大型復(fù)雜鑄件無(wú)?？焖僦圃旒夹g(shù)的研究與應(yīng)用*

□ 趙國(guó)強(qiáng) □ 劉慶義，2 □ 倪允強(qiáng) □ 孫玉成，2 □ 秦 鵬 □ 李繼超

1.濰柴動(dòng)力股份有限公司 工藝研究院 山東濰坊 261061

2.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東濰坊 261061

1 研究背景

在裝備機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，為提高整機(jī)性能，鑄件的集成化、輕量化設(shè)計(jì)已成為趨勢(shì)，并對(duì)鑄件精度也提出了更高的要求。同時(shí)，復(fù)雜的鑄件結(jié)構(gòu)給鑄造過(guò)程帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)于一些單件、小批量、大型復(fù)雜鑄件的制造，采用傳統(tǒng)有模鑄造方法，需要翻制多套模具，存在周期長(zhǎng)、成本高等問(wèn)題［1-3］，大大制約了企業(yè)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

筆者針對(duì)鑄件快速開(kāi)發(fā)要求，結(jié)合現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）一體化技術(shù)，將鑄造工藝CAD、鑄造工藝CAE優(yōu)化分析、無(wú)模鑄型CAD、無(wú)模鑄型CAM快速加工等技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，對(duì)某大型柴油機(jī)飛輪殼鑄件進(jìn)行了無(wú)模數(shù)字化快速制造，實(shí)現(xiàn)了基于鑄件三維模型的CAD、CAE、CAM無(wú)縫銜接，能夠有效縮短大型復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)周期，降低制造成本。

2 無(wú)?？焖僦圃旒夹g(shù)流程

圖1所示為基于CAD、CAE、CAM的無(wú)?？焖僦圃旒夹g(shù)流程，這一技術(shù)流程基于統(tǒng)一的鑄件三維模型，將鑄造工藝CAD、鑄造工藝CAE優(yōu)化分析、無(wú)模鑄型CAM快速加工等數(shù)字化技術(shù)集成創(chuàng)新應(yīng)用。

（1）鑄造工藝CAD。首先基于零件CAD模型應(yīng)用Creo、UG等軟件得到鑄件CAD模型，然后進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)完整性檢查和零件分析，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行鑄造工藝方案設(shè)計(jì)，最后建立澆冒系統(tǒng)三維模型。由這一過(guò)程得到的鑄造工藝可以為CAE分析提供數(shù)據(jù)。

（2）鑄造工藝 CAE優(yōu)化分析。應(yīng)用 Magma、ProCAST等專業(yè)軟件對(duì)鑄件在充型、凝固和冷卻過(guò)程中的流動(dòng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，進(jìn)而預(yù)測(cè)鑄造缺陷，并應(yīng)用分析結(jié)果來(lái)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)鑄造工藝的合理性。在不同鑄造工藝方案的基礎(chǔ)上，這一過(guò)程實(shí)際上是設(shè)計(jì)工藝→模擬→修改工藝的反復(fù)過(guò)程，直到最終得出最優(yōu)的工藝方案［4-6］。

▲圖1 無(wú)?？焖僦圃旒夹g(shù)流程

（3）無(wú)模鑄型CAD。在確認(rèn)鑄造工藝方案可行后，在Creo、UG等軟件環(huán)境下進(jìn)行三維型芯CAD建模。這一過(guò)程需結(jié)合加工設(shè)備的加工范圍、刀具長(zhǎng)度等因素拆分重組出不同模塊單元，并對(duì)各模塊單元設(shè)置相應(yīng)的組合結(jié)構(gòu)，來(lái)保證鑄型裝配精度。這一過(guò)程生成的鑄型單元CAD模型可以為CAM加工準(zhǔn)備設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

（4）無(wú)模鑄型CAM快速加工。基于上述設(shè)計(jì)過(guò)程得到的鑄型單元三維模型，在UG等軟件環(huán)境下，單獨(dú)為每個(gè)鑄型單元自動(dòng)規(guī)劃路徑，采用數(shù)控加工設(shè)備加工出各鑄型單元。這一過(guò)程將模具的制造環(huán)節(jié)加以省略，可直接對(duì)鑄型進(jìn)行減材加工，并快速獲得高精度、高表面質(zhì)量的鑄型，特別適用于單件、小批量的鑄件新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)［7］。

（5）鑄件成型。鑄型全部加工完成后，經(jīng)過(guò)必要的浸涂涂料、烘干處理，應(yīng)用各鑄型單元之間的定位結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鑄型組裝，最后經(jīng)澆鑄、凝固、冷卻、落鑄清理后得到鑄件。

由以上步驟可以看出，由于在設(shè)計(jì)、模擬與加工各環(huán)節(jié)之間完全基于CAD過(guò)程產(chǎn)生的三維模型來(lái)傳遞設(shè)計(jì)意圖和加工信息，因此實(shí)現(xiàn)了鑄件無(wú)?？焖僦圃爝^(guò)程的完全封閉，并保證最終生成的鑄件和設(shè)計(jì)意圖保持一致。

