（材料加工工程专业论文）实用化浇注系统设计与绘图模块的研发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘 t 辱乙仁 要 铸造工艺c a d 和工艺优化c a e 是计算机在铸造领域应用的两个重要方面， 工艺设计是工艺优化的前提，工艺优化是工艺设计的保证。长期以来，人们将 研究的热点放在铸造工艺优化c a e 上，导致了目前铸造工艺c a d 发展落后于 工艺优化c a e 的局面。厂家迫切希望有商品化的铸造工艺c a d 软件出现，本 课题正是基于这个背景展开了研究和开发。 作者分析了国内外铸造工艺c a d 的发展现状和趋势，紧密地结合实际进行 了调查研究，取得了丰富的现场资料，根据现有的条件和工艺设计流程，分别 以a u t o c a d 和w i n d o w s2 0 0 0 作为支撑软件和系统平台，以v i s u a lc + + 6 0 和 o b j e c t a r x 为开发工具，开发了实用化的铸造工艺c a d 软件。 本论文分两大部分：浇注系统设计和浇注系统绘图。设计部分建立了开放性 的工程数据库，对铸造工艺设计中涉及到的重要参数提供了多种计算方法。绘 图部分采用了动态拖动绘图、参数化绘图、尺寸驱动等关键技术，能快速方便 地在布置图上绘制出浇注系统。本论文还在铸造工艺c a d 软件系统集成方面做 了一些工作，包括a r x 的自动装载、数据源的自动添加、控件的自动注册和菜 单的装载等。 本研究实际应用效果较好，设计的结果和实际情况比较接近，对生产有一定 的指导意义。研发过程注重和实际紧密联系，开发出来的软件已经在工厂使用 起来，真正达到了实用化。软件操作简单，向商品化迈出了重要的一步。j 一厂 - 关键词： 铸造工号廷a 。 浇注系统设计参数化绘图尺寸驱动 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e a p p l i c a t i o no fc o m p u t e ri nf o u n d r yf i e l dc o n c e r n ss e v e r a la s p e c t s ，c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ( c a d ) f o r p r o c e s sd e s i g na n dc o m p u t e r a i d e d e n g i n e e r i n g ( c a e ) f o r p r o c e s so p t i m i z i n ga r ei m p o r t a n tt w o c a d i st h ep r e c o n d i t i o no fc a ea n dc a ec a l l p r e d i c tw h e t h e r t h ep r o c e s sd e s i g n e db yc a di sc o r r e c to rn o t f o ral o n gt i m e ，t h e h o ts p o to fr e s e a r c hi sc a e c o m p a r e dt oc a e ，c a di sd r o p p e d b e h i n d h o w e v e r ， f o u n d r ye n t e r p r i s e su r g e n t l yn e e dm e r c h a n d i s e dc a d s o f t w a r eh e l pt h e mi np r o c e s s d e s i g n t h a ti st h eb a c k g r o u n d o ft h i sr e s e a r c h a f t e ra n a l y z i n gt h ea c t u a l i t ya n dt r e n da b o u tc a s t i n gp r o c e s sc a d ，s u r v e yw o r k i sc a r r i e do u ta n dr i c hm a t e r i a l sa r eo b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h e p r e s e n ts i t u a t i o na n d a c t u a lf l o wo fc a s t i n gp r o c e s sd e s i g n ，t h ea u t h o rs e l e c t sa u t o c a da s s u p p o r t i n g s o f t w a r e ，w i n d o w s2 0 0 0a ss y s t e mp l a t f o r m ，a n dh a sd e v e l o p e dac a d s y s t e mf o r c a s t i n gp r o c e s sb y v i s u a lc + + a n d o b j e c ta r x g a t i