（材料加工工程专业论文）低压铸造工装cad系统及其关键技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! 竺! 苎! ! 竺! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! i i l一i ! i i ! = = ! 竺! 摘要 低压铸造是实现铸件少余量加工和铸件精密化、薄壁化、轻量化和节能化的重要工 艺方法。但是低压铸造工装的设计却还停留在手工设计的阶段，严重影响了低压铸造 技术的推广应用。现有的c a d 系统大多存在产品信息不完整、设计效率低和不能覆 盖整个设计过程等问题。本文在研究特征建模的基础上，对低压铸造件的建模、工装 设计中的关键技术进行了深入的研究。 本文首先讨论了低压铸造的原理及工艺过程，综述目前世界各国低压铸造概况，指 出了对低压铸造工装设计实现计算机辅助的必要性和紧迫性。 在总结已有的特征建模技术的基础上，分析了低压铸造件的常用特征，以及特征之 间的层次、位置和引用的关系，实现了特征和几何模型的表达，建立了低压铸造特征 库。 ， 本文解决了低压铸造工装c a d 的一些关键t a - j 题。针对低压铸造工装中镶件众多、 设计过程复杂、精度低的问题，本文提出了一种基于装配的镶件设计方法，提高了镶 件的设计效率，避免了重复劳动。设计低压铸造工装时，铸件上孔槽的修补过程十分 复杂，操作繁琐，为此作者提出了一种通用性很强的快速修补孔槽的方法。模块化是 简化系统开发的重要手段，根据模具c a d c a m 撞块化的特点，作者解决了低压铸造 工装c a d 的各模块之间的参数传递问题。旷 在理论研究的基础上，作者开发了低压铸造工装c a d 系统，完成了其中毛坯处理、 砂箱设计和芯盒的设计模块，利用该系统可较快完成低压铸造工装的设计，生成低压 铸造工装的主要工作零件模型和装配模型。 关键词：低曰i ；矗工装c 奄，7 特缸f 垂毳特缸海 | 。“ ， 卜i 甄：l “。，潼。蠢j 菇瓤 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t l o w - p r e s s u r ec a s t i n g ( l p c ) i sak i n d o f1 1 i g he f f i c i e n c y , l o wc o s ta n dn e ts h a p e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，p l a y i n ga l li m p o r t a n tr o l ei nf o u n d r y h o w e v e r , t h ec o m p l e x i t yo f s t r u c t u r ea n dl o n gd e s i g np e r i o do f t h el o w - p r e s s u r ec a s t i n gp r o c e s se q u i p m e n t h o l db a c ki t s a p p l i c a t i o n s s i n c e t h ea 1 1 p u r p o s ef e a t u r e b a s e dc a d s y s t e m su s u a l l ya i m a tg e n e r a lf i e l d s ， t h e yh a v ei n s u f f i c i e n tp r o d u c td e f i n i t i o ni n f o r m a t i o n 1 0 wd e s i g ne f f i c i e n c yf o rt h es p e c i a l f i e l d ，a n dc a l l t c o v e rt h ew h o l ed e s i g np r o c e s s h e n c e ，t h et h e o r ya n dm e t h o d o l o g yo f f e a t u r em o d e l i n g ，a n dt h ek e yt e c h n i q u e so fl o w p r e s s u r ec a s t i n gp r o c e s se q u i p i m e n th a v e b e e ns t u d i e d f i r s t l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e dt h et h e o r y e m p h a s i z e d t h en e c e s s i t yo fc a di nt h ef i e l d t h ea u t h o rs t u d i e dt h e t h e o r y o ff e a t u r e a n dp r o c e s so fl o w p r e s s u r ec a s t i n g ，a n d m