3 無(wú)模快速制造技術(shù)驗(yàn)證

大型鑄件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、型腔空間大且曲面多、壁厚不均勻等特點(diǎn)，不僅使造型和制芯難度大，而且鑄件在冷卻凝固過(guò)程中易造成縮孔、縮松、澆不足、熱裂等缺陷，從而導(dǎo)致鑄件新品的開(kāi)發(fā)周期和質(zhì)量無(wú)法保證。

基于CAD、CAE、CAM的鑄件無(wú)?？焖僦圃旒夹g(shù)流程，省去了模具制作環(huán)節(jié)，兼具數(shù)字化制造過(guò)程所具有的高精度等優(yōu)點(diǎn)，可以為高效、高質(zhì)、低成本解決小批量大型復(fù)雜鑄件提供有力支撐。結(jié)合上述技術(shù)特點(diǎn)，筆者以某大型柴油機(jī)飛輪殼鑄件快速制造為例，進(jìn)行了基于CAD、CAE、CAM的大型復(fù)雜鑄件無(wú)模快速制造技術(shù)應(yīng)用及驗(yàn)證。

3.1 鑄造工藝CAD

某大型柴油機(jī)飛輪殼鑄件CAD模型如圖2所示，輪廓尺寸為φ955 mm×232 mm，基本壁厚為10 mm，多處局部壁厚不均勻。鑄件材質(zhì)為HT200灰鐵，總質(zhì)量約為220 kg。這一鑄件為典型的大型薄壁鑄件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，型腔空間大且自由曲面多，不僅造型和制芯難度大，而且鑄件在冷卻凝固過(guò)程中易造成縮孔、縮松、熱裂等缺陷。

▲圖2 大型柴油機(jī)飛輪殼鑄件CAD模型

為保證鑄造過(guò)程充型平穩(wěn)，按照快速充型、分散澆鑄的原則，在鑄件周?chē)_(kāi)設(shè)了環(huán)形橫澆道及八條內(nèi)澆道，中部設(shè)置冒口及出氣孔，由此設(shè)置了底注式澆鑄系統(tǒng)。這一澆鑄系統(tǒng)便于鐵液的快速流動(dòng)、順序凝固，可順利將型腔內(nèi)的氣體排出型腔，從而減少氣孔等缺陷。圖3所示為飛輪殼澆鑄系統(tǒng)模型。

▲圖3 飛輪殼澆鑄系統(tǒng)模型

3.2 鑄造工藝CAE優(yōu)化分析

鑄造工藝CAE通過(guò)對(duì)鑄件充型、凝固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到流動(dòng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)等工藝數(shù)據(jù)，最終對(duì)鑄造工藝提供改進(jìn)建議。筆者應(yīng)用Magma鑄造模擬軟件對(duì)飛輪殼鑄件澆鑄過(guò)程進(jìn)行流動(dòng)性、溫度場(chǎng)模擬，設(shè)定澆鑄溫度為1 420℃。

澆鑄過(guò)程模擬顯示，鐵液由下而上順序充型，液面速度分布均勻，無(wú)明顯渦流，未出現(xiàn)砂眼、澆不足等缺陷，總體上澆鑄系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為合理。圖4所示為澆鑄結(jié)束后溫度分布。

凝固過(guò)程模擬顯示，鑄件凝固過(guò)程先從鑄件的周邊薄壁處開(kāi)始凝固，然后向中央冒口部位方向順序凝固，最后冒口凝固。圖5所示為凝固結(jié)束后縮松分布。

以上模擬結(jié)果表明，當(dāng)前工藝條件下，鑄件各部位均無(wú)明顯的縮孔、縮松缺陷，鑄造質(zhì)量良好。

▲圖4 澆鑄結(jié)束后溫度分布

▲圖5 凝固結(jié)束后縮松分布

3.3 無(wú)模鑄型CAD

在完成鑄造工藝CAE分析并確定澆鑄工藝后，在UG、Creo等軟件環(huán)境下進(jìn)行無(wú)模鑄型CAD過(guò)程，具體如下：①采用帶澆冒系統(tǒng)的鑄件CAD模型進(jìn)行三維鑄型CAD建模；②根據(jù)鑄型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和數(shù)控加工設(shè)備加工范圍，將鑄型分割成可加工的上模1、2和下模1、2等四個(gè)鑄型單元，如圖6所示；③根據(jù)各鑄型單元之間的裝配方式，采用坎合定位結(jié)構(gòu)來(lái)保證整體鑄型的組裝精度［8］，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要設(shè)計(jì)必要的吊裝位置等。分割后整體三維模型如圖7所示。

