（材料加工工程专业论文）砂型铸造模具cad技术的研究与应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 “砂型铸造模具c a d 技术的研究与应用”是来源于东风汽车公司铸造二厂的科 研课题。引进c a d 软件，解决应用过程中出现的技术难题；对系统进行二次开发：进 行典型产品减速器壳体造型，完成其模样和芯盒的计算机辅助设计，解决应用中出现 的技术难题；针对砂型铸造的实际，达到能够在已有零件图纸的前提下，实现与c a m 的联接；实现铸造二厂铸模设计理念的变革。 - 本研究以汽车铸件“减速器壳体”为实践目标，基于p r o 厄创建产品三维实体模 型，建立工艺模型，生成砂型、砂芯、芯盒、模样，并根据p r o c a s t i n g 模块的功 能，制订出了相应的制作流程；完成了基于p r o e 减速器壳体模具的计算机辅助设计。 制作的模样、芯盒主体部分，直接以三维实体模型提供给n c ，编制加工程序， 所制作出的型板、芯盒，达到了一次试模成功。从而实现了c a d c a m 的集成。 对基础支撑软件进行了二次开发。主要完成的工作有：制定了热键，方便了操作； 完成了工装标准件库的构建，为工装模具的设计提供了可调用的标准件，避免了重复 性工作。 本文解决了系统应用过程中出现的技术问题。fp r o c a s t i n g 最适应的是金属型 铸造，通过对p r o c a s t i n g 模块的深入理解，灵活运用，充分利用“模型体( d i e v o l u m e ) 一旦从模型块( d i eb l o c k ) 中拔出，就成为全功能的p r o e 零件”这一概念， 满足了砂型铸造模具的制作要求，成功地完成了复杂产品( 需四个砂芯) 的模样、砂 芯及芯盒的设计。从而，实现了c a d c a m 的集成，提高了模具质量，缩短了产品 开发周期。在模具的设计过程中，充分利用p r o n o t e b o o k 提供的自顶而下 ( t o p d o w n ) 的装配体设计与管理功能，更新了铸造_ - 1 - 长期以来的铸模设计理念。 在对软件的消化吸收过程中，总结出了一套适用的原则，它包括对圆角的处理、 零件信息的使用、再生过程中失败特征的解决等。实践证明，掌握了这些实用原则， 华中科技大学硕士学位论文 不仅可以加速设计，更能简化设计流程。 二次开发后的c a d 系统经过试运行，根据实际情况不断修改和完善，在保证模 具精度，提高效率方面，成效显著，一次调试率合格率大大提高。 关键词：砂型铸造模具c a d自顶向下开模 i i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t “t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fc a d t e c h n o l o g yi ns a n dc a s t i n gd i e ”i s ar e s e a r c h s u b j e c tf r o mn o 2f o u n d r yd o n g f e n gm o t o rc o r p o r a t i o n t h er e s e a r c hm a i n l yi n c l u d e s t h ed i g e s t i o na n dr e d e v e l o p m e n to fc a d s y s t e ma n dt h es e t t l e m e n to fs o m et e c h n i c a l p r o b l e m sd u r i n gt h ea p p l i c a t i o n b a s e do nt h ep r o es o f t w a r e ，t h es o l i do fr e p r e s e n t a t i v e c a s t i n ga st h es h e l lo f t h ea u t o m o b i l er e d u c e rw a s b u i l t ，t h ed e s i g no f t h ep a t t e m sa n dc o r e b o x e so fw a sa c c o m p l i s h e d ，a n dt h ec o n n e c t i o nw i t hc a mw a sa c h i e v e do n l yw i t ht h e p a r t d r a w i n g t h et h i n k i n gf o rc a s t i n gd i ed e s i g nw a sr e n o v a t e di nn o 2f o u n d r yd o n g f e n g m o t o rc o r p o r a t i o n i nt h i sp a p e rt h es h e l lo ft h ea u t o m o b i l er e d u c e ri su s e da st h eo b j e c t b a s e do i lp