n gs y s t e md e s i g na n dg a t i n gs y s t e md r a w i n ga r ed i s c u s s e di nt h i sr e s e a r c h i n d e s i g np a r t ，s e v e r a le x p e r i m e n t a le q u a t i o n sa r ep r o v i d e df o rc a l c u l a t i n go fi m p o r t a n t p a r a m e t e r so fc a s t i n gp r o c e s s ，a n do p e ne n g i n e e r i n gd a t a b a s ei sc r e a t e d i nd r a w i n g p a r t ，s o m ek e yt e c h n i q u e ss u c ha sd y n a m i cd r a g - d r o pd r a w i n g ，p a r a m e t r i cd r a w i n g a n dd i m e n s i o n d r i v e d d r a w i n g a r e a d o p t e d s o m ei n t e g r a t i o nw o r ki n c a s t i n g p r o c e s sc a ds o f t w a r eh a sa l s ob e e nd o n e ，i n c l u d i n gd y n a m i c a l l yl o a d i n ga r x ， a u t o m a t i c a l l ya d d i n gd a t as o u r c e ，r e g i s t e r i n go c xa n dl o a d i n gm e n u g o o de f f e c t sh a v eb e e na c h i e v e d i n a p p l i c a t i o n o ft h i sr e s e a r c h t h er e s u l t d e s i g n e db yt h i sm o d u l ei sc l o s et ot h er e a ls i t u a t i o na n dc a ni n s t r u c tp r o d u c t i o n t h es o f t w a r eh a sb e e nu s e di naf a c t o r ya n di t a c c e l e r a t e sc a s t i n gp r o c e s sc a d s o f t w a r et ob em e r c h a n d i s e d k e y w o r d s ： c a s t i n gp r o c e s sc a d p a r a m e t r i cd r a w i n g g a t i n gs y s t e md e s i g n d i m e n s i o n d r i v e d l l 华中科技大学硕士学位论文 1 1 选题的背景和意义 1绪论 铸造，是历史悠久的传统产业，在国民经济中有着举足轻重的地位。先进制 造技术的发展，要求铸件的生产向轻型化、准确化、强韧化、复合化及无环境 污染方向发展。2 1 世纪也是使用高性能材料的世纪，是呼唤绿色环保材料的时 代。我国成形加工工业虽历史悠久，但与国外相比仍存在较大差距，它严重制 约着国民经济的发展。因此，如何适应市场经济发展的需要，迎接全球化竞争 的挑战，成了摆在我国铸造行业面前的重要课题。要应对激烈的市场竞争，不 仅要求产品有好的质量和低成本，还要求企业能快捷地对市场变化做出反应， 这就需要有强大的工艺设计能力，并能依靠先进的信息技术快速廉价地推出产 品，在市场竞争中占得先机。 传统铸造生产中工艺设计流程大致为：工艺设计师首先阅读零件图，根据零 件的特征、工艺设计手册及设计人员的自身经验制定铸造工艺，并将其以图纸 和文字的形式详细表现出来，然后把图纸移交其它部门完成剩余工作。试制件 出来后，经过检测，如果发现铸件质量不符合要求，则返回到工艺设计部门修 改工艺，再试制，直到合格为止。这样就浪费了大量的人力、物力和财力。显 然一个这样设计工艺的企业在如今的市场中是毫无竞争力可言的。 随着计算机应用技术的飞速发展，计算机的应用领域不断扩大，目前计算 机在很多行业，如机械、建筑、电子等等中的应用越来越广泛，越来越深入。 在铸造生产领域，计算机辅助工艺设计及绘图( 铸造工艺c a d ) 和凝固、充型、 应力、组织的数值模拟( 铸造工艺c a e ) 也有了长足的进展，近年来铸造信息管 理也成了一个研究热点。铸造工艺的复杂性、标准的多样性以及各厂自身情况 的不同，给工艺c a d 软件的开发带来了很大的困难，因此国内在铸造工艺c a d 方面研究相对较少，进展相对缓慢，还没有达到实际使用的标准 2 , 3 1 。虽然很多 厂家使用了一些通用的绘图设计软件，如a u t o c a d 等，使技术人员初步摆脱 了丁字尺和图板。