基于SLA原型的快速砂型铸造工艺CAD∕CAE系统.pdf

A u g 2 0 1 6 V 0 1 6 5N o 8垂篙帅嚣 7 4 9 基于S L A 原型的快速砂型铸造工艺C A D C A E 系统 龚伟1 ，张翔1 ，白朝中1 ，王恩泽： ( 1 西南科技大学制造科学与工程学院，四川绵阳6 2 1 0 1 0 ；2 西南科技大学材料科学与工程学院，四川绵阳6 2 1 0 1 0 ) 摘要：1 ) x P r o E 4 0 作为开发平台，利用P r o lE 自带的二次开发接1 3 P r o T o o lk it 和V C + + 2 0 0 5 ，开发了基于s L A 原型的快 速砂型铸造工艺C A D C A E 系统。各个模块功能根据铸造工艺手册中的相关理论和标准进行设计，其中起模斜度和线 收缩率依据光固化成形的特点重新确定。实际应用表明，该铸造工艺C A D C A E 系统能有效地实现铸造工艺设计，大 大提高了零部件的设计开发效率。 关键词：快速砂铸；C A D C A E ；s L A 原型 中图分类号：T G 2 4 2 ；T P 3 1 1文献标识码：A文章编号：1 0 0 1 4 9 7 7 ( 2 0 1 6 ) 0 8 0 7 4 9 0 5 R a p idS a n dC a s t in gP r o c e s sC A D C A ES y s t e m B a s e do nS L AP r o t o t y p e G O N GW e i1 ，Z H A N GX ia n 9 1 ，B A IC h a o - z h o n 9 1 ，W A N GE n - z e 2 ( 1 S h o o lo fM a n u f a c t u r in gS c ie n c ea n dE n g in e e r in g ，S o u t h w e s tU n iv e r s it yo fS c ie n c ea n dT e c h n o lo g y , M ia n y a n g6 2 1 0 1 0 ，S ic h u a n ，C h in a ；2 S h o o lo f M a t e r ia lsS c ie n c ea n dE n g in e e r in gS c ie n c ea n d E n g in e e r in g ，S o u t h w e s tU n iv e r s it yo f S c ie n c ea n dT e c h n o lo g y ，M ia n y a n g6 2 1 0 1 0 ，S ic h u a n ，C h in a ) A b s t r a c t ：C a s t in gp r o c e s sC A D C A Es y s t e mf o rr a p ids a n dc a s t in gb a s e do nS L Ap r o t o t y p ew a sd e v e lo p e db y u t iliz in gP r o E 4 0 P r o T o o lk ita n dV C + + 2 0 0 5 T h ef u n c t io n so fe a c hm o d u leo ft h eC A D C A Es y s t e mw e r e d e s ig n e da c c o r d in gt ot h et h e o r ya n ds t a n d a r d sint h ec a s t in gp r o c e s sm a n u a lw it ht h ee x c e p t io no f d r a f ta n g le s a n dlin e a rs h r in k a g er a t e sw h ic hw e r er e d e t e r m in e da c c o r d in gt ot h ec h a r a c t e r is t ic so f S L A p r o t o t y p e P r a c t ic a l a p p lic a t io nr e s u lt sin d ic a t et h a tw it ht h e a ido f t h eC A D C A Es y s t e m , b o t hc a s t in gp r o c e s sd e s ig ne 伍c ie n c ya n d n e wp r o d u c td e v e lo p m e n te m c ie n c yh a v e b e e nd r a m a t ic a llyim p r o v e d K 时W O I d s ：r a p ids a n dc a s t ；C A D C A E ；S L Ap r o t o t y p e 具有灵活敏捷的组织形态，以快速市场需求为特 征的新一代制造系统模式正在形成。