r o e s o f t w a r e ，t h ep a r t s3 ds o l i di sc r e a t e d ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e li sb u i l t a n dt h es a n d m o u l d s 、s a n dc o r e s 、c o r eb o x e sa n d p a t t e r n s a r e c o n s t r u c t e d a c c o r d i n g t ot h e p r o c a s t i n gb l o c k sf u n c t i o n s ，t h ef l o wo ft h ep r o d u c t i o ni se s t a b l i s h e d a n db a s e do n p r o e ，t h ec a d o f t h er e d u c e r sp a r e mi sa c c o m p l i s h e d t h ep r i n c i p a lp a r t so ft h ec r e a t e dp a t e r n sa n dc o r eb o x e sa r ep r o v i d e dt on c a s3 d s o l i dp a t t e r n s ，t h e nt h em a c h i n i n gp r o g r a mi sw o r k o u t p r o d u c e d p a t t e r np l a t e sa n dc o r e b o x e sa c h i e v et h es u c c e s so fo n e t i m e p a t t e r nd e b u g g i n g a n dt h ei n t e g r a t i o no fc a da n d c a mi sr e a c h e d t h e r e d e v e l o p m e n to ft h eb a s i cs o f t w a r ei n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：s e td o w n 廿1 e h o t k e y sw h i c ha r ec o n v e n i e n c ef o r o p e r a t i o n ；c o m p l e t e d t h es t a n d a r d l i b r a r yw h i c h p r o v i d e dt h et r a n s f e r a b l ep a r t sf o rf o u n d r yt o o la n de q u i p m e n t d e s i g ns oc o u l da v o i dt h e r e p e a t e dw o r k t h i sp a p e rr e s o l v e dt h et e c h n o l o g yp r o b l e m sd u r i n gt h e s y s t e ma p p l i c a t i o n b e c a u s e p r o c a s t i n gi se s p e c i a l l ys u i t e dt ot h em e t a lc a s t i n gp r o c e s s ，b yd e e p l yu n d e r s t a n d i n g i i i 华中科技大学硕士学位论文 t h ep r o c a s t i n gb l o c k ，a n dm a k i n gb e s tu s eo f t h ei d e at h a t “o n c et h ed i ev o l u m es t r i p e d f r o mt h ed i eb l o c ks oc r e a t e dt h ef u l lf u n c t i o np r o f ep a r t ”，r e d e v e l o p e ds y s t e mc o u l dm e e t t h er e q u e s t so ft h es a n dc a s t i n gp r o c e s sp a r e m s ，a n ds u c c e s s f u l l ya c c o m p l i s h e dt h ed e s i g n 。