o d e l i n g ，a n dd i s c u s s e dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nf e a t u r e si nt h ea s p e c t so fp o s i t i o n ，r e f e r e n c e ，e t c a sa ni m p o r t a n tt e c h n i q u ei n f e a t u r e - b a s e dc a d ，t h ee x p r e s s i o no ff e a t u r ea n dt h ed a t as t r u c t u r eo fg e o m e t r i cm o d e l h a v eb e e nf o r m a l i z e da n d i m p l e m e n t e d a f t e rs t u d y i n g t h es t r u c t u r eo fl o w - p r e s s u r e c a s t i n g s ，t h ea u t h o rd e f i n e dt h ec o m m o n f e a t u r e si nt h ef i e l d ，a n ds e tu paf e a t u r el i b r a r yf o r l o w - p r e s s u r ec a s t i n g t h ea u t h o rs o l v e dt h r e e k e y i s s u e si nt h ec a df o r l o v - p r e s s u r ec a s t i n gp r o c e s s e q u i p m e n t l o w p r e s s u r ec a s t i n gp r o c e s se q u i p m e n th a sm a n yi n s e r t s ，b u tt h ec o n v e n t i o n a l d e s i g nm e t h o dh a sl o we f f i c i e n c y , a n dl o wp r e c i s i o n ，w h a t sm o r e ，t h ed e s i g np r o c e s si s v e r yc o m p l e x s ot h ea u t h o ri n t r o d u c e da l la s s e m b l y b a s e dm e t h o d ，i tc a n n o to n l yr e l e a s e t h ed e s i g n ，b u ta l s op r e s e r v e st h er e l a t i o ni n f o r m a t i o nb e t w e e nt h ec a s t i n g sa n di n s e r t s a s 。 t h en e e do f f o u n d r yp r o c e s s ，t h es o c k e t so nc a s t i n gh a v et ob ef i l l e d t h ea u t h o r p u tf o r w a r d am e t h o dt of i l lt h e m e f f i c i e n t l y t h ep a p e r a l s o a n a l y z e d t h e c h a r a c t e r i s t i c so f m o d u l a r i z a t i o ni nm o l dc a d c a m ，a n dd i s c u s s e dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n m o d u l e s ac a d s y s t e mf o rl o w - p r e s s u r ec a s t i n gp r o c e s se q u i p m e n th a sb e e nd e v e l o p e do nt h e b a s i so f t h e o r e t i c a ls t u d y t h es y s t e mc a nc r e a t er u n n e rs y s t e m ，b o x e s ，a n do u t e rm o l da n d c o r ee f f i c i e n t l y t h e p r a c t i c a lu s ei n d i c a t e st h a tt h ec a ds y s t e mi sp r o v e dt os h o r t e nm o l d d e s i g nt i m ec o n s i d e r a b l y k e y w o r d s ：l o w - p r e s s u r ec a s t i n gp r o c e s se q u i p m e n tc a d f e a t u r em o d e l i n gf e a t u r el i b r a r y n 、 ， # 珏z 勘 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题来源、目的及意义 本课题来源于航天三院下属1 5 9 厂。