新一代制造系统 所面临的一个突出问题是如何实现产品的快速设计和 快速制造。将快速原型技术与传统铸造技术相结合形 成的快速铸造技术( Q u ic kC a s t in g ，Q C ) 正是为了缩 短新产品开发周期，降低开发成本而发展起来的新型 制造技术【”。光固化快速原型( S L A ) 以光敏树脂为原 料，利用P C 控制紫外激光使其逐层凝固，快速、自动 化地制造出尺寸精度高、表面质量优良和结构复杂的 原型件。s L A 技术具有原材料利用率高( 近10 0 ) 、无 任何毒副作用、成形速度高( 最高扫描速度可达 80 0 0m m s ) 、成形精度高、表面质量好( 表面粗糙度 可达至U R a 3 2 5I x m ) 的特点【2 】。因此，基于S L A 原型的 快速铸造技术是目前快速获得复杂金属零件的首选工 艺，利用该技术制作的铸件模型具有尺寸精确、一致 性好、表面粗糙度低、成功率高等特点。美国航空航 天领域以此技术为快速铸造技术的标准路线闭。 S L A 快速原型技术与传统的砂型铸造技术相结合 形成基于S L A 原型的快速砂型铸造技术。该技术具有 制造周期短的特点，适合单件、小批量生产，尤其适 合于新产品开发。其基本路线是铸型( 模组) 设计、 制作基于S L A 原型的模样和芯盒、组合和装配S L A 原 型模具、制作砂型和铸件浇注。这一技术的关键是铸 型( 模组) 的快速设计与建立，这一过程的实现不仅 要适应S L A 工艺制造铸型的特点，更要依据铸造工艺 知识、经验和原则。利用铸造工艺C A D 系统进行铸型 设计是解决这一问题的有效手段。通过铸造工艺C A D 系统，可以快捷地实现分型面、机械加工余量、起模 斜度、砂芯、浇注系统、冒口、冷铁等的设计。但是， 目前国内的铸造工艺C A D 系统尚不能为基于S L A 原型 的快速砂型铸造提供技术支撑。现有的铸造工艺C A D 系统多以二维C A D 为开发平台【3 】，或者仅面向特定的使 用范围( 轴类、盘套类、阀体等) 悯，甚至缺乏对应的 数据库支持。另外，与传统的木模、金属模相比， 基金项目：I t J I I 省科技支撑计划( 项目号2 0 1 2 F Z 0 0 2 0 ) ；l四) ll省科技支撑计划子课题( 2 0 1 2 G Z X 0 0 8 3 ) 。 收稿日期：2 0 1 6 - - 0 3 3 1 收到初稿，2 0 1 6 - - 0 5 - 2 5 收到修订稿。 作者简介：龚伟( 1 9 7 3 一) ，男，副教授，博士，从事表面工程及先进制造技术研究。E m a il：j s z x g w 1 6 3 c o r n F O U N D R Y A u g 2 0 1 6 V 0 1 6 5N o 8 S L A 树脂模型具有明显的特殊性，如s L A 树脂模型易 变形，液态树脂固化后性脆，易断裂，耐热性有限等。 采用S L A 原型件替代砂型铸造用木质、金属或塑料模 样时，与模样和芯盒相关的工艺参数应依据光固化成 型的特点加以重新确定。 鉴于此，本课题以P r o E 4 0 作为开发平台，利用 P r o E 自带的二次开发接口P r o T o o lk it 与V c + + 2 0 0 5 ，开 发了基于S L A 原型的快速砂型铸造工艺C A D C A E 系 统。本研究对基于S L A 原型的快速铸造技术的推广应 用具有积极意义。 1 铸造工艺C A D C A E 系统的构成 本铸造工艺C A D C A E 系统面向汽车发动机零部件 的快速开发，铸件材质类型主要为灰铸铁和铝合金。 本系统具有两个功能，一是敏捷和准确地建立铸型 C A D 模型，二是利用C A E 子系统的数值模拟对铸型设 计进行分析和验证。铸造工艺C A D 子系统的功能通常 包括铸造工艺参数设计、浇注系统设计、补缩系统设 计、冷铁设计、砂芯设计、工艺图卡生成等 6 。铸造工 艺参数设计是建立铸件C A D 模型的核心，浇注系统设 计和补缩系统设计是建立铸型C A D 模型的必需环节。 因此，本研究的C A D 子系统仅包含铸件C A D 模型设计 模块、补缩系统设计和浇注系统设计3 大核心模块。 C A E 子系统采用P r o C A S T 软件。