ft h ec o m p l e xp a r t s ( r e q u i r ef o u rc o r e s ) m o u l d s ，s a n dc o r e sa n dc o r eb o x e s b e c a u s eo f t h ei n t e g r a t i o no fc a d c a m ，t h eq u a l i t yo ft h ep a t t e r n sw e r ei m p r o v e d ，a n d t h ep e r i o df o r d e s i g na n d m a n u f a c t u r ew a ss h o r t e n d u r i n gd i ed e s i g n ，w i t ht h ef u l lu s eo f t h ef u n c t i o no n t o p d o w n o fp r o n o t e b o o k ，t h i n k i n go fc a s t i n gd i ed e s i g nw a st r a n s f o r m e df r o m b o n o m - u p i n t ot o p d o w n b y t h e u n d e r s t a n d i n g o nt h e s o f t w a r e ，s o m e s u i t a b l e g e n e r a lp r i n c i p l e s w e r e s u m m a r i z e d m a s t e r i n gt h e s ep r i n c i p l e sc a r ls i m p l i f yt h ed e s i g nf l o wa n da c c e l e r a t et h e d e s i g n a f t e rs e v e r a lt i m e so fd e b u g g i n g ，t h e r e d e v e l o p e d c a ds y s t e mw a sp e r f e c t e d a c c o r d i n g t ot h ef a c t s n o wt h es y s t e ms h o w sm a r k e de f f e c ti ne n s u r i n gt h ep r e c i s i o no f m ed i ea n di m p r o v i n gt h e e f f i c i e n c y , a n dg r e a t l yi m p r o v e st h e s u c c e s s f u lr a t eo ft h e o d e t i m ed e b u g g i n g k e yw o r d s ：s a n dc a s t i n gd i e c a d t o p d o w ns t r i p p i n g i v 华中科技大学硕士学位论文 1 绪言 1 1c a d c a m 技术的发展概况 计算机辅助设计( c a d ) 始于二十世纪五十年代。美国麻省理工学院( m i t ) 在计算机上采用了阴极射线管做成的图象终端，并能被动地显示图形。随着出现了光 笔，由此开始了交互式计算机图形学的研究。 二十世纪六十年代逐步形成了c a d c a m 产业。1 9 6 2 年美国学者研究出了名为 s k e t c h t ) a d 的系统。这是一个交互图形系统，能在屏幕上进行图形的设计及修改。随 着计算机图形学研究的深入，开始出现c a d 这一术语。在最初的几年里，人们利用 c a d 解决数控机床以及飞机机身、汽车车身的空间曲线、自由曲面的设计问题。如： 1 9 6 4 年，美国通用汽车公司成功地研究了用于汽车玻璃型线设计的d a c 一1 系统；1 9 6 8 年，法国雷诺汽车公司开始利用c a d 进行汽车车身设计【“孙。特别是二十世纪六十 年代后期存储管式显示器以其低廉的价格进入市场，出现了所谓的交钥匙系统，并很 快形成了c a d c a m 产业。 二十世纪七十年代初期c a d 基础理论研究开始活跃起来。围绕着曲面的描述， 建立了不少理论。如：美国娄彻斯特( r o c h e s t e r ) 大学的p a d l i 几何构型系统( 1 9 7 2 年) 。英国剑桥大学研制成功的b u i l d 系统( 1 9 7 3 年) 等。二十世纪七十年代后期， 人们更多地注意机械零件c a d 研究，发展了许多几何构型系统，如 a p p l i c o n ，c o m p a c ，e u c l i d e 和r a 3 d 等系统。整个二十世纪七十年代是计算机图形学和 计算机绘图获得广泛应用的时代。但此时它们大多数还是1 6 位机上的三维线框系统 及二维绘图系统，还只能解决一些简单的产品设计问题。 进入二十世纪八十年代，随着计算机硬件性能的迅速提高和价格的降低，工业 界认识到了c a d c a m 新技术对生产的巨大促进作用。c a d c a m 作为一个产业日趋 成熟，并发展迅速。新的理论、新的计算法大量涌现。在软件方面做到了将设计与制 1 华中科技大学硕士学位论文 造的各种单个软件集成起来，使之不仅能够绘制工程图形，而且能进行三维造型、自 由曲面设计、有限元分析、机构及机器人分析与仿真、注塑模设计等各种工程应用。 其中尤为重要的是实体造型( s o l i dm o l d i n g ) 理论与系统的发展与应用。