然而，对于铸造工艺的设计，通用性的a u t o c a d 等软件在 这里毕竟只是一种借用，大量专业性的表现方式和专业性的图形数据仍然要靠 手工操作完成，工艺设计的效率仍然比较低。因此广大技术人员迫切希望有专 华中科技大学硕士学位论文 业化的铸造工艺辅助设计软件来帮助他们减轻设计中繁杂的查手册工作和枯燥 的绘图工作。企业也急需类似专业软件来缩短工艺制定周期，快捷地对市场需 求做出反应。例如：山西榆次液压件集团铸造厂和华中科技大学材料学院凝固 模拟课题组开展了友好合作，其中一个项目就是铸造工艺c a d ，这也是本课题 的真正来源。 基于以上背景，本课题主要研究开发了铸造工艺c a d 系统中的浇注系统设 计与绘图模块。浇注系统在铸造工艺设计中占据重要地位，它直接影响铸件的 质量，因此浇注系统模块也是整个铸造工艺c a d 软件中一个重要的模块。本 模块开发的目的在于促成铸造工艺c a d 软件在工厂里实际应用，力求达到商 品化，为工艺设计人员提供理论支持和快速绘图。因此，本研究具有较高的理 论意义和重要的实用价值。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 铸造工艺c a d 的概念及其研究范围 铸造工艺c a d 是指c a d 技术在铸件生产工艺中的具体应用。一般铸件的成 形过程，自始至终处在约5 0 0 以上的高温状态，而且影响因素繁多，工艺设计 方案不仅随金属类型、合金成份、造型材料、生产方式、熔炼方法、浇注过程 的不同而不同，同时也随操作技术、生产场地及人员组成不同而变动，而且每 一个铸件同时可以有多种不同的工艺方案，所以一个铸件的成熟工艺不仅需要 有一定的生产经验，往往需要多次生产的反复试验才能确定。因此c a d 在铸造 工艺中的应用更有着非同寻常的意义。 当前开展的铸造工艺c a d 的研究范围从广义上讲主要包括两个部分：凝固 过程数值模拟和铸造工艺c a d ，其中前者现在通常被称作铸造工艺优化c a e 。 凝固过程数值模拟包括凝固过程的温度场、流场、微观组织、应力场的数值模 拟，研究的目的就是对铸件生产过程中可能产生的缩孔、缩松、微观组织、残 余应力等进行预测，对缺陷位置及数值进行全面分析判断，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 】。 铸造工艺c a d 软件的开发设计，不仅要求系统能够进行复杂的二维绘图、 尺寸标注、填写标题栏和对图形、文字的编辑功能。同时要具备完善的工艺设 2 华中科技大学硕士学位论文 计数据库和参数化的图形库，以及对设计过程中生成的各种文字、图形的收集 整理功能，以供设计完成后的相关数据、图样分类管理和补充、扩大、丰富数 据库资源。铸造工艺c a d 是指从零件图输入到铸件工艺图输出之间应完成的全 部工艺设计工作。主要包括铸件的分型面、加工余量、拔模斜度、芯头、浇注 系统、冒口及各种工艺符号的设计。其中最关键的设计是浇冒系统的设计，随 着各种金属材料的凝固特性不同，其浇冒系统的设计各异1 6 】。 1 2 2 国外研究概况 对国外有关计算机在铸造领域应用的参考文献作综合分析，可以发现凝固过 程的数值模拟( 铸造工艺c a e ) 一直是人们研究的热点，而铸造工艺c a d 的研究 相对较少。 铸造凝固过程c a e 研究起步于6 0 年代【7 引，在这期间提出了多种计算方法 9 - 1 3 1 ；在7 0 年代取得了一定突破；8 0 年代形成了世界性的研究热潮，并在1 9 8 9 年推出了第一个商品化软件【1 4 】；进入9 0 年代之后，软件功能逐渐增多，实际应 用效果日趋理想。 铸造工艺c a d 的研究萌芽于8 0 年代初，1 9 8 3 年，在国际第5 0 届铸造会议 上，美国密执安大学的r d p e h l k e 教授和佐治亚工学院的j t b e r r y 教授在报 告中首次提出了铸造工艺c a d 的概念，并把它归结为计算机模拟( c o m p u t e r s i m u l a t i o n ) 、几何造型( g e o m e t r i c a lm o d e l i n g ) 和数据库( d a t a b a s e ) 的有机联结。 之后，各国都把目标转向了系统地开展综合性铸造工艺c a d 的研究，竞相组织 力量联合攻关。虽然研究成果很多i t s - t 7 1 ，但是比较成熟的、面向铸造的软件还 很少。其中d u c t 5 是一个比较成熟的c a d c a m 集成软件，可以设计分型面、 拔模斜度等铸造工艺，还具有设计模样、模板和芯盒的功能1 1 8 , 1 9 1 ；英国f o s e c o 公司的f e e d e r e a l e 软件具有采用模数法设计冒口的功能【2 0 1 。这些软件实际应用 效果都不太理想。 进入2 0 世纪9 0 年代，由于众多功能强大的三维造型软件的出现，例如u g 、 p r o e 等，铸造工艺设计人员开始直接借助这些三维软件完成铸造工艺设计。 1 2 3 国内研究概况 华中科技大学硕士学位论文 和国外相比，我国的铸造工艺c a d c a e 研究起步较晚1 2 ”，并且研究工作同 样侧重于凝固过程的数值模拟( 铸造工艺c a e ) 。 