C A D 子系统和C A E 子 系统以I G E S 文件作为转换接口实现信息连接。系统的 框架结构设计如图1 所示。 铸造工艺C A D C A E 系统 铸件C A D 模型设计 工基 艺于 参光 数固 模化 块原 型 的 图1铸造工艺C A D C A E 系统的组成 F ig 1S t r u c t u r es k e t c ho f c a s t in gp r o c e s sC A D C A Es y s t e m 1 1铸件C A D 模型设计模块 铸件C A D 模型设计模块的主要作用是通过添加材 料属性和工艺参数建立铸件C A D 模型。铸造工艺参数 包括加工余量、起模斜度、线收缩率和最小铸出孔等。 本课题采用树脂砂作为造型和制芯材料。与传统工艺的 金属模或者木模相比，S L A 树脂模的表面粗糙度更大， 模样和砂型之间会形成更大的摩擦力，且固化后的树脂 原型件较脆，易断裂。因此需对传统的起模斜度参数进 行修正。根据长期的试验得出如表1 问所示的修正值。 表1 木模与S L A 模起模斜度数据对比 T a b le1T h ed r a f ta n g lec o m p a r is o nb e t w e e n w o o da n dS L At e m p la t e 在制作S L A 模样的过程中，光敏树脂的固化是从 短的小分子体向长链大分子聚合体转变的过程，其分 子结构发生很大变化，固化过程中存在必然的收缩。 本课题采用D S MS o m o s1 4 1 2 0 光敏树脂，其线收缩率 取0 0 8 矧8 】。因此，在考虑了树脂的固化收缩以后，对 铸件的线收缩参数也需进行修正，修正结果见表2 川。 表2 铸件的线收缩率 T a b le2L in e a rs h r in k a g er a t eo fc a s t in g， 根据铸造工艺手册【9 】规定的加工余量、最小铸 出孑L 等工艺参数标准和修订的起模斜度和线收缩率重 新建立铸造工艺参数数据库，供铸件C A D 模型设计时 选择。 本系统在V C + + 平台上，调用P r o T o o lk it 函数库所 带的类，编写实体特征尺寸修改程序，利用程序驱动 对特征实现尺寸、工艺参数的添加和修改。 1 2 浇注系统模块 分别开发了铝合金浇注系统和灰口铸铁浇注系统。 浇注系统主要包括3 个功能模块：分析计算模块、造型 模块和用户自定义特征( U D F ) 装配模块。分析计算 模块主要用于确定铸件重量、主要壁厚、浇包个数、 各浇道横截面积之比及其相关尺寸，然后根据相关公 式 9 1 自动计算浇注时间、铸件最小截面积尺寸和各浇道 截面积尺寸( 图2 ) ；造型模块则依据计算出的浇道尺 寸选择合适的截面形状，通过建立的截面尺寸、面积 关系型数据，利用参数化技术对浇道各组元进行绘制， 从而实现对一般浇道的造型设计( 图3 ) ；用户自定义 装配模块则是在绘制浇道之后，调用U D F 特征完成特 征模型的创建，并可直接调用U D F 特征模型，在P a r t 模 式下添加到铸件上。 1 3 补缩系统模块 分别开发了铝合金补缩系统和灰铸铁补缩系统。 补缩系统同样开发了3 个功能模块：分析计算模块、冒 统 一r1铸铝冒口系统设计 系计一一rllllllf口设丁lIIlllIl 冒 一灰铸铁冒口系统设计 统 一rI铸铝浇注系统设计 系计f；i芒朗引引 铸造龚伟等：基于S L A 原型的快速砂型铸造工艺C A D c A E 系统 7 5 1 图2 浇注系统设it - x 寸话框 F ig 2D e s ig nd ia lo go f c a s t in gs y s t e m 图3 浇道截面设计对话框 F ig3D e s ig nd ia lo go fs p r u es e c t io n 口绘制模块和用户自定义特征( U D F ) 装配模块。分 析计算模块是根据铸件实际情况确定铸件重量、散热 体积、散热表面积、冒口个数、补缩效率及其他相关 系数，然后根据冒口模数计算公式【研自动计算冒V I 模数 ( 图4 ) ；绘制模块则根据确定的冒口模数，选择合适的 形状，通过建立冒1 2 1 形状尺寸、模数的关系型数据， 利用P r o E 的参数化造型技术对冒E l进行绘制，从而实 现对简单冒口造型的设计( 图5 ) ；用户自定义装配模 块则是在绘制冒1 2 1 之后，调用U D F 特征完成冒口的创 建与安装。 1 4C A D c A E 系统之间的通信接口 一般来讲，三维设计软件与有限元分析软件的接 口文件方式可分为两大类：一类是专用接口，是指分 析软件专门针对某种造型软件数据格式制定，如 P r o C A S T 针对U G 的P A R A S O L I D S 格式文件接口；另一 类是通用接口，即通过标准格式文件进行数据交换， 女I I I G E S 、S T E P 、S T L 等。