此时出现了 许多实体造型系统如g m s o l i d ( 通用汽车公司) 、s y n t h e v i s i o n - - b a s e d ( a p p l i c o n 公司) 及s o l i e d s i g n ( c o m p u t e r v i s i o nf i n ) 等等 3 】。 进入二十世纪九十年代，世界各地有了数以百计的商品化实体造型系统，技术 日益完善，功能越来越强，如c a t i a ( i b m ) 、e u c l i d ( m a t e rd a t a v i s i o n ) 等。二 十世纪八十年代初研究的特征造型是以实体模型为基础用具有一定设计或加工功能 的特征作为造型的基本单元建立零部件的几何模型。将参数化造型的思想用到特征造 型中来，用尺寸驱动或变量设计的方法定义特征并进行类似操作，这样就形成了参数 化特征造型【4 】。目前已研制出一些以特征为基础，具有尺寸驱动功能的参数化造型系 统，如美国p t c a 公司的p r o e n g i n e e r ，日本东芝公司的p i g m o d 等。 总之，c a d 技术的发展到今天已有四十多年的历史，其发展历程可大体分为五 个阶段1 5 j 。 第一阶段( 2 0 世纪5 0 年代) ：处于准备阶段，提出了c a d 的设想，为c a d 应 用进行硬件和软件方面的准备； 第二阶段( 2 0 世纪6 0 年代) ：研制试验阶段，研制成功了试验性c a d 系统，其 中有代表性的是1 9 6 3 年s u t h e r l a n d 发布s k e t c h p a d 系统。它开辟了交互式计算机图形 学和c a d 的新纪元，并使c a d 技术由军用逐步转向民用【6 1 ； 第三阶段( 2 0 世纪7 0 年代) ：技术商品化阶段，c a d 开始采用实用，从二维的 电路设计发展到三维的飞机、汽车等设计，如c v 、i b m 、c d c 等： 第四阶段( 2 0 世纪8 0 年代) 高速发展阶段，由于解决了三维几何造型、仿真等 问题，大中型系统向微型化发展，出现了基于i b mp c x t 、a t 微机的c a d 系； 第五阶段( 2 0 世纪9 0 年代) ：集成化阶段，向集成化、智能化【7 8 方向发展，特 华中科技大学硕士学位论文 殊造型2 】和参数化技术 1 3 - 1 7 】在c a d 系统中得以大量应用。 随着复杂曲面计算方法的发展，2 0 世纪6 0 年末c a d 技术进入模具领域| l 引，目 前适用于模具c a d 的商品化软件较多，国内外比较流行的是p r o e 和u g 。美国、日 本、德国等各大汽车公司，它们都结合本企业的特点，对c a d 软件作了二次开发， 建立了企业图形资料库，使c a d 软件“专业化”和“本地化”。c a d 软件在国内虽 然应用较广，但进行二次开发的较少，尤其是基于三维特征造型c a d 软件的二次开 发更是严重滞后，影响了c a d 技术的应用效果。 1 2 模具c a d c a m 技术的发展概况 随着工业技术的发展，产品对模具的要求越来越高。传统的模具设计与制造方 法不能适应工业产品及时更新换代和提高质量的要求。早在2 0 世纪6 0 年代初期，国 外一些飞机公司和汽车制造公司就开始了c a d c a m 的研制工作。c a d 的研究工作 开始于飞机机身和汽车车身的设计，各大公司都先后建立了自己的c a d c a m 系统， 并将其应用于模具的设计与制造。 摄初的模具c a d 技术和模具c a m 技术尽管使用了计算机代替了大量的手工劳 动，取得了很大成绩，但从整个模具生产过程看，却没有什么本质的变化，因为模具 c a d 仍然是从接受模具设计任务书开始，以绘制模具图完成整个过程；而模具c a m 也是从接受图纸开始，以完成模具制造而告终，整个模具生产过程与传统模具生产类 似，设计与制造环节间存在着严格的分界，二个环节间传递信息的最重要手段是图纸。 因此，在这一阶段，模具c a d 和模具c a m 只是“自动化孤岛”。 到了2 0 世纪7 0 年代，在模具c a d 和c a m 分别发展的基础之上，出现了模具 c a d c a m 技术，它是计算机技术综合应用中的一个新的飞跃。 模具c a d c a m 技术的主要特点是设计与制造过程的紧密联系设计制造一 体化，其实质是设计和制造的综合计算机化。在模具c a d c a m 系统中，产品的几 华中科技大学硕士学位论文 何模型是关系到产品的最基本的核心数据，并作为整个设计、计算、分析中最原始的 依据。通过模具c a d c a m 系统的计算、分析和设计而得到大量信息，可运用数据 库和网络技术将其存储和直接传送到生产铸造的各个有关环节，从而实现设计、制造 一体化。 由于计算机硬件和软件产品的功能达到了新的水平，性能价格比大大提高，使 得二十世纪八十年代成为c a d c a m 技术的蓬勃发展时期，二十世纪八十年代中后 期，先进工业国家普遍采用模具c a d c a m 技术，作为模具设计制造的中枢【2 p 2 5 1 。 进7 , - - 十世纪九十年代以来，随着软件、硬件价格的不断下降，专家系统和智 能化的不断提高，以及能满足零件复杂程度和精度要求的精密成型加工机床和工艺装 置的不断涌现，使模具制造工艺发展到精密机械的高度综合加工。 