在“七五”期间，国家重点攻关项目中安排了“大型铸钢件铸造工艺c a d 研究”课题【2 2 1 ，选择了五类典型铸件为对象：轧机机架类、轮形类、叶片类、 缸体类和阀体类。经过研究人员四年的努力，建立了轮形件、机架类铸件内外 冷铁和叶片类、缸体类、阀体类铸件外冷铁及其铸造工艺c a d 七个专用软件； 建立了缸体类铸件工艺图形库、通用工艺参数数据库和热物性参数数据库：还 建立了浇注系统、冒口系统通用工艺c a d t 2 3 , 2 4 。这些软件普遍存在的不足之处 就是通用性差。 2 0 世纪9 0 年代中后期，铸造工艺c a e 的研究已经非常成熟。其中清华大 学在学术上取得了较多成就；华中科技大学走实用化道路，推出了商品化软件 “华铸c a e ”，在实际应用中取得了丰硕的成果 2 5 1 。虽然人们在铸造工艺c a d 方面也做了大量的研究工作，但始终没有商品化的软件问世。国内曾经出现过 一种基于图纸自动扫描输入的铸造工艺c a d 系统【2 6 1 ，但是在图纸完全电子化的 将来，现在的工艺蓝图将不复存在，该系统是没有用武之地的，加上此研究本 身存在矢量化等技术难点，该系统也仅仅是昙花一现。 近些年来，铸造工艺c a d 方面的研究很多，思路也不尽相同，有从事通用 化开发的，也有为具体厂家定制的。华中科技大学以实用化为原则，紧密结合 工厂实际情况，经过数年的研究和开发，推出的铸造工艺c a d 系统( 华铸c a d ) 基本达到了实用化。 1 2 4 铸造工艺c a d 的发展趋势 总体上来讲，铸造工艺c a d 的研究起步要晚于铸造工艺c a e ，并且到目前 为止，c a e 在很多方面的研究已经成熟，软件已达到商品化程度，为工厂、企 业解决了许多实际问题，而c a d 则存在很多不足，实际应用情况也不理想，这 与铸造工艺本身的复杂性等原因有很大关系。科研最终要为生产服务，既然企 业有这样的需求，所以铸造工艺c a d 软件的研究和开发依然要开展下去。以下 几点可以概括铸造工艺c a d 的发展趋势。 l 、c a d 软件的研究开发逐渐从二维向三维转换。 4 ii!；li，ttl 华中科技大学硕士学位论文 至今为止，大多数铸造工艺c a d 软件都是二维的，而其中又以基于a u t o c a d 进行二次开发的居多。这是因为绝大多数厂家目前都是在二维图纸上完成所有 工艺的，即使使用了电子图纸，也是a u t o c a d 等软件上的二维图形。但是铸造 工艺c a e 软件使用的一个前提是进行三维造型，这样就在二维的c a d 和三维 的c a e 之间出现了一个弊端：即用c a d 软件设计的二维工艺不能直接用c a e 软件优化，需要重新用三维造型软件，如p r o e ，u g ，s o l i d w o r k s 等进行三维 绘图，c a d 软件设计出来的二维工艺的用处仅限于存档查阅。所以现在一个趋 势就是直接基于三维软件进行二次开发，设计完工艺后直接用c a e 软件进行优 化，并且三维比二维更加直观，其优越性不言而喻。目前华中科技大学、华北 工学院等高校在这方面已经做了很多工作。 2 、通用化、标准化及开放性 c a d 系统是由不同的硬件和软件组成的，系统之间需要相互交换数据，软 件需要具备可移植性，硬件需要可替代性，新旧系统之间需要有兼容性等等， 这就提出了通用化和标准化的问题。通用化和标准化将是一个持续进行的过程， 作用于硬件和软件两个方面，贯穿于软件开发的全过程中，它可以避免低水平 的重复，并不断提高软件开发的水平，使开发者和使用者都获得极大的效益。 制约铸造工艺c a d 软件商品化的一个重要原因就是该软件的通用性差。这 不仅和软件的开发者有关，还和工厂的实际情况有关。由于众多工厂都有自己 的一套标准( 多年生产经验的总结) ，使得软件开发的难度增大，所以开发者应 该深入实际，提炼出众多工厂共性的东西，并将其开发成通用化的模块。只有 这样，软件才能推广，对开发者而言，还便于软件的维护、升级等。 对于通用性很差的部分，还可以通过提高系统的开放性来解决。给用户一定 权限，允许用户在一定范围内对数据库进行添加、删除及修改，这样就可以在 通用化的平台上加入自己专用的内容。 3 、专用化 目前，在a u t o c a d 等国外通用c a d 软件平台上出现了众多面向各行业的二 次开发软件，典型的有国外的g e n i u s c a d ，国内的大恒c a d 等。在国内外也 出现了不少主要适用于机械行业的c a d 软件，这些软件主要提供绘图、标注、 图形库、输出等功能。这样就减少了用户自己进行二次开发的重复劳动，为用 华中科技大学硕士学位论文 户提供了方便。而独立开发的专用的c a d 软件，可以针对不同行业设计的特点， 开发更多实用的功能。 4 、集成化和并行工程【6 1 并行工程是一种新型生产模式，它要求在新的生产组织原理指导下，将c a d 、 c a p p 、c a e 、c a m 有机的集成起来，建立一种新的设计、规划、生产、分析 计算及技术管理的一体化的模式，从产品的概念设计就开始考虑集成。其中的 关键技术包括：计算机图形处理技术、图形输入和工程图样识别技术、产品造 型技术、工程数据管理技术及数据交换技术等。而这一系列技术的实施，只有 采用并行工程才能更有效。并行工程是现代制造业组织产品设计和生产的一种 哲理。