其目的在于辅助设计人员计算导弹工装的一 些特性，利用现有工装设计的有效实践经验、厂标和工艺参数，加快工装设计过程， 帮助设计人员完成复杂的工装设计工作。 作为解决重力铸造中浇注系统充型和补缩的矛盾而产生的低压铸造技术，可实现 铸件少余量加工，同时也是实现铸件精密化、薄壁化、轻量化和节能化的重要措施。 但是低压铸造工装设计还停留在凭经验、手工设计的阶段，设计效率低下，严重阻碍 了低压铸造技术的推广应用，本课题正是基于这种现状展开的。 1 2 低压铸造基本原理及工艺过程 所谓低压铸造( 亦称反压铸造) ，广义讲是压力铸造的一种，是液体金属在一定的压 力作用下由下而上压入模具型腔充型、冷却，得到铸件的一种铸造法。一般压力铸造 需要高的流动速度和高的注射压力，故压力铸造通常也称为高压铸造，其铸造压力一 般在3 0 6 0 m p a ，填充时间一般在o 0 1 - - 0 3 s 。而低压铸造，其压力较普通压力铸造低 得多，填充时间也较长。【i 2 j 低压铸造最早由英国人e f l a k e 于1 9 1 0 年提出并申 请专利。其目的是解决重力铸造中浇注系统充型和补缩的矛盾。在重力铸造中为了充 型平稳，避免气孔、夹渣，一般都采用底注式，因此铸型内温度场分布不利于冒口补 缩。低压铸造则巧妙地利用坩埚内气压，将金属液由下而上充填铸型，在低气压下保 持下浇道与补缩通道合二为一，始终维持铸型温度梯度与压力梯度的一致性，从而解 决了重力铸造中充型平稳性与补缩的矛盾，而且使铸件品质大大提高。低压铸造真正 被推广应用是在“二战”以后，当时发现低压铸造可解决厚大断面铝合金铸件的壁厚 效应，即克服因壁厚增加力学性能急剧下降的缺点。低压铸造由于有较高的补缩压力 和温度梯度，有效地提高了厚大断面铸件的致密性。这一技术至今仍被应用于厚大断 面铸件的铸造。 鑫懿谶邃i 瓣弘鼗撼! 蠢，； 华中科技大学硕士学位论文 1 2 1 基本原理 图1 1 是低压铸造的基本原理图。它的主要工作原理是：在密封容器( 坩埚) 1 中通入干燥的压缩气体于保持一定温度的金属液面3 上，金属液在气体压力的作用下， 沿着升液管自下而上的上升，经过铸型浇口6 ，平稳地进入到铸件型腔8 中去，并保 持液面上的气体压力一直到铸件完全凝固为止。然后，解除液面3 上的气体压力，使 升液管2 和浇1 ：36 中没有凝固的金属液依靠自重回到坩埚l 中去。这样，已经凝固的 金属便在型腔内形成了所需的铸件，经脱模后便得到了所需的铸件1 3 】。 从低压铸造的成形过程可以清楚地看出，低压铸造成形原理的主要特点是金属液 1 一坩锅( 密封容器) 2 - 升液管3 一铝液 4 一气管( 进压缩气) 5 一密封盖6 一浇口 7 一铸型g 、- 型腔 9 一紧固螺栓 图1 1 低压铸造原理图 。 靠外界气体压力的推动，在型腔里充型流动的( 而一般自由浇注是由金属本身流动性， 靠重力流动的) 。同时，低压铸造铸件的结晶凝固过程是在外加压力下进行的，铸件的 凝固补缩可由液面3 上的气体压力通过浇口6 来传递。这样，铸件能在压力状态之下 结晶凝固( 而一般自由浇注是通过重力冒口来实现补缩的) 。除上述两个主要特点外， 其它与一般自由铸造基本上都是相仿的【4 】。 由于加在金属液面3 上的气体压力可以根据需要进行调节，以保证合理的充型速 度和结晶压力，再加上低压铸造的底注特点，使该工艺具有极大的优点。 1 2 2 低压铸造的工艺过程 图1 2 是低压铸造生产流程的示意图，按图中所示的过程，低压铸造基本工艺可 2 。瀛i 曩；“鍪。建 华中科技大学硕士学位论文 分如下四道工序坤j ： 1 1 金属的熔炼及模具的准备； 2 ) 浇注前的准备：包括坩埚密封( 装配密封盖) ，升液管中的扒渣，测量液面高 度，密封性试验，配模，紧固模具等： 3 ) 浇注：包括升液，充型，结晶凝固，放气解压等过程： 4 ) 脱模：包括松型脱模和取件。 这四道工序可用图1 3 来表示。这几道工序互相紧扣，直接影响铸件的质量和生 产效率。有些工序操作不慎，会增加不必要的时间浪费，降低劳动生产效率，如坩埚 密封不好，会使气体泄漏，影响进气压力参数的正常控制，泄漏严重时还可能导致返 工。模具装配不妥当，浇注时会漏箱跑火，不仅使铸件报废，严重的还会使整个生产 受到影响。对浇注压力参数的控制更是直接影响铸件质量关键口】。 l 十jijl 士_ l i 3 ，：_ 上j 。l 一 i r = = ：= = 1 、1 j _ r i 1 f 掣_ 一一7 、一 一r r r = j 斗十= “驾美慧笔曼? 。( 2 ) 装配密封盖 ( 3 ) 扒渣 模具的准备 。”“4 ( 4 ) 配摸l _ ( 8 ) 紧固螺钉 ( 6 ) 升液 “ ” j 点菇瀛辎。p 珀藏、骁。堪灌旺。 