在我国，从1 9 8 5 年到1 9 9 0 年，进行了大规模的c a d 技术的开发与研究 ”。国 内自主版权的c a d 支撑软件也逐渐涌现，如清华大学和华中理工大学共同开发的高 华c a d 、中科院p i c a d 、浙江大学的i c c c 软件，其用户数量在逐渐增加【2 6 】。目前， 航天工业、汽车工业的c a d c a m 还是处于领先地位。 1 3 模具c a d c a m 的应用 由于模具c a d c a m 的应用，可以减轻设计人员劳动强度，缩短模具设计、制 造周期，大大提高生产率，改善模具质量，加快产品更新换代的步伐，增加产品在市 场上的竞争能力，具有十分明显的效益。美国国家生产率科学基础中心指出：“从根 本上提高生产率来看，c a d c a m 较之从电力以来的任何进展有着更大的潜力”。据 统计，采用c a d c a m 技术，可使产品设计与制造周期缩短5 1 0 倍，比传统的技 术经济指标提高l o 一1 2 。因此，重# 1 - 先进工业国家对c a d c a m 技术的开发与应 用都非常重视【2 7 1 。 在冷冲模领域，具有代表性的有美国通用汽车公司采用的覆盖件冷冲模 华中科技大学硕士学位论文 c a d c a m 系统。该系统的数据可供产品零件设计、模具设计和n c 编程共享。还有 日本g i h a r a 公司采用的汽车车身冲模c a d c a m 系统、丰田汽车公司采用的覆盖 件冷冲模c a d c a m 系统等。 在锻模领域，有英国牛津大学的冷锻模c a d c a m c a e 系统、美国贝特尔等单 位联合开发的c a d c a m 系统等。 在注塑模领域，有美国和意大利的塑料与计算机公司的t m c o n c e p t 专家系统， 澳大利亚的模具流动公司的m o l d f l o w 软件等【2 3 2 外。 在压铸模领域，有意大利的m a r i om a z z u c c o n 公司的e a g l e 和a p m 软件系统。 日立公司开发的用于设计压铸金属型c a d 系统等【2 32 ”。 在砂型铸造模具领域，具有代表性的有美国的j o n g c h e n o np a r k 和k u n w o ol e e 开发的c a d 系统，该系统可用来设计模具并绘制三维铸型的型腔图；英国的d u c t 系统 2 8 】，可用于模具的设计与制造。 我国模具c a d c a m 的研制始于二十世纪七十年代末，发展也很迅速。1 9 8 4 年， 华中理工大学与国营7 3 3 厂共同开发了我国的第一个模具c a d c a m 系统精冲 模c a d c a m 系统，并且相继开发出了冷冲模c a d c a m 系统和注塑模c a d c a m 系统，上海交通大学的冷冲模c a d c a m 系统，北京机电研究所的冲裁模c a d c a m 系统，吉林工业大学的辊锻模和锤锻模c a d c a m 系统等。 在应用方面，航天工业、汽车工业以及塑料模的c a d c a m 处于领先地位，一 汽冲模厂、东风汽车公司冲模厂等对模具c a d c a m 进行高投入，并在应用和二次 开发方面取得了一些成果。此外，黑龙江模具开发中心、上海乾通汽车配件厂、上海 汽车有色铸造总厂等单位在压铸模生产方面都取得可可喜成绩四3 0 】。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 铸造模具c a d c a m 的应用 铸造是一个极其复杂的工艺过程，其最终结果要受到诸多因素的影响。相对其 它模具而言，铸造模具要复杂得多。因此，在世界范围内，铸造模具c a d 的应用一 直落后于冲压、锻压、注塑模具c a d 。但是，世界许多有名的大公司，还是投入了 大量的人力物力进行铸造模具c a d c a m 系统的研究，建立起了自己的铸造模具 c a d c a m 系统，并应用铸造模具的设计与制造，取得了显著的成效。如美国的j h o n d e e r e 公司，使用所谓转换键的c a d c a m 系统，来进行模具设计与制造，该系统是 在电子计算机上用a d a n c 型序画出铸造模具立体装配图，然后再画出模样和型芯 图，编制由合成树脂块铣削模样和型芯复制的程序。这些程序可在加工中心上实现。 采取该系统进行设计和制造铸造模具，可以完全不用绘制图纸和其它纸张文件3 1 1 。 美国开发了以c a d c a m 来制作砂型铸造用模型的d u c t 系统，该系统可用于模具 设计与制造。d a i m l e rb e n z 和v o l k s w a g e 公司的铸造厂采用d u c tc a d c a m 系统多 年，取得了显著的经济效益【2 s 。3 捌。瑞典的v o l v o 公司的铸造车间利用c a d c a m 系 统来制造模样，先用自动化c a d 系统绘制模样图纸，而在模样j j n q - q u 心的c a m 系 统，则利用这些图纸编制加工程序。瑞典生产编织机的r i e t e r h o l d i n g a g 公司的 s c h n b e e r ts a l z e r 铸造车间采用了c a d c a m 系统来进行全套的自动化铸造模具的设 计和制造【3 3 1 。