它是对产品及其相关过程( 包括制造过程和支持过程) 进行并行一体化设计 的一种系统化的工作模式，这种模式力图使开发者从一开始就考虑到产品的全 部生命周期( 从概念形成到产品报废) 中所有因素，包括质量、成本、进度与用户 需求。 铸造工艺c a d 与铸造工艺c a e 的集成，可以实现虚拟铸造【2 7 1 ，大大节约了 成本，缩短了产品生产周期。铸造工装c a d 与c a m 的集成，加快了模样、模 板、芯盒及砂箱的设计与制造。 5 、参数化绘图2 8 4 5 1 、尺寸驱动3 引、特征造型【3 6 - 4 0 l 所谓参数化绘图，就是将图形的尺寸和一定的设计条件相关联，即将图形的 尺寸看成是“设计条件”的函数。当设计条件发生变化时，图形尺寸会随之得 到相应更新。参数化绘图是相对于交互式绘图而言的。早期的c a d 系统，只提 供交互式绘图功能，交互式绘图只能是手工式绘图的简单代替。只有参数化绘 图，才能充分发挥c a d 准确、快速的特点。 尺寸驱动是指先借助应用程序构造零件的草图，然后修改草图中的某个实 体，为该实体赋予新的尺寸值，整个图形会按新的尺寸全部自动更新。 特征( f e a t u r e ) 在这里作为一个专业术语，兼有形状和功能两种属性，它包 括产品的特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公 差要求。特征造型技术使得产品的设计工作在更高的层次上进行，设计人员的 操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素。特征的引用直接体 现了设计意图，使得建立的产品模型更容易为人理解和组织生产，为开发新一 6 华中科技大学硕士学位论文 代的基于统一产品信息模型的c a d c a p p c a m 集成系统创造了前提。 1 3 论文的主要研究内容和技术路线 本研究属于铸造工艺计算机辅助设计，是学科研究的热点，是用现代化的信 息技术带动传统产业的有效途径之一。论文在已有研究工作的基础上，走实用 化、商品化、定制的路线，利用a u t o d e s k 公司提供的a u t o c a d 的二次开发平 台0 b j e c t a r x 及微软提供的v i s u a lc + + 编程工具，开发了铸造工艺c a d 系统中 的浇注系统设计及绘图模块。 论文的主要研究内容有： 1 、开发了浇注系统设计模块。 2 、开发了浇注系统绘图模块。 3 、对铸造工艺c a d 的三个模块进行了集成。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 前言 2 浇注系统的设计及绘图 浇注系统是铸型中将液态金属导入型腔的通道之总称。铸件的浇注系统一般 由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道组成。浇注系统设计得正确与否对铸件品 质影响很大，据统计，铸件废品中约有3 0 是因浇注系统不当引起的i “。因此， 浇注系统设计在整个铸造工艺中占据重要地位，浇注系统模块在铸造工艺c a d 软件中也是最重要的模块之一。科研工作者们已经推导出浇注系统设计的水力 学公式，但是还要和实际情况结合并加以修正。仅仅解决理论设计还不够，还 要方便快捷地绘制浇注系统工艺图，这样的浇注系统模块才够完整。 2 2 浇注系统设计的基本原则 浇注系统设计一般应遵循以下原则： l 、所确定内浇道的位置、方向和个数应符合铸件的凝固原则或补缩方法。 2 、液态金属在规定的时间内充满型腔，在浇注系统内流动时其温度应不致 降低太多。 3 、提供必要的充型压头，保证铸件轮廓、棱角清晰。 4 、使金属液流动平稳，避免严重紊流，防止卷入、吸收气体和使金属过度 氧化。 5 、具有良好的阻渣能力。 6 、金属液进入型腔时线速度不可过高，避免飞溅、冲刷型壁或砂芯。 7 、保证型内金属液面有足够的上升速度，以免形成夹砂结疤、皱皮、冷隔 等缺陷。 8 、不破坏冷铁和芯撑的作用。 9 、浇注系统的金属消耗小，容易清理。 1 0 、减少砂型体积，造型简单，模样容易制造。 1 1 、浇注系统的设计应不致降低工艺出品率。 s 华中科技大学硕士学位论文 2 3 浇注系统各类型及其特点 浇注系统分类方法有两种：根据浇注系统各组元截面的比例关系，可分为封 闭式、半封闭式、开放式；按内浇道在铸件上的相对位置( 注入位置) ，可分为项 注式、中注式、底注式、分层注入式【4 2 1 。 2 3 。l 按各组元截面比例分类 分别以fi 、f ”f 一表示直浇道、横浇道、内浇道截面面积。 1 、f i f # f ，浇注系统为封闭式。 阻流截面在内浇道。浇注开始后，金属液容易充满浇注系统，又称“充满式” 浇注系统，呈有压流动状态，挡渣能力较强，但充型液流的速度太快，冲刷力 大，易产生喷溅。一般来说，金属液消耗少且清理方便，适用于铸铁的湿型小 件及干型中、大件。 2 、fi f ，浇注系统为半封闭式。 阻流截面在内浇道，横浇道截面为最大。浇注中，浇注系统能充满，但较封 闭式晚，具有一定的挡渣能力。由于横浇道截面大，金属液在横浇道中流速减 小，故又称“缓流封闭式”，充型的平稳性和对型腔的冲刷力都好于封闭式，适 用于各类灰铸铁件及球铁件。 2 3 2 按内浇道在铸件上的注入位置分类 1 、顶部注入式。 