，并 不断地进行商品化应用。Autodesk 公司推出的二维设计软件 AutoCAD 已经占据着全 球 80%以上的 2DCAD 市场，西门子的 UGNX 系统、PTC 公司的 Pro/E 和达索的 Catia 是 3DCAD 市场的三大巨头。这些软件已经深入到工业设计的各个方面，但这些软件 并不是针对铸造工业专门设计的，所以铸造工作者需借助这些系统提供的二次开发 接口进行铸造工艺设计的开发。如何更好地依托这些功能强大的通用 CAD 系统进行 定制化的铸造工艺设计已经成为一个重要的研究点。 1.3 铸造工艺铸造工艺 CAD 技术的发展趋势技术的发展趋势 随着制造技术和计算机技术的高速发展，铸造生产中如何应用更多的计算机技 术已是铸造工作者研究的一个热门方向。 经过国内外学者多年的研究， 铸造工艺 CAD 技术的发展趋势大致如下： （1）铸造 CAD 系统定制化 不论是国内还是国外，铸造领域中的设计标准多且杂，每个铸造厂的工艺表示 方式和绘制方式都有差别， 难以产生一个行业普遍适用的标准。 所以在铸造工艺 CAD 系统的设计中，也很难设计一个在铸造行业中通用的系统。为此，铸造工艺 CAD 系 统需对各个工厂进行量身定制，依据不同铸造厂不同铸件的设计需求，开发适合的 工艺模块。 （2）铸造 CAD 专家系统 铸造 CAD 专家系统是一种智能化系统，集合铸造技术研究者在铸造领域的专业 知识、经验和技术，设计出相应的能模拟解决铸造工艺设计问题的辅助软件系统。 7 铸造 CAD 专家系统可以根据工件的结构和材料， 设计出一套具有专家水平的工艺流 程，主要包括冒口和浇道设计、冷铁和砂芯设计等；也可以在工艺人员设计工艺的 过程中根据专家经验提供指导意见，辅助工艺人员进行铸造工艺设计，提高设计效 率和准确率。目前，依靠人工智能技术和数据挖掘技术，可实现模拟人脑的分析及 经验积累过程，因此铸造 CAD 专家系统将会越来越智能化和实用化3537。 （3）铸造 CIMS 系统 CIMS 系统是自动化程度不同的多个子系统的集成，如管理信息系统（MIS）、 计算机辅助工艺设计系统（CAPP）、计算机辅助制造系统（CAM）、计算机辅助设 计系统（CAD）、柔性制造系统（FMS）,以及数控机床（NC，CNC）、机器人等。 在铸造行业中运用 CIMS 系统能够整合企业各方面的资源，提高资源的利用效率， 将现代管理技术、制造技术和信息化技术相结合，应用于产品生产的整个周期，通 过过程及资源优化、信息集成，加强企业新产品的开发效率38。 （4）铸造 CAD/CAM/CAE/CAPP 系统集成 目前，制造领域中计算机技术的应用非常广泛，铸造工艺设计软件和模拟软件 都有非常普遍的应用。但是，这些计算机辅助软件之间却缺少一种信息和数据的交 互。各个辅助软件之间通常都独立运行，工艺 CAD 设计产生的数据不能很快地转化 为 CAE 模拟所需的信息， 模拟完毕后， 也不能结合 CAD 数据直接的转化为 CAM 加 工的机器代码。若要进行铸造工艺设计，需要人工将 CAD 输出的图纸、工艺说明等 信息转换成 CAE 或者 CAM 系统所需要的数据格式，这不但影响了设计效率，而且 在人工转换过程中也难免会发生错误。目前，三维设计软件如 UGNX，能够将三维 实体直接转化为 CAM 加工所需的机器代码，但 CAE 模拟功能却不是很强大。对于 专业的铸造生产领域，现在也没有一款软件能够将铸造 CAD/CAE/CAM/CAPP 集成 于一体。因此，制造领域计算机辅助系统的集成化受到越来越多研究人员的关注39。 （5）铸造工艺虚拟化技术 虚拟制造技术是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一 建模，在计算机上实现产品从设计、加工、装配、检验直至整个生命周期的模拟和 仿真40。