P r o E 与P r o C A S T 之间没有专 用的接口，只有通用接口。由P r o E 生成的I G E S 格式文 件可以被P r o C A S T 读入，并且可以进一步进行几何检 查、几何修复、剖分表面网格、剖分体网格等操作， 是一种可行的接口方式。这种方式的优点在于可以充 分利用M e s h C A S T 的R e p a irT o o ls 和S u r f a c eM e s h 菜单提 供的几何和表面网格修复功能，使生成的网格最大限 度地符合下游解算需求。因此，在C A D 子系统中选择 I G E S 格式作为与C A E 子系统的通信接口，能够较好的 实现系统的集成。 2C A D c A E 系统开发的关键技术 2 1P r o E 与M F C 接口技术 利用V c + + 提供的M F C 开发人机交互界面是当前编 程的常用方法，它可以提供可视化的图形与文字共存 环境，且方便于系统设计、调试及修改，技术也比较 成熟。在P r o E 中，平台并不能直接应用M F C 对话框， 也就是P r o T o o lk it 不能直接提供对M F C 的支持。因此， 本课题在P r o T o o lk it 与M F C 之间采用动态链接库 ( D L L ) 模式实现通信，在P r o E 与P r o T o o lk it 之间也采 用动态链接库模式实现通信。 图4 冒E 1 分析计算对话框 F ig 4D e s ig nd ia lo go f r is e rs y s t e m 图5 冒口尺寸设计对话框 F ig 5D e s ig nd ia lo go f r is e rs iz e 2 2 数据库设计和A D O 技术 开发数据库是为了将常用零件的数据保存起来， 7 5 2 F O U N D R Y A u g 2 0 1 6 V 0 1 6 5N o 8 以便设计者能够反复调用，不用进行重复建模，提高 设计效率。开发时首先采集零件关键尺寸参数，然后 把参数存放在数据库中，便于用户进行管理。本课题 建立A c c e s s 数据表格并连接O D B C 数据源，通过调用 A D O 对象进行数据库开发。 2 3 参数化建模技术 参数化建模是利用一组参数定义三维模型尺寸并 在尺寸间建立关系。采用M F C 基库和P r o T o o lk it 来控制 设计对象的尺寸。在系统中，建立参数化特征模型库 及其参数数据库以备设计调用。在调用时，把参数赋 予特定的尺寸直接生成新的模型。 2 4 尺寸驱动技术 每个实体尺寸在P r o T o o lk it 中都是用一个整型标识 符即D 号予以识别。通过编写实体特征尺寸修改程序 访问尺寸m 号，实现在绘图区域对特征尺寸进行直接 修改。程序段中用到一个P r o T o o lk it 自带的底层函数 P r o D im e n s io n ，实体上的尺寸都是该类的一个结构体 数据。 3 应用实例 下面以某型汽车发动机主轴承盖( H T 2 0 0 ) 为例 介绍应用本系统进行铸造工艺设计的过程。点击“铸 造工艺C A D C A E 集成系统”快捷方式图标，弹出系统 登陆对话框，如图6 所示，点击“C A D 子系统”，进入 铸造工艺C A D 子系统。通过加载主轴承盖零件图，选 择合理的浇注位置，建立铸件的分型面，设置铸件材 质，添加工艺参数( 加工余量、起模斜度、排查最小 铸出孔、线收缩率) 等操作，完成铸件C A D 模型设计， 见图7 。 图6 铸造工艺C A D C A E 系统的登陆对话框 F ig 6L o g ind ia lo go fc a s t in gp r o c e s sC A D C A Es y s t e m 通过确定浇注时间、最小截面积、各截面尺寸等 参数，完成浇注系统的设计和添加。通过计算传热散 热表面积、冒口扩大系数、冒E 1 个数、冒口模数、生 成冒E l模型，完成补缩系统的设计和添加，见图8 。 在P r o E 中完成了整个建模过程之后，点击“文 件”菜单下的“保存副本”命令，在保存类型中，选 择I G E S 格式，点击“确定”，在弹出对话框之后默认选 项，再次点击“确定”，完成I G E S 文件的生成。 