优点：容易充满，可减少薄壁件浇不到、冷隔方面的缺陷；充型后上部温度 高于底部，有利于铸件形成自下而上的定向凝固和良好的补缩能力，有利于获 得组织细密的铸件 缺点：易造成冲砂缺陷；金属液下落过程中接触空气，出现激溅、氧化、卷 9 华中科技大学硕士学位论文 入空气等现象，使充型不平稳。易产生砂孔、铁豆、气孔和氧化夹杂物缺陷： 大部分浇注时间，内浇道工作在非淹没状态，相对而言，横浇道挡渣效果较差。 常见形式为简单式、雨淋式、压边式、楔形式等。 、 2 、中间注入式。 细分成阻流式、稳流式( 缓流式) 、集渣包式、锯齿式和过滤网式等。兼有顶 注式和底注式的优缺点，适用于壁厚较均匀，高度不太大的各类中、小型铸件， 挡渣效果较好。 3 、底部注入式。 优点：内浇道基本在淹没状态下工作，充型平稳；可避免金属液发生激溅、 氧化及由此而形成的铸件缺陷；无论浇口比是多大，横浇道基本工作在充满状 态下，有利于挡渣：型腔内的气体容易顺序排出。 缺点：充型后金属的温度分布不利于顺序凝固和冒口补缩：内浇道附近容易 过热，导致缩孔、缩松和结晶粗大等缺陷：金属液面在上升中容易结皮，难于 保证高大的薄壁铸件充满，容易形成浇不到、冷隔等缺陷；金属消耗大： 包括底雨淋式、牛角式等。 4 、分层注入式。 优点：金属液首先由最底层内浇道充型，随着型内液面上升，自下而上地、 顺序地流经各层内浇道。因而充型平稳，型腔内气体排出顺利。充型后，上部 金属液温度高于下部，有利于顺序凝固和冒口的补缩，铸件组织细密。易避免 缩孔、缩松、冷隔及浇不到等铸造缺陷。利用多内浇道，可减轻内浇道附近的 局部过热现象。 缺点：造型复杂，有时要求几个水平分型面，要求正确的计算和结构设计， 否则，容易出现上下各层内浇道同时进入金属液的“乱浇”现象，或底层进入 金属液过多，形成下部温度高的不理想温度分布。 常见的有阶梯式、垂直缝隙式。 2 4 灰铸铁阻流截面的计算 在确定了浇注系统类型、形式及布置之后，需要计算浇注系统各组元的尺寸。 一般先确定浇注系统最小截面( 阻流截面) 的尺寸( 对于封闭式浇注系统，最小截 面在内浇道；对于开放式浇注系统，最小截面则是在内浇道前的某个阻流截面) ， 1 0 。ll 华中科技大学硕士学位论文 然后以最小截面为基数，按经验比例关系确定其它组元的截面。 2 4 1 流体力学公式计算法 计算阻流截面的流体力学公式表述如下： ，一、f 阻= m b 叫2 9 以j ( 2 1 ) 其中： 凡一阻流截面面积( c m 2 ) 巩一流经阻流截面的金属液总质量( k g ) p 一金属液密度( k g c m 3 ) “一阻流截面的流量系数 f 一充填型腔的总时间( s ) g 一重力加速度( c m s 2 ) h 。一平均压力头( c m ) l 、公式( 2 1 ) 中m 可以通过计算、称量等方法获得。 2 、值与浇注系统结构、浇注方式、砂型情况及合金性质等因素有关。在 充型过程中，该值是不稳定的，故理论计算繁琐，不易准确，所以多用实验方 法或根据经验定之。一般可直接从表2 1 中选择。再根据具体情况加以修正。 表2 - 1 铸铁件的值 铸型阻力 铸型种类 大 由 小 湿型0 3 50 4 2o ，5 0 干型 0 4 10 4 8o 6 0 3 、p 可以通过查阅手册得到。 4 、g 为当地的重力加速度。 下面着重讨论，和h 。的确定方法。 2 4 1 1 浇注时间t 的确定 华中科技大学硕士学位论文 计算浇注时间是为了使金属液在预定的时间内充满型腔，每个铸件都有一个 适宜的浇注速度，浇注时间对铸件的质量有重要的影响。确定浇注时间一般依 据各种经验公式和图表，也可按铸件质量来确定。 、 1 、质量小于4 5 0 k g 的形状复杂的薄壁铸铁件，其浇注时间可以按公式( 2 2 ) 计算。 其中 r ：s 石( 2 2 ) r 一浇注时间( s ) g 一型内金属总质量，包括浇、冒1 2 1 系统( k g ) s 一系数，由表2 2 查得 表2 - 2 系数s 和铸件壁厚的关系 l 铸件壁厚6 ( 衄) 2 5 3 53 5 8 08 o 1 5 l系数s 1 6 31 8 52 2 2 、质量小于1 0 0 0 k g 的铸铁件，按公式( 2 3 ) 进行计算： v ：( a + l ) 压曩西 2 5 4 b 其中：v 一浇注速度( k g s ) g 一型内金属总质量，包括浇、冒口系统( k g ) 爿一系数( 铸铁为0 9 ) 占一系数( 铸铁为0 8 3 3 ) 万一铸件平均厚度( m m ) 然后再用质量除以速度就可以得到浇注时间。 3 、质量小于1 0 0 0 0 k g 的中大型铸铁件，按公式( 2 4 ) 计算。 t = s 6 g 其中：艿一铸件平均厚度( n u n ) s 一系数，一般取2 g 一型内金属总质量( k g ) 4 、重型铸铁件，按公式( 2 - 5 ) 计算 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 1 2 华中科技大学硕士学位论文 其中： ，：s 2 厄( 2 - 5 ) 占一铸件平均厚度( 衄) s ：一系数，与铸件壁厚有关，参考表2 - 3 表2 - 3 系数s ：与铸件壁厚的关系 i 铸件壁厚( m m ) 4 0 8 0 l系数s 2 1 11 41 71 9 在计算了浇注时间之后，需要验算型内液面的上升速度，并参考手册上给定 的数值，如果差别较大，则应该修正浇注时间或者更改工艺方案。