在铸造行业中应用虚拟制造技术可以缩短产品的设计开发周期，提高企业 8 竞争力；通过仿真技术，优化工件结构和工艺设计，提高铸件的质量；因为虚拟化 是在计算机中进行，可以减少实际的能源消耗，减少材料的浪费和人力资源成本。 在铸造工艺设计中应用到虚拟化技术的方面主要是：浇道和冒口的设计，运用模拟 技术仿真铸件充型的过程，以此来确定工艺设计的准确性，并将模拟结果可视化的 直观显示4143。 1.4 课题的主要研究内容 课题的主要研究内容 本课题以二重铸造厂大型铸钢件的铸造工艺设计为基础， 结合 AutoCAD 二次开 发技术，开发一款适用于二重厂铸造工艺设计的 CAD 系统。经过对整个铸造工艺 CAD 系统需求分析的整理，课题的研究内容主要包含以下几部分： （1）初始化系统：初始化系统中包括导入预定义图层、工艺绘制比例设置、文 字与标注基本信息设置、数据源注册和图层变换处理共五项功能。 （2）分型与分模系统：分型与分模系统中包括分型与分模符号的绘制、工艺说 明的标注共两项功能。 （3）工艺参数系统：工艺参数系统包括分型负数的绘制与标注、补贴的设计、 工艺补正量和特殊加工量的绘制与标注、铸死孔和铁芯头铁芯座的绘制共六项功能。 （4）浇注系统：浇注系统包括单层和多层浇注系统的俯视图和侧视图的设计、 绘制与标注，冒口补浇多向侧视图和自开水的绘制与标注共六项功能。 （5）冒口系统：冒口系统根据冒口形状包括圆形、腰圆形和球形三大类，其中 圆形和腰圆形又分为明冒口、暗冒口和保温冒口三小类，加上自定义圈冒口，整个 冒口系统共有十二种类型的冒口。每种冒口都需用三种视图和两种线型表示，系统 能根据冒口的尺寸自动计算出模数和体积，对于标准冒口则将与尺寸相关的数据存 储于数据库中，便于标准冒口的查询、添加与删除。 （6）冷铁系统：冷铁系统包括规则外冷铁、不规则外冷铁和内冷铁三大类，其 中规则外冷铁又分为简化和不简化两种绘制方式和两种线型。冷铁绘制完成后，可 选择性的对其进行工艺说明的标注。 （7）砂芯系统：砂芯系统包括两种芯头的绘制与标注、三种钢管芯的绘制与标 9 注和三种砂芯符号的绘制。两种芯头分别为：三角形芯头和梯形芯头，三种钢管芯 分别为：单层钢管芯、双层钢管芯和特殊钢管芯，三种砂芯符号分别为：砂芯撞砂 方向、砂芯引气方向和砂芯固定方向。 （8）工艺辅助系统：工艺辅助系统包括华铸圆角、大气压芯、保温与发热剂图 章、松砂层、型板造型定位锥、吊把、本体试料和自开水口的设计与绘制。吊把又 分为工艺图吊把、A 型吊把图章和 B 型吊把图章。 （9）工艺卡与图纸管理系统：工艺卡与图纸管理系统包括两种工艺卡片的编写 与绘制、工艺信息的存储与输出、工艺说明的编写、图纸的上传和 B/S 模式的图纸 管理。 10 2 大型铸钢件铸造工艺大型铸钢件铸造工艺 CAD 系统的结构与工艺设计理论系统的结构与工艺设计理论 2.1 大型铸钢件铸造工艺大型铸钢件铸造工艺 CAD 系统的结构系统的结构 大型铸钢件铸造工艺设计的内容繁多、数据量大、数据交互频繁，因此对铸造 工艺 CAD 系统的结构设计有较高的要求。针对大型铸钢件铸造工艺设计的内容，工 艺 CAD 系统共分为九大模块包括五十项功能，每个模块在工艺类别上相互独立，在 工艺数据上相互借鉴，在图形绘制上采用参数化设计技术。工艺设计中运用到的大 量数据利用数据库进行分类存储，方便工艺人员在工艺设计界面进行查询。对于系 统中共享的初始化数据，在文档文件中存储，方便程序读取和修改。整个工艺 CAD 系统的设计准则为：CAD 系统需最大程度地满足实际铸造工艺设计的整个流程；各 个功能都应符合工艺人员的设计习惯；对于工艺设计中的计算部分则集成到相对应 的设计界面中，编写程序完成计算。 2.1.1 铸造工艺铸造工艺 CAD 系统的总体结构设计系统的总体结构设计 二重铸造厂大型铸钢件铸造工艺 CAD 系统结构图如图 2-1 所示。 