▲圖6 鑄型單元

▲圖7 分割后整體三維模型

3.4 無(wú)模鑄型CAM快速加工

若采用傳統(tǒng)的有模鑄造模式生產(chǎn)這一大型柴油機(jī)飛輪殼鑄件，完成首件鑄件開(kāi)發(fā)需要2～3月。隨著CAD、CAE、CAM技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的深入應(yīng)用和數(shù)字化無(wú)模精密鑄型制造技術(shù)的快速發(fā)展，快速鑄造已成為可能，并且能夠保證更高的精度、更小的加工余量和更好的表面質(zhì)量。機(jī)械科學(xué)總院開(kāi)發(fā)的基于切削加工原理的數(shù)字化無(wú)模鑄型制造技術(shù)可在CAD模型驅(qū)動(dòng)下，直接采用數(shù)控加工設(shè)備切削鑄坯，得到高精度的鑄型、鑄芯，快速完成鑄型的制造［9-10］。

3.4.1 無(wú)模鑄型單元數(shù)控加工路徑規(guī)劃

在得到鑄型單元的CAD模型后，分析各單元結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理配備鑄型加工刀具方案，并按照先粗后精、先主后次等加工原則，在CAM模塊下進(jìn)行加工路徑規(guī)劃，然后進(jìn)行加工仿真，最后得到最優(yōu)規(guī)劃路徑。

將鑄型單元導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件進(jìn)行工藝處理，然后進(jìn)入CAM模塊，根據(jù)每個(gè)鑄型單元CAD模型的特點(diǎn)，創(chuàng)建刀具、方法、幾何體、程序等設(shè)計(jì)過(guò)程，并按照粗加工、精加工來(lái)設(shè)計(jì)不同的加工參數(shù)。選用直徑較大的銑刀粗加工完成鑄型主體結(jié)構(gòu)，并采用直徑較小的球頭刀精加工鑄型局部結(jié)構(gòu)。在所有參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)行加工仿真，通過(guò)刀軌校驗(yàn)來(lái)確定加工過(guò)程中是否存在過(guò)切或欠切等現(xiàn)象。確定刀軌可行后，經(jīng)后置處理生成可進(jìn)行鑄型加工的數(shù)控代碼。圖8所示為鑄型單元加工軌跡。

3.4.2 無(wú)模鑄型單元CAM數(shù)控加工

將鑄坯緊固在數(shù)字化無(wú)模鑄造精密成型機(jī)上，由數(shù)控程序直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行切削加工，即分別采用專用的鑄型切削刀具，對(duì)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)且滿足鑄造要求的樹(shù)脂鑄坯進(jìn)行數(shù)字化CAM快速加工。由于鑄型切削為輕型加工，因此可以采用高速切削、大進(jìn)給量來(lái)滿足高效和高質(zhì)的要求。圖9所示為加工完成的飛輪殼鑄件鑄型，整體鑄型模型尺寸為1 850 mm×1 600 mm×700 mm，加工時(shí)間僅為40 h。

3.5 鑄件成型

鑄件成型加工完成后，澆鑄得到飛輪殼鑄件，如圖10所示。經(jīng)檢測(cè)，鑄件結(jié)構(gòu)完整，無(wú)裂紋、氣孔、凹陷等缺陷，滿足使用要求。該大型柴油機(jī)飛輪殼鑄件采用基于CAD、CAE、CAM的無(wú)?？焖勹T造方法，鑄件整個(gè)開(kāi)發(fā)周期只需20天，鑄件尺寸精度達(dá)±2.5 mm，加工余量小，相比采用傳統(tǒng)的有模鑄造，開(kāi)發(fā)周期縮短了50%以上。

▲圖8 鑄型單元加工軌跡

▲圖9 加工完成飛輪殼鑄件鑄型

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)傳統(tǒng)鑄型制造所存在的模具開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高等問(wèn)題，應(yīng)用CAD、CAE、CAM等計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，成功進(jìn)行了某大型柴油機(jī)飛輪殼鑄件的數(shù)字化無(wú)?？焖僦圃欤罱K開(kāi)發(fā)出滿足使用要求的鑄件。無(wú)模快速制造技術(shù)相比傳統(tǒng)的有模鑄造模式，省去了模具制造的過(guò)程，縮短了鑄件開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本，是目前鑄件快速開(kāi)發(fā)中一種切實(shí)可行、快速有效的先進(jìn)制造技術(shù)［11］。

實(shí)踐表明，相比于傳統(tǒng)的有模鑄造模式，基于CAD、CAE、CAM的無(wú)?？焖僦圃旆椒苡行?yīng)用于大型復(fù)雜鑄件的數(shù)字化設(shè)計(jì)、鑄造分析與鑄型數(shù)字化加工全過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)鑄件制造全過(guò)程的數(shù)字化。這一技術(shù)成功擺脫了模具制約，能夠顯著縮短鑄件的開(kāi)發(fā)周期，降低制造成本?；贑AD、CAE、CAM的無(wú)模快速制造方法特別適用于小批量、多品種、個(gè)性化定制鑄件的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

▲圖10 澆注得到飛輪殼鑄件