液面上升速 度按公式( 2 6 ) 计算。 ”：一c ”2一t(2-6) 其中： v 。一型内液面上升速度( c m s ) c 一铸件在浇注位置时的高度( c m ) t 一浇注时间( s ) 2 4 1 2 平均压力头日。的确定 型l 空 图2 - l 平均压力头计算公式中各物理量的实际意义 平均压力头一般由公式( 2 7 ) 确定： 华中科技大学硕士学位论文 h p i 去 ( 2 7 ) 其中：。一平均计算压力头( i n r n ) 。一阻流截面以上的金属压力头( m m ) p 一阻流截面以上的型腔高度( r a m ) c 一铸件在浇注位置总高度( m m ) 从图2 1 中容易得到： d l 、对于底注式：p = c ，故h ，= h 。一寻 z 2 、对于顶注式：p = 0 ，故h 。= h o 实践表明，直浇道过低使充型及液体补缩压力不足，易出现铸件棱角和轮廓 不清晰、浇不到、上表面缩凹等缺陷。所以在计算了平均压力头之后，要对剩 余压力头进行验算。剩余压力头应满足公式( 2 8 ) 。 h ，l t g 口 ( 2 - 8 ) 其中：乩一最小剩余压力头( m m ) 一直浇道中心到铸件最高且最远点的水平投影距离( m m ) 口一压力角 图2 2 直观地解释了剩余压力角验算公式中的各物理量的意义。一般我们从 手册中获得压力角的推荐值，计算出h u ，然后带入公式( 2 8 ) 验算。 图2 2 剩余压力头校正公式中各物理量的意义 2 4 2 其它计算方法 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 4 1 中详细讨论了流体力学公式计算方法，最小阻流截面还有很多其它的 确定方法，例如：经验计算公式、图表法、经验数据参考法等。 2 5 确定浇注系统各组元尺寸 计算球墨铸铁的阻流截面也可以采用流体力学公式法，和灰铸铁的计算步骤 一样，只是在确定浇注时间时，球铁浇注时间比灰铁浇注时间应该减少l 3 l 2 。 计算出阻流截面面积之后，根据浇注系统类型( 开放式、封闭式、半封闭式) ， 明确阻流截面位于直浇道、横浇道还是内浇道，这样就把阻流截面和浇注系统 的某个组元关联起来了，阻流截面面积就是该组元的总截面积，然后根据合适 的浇口比( f 直：f _ ：f 。) ，就可以把直浇道、横浇道、内浇道的截面积全部计算 出来。 有了截面积之后，选择各组元的具体形式( 圆柱、梯形、矩形等) ，再确定各 组元的个数，可以计算出各组元的二维尺寸，如梯形的上底、下底和高。 为了增强挡渣效果，工艺设计中通常考虑在浇注系统中放置过滤片。对于灰 铁，过滤片面积与阻流截面面积之比为3 ：1 ，球铁为5 ：l ，正常情况下，这样的 比例将保证铁水充盈型腔和没有过滤片一样快。 2 6 浇注系统的绘图 设计完成之后，另外一个重要的工作就是绘图，在图纸上表现出来。般来 说浇注系统的绘制都表现在布置图上。实际调研得出：零件图来了之后，在零 件图上做工艺，这里的工艺是指浇注系统、冒口系统以外的工艺，包括分型面、 标注、加工余量、拔模斜度、工艺卡、不铸孔、芯头、工艺要求、冷铁等；然 后选取一个合适的视图，画出布置图，包括排气通道、浇注系统、冒口等；液 压件很多情况下都是一箱多件，因此布置图要清楚地表现出浇注系统、冒口系 统，有时需要采用多个视图进行表达。 根据这种情况，考虑用动态拖动绘图的方法绘制浇注系统，实时和用户交互， 便于修改，并考虑对简单、规则的图形实现尺寸驱动。具体技术细节在第三章 有详细描述，实例应用在第四章有详细介绍。 1 5 华中科技大学硕士学位论文 2 7 ，j 、缩 l 、叙述了浇注系统设计的基本原则。 、 2 、对浇注系统进行了分类，讨论了各种类型的优缺点。 3 、以灰铸铁为例，运用流体力学公式方法，详细介绍了阻流截面面积的计 算，并对浇注比速、剩余压头的校验方法进行了探讨。 4 、简单介绍了浇注系统各组元尺寸的确定方法。 5 、提出了浇注系统绘图的实现方法。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 1 前言 3 模块的程序实现及关键技术 本模块选择了a u t o d e s k 公司提供的o b j e c ta r x 开发包和微软公司推出的 v i s u a lc + + 6 0 作为开发工具，利用a u t o c a d 强大的绘图功能，采用面向对象 的程序设计方法，基于w i n d o w s2 0 0 0 操作系统，以a u t o c a dr 1 4 为支撑软件 进行开发的商品化应用软件系统。 3 2 开发工具的选择 3 2 1 支撑软件及编程工具 本模块是由系统软件、支撑软件和应用软件三部分组成。 系统软件是指运行环境和开发工具，支撑软件则是系统的基础软件，应用软 件是系统的核心。其中系统软件主要是由操作系统和软件开发工具组成，处于 系统的最底层。操作系统完成整个系统的管理和支撑软件的运作，目前微机的 主流操作系统为w i n d o w s 9 8 ，n t 2 0 0 0 ，软件开发工具主要是一些高级语言编译 系统，如c ，c + + 语言等；支撑软件在本研究中特指图形软件，而微机上用得最 广泛的图形软件是a u t o c a d ；应用软件是设计人员与系统的接口，它处于系统 的最外层，由开发者完成。 