英国的w i s c o n s i np a t t e r 公司也应用c a d c a m 系统来进行模具的设计 与制造【3 4 1 。 在砂型铸造方面，国内铸造模具c a d c a m 的研究工作大多集中在大专院校和 科研院所以及大型厂矿；且大部分的研究方向都集中在各种软件的开发及算法方面而 对引进的c a d c a m 软件的应用与二次开发方面较少。如一汽、二汽、洛拖、广西 玉柴等厂矿或专业厂都曾对或正在对砂型铸造模具进行c a d c a m 的尝试 3 5 - 4 1 】。另 外，外资独资、合资公司及民营模具专业公司等都在进行铸模c a d c a m 的尝试。 华中科技大学硕士学位论文 绝大部分仍是采用通用型软件，来进行铸模c a d c a m 工作，特别对砂型铸造模具 来说更是如此。 1 5 课题的目的及意义 在当今科学技术迅猛发展和市场竞争日趋激烈的情况下，铸造行业将受到来自 行业内部和外部两个方面的挑战。因此，铸造企业越来越需要不断地开发新产品和缩 短研制新产品的时间，以便有效地应付市场的竞争。而在产品的开发周期中，模具的 设计和制造是熏要的制约因素。例如，在模具设计中，绘图工作量约为全部工作量的 6 0 。计算机辅助设计和制造( c a d c a m ) 技术正是解决模具设计与制造薄弱环节 的有效途径。因此，c a d c a m 技术在模具领域中得到了越来越广泛的应用。 c a d c a m 技术具有自动化、高精度、高效率等明显优点，可以将设计者的活 动从制图板上转移到屏幕上去，使设计人员从繁重的计算和绘图工作中解放出来，节 约时间，提高生产效率，大幅度地降低成本，同时又能保证较高的质量。它一进入模 具设计与制造领域，就成为一种先进的、新型的、实用的模具设计与制造方法f 2 刀。 二十世纪八十年代以来，国外一些公司先后建立了自己的c a d c a m 系统，将其应 用于铸造模具的设计与制造。在我国，模具c a d c a m 的开发应用始于2 0 世纪7 0 年代末，发展也很迅速。特别是在精冲模、冷冲模、注塑模、压铸模等c a d c a m 系统方面的研究和使用方面取得了很大的成绩防3 0 1 。但在砂型铸模方面，对引进的 c a d c a m 软件的应用与二次开发方面都显得不足。企业经常投入大量资金引进硬件 和软件，但经常难以受到预期的成效。其原因往往不是因为软、硬件的投入，而是因 为不注意对引进软件的消化吸收和二次开发。其主要表现在以下几个方面： 1 ) 低水平重复开发。不但造成人力、物力、财力上的浪费，而且不利于培养高 水平的人才。目前，世界上著名的软件无- - t u # b 地借助了别人的研究成果，以此来发 展自己的软件系统。而国内所开发的c a d c a m 软件还比较落后，落后于国际先进 华中科技大学硕士学位论文 水平。 2 ) 重科研开发、轻推广应用。往往是成果一旦鉴定，项目就终止。因此，虽开 发了一些高水平的c a d c a m 系统，但商品化的较少。 3 ) 盲目引进。对引进的模具c a d c a m 软件不注意消化吸收和二次开发，导致 使用效率低下，这种情况多发生在企业内部。 “砂型铸造模具c a d 技术的研究与应用”课题，是来源于东风汽车公司铸造二 厂的科研课题。该单位是亚洲最大的球墨铸铁厂，主要承担东风汽车底盘铸件、神龙 轿车及东风本田轿车部分铸件的生产任务，并从事日本、美国等国家外贸铸件的出口 任务。九十年代面临着汽车工业的激烈竞争，东风汽车公司面临着国际、国内两个市 场，要实现战略延伸，不但要确保国内市场的优势地位，而且要进入国际市场。面对 国内外用户对产品质量日益增高的要求，原材料和能源成本不断上升的局面，研制和 开发该厂铸造模具c a d 显得尤为重要。 目前，东风汽车公司铸造二厂，在c a d 方面，仅仅局限于使用二维的通用机械 c a d 画图。另外，随着技术人员的外流，模具设计队伍的能力远远不能满足产品开 发的需要；再者，在铸造模具c a m 方面，该厂已初具规模，由于三维铸模c a d 的 空白，在相当程度上，限制了c a m 能力的发挥。因此，该厂的铸模c a d 进行开发 和应用，具有十分重要的意义。 “砂型铸造模具c a d 技术的研究与应用”是东风汽车公司铸造二厂高质量、高 效率地设计和制造模具，开拓国内、国际市场的重要课题。针对砂型铸造的实际，达 到能够在已有零件图纸的前提下，实现与c a m 的联接，即通过零件图纸的信息描述 在系统中建立起产品的几何模型，经过产品工艺设计、模具结构设计，形成模具实体， 直接提供信息给数控加工。 华中科技大学硕士学位论文 1 6 本课题的任务 1 ) 根据国内技术现状，引进c a d 软件，进行消化吸收，实现铸造二厂铸模设计理 念的变革。 2 1 根据铸造二厂的实际情况，对系统进行二次开发。 3 ) 完成有代表性的铸件模具c a d 。 华中科技大学硕士学位论文 2c a d c a m 系统软件二次开发的总体设计 2 1 工作背景 东风汽车公司铸造二厂是一个现代化的大型铸造生产厂家。有八条造型线，5 0 多台各种型号的制芯设备，涉及铸件五百多个品种。有新品开发和模具设计人员1 6 名，设计手段满足不了高质量的模具要求，仍采用二维软件绘图，无法实现与c a m 的联接。