华中科技大学硕士学位论文 ( 7 ) 充型( 8 ) 结晶凝固 豳；， 1h 1 f 寸f 7 可f _ _ ( 1 0 ) 松型 o ( 1 1 ) 脱模取件 图1 2低压铸造工艺流程图 ( 9 ) 放气 密封盖准备金属的熔炼砂模造金属型准备( 表 升液管上涂料熔化 型造芯面清理喷刷涂 调节开合型开 i 除气 ( 下台料捧气道检查， 速度和开合关 t 模芯)装配检查，模具、 型的顺序控型 升液管的加热和精练 预热) 制( 并调节控 装配炉前检验控制铸件凝制 i 。；。- i 。 j r i r 固后的静止 厶 口 时间) | c 裟怒i _ 一配模合型r 一 上 通过气动元气 扒去升液管中 浇注件来调节浇动 的浮渣升液一充型一保压一放气 h 一一- 注各阶段的控 压力参数。制 以控制其浇台 测量脱模取件卜一。注工艺 液面高度 + 清理工作台面铸件 做密封性试验i和升液管内清理 1 成品l 并浇注试棒卜 _ 浮渣 图1 3 低压铸造工艺操作过程 4 疆 霈v帚。黟 ! f f 一一 三f 华中科技大学硕士学位论文 1 3 低压铸造工装的设计 1 3 1 铸件结构的设计 铸件结构工艺性的好坏，直接影响铸件质量，为了获得优质的铸件，零件设计时， 就需要考虑铸件的结构是否合理。不合理部分应作适当的调整和改进，以利于铸造生 产1 4 1 。 分析铸件结构的工艺性，应注意以下几点： n 1 铸件结构不得阻碍出型、妨碍收缩； f 2 1 铸件的壁厚差不能太大，避免造成各部分温差悬殊，从而引起铸件缩裂和缩松； ( 3 ) 对铸件非加工面的精度和粗糙度应要求适当，否则会增加生产成本。 ( 4 ) 铸件的最小壁厚应选择适当，过薄会引起铸件产生冷隔或浇注不足等缺陷。 1 3 2 铸型的结构形式 低压铸造铸型的种类较多，按铸型材料可分为两大类，即金属型和非金属型，进 一步可细分为金属型、金属外型加砂芯组合型、石墨型、普通干湿砂型以及精密铸造 的壳型等。一般低熔点的金属，如铝合金、镁合金、锌合金等，若采用低压铸造，而 且铸件有足够的批量时，多采用金属型或金属型砂芯组合型，如d z y - 3 0 型油分离器 的中间盘，1 8 0 型柴油机气缸体等铸件；对于高熔点的合金如铸铁、铸钢、铜合金的 大型铸件，多采用砂型低压铸造，铸件的收缩仍由冒口来完成，如导弹的各舱段，大 型螺旋桨等；对于小型铸件亦可采用石墨型，如小型船用铜合金螺旋桨。对于尺寸精 度、表面要求高的铸件，如各种叶轮，可采用精密铸造的壳型1 4 】。 按铸型的分型方法低压铸造可分为水平分型的铸型、直分型的铸型和水平加垂直 ( 曲面) 分型的铸型等【5 1 。 1 3 3 浇注系统的设计 低压铸造浇注系统的截面面积的选择不同于一般重力铸造的浇注系统，因为它不 仅要考虑铸件的充型，而且要考虑铸件的补缩。可采用内切圆来确定浇口端面尺寸。 内浇口截面尺寸确定后，再选择横浇口的截面面积，最后才确定升液管的出口面积。 对于易氧化的金属，有关资料建议采用开放式的浇注系统，即【7 ，8 】 晶 乓藏警出口 5 ；裁。溢。蕊蕊；。 建，i 。 华中科技大学硕士学位论文 同时也要保证各单元符合 _ f 升液瞥出口 f 横 f 内 式中，f 表示截面面积。 浇注系统浇口的数量和结构主要根据铸件的热节分布情况以及内浇口所能补缩的 范围来确定。开设多道内浇口时，两浇口边缘间的距离约为4 倍壁厚，若超出这个距 离，将会在浇口与浇口的中间区域出现缩松。 1 - 4 低压铸造工装设计的现状 低压铸造工装设计，目前国内主要还是凭经验进行，对于合金液在铸型中流动情况、 散热和凝固大多也是凭经验估计。大部分模具设计无冷却和加热系统，一般很难保证 铸件各部位均能达到顺序凝固和充分补缩。且由于生产中模具各部分温度变化，使预 定的加压规范、工艺参数并不能稳定地保证铸件品质。关于铸型内腔设计和加工，无 c a d c a m 技术保证，大多数是手工设计和操作，难于满足复杂空间和曲面形状模具 要求。对于一些要求能排气，又要求滑动而不漏金属的部分，其精度很难得到保证。 i s , 卅铸件尺寸精度一般在7 9 级，表面粗糙度r a l 2 5 6 _ 3 2 m 。国外金属型和低压铸造 件尺寸精度可达5 “级，表面粗糙度r a 1 6 m 。 国内的模具表面涂料耐用性差，补喷涂料或更换模具既影响生产率又造成工艺的不 稳定性。英国f o s e c o 铝合金金属型涂料可达5 0 0 - - 1 5 0 0 型寿命。目前，国内低压铸 造过程自动化程度低，大都采用手动或半自动。 1 5 铸造工装c a d 简介 c a d 技术在铸造行业的应用主要体现在三个方面：以铸造凝固过程模拟为重点的 铸造工艺c a d ：以铸造模具设计为重点的铸造工装c a d 和以铸造设备的设计制造为 重点的铸造机械及工程c a d 。1 9 - 2 3 1 铸造工艺c a d 的基础是数值模拟，铸件凝固过程数值模拟的最终目的是解决铸 造工艺的优化设计，实现铸件质量预测和控制。铸造工装规定了铸件的基本生产方法 和工艺过程，铸造工装部分的c a d 主要包括模样设计、模板设计、芯盒设计和砂箱 设计。在各种设计生成的图形中关键是上下模板的装配图和芯盒图，因为它包含了对 所有模样的加工、装配信息，同时提出了设计砂箱的相关要求。