图 2-1 大型铸钢件铸造工艺 CAD 系统结构图 冒口 系统 大型铸钢件铸造工艺 CAD 系统 冷铁 系统 浇注 系统 砂芯 系统 辅助 系统 初始化 系统 分型 分模 工艺 参数 图纸 管理 标 准 冒 口 普 通 冒 口 外 冷 铁 内 冷 铁 单 层 浇 道 多 层 浇 道 芯 头 绘 制 钢 管 芯 大 气 压 芯 其 他 参 数 设 置 图 层 变 换 不 铸 孔 工 艺 补 正 量 工 艺 卡 输 出 图 纸 下 载 特 殊 加 工 量 11 2.1.2 铸造工艺铸造工艺 CAD 系统界面设计系统界面设计 铸造工艺 CAD 系统的界面包括三部分：菜单栏、工具栏和对话框。系统界面设 计所依据的准则是：简洁、直观和友好。工艺 CAD 系统是以 AutoCAD 为二次开发 平台，所以整个界面设计风格应该与 AutoCAD 的界面一致。 菜单栏中根据工艺 CAD 系统中各个功能的类别， 分为多级菜单和菜单项。 如 “冒 口系统”为一级菜单，则“圆形冒口”为二级菜单，而“圆形冒口”中的“明冒口” 、 “暗冒口”和“保温冒口”则为菜单项，菜单项对应工艺 CAD 系统的各个功能，点 击菜单项就能使用相对应的功能进行铸造工艺设计。整个菜单的设计应使工艺 CAD 系统的各个功能归类明确，符合工艺人员的设计习惯，方便工艺人员使用。 因为工艺 CAD 系统的某些功能分类后，菜单的层次过多，工艺人员选择功能时 需要点开多级菜单，当一个功能使用多次时，就会在功能选择上时间过长，导致设 计的效率降低。为此，工艺 CAD 系统专门开发了工具栏供工艺设计人员使用。在工 具栏上以不同的图标表示不同的功能，图标在设计上与相对应的工艺在形象上相似， 使工艺设计人员看见图标就知道其对应的功能。而且工具栏无需多层结构，在功能 选择上设计人员不需花费很多时间。 根据 AutoCAD 提供的二次开发工具，可以使工艺 CAD 系统的对话框在设计上 与 AutoCAD 本身的对话框保持风格一致。在控件的布局上，相同属性的参数应该摆 放在一起，如冒口的尺寸参数，不同属性的参数应进行分类，如冒口尺寸与三种视 图和两种线型。整个控件的布局应该整齐、简洁、分类明确。在对话框中还应提供 工艺的预览图片和使用说明，给工艺设计人员以更直观的感受。 2.1.3 铸造工艺铸造工艺 CAD 系统数据库设计系统数据库设计 在铸造工艺设计用会涉及到很多数据， 这些数据如何处理是铸造工艺 CAD 系统 设计的一个很重要的问题。为了方便工艺人员对工艺数据进行读取和写入操作，所 有的工艺数据都会存储于数据库中。铸造工艺 CAD 系统采用 Access 来存储数据， 不同工艺类别的数据存储在不同的表中，分类必须明确。对于数据库中工艺数据的 12 添加、读取和删除操作，工艺设计人员并不需要直接操作数据库，只需在对话框界 面中按照一定的操作规范间接地操作数据库。数据库的各种操作方式都封装在代码 中，只在对话框中提供接口供工艺人员使用。 2.1.4 铸造工艺铸造工艺 CAD 系统数据共享设计系统数据共享设计 在用工艺 CAD 系统进行铸造工艺设计的过程中， 许多功能都会使用到一些公用 的数据，比如：绘制比例、文字高度、标注设置和图层信息等。在工艺 CAD 系统的 实现中这些数据会保存在初始化文档中，在初始化系统中设置公用数据，并将数据 保存在文件中，当某些功能需要使用这些数据时，程序就会读取初始化文档，得到 所需要的数据。公用数据的读取是一个自动的过程，当工艺设计人员需进行某项工 艺设计时，程序会自动读取此工艺所需的数据，不需要设计人员手动设置读取。 2.2 大型铸钢件的铸造工艺设计理论大型铸钢件的铸造工艺设计理论 铸造工艺CAD系统设计的理论基础是铸钢件在实际生产中所用到的工艺设计方 法，依据实际的铸造工艺设计方法，利用程序语言进行抽象处理，在工艺 CAD 系统 中用图形的方式表示出来。 