选择a u t o c a d 作为本软件的支撑软件，是基于以下的考虑。 浇注系统模块的开发一方面涉及到许多铸造方面的专业技术，要用到大量的 图形处理、数据库应用技术，另一方面因为国内的铸造厂家基本上都采用 a u t o c a d 作为基本的绘图工具，虽然国产的开目c a d 也有一定的装机量，但 是它没有提供二次开发平台，因此将该软件模块建立在已有的a u t o c a d 软件平 台之上，不仅可以借助其强大的绘图功能，避免重复开发，而且可以利用现有 ，的基础，直接将本模块加载使用，非常方便，符合广大厂家的实际需求。 a u t o c a d 是当今世界上工程设计领域应用最广泛的微机二维c a d 软件，也 是我国设计部门使用最广泛的计算机辅助设计软件【4 3 1 ，尤其在建筑行业和机械 行业，有着相当广泛的应用，堪称c a d 的标准平台。自1 9 8 2 年a u t o d e s k 公司 1 7 华中科技大学硕士学位论文 推出a u t o c a d1 0 以来，到目前已经升级到a u t o c a dr 1 4 以及最新的a u t o c a d 2 0 0 0 。经过近二十年的发展，a u t o d e s k 公司已经成为世界上规模最大的c a d 软 件公司之一。a u t o c a d 提供的功能强大的二次开发工具也从最初的a u t o l i s p 、 a d s ，发展到现在的0 b j e c t a r x 3 0 。 因此，选择a u t o c a d 作为浇注系统c a d 模块的支撑软件平台，不仅有 a u t o c a d 本身的质量保证、广泛的客户基础，而且可以利用其强大的二次开发 工具进行二次开发。 微软公司推出的v c ，目前成为程序开发者开发应用程序的首选。它具有可 视化的编程风格，强大的调试工具，完善的集成开发环境，以及最富有特色的 m f c 类库，开发者利用它可以快速方便地设计出品质优良的软件。 3 2 2 二次开发平台 a u t o d e s k 公司先后提供的基于a u t o c a d 的二次开发工具有a u t o l i s p 、 a d s 、a r x 、0 b j e c t a r x 等，其发展大致经历了三个阶段：1 3 5 “】 l 、a u t o l i s p a u t o l i s p 是a u t o c a d1 9 8 6 年推出的最早的解释性a p i ，a u t o c a d 从v 2 1 8 版开始，一直支持这种开发环境。利用a u t o l i s p ，用户可以在一个通用的c a d 平台上添加自己所需要的专用功能。它不是面向对象的语言，主要用来自动完 成重复性的任务，进行客户化开发和编制a u t o c a d 菜单以及通过简单机制为 a u t o c a d 增加命令。它在逻辑上是一个独立的进程，通过i p c ( 进程间通讯) 与 a u t o c a d 交互。a u t o l i s p 学习起来比较容易，但是缺点也相当明显，如综合处 理能力差、执行速度慢、开发大型任务较难等，所以目前已经很少有人采用。 2 、a d s 1 9 8 9 年，a u t o d e s k 公司推出了a u t o c a d r l l 版，第一次在p c 版的a u t o c a d 上提供了对c 语言开发环境a d s ( a u t o c a dd e v e l o p m e n ts y s t e m ) 的支持。它不 再包含于a u t o c a d 内部，而是作为一组a u t o l i s p 外部函数由a u t o l i s p 解释器 装入、解释并请求a u t o c a d 运行的。由于人们可以利用c 语言的强大功能，所 以可以在a u t o c a d 上开发大规模综合性应用程序，这是第二代开发工具的开始。 在a u t o c a dr 1 2 中a d s 的功能得到了进一步的增强。a d s 使外部可执行文 件与a u t o c a d 核心紧密地联系在一起，为在a u t o c a d 上进行二次开发提供了 1 8 华中科技大学硕士学位论文 一个更为强有力的编程手段。它把外部可执行程序和a u t o l i s p 语言连接起来， 将它作为a u t o l i s p 语言的外部函数调用来解释执行。由于a d s 应用程序是外 部可执行的应用程序，而且是以c 语言开发，所以它几乎可以完成任何功能。 a d s 克服了许多a u t o l i s p 的语言缺点，a d s 程序具备错综复杂的综合大规模 处理能力。程序编译成机器码后较a u t o l i s p 执行速度快，而且程序编译时即可 以检查出程序设计的语法错误。 当然，比较而言，a d s 也有些缺点，如a d s 二次开发要求开发人员有比 较好的c 语言基础，没有c 程序设计的基础，开发者难以在短时间内掌握，这 就对开发者本身的素质提出了更高的要求；a d s 程序隐藏的错误，尤其是逻辑 错误，容易导致a u t o c a d 乃至操作系统的崩溃；a d s 源代码比较繁琐等。 3 、a r x 和o b j e c t