首先要根据生产条件， 6 蒜超象。j 。“蕊巍j纛纛蠹砖 华中科技大学硕士学位论文 按国家标准或企业标准建立标准模板库与标准砂箱库，同时需要相关数据库的大力支 持才行。 【l 卅进入8 0 年代后，铸造工装c a d 开始向一体化c a d c a m 方向发展，以提高设 计效率及质量，减少加工工时，提高产品加工精度，增强市场竞争能力。如日本五十 铃汽车公司推广该技术后获得了显著的经济效益：明显提高了模样加工精度、保证了 复杂模样制作的再现性，并可缩短加工工时3 7 。英国b m g e r 模样制造公司早在8 0 年代初即开始采用c a d c a m 技术，并利用数控机床进行模样加工，生产诸如凸轮、 曲轴、及水套等零件的模样，模样的尺寸精度、同心度及错箱误差均小于o 0 2 5 衄。 美国衣阿华州j o md e e m 铸造厂为了实现模样生产的c a d ，c a m 一体化，设立了三个 中心：产品设计中心( p d c ) 、模具生产中心( p d d ) 及铸造服务中心( f s c ) 。其中 p d c 负责铸件设计，而p d d 和f s c 集成起来负责模样c a d c a m 。德国卡尔斯芦埃 核研究中心实验室e m e r t e n s 开发的模样c a d c a m 软件中，铸件和模样的几何形状、 尤其模样的自由表面是以c a d 数据的形式( v d a f s ) 在各模块间传递，c a d 参数经 过工艺数据处理( 加工余量、拔模斜度、收缩量等) ，建立三维固体模型，确定分型面 后即可决定加工位置，并可确定模样的外表面，由外表面几何形状即可决定数控加工 工具的运动轨迹，并转换为n c 加工数据。 我国铸造工装c a d 方面至今开展研究及实际开发不多。沈阳工业大学李荣德等 首次开发的通用砂箱c a d 图形库软件可提供的信息包括砂箱类型及材料、轮廓尺寸、 箱壁箱带结构、箱壁通气孔分布、砂箱定位结构、箱耳箱轴及箱把结构等。该图库有 利于提高工装设计水平与工作效率。 我国在铸造工装c a d 技术方面存在较大差距，而低压铸造作为铸造一种，在计 算机辅助设计方面的技术差距更大。为此必须大力开展这方面c a d 技术的研究，建 立必要的标准零部件图库，为确定必要的设计数据应建立相应的数据库及专家系统， 同时大力推广数控加工技术。 1 6 本文的主要研究工作 我国在低压铸造工装c a d 方面开展的研究和实际应用不多，至今低压铸造工装的 设计多是凭设计人员的经验，导致设计周期长，修改任务重，而且设计人员的培养时 间长，这些都有碍于产品的更新换代，有碍于企业竞争力的提高。为了提高低压铸造 工装设计的技术水平，缩短设计周期，提高制造质量，研究并开发用于低压铸造工装 7 j 。i 澈菇，j “瀛。融。琵 华中科技大学硕士学位论文 的c a d 系统是十分必要的。作者的主要研究工作如下： f 1 ) 阅读了大量国内外文献资料，调研了砂型铸造工装c a d 的发展现状，确定了 低压铸造工装c a d 的功能要求。 f 2 1 研究了低压铸造件的特征与建模技术，总结出低压铸造件和工装常用的几何结 构和工艺过程，定义了典型特征，并建立了低压铸造特征库。 f 3 1 完成了低压铸造工装c a d 系统的总体设计、功能模型的建立研究了模块化 技术在低压铸造c a d 中的应用，提出并实施了低压铸造工装c a d 中典型算法 ( 4 ) 开发了低压铸造工装c a d 系统的部分软件。 8 盎i ；| | | 涟翻矗蕊。疯盛，；鑫酝珏； 华中科技大学硕士学位论文 2 低压铸造件的特征与建模技术 产品设计的过程也是信息处理的过程。基于特征的产品定义模型是目前被认为最 适合c a d c a m 集成的模型，它把特征作为产品模型的基本单元，将产品描述为特征 的集合。零件的几何信息与非几何信息是特征表达内容的两个方面，有效地将这两方 面的信息关联起来是特征表达技术中的关键问题，而面向对象的特征表达因其继承性、 封装性、多态性以及直接面向客观世界等传统的特征表达方法无法比拟的优势而日益 兴起。特征库是特征建模的基础，而特征库的建立与具体的应用行业紧密相关。本章 将针对低压铸造件的特点讨论特征与特征建模技术，以及特征库的建立。 2 1 特征建模技术综述 特征建模可归为交互式特征定义、特征识别和基于特征设计三种方法。 ( 1 ) 交互式特征定义利用现有的造型系统建立产品的几何模型，由用户直接通过交 互式拾取，定义特征几何所需要的几何要素，并将特征参数或精度、技术要求、材料 热处理等信息作为属性添加到特征模型中。这种建模方法自动化程度低，信息处理过 程中容易产生人为的错误【l “。 ( 2 ) 特征识别以图论为基础，对零件建立几何形面关联图，将它与特征库中特征的 几何拓扑关系相匹配，提取相应的特征，建立相应的特征模型1 2 】。 它的主要优点是：能充分利用c a d 中的特征数据库和几何模型：可以灵活 地根据不同应用领域的识别规则建立应用领域专用特征。 其缺点是：由于图论的识别算法非常复杂，特别对一些复合特征，识别时很容 易出错：由于识别过程只对几何模型进行，因此无法识别非几何信息，如公差、表 面粗糙度等。 ( 3 ) 在基于特征的设计中，特征从一开始就加入到产品模型，成为产品建模的元素。 