二重铸造厂的铸造工作者在大型铸钢件的生产实践中，根据各方面的经验总结 出了一套适用于大型铸钢件的铸造工艺设计方法，依据此方法，华铸软件中心设计 开发了大型铸钢件铸造工艺 CAD 系统。 下面将具体的介绍大型铸钢件的铸造工艺设 计方法。 2.2.1 铸造工艺参数设计铸造工艺参数设计 （1）工艺补正量 在铸件的实际生产中，会因为收缩、变形和生产操作不当而导致尺寸偏差，使 铸件加工后壁厚减小太多，为避免这种现象所带来的影响，需要在铸件上增大一定 的厚度，其厚度值与铸件的结构、加工方式、浇注位置、壁厚和造型材料有关44。 大型铸钢件的工艺补正量的数值可按表 2-1 确定。 13 表 2-1 大型铸钢件工艺补正量数值 被补面间或被补面至基准面距离 B（mm） 工艺补正量 A（mm） 500 24 5011000 35 10011500 46 15012000 57 20012500 68 25013000 79 30015000 911 50017000 1012 70019000 13 900111000 15 11000 17 （2）不铸孔 工件上的孔或槽，应尽量在浇注时铸出，这样就可以节约浇注用的金属量，也 节省了机械加工的时间，从而可以降低生产成本。但是，并不是所有的孔和槽都能 在浇注时完成，一些孔或槽结构复杂，需要用到难度很高的铸造工艺，这个时候就 可以采用机械加工的方式完成孔或槽的加工。对于大型铸钢件，不铸孔或槽可以按 照通常的加工方式进行处理，能铸出的就铸出，不能直接铸出的就机械加工出来。 （3）补贴 对于致密度要求高的铸件，当冒口的补缩距离不足时，可在冒口之侧（对于水 平补缩）或冒口之下（对于垂直补缩）设置补贴来造成向冒口方向的顺序凝固，以 增加冒口的补缩距离45。补贴的设计方法有两种，分别是图表经验法和滚圆法。图 表经验法是根据大量的生产实践总结出来的，这种方法通常分类很复杂。滚圆法是 通过几何作图的方式绘制补贴的，首先，需设计出第一个热节圆，后续的热节圆根 据前一个热节圆按照一定的数学公式确定半径并绘制出来，然后根据绘制的热节圆， 14 完成补贴的设计。 （4）铁芯头铁芯座 在工艺编制中需要使用铁芯头、铁芯座时，则按表 2-2 选取，并规定如下： 根据规格表选择合适的尺寸， 并在图纸上标明， 例如：100 铁芯头、 铁芯座。 模型制作时则按以下规定制作与其相关部分：在模型做外型铁芯座定位台时 按1 做出。在做芯盒内铁芯头座时其尺寸按，当addCommand()函数在 AutoCAD 命令堆栈中注册命令。5.实现卸载功能，开发者必 21 须在 acrxEntryPoint()函数的 AcRx:kUnloadAppMsg 事件中或者该事件调用的函数 中，调用 acedRegCmds-removeGroup()函数将 initApp()函数中注册的新命令组从 AutoCAD 命令堆栈中清除， 调用 deleteAcRxClass()函数清除程序中自定义的任何类， 然后删除所有由应用程序添加到 AutoCAD 中的对象，并清除所有与 AcDbObject、 AcDbDatabase、AcRxDynamicLinker 或 AcEditor 对象相关联的事件反应器。 ARX 应用程序编写完成后，必须在 AutoCAD 中加载才能实现相应功能，ARX 程序的加载方式有以下四种50：1.将要加载的 ARX 程序名称写入 AutoCAD 初始加 载文件 acad.rx，在 AutoCAD 启动时应用程序自动加载。2.在 ARX 应用程序中调用 AcRxDynamicLinker:loadModule()或者 acedArxLoad()函数来加载其他 ARX 程序。3. 启动 AutoCAD 后在命令行中键入 APPLOAD 或者 ARX 命令，利用“Load”选项来 加载 ARX 程序。4.在 AutoLISP 程序中利用 arxload()函数来加载 ARX 程序。 