铸造二厂的模具基本上都由模具分厂制造，数控机床的开动率很低，铸模精 度难以保证，部分要求较高的产品需要到外面的专业模具厂设计和制造；另外，造成 了模具制造周期较长。其次，一些客户所要采购的产品图，是以三维的电子文件形式 提供给我们的。 铸造二厂现在使用的c a d 绘图技术是采用二维c a d 绘图软件，利用计算机绘 制二维工程图，从而代替了人工繁重的绘图工作，也大大提高了设计效率。但是，随 着产品更新换代的加快，对结构变化较大的新产品的概念设计( 如新产品的模具设计) 及对产品进行优化分析、装配模拟( 如模具的装配检查) 、干涉检查等工作效果并不 理想，有些工作甚至难以完成。若采用了基于实体的三维建模技术，不仅能将设计者 的构想和初步设想用生动形象的立体模型在屏幕上显示出来，并且易于对实体零件进 行三维修改，对产品试装和干涉检查。当实体构建完成之后，可将三维模型转化为二 维工程图，然后由绘图设备输出图纸。同时，在三维实体模型的基础上，还可进行优 化设计。随着c a d c a m 体化技术在产品设计制造中的应用，三维实体模型可作 为产品模型，若加上产品的其它特征，可直接生成n c 代码。所有这些，对于提高产 品质量、缩短产品设计周期、实现产品设计制造一体化，都是十分重要的。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 2 现有c a d c a m 系统的比较 目前，c a d c a m 系统大致可分为主机系统、小型机成套系统、工作站系统和微 机系统等四种类型。主机系统一般是以大中型计算机为核心的主机系统，主要应用于 大型模具厂家，所需投资较大。小型机成套系统的软、硬件配置具有较强的专业性， 主要应用于大中型模具生产厂家。工作站系统是集计算、图形图象显示、多窗口、 多进程管理为一体的计算机设备，具有较高的可扩充性，不必一次性集中投资。立足 于微机系统上的c a d c a m 由于其价格低廉，对运行环境要求低，学习使用容易， 特别适用于中小型模具制造企业。 对模具c a d c a m 系统，为了更好地消化吸收，最好采用循序渐进的方式，先 引进微机系统，待取得了使用经验，并培养了人才之后，再引进工作站系统【4 24 3 1 。 因此，根据我厂的实际情况，选用小型工作站系统和微机系统比较合适。 在软件平台选择上，要充分考虑其先进性和适用性。目前国内已有不少厂家引进 了许多外国著名的c a d c a m 软件，但由于二次开发能力弱，影响了这些软件所能 发挥的效益。针对现在比较流行的c a d c a m 软件系统进行对比，确定软件平台的 选择。 目前市场上比较有影响的有 4 4 1 ：p r o e n g i n e e r 、i - d e a s 、u g i i 、e u c l i d i s 、 c a d d s 5 、a u t o c a d ，这六大软件占全世界机械c a d 软件市场的7 0 以上。 国内上市软件有：清华大学的g e m s 3 0 、浙江大学的m c a d s 、华中理工大学的 注塑模c a d c a e c a m 、上海交通大学的冲模c a d 系统等，其用户数量也在逐渐增 加。国内软件从总体水平看，其水平、商品化程度和可靠性方面与国外同类软件相比 还有一定差距，这是在发展过程中不可避免的。 通过用户调查发现，美国p t c 公司的p r o e n g i n e e r ，进入中国市场截止1 9 9 5 年底， 两年多的时间，就发展用户2 0 0 多个，安装套数6 0 0 余套。p r o e 的全关联的、单一 1 华中科技大学硕士学位论文 的数据结构，具有在系统中做动态修改的功能，能使设计、制造的各阶段的并行工作。 因而，被称为新一代机械设计自动化系统。其次，p r o e 是一个以功能为基础的参数 化实体造型系统，用户可以使用智能化的功能特征进行复杂形状零件的三维造型和参 数化设计，并可同时获得二维参数化图形，特别适用于系列产品的变量设计。第三， p r o e 具有强大的装配功能，用户只需简单地告诉系统“配合”、“插入”或“对齐”， 系统即可按照用户的设计意图完成产品的装配。此外，p r o e 的用户界面层次清晰、 简洁、使用方便，可以在所有主要的u n i x 和w i n d o w sn t 上运行。p r o e 的客户 遍及航空航天、汽车、工程机械、计算机、通讯、电子、机电、模具设计等领域 4 5 1 。 根据铸造二厂的产品结构，结合砂型模具设计和制造的特点，选择p r o e 软件作 为软件开发平台。本课题选择了p r o e 软件的部分模块，以其进行砂型铸造模具设计 的开发和研究。并将通过引进p r o e 软件，采用计算机辅助设计，使设计过程程序化 和自动化，模拟开模过程，采用交互式设计方法，发挥人和计算机的各自优势，优化 模具设计，并给数控加工提供数字模型，实现c a d c a m 的集成，提高模具质量， 降低模具制造周期【4 6 】。 2 3 p r o e 系统软件简介 p r o e 软件是美国p t c 公司( p a r a m e t r i c t e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ，参数技术公司) 的产品。