首先通过一定的规划和过程预定义一般特征，将它们的定义被放入一个库中，形成一 般特征库，然后对一般特征实例化，并对特征实例进行修改、拷贝、删除以生成实体 模型。导出特定的参数值等操作，建立产品模型。这种建模方法直接用特征进行设计， 从而避免了几何模型到特征模型的转化。图2 1 所示为特征设计的主要功能模块 2 4 - 3 3 1 。 9 盛纛蘸瀛。鞘麓i 藤热一逢塞撼；。： 华中科技大学硕士学位论文 图2 1特征设计的功能 基于特征设计的主要优点是：特征是对设计者来说有意义的元素，这不但能加 速设计过程，而且能提供一种标准化的方法，减少生产费用和投产时间；特征能用 来评估与特征类型相关的知识，使得评价实时加工性和并行设计工艺规划成为可能； 能提高设计质量，并能提供设计与下游生产过程的连接。 其主要缺点是：由于特征是面向应用的，不同应用对特征的定义不尽相同，设 计者难以综合考虑所有应用领域定义全局通用特征；待设计零件的复杂多样，使设 计中没有一个有限的特征集，难以建立完整的特征库；特征库的数据管理非常复杂。 比较特征建模的三个方面可知：交互式特征定义和特征识别有一个分析几何模型， 并补充相应非几何信息，使其转化为相应某领域专用特征的过程。这个转换有一定的 困难，但因它面向通用领域的特点，使其成为解决通用与专用矛盾的有效途径。基于 特征的建模以预先定义的特征为基础，使产品建模的过程变成特征的组合过程。但因 预定义特征具有领域的局限性，使特征库也具有领域性，这样不利于开发通用的 c a d c a m 系统。鉴于不同特征建模的优缺点，将基于特征的设计和特征识别结合起 来是一条解决通用性与专用性的有效方法。国内有很多学者对此进行了研究，提出过 很多特征识别方法。例如基于精确表示的设计特征搜索与还原算法【3 4 】，它将多面体式 的几何模型与原始设计基于特征的模型以可靠性与精确性为原则而联系起来，该算法 获得的特征体脱离了底层离散描述而采用精确的解析描述。 i o 矮如 ! 瀣c 。，、。l 华中科技大学硕士学位论文 2 2 特征概念与分类 2 2 1 特征的概念 特征源于工程，又面向工程应用。由于人们对特征技术的研究又往往是从某个侧 面开始，致使不同的工程应用背景，甚至不同的设计阶段对特征就有不同的理解，从 而导致了特征的多态性。从工程应用全局对信息的需求出发，可以将特征定义为【3 5 - 3 9 ： 挂堑悬遮让盟筮数二仝组虞部筮：宜星抽筮巫丛的县笠哒盟：差县直挂定的王捏 信息塑属性。 特征的上述定义强调了特征是形状和功能属性的有机组合体。首先，特征是可以 表达的几何体，可以供各工程应用阶段使用的对象。特征可映射成抽象的形状要素， 并由一组具有特定拓扑关系的几何实体组成。其次，特征是有意义的，这种意义包括 其特定几何形状、拓扑关系、典型功能、图形表示方法、制造技术和公差要求等一系 列信息。最后，特征表达了语义与一般形状要素之间的关系。 根据特征在产品定义中的不同语义特点，特征还可进一步分为形状特征、精度特 征和材料特征等，如图2 2 所示。它们的定义如下p 叫： ( 1 ) 形状特征与描述零件几何形状、尺寸相关的信息集合，包括功能形状、加工 工艺形状、装配辅助形状。它是描述零件的最重要的特征，可分为主形状特征( 主特 征) 和辅助形状特征( 辅助特征) 两类。 ( 2 ) 管理特征与零件管理有关的信息集合，包括标题栏信息( 如零件名、图号、 设计者、设计日期等) 、零件材料、未注粗糙度等信息。 ( 3 ) 技术特征描述零件管理有关的性能和技术要求的信息集合。 ( 4 ) 材料热处理特征与零件材料和热处理有关的信息集合，如材料性能、热处理 方式、硬度值等。 ( 5 ) 精度特征描述零件几何形状、尺寸的许可变动量的信息集合，包括公差( 尺 寸公差和形位公差) 和表面粗糙度。 在上述定义中，形状特征因将零件的特定几何形状和特定工程应用场合的工程描 述术语相对应，因而在产品的特征信息集合中起主要作用。 华中科技大学硕士学位论文 图2 2特征的组成 2 2 2 特征的分类 由于特征与产品类型及工程应用密切相关，因此在不同的应用中特征具有不同的 含义和表达形式。要对特征进行通用的分类是非常困难的。一般都是从某些特定的应 用角度进行分类1 4 0 , 4 ”。 p r a t t 和w i l s o n 从几何形状角度将特征分为显式和隐式两大类，并进一步将隐式特征 分为通道( p a s s a g e ) 、凹陷( d e p r e s s i o n ) 、凸起( p r o t r u s i o n ) 、过渡( t r a n s i t i o n ) 、面域( a r e a ) 和变形( d e f o r m a t i o n ) 。这种分类方法现已被p d e s ( p r o d u e td a t ae x c h a n g eu s i n gs t e p ) 作为形状特征信息模型f f i m ( f o r m f e a t u r e i n f o r m a t i o n m o d e l ) 的组成部分。它适于在实 体模型中建立特征模型。 1 2 。