3.2.2 ODBC 数据库开发技术数据库开发技术 开放数据库互连（ODBC）是 Microsoft 提出的数据库访问接口标准，它定义了 访问数据库的 API 规范，这些 API 独立于不同的数据库管理系统，也独立于具体的 编程语言。ODBC 的体系结构包括如下四个组件： 应用程序：执行处理并调用 ODBC API 函数，提交 SQL 语句并获取结果。 （1）驱动程序管理器：根据应用程序的需要加载或卸装驱动程序，处理 ODBC API 函数调用，或将函数调用转交给 ODBC 驱动程序。驱动程序管理器 包括一组 ODBC API 函数，它们包含于 ODBC32.dll 动态链接库文件中。 （2）ODBC 驱动程序：处理 ODBC API 函数调用，提交 SQL 请求到一个指定 的数据源，并把结果返回给应用程序。ODBC 驱动程序通常是一个动态 连接库文件。 （3）数据源：应用程序要连接一个数据库，首先必须设置一个数据源。一个数 据源包含了用户要访问的数据库及相关的 DBMS 和网络平台等信息， ODBC 驱动程序管理器根据数据源提供的信息，建立 ODBC 与具体数据 库的联系。数据源是应用程序的操作对象，应用程序通过数据源就能找 22 到对应的数据库物理文件。 MFC 的数据库扩展部分封装了使用 ODBC 数据资源的细节， 应用程序可以直接 通过 MFC 的类库来访问相关的数据库资源。在利用 MFC 进行程序开发时，会经常 使用到 CDatabase、CRecordSet、CRecordView、CFieldExchange 和 CDBException 五 种类库。 CDatabase 类库提供了与数据源连接的方法， 通过它可以对数据源进行操作； CRecordSet 类库提供了从数据源中提取记录集的方法；CRecordView 类库能以控件 的形式显示数据库记录，这个视图是直接连到一个 CRecordSet 对象的表单视图。可 以利用对话框数据交换机制 DDX 在记录与表单视图的控件之间传输数据； CFieldExchange 类库支持记录字段数据交换 RFX(record field exchange)，即记录集字 段数据成员与相应的数据库的表的字段之间的数据交换；CDBException 用于处理 ODBC 类产生的异常。 3.2.3 MFC 交互界面设计技术交互界面设计技术 ObjectARX 提供了一系列与 MFC 相关的用户界面类， 开发人员可以使用这些类 创建基于 MFC 的与 AutoCAD 界面一致的应用程序界面。 ObjectARX MFC 类库分为 AdUi 和 AcUi 两部分。AdUi 不是专门用于 AutoCAD 的，AcUi 则是在 AdUi 框架基 础上建立的，可以提供 AutoCAD 特定的外观和特性，而且仅能在 AutoCAD 系统中 使用。 在建立使用 AdUi 和 AcUi 的应用程序时，有三个关键点：一是必须要在 Visual C+集成开发环境中生成 MFC AppWizard（DLL）项目类型；二是要与 MFC 动态链 接，只有动态链接才能使用 AdUi 和 AcUi 类库，如果静态链接则只能利用 MFC 本 身，不能使用 AutoCAD 扩展的类库；三是在 Application Wizard 自动创建的代码中， 需手动加入接口语句。 使用共享 MFC 类库创建 ObjectARX 应用程序的步骤为： （1）在 Visual Studio.NET 中建立工程时选择 MFC AppWizard（DLL）项，并选 择 Extension DLL（using shared MFC DLL） 。 （2）选择“Project”菜单中的“Setting”项，打开“Project Setting”对话框并 23 选择“General”标签，在下拉列表“Microsoft Foundation Classes”中选 择“Use MFC in a Shared DLL” 。 （3）在工程.cpp 文件中添加 acrxEntryPoint()入口函数。 3.3 小结小结 本章介绍了大型铸钢件铸造工艺 CAD 系统的开发环境和所需的关键技术。工艺 CAD 系统以 AutoCAD2006 为平台， 借助 ObjectARX2006 二次开发工具， 结合 ODBC 数据库技术和 MFC 交互界面设计技术， 在 Visual Studio.NET2002 中运用 C+程序设 计语言进行开发。 24 4 大型铸钢件铸造工艺大型铸钢件铸造工艺 CAD 系统的实现系统的实现 针对二重铸造厂定制的大型铸钢件铸造工艺CAD系统包含了大型铸钢件铸造工 艺设计的完整流程，整个系统分为冒口系统设计模块、浇注系统设计模块、砂芯钢 管芯设计模块、冷铁系统设计模块、辅助工艺设计模块和工艺参数设计模块，所有 模块涵盖的五十个功能能够完成铸造工艺的全部设计计算和图形绘制。每个功能都 会有对话框或者命令行与设计者进行数据交互，界面直观友好，操作简单方便。以 下具体介绍各个功能的实现方法和相关应用。 4.1 交互界面的设计实现交互界面的设计实现 交互界面共有四种类型，分别为菜单、工具栏、对话框和命令行。菜单和工具 栏上的相同命名项是相互对应关系，菜单上的菜单项与工具栏上的图标都唯一对应 一个 ARX 命令，响应此命令就能开始相关工艺的绘制或者弹出工艺设计对话框。在 工艺绘制对话框中，工艺设计人员依据工艺要求输入相关参数完成浇冒口、砂芯钢 管芯或者冷铁等工艺的绘制。在工艺的绘制过程中，需要设计者选择工艺的绘制位 置或者输入工艺说明，这时就需要在命令行中进行选择或输入。 铸造工艺CAD系统设计的这四种交互界面能让工艺人员方便快捷地进行铸造工 艺选择，在需要与 CAD 系统进行交互时，能准确地输入尺寸参数和工艺说明。在工 艺绘制过程中需要提醒说明的地方，在交互界面上就可以给予相关的文字说明提醒 设计人员应该注意的事项，使工艺人员能正确使用 CAD 系统进行工艺设计。 铸钢工艺 CAD 系统总体功能菜单栏如图 4-1 所示，菜单栏上包括了大型铸钢件 铸造工艺的全部设计方法，设计人员点击相应的菜单项就会弹出工艺绘制对话框， 输入工艺参数后就开始工艺绘制。 AutoCAD 的系统菜单是由后缀为.mnu、.mns、.cui 这几种文件来形成的。后缀 为.mns 的菜单文件是一个 ASCII 码文件， 它由 AutoCAD 加载.mnu 文件后自动生成， 内容与被加载的.mnu 文件基本相同，但是去除了注释和分隔符，加载.mnu 或.mns 菜单文件后经 AutoCAD 环境编译就产生了后缀为.cui 的系统菜单文件。在这里我们 25 使用后缀为.mns 的文件来创建和编辑菜单。后缀为.mns 的文件可以由文本文件创建 得来，只需将.txt 改为.mns 即可。后缀为.mns 的菜单文件可以用文本编辑器打开， 打开后按照 AutoCAD 菜单书写格式创建菜单内容即可。 菜单内容书写完成后， 保存并命名为 “华铸 CAD 菜单.mns” ， 将 AutoCAD 启动， 在命令行中输入“menuload”命令，在弹出的对话框中点击“浏览”按钮，找到我 们编辑好的菜单文件，将文件加载，此时自定义的菜单就出现在了 AutoCAD 的菜单 栏中。加载了“华铸 CAD 菜单.mns”后，系统会自动生成“华铸 CAD 菜单.cui”文 件，对于.cui 文件我们可以进行可视化的编辑，只需在命令行中输入“cui”命令， 找到我们自定义的.cui 文件就可以完成菜单、菜单项、工具栏的编辑，非常的直观和 简单，有了.cui 文件就可以不需要对.mns 文件进行编辑了。如有其它的用户需要安 装已开发完成的铸钢件 CAD 系统，我们只需要提供已经编辑好的.cui 菜单文件，用 户运用“menuload”命令直接加载就能产生相应的菜单。 图 4-1 工艺 CAD 系统总体功能菜单