该产品利用了单一数据库、参数化、基于特征、全相关及工程数据再利用 等概念，因此，它能将设计至生产的过程集成在一起，让所有的用户同时进行同一产 品的设计、制造工作，即所谓的并行工程。耳前它共有7 0 多个专用模块，为用户提 供有全套解决方案。 2 3 1 p r o , r e 系统软件的特点 总览p r o e 具有以下几个特点4 7 】： 1 ) 全相关性：p r o e 的所有模式都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中 华中科技大学硕士学位论文 某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档， 包括装配体、设计图纸，以及制造数据。 2 1 基本特征的参数化造型：p r o e 使用用户熟知的特征作为产品几何模型的构 造要素。它们包含了周围环境的一些特征，并可以按预先设置很容易进行修 改。例如：设计特征有壳、圆角、倒角等。通过给这些特征设置参数( 不但 包括几何尺寸，还包括非几何属性) ，然后修改参数很容易地进行多次设计 迭代，实现产品开发。 3 ) 数据管理：p r o e 数据管理模块的开发研制，是专门用于管理并行工程中同 时进行的各项工作，由于使用了p r o e 独特的全相关功能，因而使之成为可 能。 4 ) 装配管理：p r o e 的基本结构能够使你利用一些直观的命令。例如：“啮合”、 “插入”、“对齐”等很容易地把零件装配起来，同时，保持设计意图。高级 功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限 制。 5 ) 工程数据重用：使用标准的、已经证明了的设计作为新产品的开发起点，可 以获得巨大的生产效率并且降低成本。这种方法称为工程数据重用( e d r ) ， 它能够使整个产品家族快速地创建起来。p r o e 的基本结构使e d r 易于实现。 2 3 2p r o e n g i n e e r 的组成 p r o e 现有7 0 多个模块，按用途来区分，可划为五大类模块：工业设计、机械 设计、功能仿真、制造、数据管理和数据交换模块等。根据砂型模具设计需要，从中 购置了部分模块。以下，对购置的其中几个主要模块作一简单介绍： 1 ) p r o e n g n e e r ：包括实体建模核心，提供最精确的产品几何表示，质量特性 和有效的干涉检查。支持参数化的、基于特征的实体建模。能够在所有的工 程学科之间建立充分的联系，从而使产品开发过程中某处进行的修改立即传 华中科技大学硕士学位论文 播到整个设计中。 2 ) p r o f e a t u r e ：为生成复杂特征提供了有力的工具，也为通过各种复制工具 更有效地使用所有的特征、为生成和存贮用户化特征提供有力工具。允许创 建高级特征例如：高级的扫描和轮廓混合。它也为特征管理提供工具， 进而使用户定义的特征用户化，一个用户定义特征( u d f ) 只需生成一次， 它可作为一个单个智能特征而被一再地使用，以快速简便地生成复杂、标准 化和参数化的模型，从而提高产品质量和生产率。 3 ) p r o s u r f a c e ：能够使设计人员直接对p r o e 的任一实体零件的几何外形和 自由形式的曲面进行有效地开发，或者开发整个的曲面模型。所有 p r o s u 认c e 的几何体都是参数化和智能化的，因此，使多个设计任务的 循环和设置可以得到快速而简单的分析。当一个曲面变动时，所有其它受变 动影响的p r o e n g i n e e r 零件和装配体都将相应地变动。p r o s u r f a c e 的 高级建模功能p r o e n g i n e e r 的设计柔性，使几何化的模型从设计到制造 的整个过程都能被快速优化，因此减少了产品化的时间，提高了产品质量。 4 ) p r o a s s e m b l y ：构造和管理大型复杂的模型，这些模型包含的零件数量不 受限制。装配体可以按不同的详细程度来表示，从而可以对某些特定部位或 者子装配体进行研究，同时在整个产品设计中使设计意图保持不变。附加的 功能还能使用户很容易地创建一组设计，有效地支持工程数据重用( e d r ) 。 5 ) p r o d e t a i l 具有广泛的标注尺寸、公差和产生视图的功能，因此扩大了 p r o e 生成设计图纸的功能。直接对产品模型进行操作，就可生成设计图纸， 这些图纸遵守a n s i 、i s o 、d i n 和j i s 标准。 6 ) p r o c a s t i n g ：能够生成当今制造工业需要的高质量、小公差的模具和铸件。 在产品开发过程早期允许对加工设计进行多次迭代，来优化铸件的几何外 形、模具空腔和总体。也就是说，它可以让铸造工程师进行铸造工艺分析， 1 4 华中科技大学硕士学位论文 评价模具结构，是生成模具型腔不可缺少的模块，也是本课题的中心所在。 7 、p r o m o l d e s i g n ：为模具设计师和塑料制品工程师提供方便的工具来建立 几何外形、产生模具的模型和腔体、产生精加工的塑料零件和完整的模具装 配文件。 8 ) p r o d e v e l o p ：它是软件开发的工具。通过修改用户界面，自动匹配最