j 蒸惑纛l 溘_ 蕊瀛i 建壶蕊： 华中科技大学硕士学位论文 - l _ l _ - _ _ _ - _ _ _ - - _ l l _ _ - o ! ! ! ! ! ! ，_ _ ! ! ! ! ! 苎! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! ! ! 根据形状特征在设计中所起的作用不同，c u n n i n g h a m 和d i x o n 将特征分为静态和 动态两类。动态特征是传递运动或能量的产品实体。静态特征又可进一步分为基本类、 附加类、交类、整体形状类、宏类等5 大类特征。 p d d i ( p r o d u e t d a t a d e f i n i t i o n i n t e r f a c e ) 根据制造方法将形状特征分为复合特征、机 加工特征、板金类特征及车削类特征。 g a n d h i 和m y k l e b u s t 根据特征体素的拓扑相似性质，将那些具有相同拓扑性质的特 征归为一类，以便用相同数目的参数描述特征。 作者对低压铸造的形状特征分类进行了研究。p 5 】以低压铸造件为设计对象的应用 活动主要包括铸件设计、工装设计和型面的n c 编程。由于型面的n c 编程只与零件的 基本几何数据相联系，故描述低压铸件的形状特征主要包括两方面的语义，一是为零 件设计者所熟悉的语义，一是为工艺和工装设计人员所熟悉的语义。因此，对形状特 征的分类必须综合考虑设计要求和n i 要求。图2 3 是从设计与加工语义角度对低压铸 件的形状特征分类的层次结构。结合图2 4 所示的回转体类铸件说明形状特征的分类。 图2 3 形状特征分类 ( 1 ) 主特征 主特征用来构造零件的基本几何形体。根据其形状特征的复杂程度，又分为简单 主特征和宏特征。简单主特征主要指圆柱体、圆锥体、成形体、圆球、球缺等简单的 基本几何形体。宏特征指具有相对固定的结构形状和加工方法的形状特征，其几何形 状比较复杂，而又不便于迸一步细分为其他形状特征的组合。图2 4 中，回转体的壳体 即为主特征，其他的特征都是依附于它而存在的。它属于宏特征，一般是由一条封闭 的曲线绕某固定轴旋转扫动而成。 a 窿建。“：蕊蕊。 鲞。， 华中科技大学硕士学位论文 复 图2 4 回转体类铸件的形状特征 ( 2 ) 辅助特征 辅助特征是依附在主特征之上的几何形状特征，是对主特征的局部修饰，反映了 零件几何形状的细微结构。辅助特征依附于主特征，也可依附于另一辅助特征。最简 单和最常用的辅助特征是孔，其它的特征包括筋条、螺纹和局部成形等( 图2 4 ) 。有 些附加特征可以进一步分类，如孔包括规则孔( 圆孔、方孔、腰圆孔) 和不规则孔等 子类，筋条包括横筋、纵筋。辅助特征的分类如图2 5 所示。 ( 3 ) 联接特征 图2 5 辅助特征分类 1 4 ；鑫囊丞“j ；蕊。孤，。；塞；， 华中科技大学硕士学位论文 联接特征是连接主特征和附加特征的一类辅特征。因为为了满足加工工艺的要求 零件上相关联的表面必须光滑地连接，【3 钉所以联接特征主要包括圆滑连接和过渡连 接。由于铸造的工艺要求，铸件的尖角部位都要进行导角设计，以使铸件的表面光滑 连接，如图2 4 所示。 ( 4 ) 复合特征 复合特征，也称组合特征，是由基本特征按一定的方式组合而成的特征，如中心 孔、同轴孔等，这里的基本特征是指附加特征和联接特征。根据低压铸件的形状特点， 可以通过一定的结构关系把基本特征组织成所要求的复杂特征，从而可以更明确地表 达零件的变形特点及其相关的语义信息。如图2 4 所示的铸件，回转体上几处出现这样 的一种组合：一个孔的周围均布四个小孔，我们可以将这种组合定义为一个复合特征。 这样不仅加快了建模速度，而且有利于以后对它们的统一处理。 ( 5 ) 复制特征 复制特征指一些同类型辅助特征按照一定的规律在空间的不同位置上复制而成 的形状特征，如周向均布孔、矩形阵列孔。复制特征与它们的源特征之间存在相互关 联的关系，源特征的修改会影响到辅助特征，这又有利于特征的统一处理。如图2 4 所示，回转体上有很多沿轴向和径向分布的孔，我们可以将其中的一个作为源特征， 而将其他的孔作为它的复制特征。这样，若源特征被删除，复制特征也会消失。 2 3 特征联系 采用特征描述零件的形状，就是把特征作为设计单元，通过一定的联接关系和定 位形式将特征组合在一起构成零件。因此，在特征表达模型中，除了单个特征的形状 表达以外，特征间的关系，如邻接关系、继承关系等，也是特征表达的重要内容。邻 接关系描述了特征间的几何邻接关系，而继承关系表达的是一个特征依赖于另一个特 征而存在的关系【4 0 j 。 为了方便描述特征之间的联系，提出特征类、特征实例的概念。特征类是关于特 征类型的描述，是具有相同信息性质或属性的特征概括。特征实例是对特征属性赋值 后的一个特定的特征，是特征类的一个成员。特征类之间、特征实例之间、特征类与 特征实例之间有如下的联系： ( 1 ) 继承联系继承联系构成特征之间的层次联系，位于层次上级的称为超类特 征，位于层次下级的为亚类特征亚类特征可继承超类特征的属性和方法，这种继承 螽蕊蠢：j 蕊。 b 。 华中科技大学硕士学位论文 联系称a k 0 ( a - k i n d o f ) 联系，如特征与形状特征之间的联系。