罔7 铸I C A D 摸型没汁 F ig 7D e s ig no f c a s t in gC A D m o d e l 打开P r o C A S T 自带的网格剖分工具G e o M E S H ，在 G e o M E S H 中读人I G E S 格式的C A D 文件，通过选择 M e s h in g C r e a tM e s h 命令，完成几何体的自动分析、 修复，最后P 2 9 m r s t 格式文件输出。在C A E 子系统中打 开P r o C A S T ，点击M e s h C A S T 模块，打开g r n r s t 文件， 生成面网格、体网格后，m e s h 格式文件输出。在 P r e c a s t 模块中完成边界条件、初始条件、运行参数等 设置以后，经过计算求解，在V ie w c a s t 模块中查看充 型过程、凝固过程，分析铸造缺陷，判断整个铸造工 艺设计的合理陛。图9 为铸件的缩孑L 分布图。 图8 补缩和浇注系统的设计结果 F ig 8D e s ig nr e s u lt so f c a s t in gs y s t e ma n dr is e rs y s t e m S h d n k a g eP o r o s ilyN - 誊 AU ，1 3 “， - 兰 隧 图9 缩孔铸造缺陷预测 F ig 9P r e d ic t io no f c a s t in gd e f e c t so ns h r in k a g ep o r o s it y ；镬棵。一内一矗岔。柳辜r 铸造龚伟等：基于S L A 原型的快速砂型铸造工艺C A D C A E 系统 7 5 3 将本系统应用于某新型发动机H T 2 0 0 主轴承盖、 Z L l0 5 进气管和Z L l0 5 缸盖等零部件开发，实际应用表 明，利用本系统能快捷、有效地实现铸造工艺设计， 大大提高了新产品的设计开发效率。 高了设计开发效率。 参考文献： 【1 张勇，王超基于快速成型技术的水泵铜叶轮的快速铸造【J 】铸 造，2 0 1 1 ，6 0 ( 5 ) ：4 9 3 - - 4 9 5 4 结束语 口1 ：譬；豢：慧嚣舌。篇挲擀快速精铸技术研究现状 在P m E 平台下开发了基于S L A 原型的快速砂型铸 【3 】朱晓航球墨铸铁二维铸造工艺c A D 系统的研究与开发【D 】武 苎三苎竺黔竺悠：查黧翌粤釜乏黎銎蒡紫吲鬈? 嚣麓2 峨0 1 3 基于啪二- - t 、I 1 I * 愀 工艺 的快速开发，铸件材质类型主要为灰铸铁和铝合金。 一c 孟亲统 J 】：；，2 孟- j ( 5 ) ：4 9 l- 4 9 3 其C A D 系统主要包括铸件C A D 模型设计、浇注系统设 【5 】张南屁阀体三维参数化绘图及铸造工艺c A D 系统【D 】福州：福 计、补缩系统设计三个模块。在C A E 系统中采用州大学，2 0 0 3 P r o C A S T 实现对所设计的铸造工艺的分析验证。C A D 【6 】廖敦明，陈立亮，周建新，等铸造工艺c A D 二次开发技术与应 子系统和C A E 子系统通过I G E S 文件作为转换接口实现 用【J 】铸造，2 0 1 0 ，5 9 ( 1 2 ) ：1 3 0 7 1 3 1 4 信息连接。 7 】龚伟，蔡勇，李华，等一种基于s L A 原型的快速砂型铸造铸型 。兰蓑妻竺篓臻竺属警竺耋蛩量星翼矍嘲翼麓霎嚣X 燃_ P 撇2 0 1 3 - 0 6 煳- 2 6 删。 型件替代砂型铸造用木质、金属模样时，与模样和芯 一京。：赢矗三五三石社，2 0 0 8 一。 “一。 盒相关的工艺参数均要依据光固化成型的特点加以重 【9 】中国机械工程学会铸造分会铸造手册( 第5 卷) ：铸造工艺【M 】 新确定。第二版北京：机械工业出版社，2 0 0 3 ：8 0 2 0 0 实际应用表明，该铸造工艺C A D C A E 系统能有效 地实现汽车发动机零部件的铸造工艺设计，大大地提 ( 编辑：刘冬梅，ld m f o u n d r y w o r ld c o m ) 罔5 连铸坯巾 ! 和碳纤维结合彤虢 F ig 5C o m b m a t io nm o r p h o lo g yo f A la n dC f inc o n t in u o u sc a s t in gs la b ( 3 ) 铝液流经导流管时温度上升，使铝液和碳纤 维出现了不同程度的润湿，但质量不稳定。 参考文献： 【1 】1 吴春京，于治民，谢建新，等充芯连铸法制备铜包铝双金属复 合材料的研究 J 】铸造，2 0 0 4 ，5 3 ( 6 ) ：4 3 2 4 3 4 【2 】吴春京，刘增辉，孟效轲，等一种双金属包长碳纤维复合材料 压力充芯连铸设备与工艺：中国，1 0 2 5 8 1 2 3 6 ，B