另一种继承联系是特征 类与该特征实例之间的联系，这种联系称为i n s 0 n s t a n e e ) 联系，如某一具体的筋条是 筋条特征类的一个实例，它们之间反映了i n s 联系。 f 2 ) 邻接联系反映形状特征之间的相互位置关系，包括面相邻和边相邻两种形 式，用c o n t ( c o n n e c t - t o ) 表示。构成邻接联系的形状特征之间的邻接的状态可共享， 例如一个回转体类铸件，每相邻两段之间的关系就是邻接联系，其中每个邻接面的状 态可共享。 ( 3 ) 从属联系描述形状特征之间的依从或附属关系，用i s t ( i s s u b o r d i n a t e t o ) 表示。从属的形状特征依赖于被从属的形状特征而存在，如导角附属于筋条。 ( 4 ) 引用联系描述形状特征之问作为关联属性而相互引用，用r e f ( r e f e r e n c e ) 表示。引用联系主要存在于形状特征对精度特征、材料特征的引用。 一般情况下，特征的联系指同一个零件上各特征之间的位置、形状关系，但在两 个零件组成装配体时，它们的局部可能在形状上要求一致，甚至有其它进一步的需要， 即不同零件上的特征也需要相互关联。很显然，邻接联系和从属联系只能存在于同一 个零件上，而继承联系和引用联系则可能存在于多个零件之间。下面以低压铸造工装 的芯盒部分为例对引用联系进一步说明。 图2 6 、2 7 分别是铸件和芯盒示意图。铸件与芯盒的内部形面需要严格一致，且 芯盒的内形面要随铸件的内类形面的变化而变化，即它们存在引用联系。我们可以将 铸件的整体作为一个复合特征，将此复合特征引用到芯盒中，并同芯盒其它特征进行 定位和相应的加减操作，得到芯盒的内形面。当铸件发生改变时，引用到芯盒中的引 用特征要同步发生修改，从而引起芯盒内形面的更新。 一 图2 6 铸件图2 7 芯盒部分示意图 1 6 囊ji = s 华中科技大学硕士学位论文 这种引用的关联技术，在模具c a d 中应用得非常广泛，它不仅避免了重复造型， 而且保证了各关联零件间的同步。目前一些大型c a d 系统，如u g 、p r o e 都支持这 种技术，并称之为w a v e 。作者开发的低压铸造工装c a d ，以u g 为开发平台，大量 应用w a v e 技术，在装配体的各部件之间进行表达式特征和形状特征的引用。应该注 意的是，一个特征作为被引用特征后，它的更新的速度会大大减慢，这是因为需要同 时更新它的各个引用特征，所以在设计中不要过多的引用，并且最好直接引用，不可 以进行循环引用。 2 4 特征的表达 2 4 1 集成与分离模式的特征表达 零件的几何形状( 几何信息) 及除此之外的其它信息( 非几何信息) 是特征表达内 容的两个方面。根据几何信息与非几何信息在数据结构中的关系，特征表达可分为集成 表达与分离表达两种模式。前者将属性信息与几何形状信息集成地表达在同一内部数据 结构中，而后者是将属性信息表达在外部的与几何形状模型分离的外部结构中【1 ”。 集成模式的优点在于：可以避免内部几何模型数据与外部非几何数据描述对象 的不一致及冗余；可以快速而方便地对各抽象层次的数据进行存取和通讯；可以 同时对几何模型与非几何信息进行各种操作。 特征的分离表达模式也有不少应用，这是因为：集成模式的采用需要从头开始 设计和实施全新表达方案，困难很大，不易立即见效；现有的实体表达模型不能很 好地满足特征模型表达的需求；可利用现有成熟的商用实体造型系统进行二次开发。 无论采用何种模式，有效地将几何信息与非几何信息关联起来是特征表达技术中 的关键问题。特征的几何信息可以在不同抽象层次上表达，因而出现了显式表达、隐 式表达、中性语言表达以及面向对象等表达方式。特征的几何信息可以用生成该特征 的过程来表示，也可以用几何模型表示，前者称为隐式或过程表达，后者称为显式或 枚举表达中性语言描述不必包括任何关于该特征如何变为几何模型的描述，是更为 抽象化的特征表达方法。下面对显式表达与隐式表达作进一步的说明。 显式表达是确定的几何，拓扑信息的描述，隐式表达是特征生成过程的描述。图2 8 所示的一个外圆柱，显示表达将含有圆柱面、两个底面及边界细节；隐式表达用中心 线、长度和直径来描述。 i 蠢氍斑。一“滋、；，姒 如囊。一。 华中科技大学硕士学位论文 隐式表达用少量的信息定义几何形状，简单明了，并可为后续的应用( 如c a p p 系 统) 提供丰富的信息，且便于将基于特征的产品模型与实体模型集成，能够自动地表 达在显式表达中不便或不能表达的信息，能为后续应用( 如n c 仿真与检验) 提供准确 的低级信息，能表达几何形状复杂( 如自由曲面) 而又不便显式表达的几何形状与拓 扑结构。 然而，无论是显式还是隐式表达，单一的表达方式都不能很好燃c a d c a m 集 成对产品特征从低级信息到高级信息的需求。因此，显式与隐式混合表达模式是一种 能结合各自优点的形式表达模式。 雇面1 长 度 中心线 l 直径 l a ) 显式b ) 隐式 图2 8 显式与隐式表达示意图 ， 2 4 2 面向对象的特征表达 近年来，面向对象的建模技术也用于特征表达，它属于集成式表达方式。有关特 征的知识被封装于称之为对象的信息单元中。操作对象的知识可以是参数、产生式规 则、过程与函数等。特征只是一种抽象的概括，在