復(fù)雜鑄件結(jié)構(gòu)與工藝的協(xié)同設(shè)計研究

劉敬豪，于 江

（齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161002）

數(shù)字化設(shè)計、分析及虛擬制造技術(shù)的發(fā)展使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與工藝協(xié)同設(shè)計成為可能。目前，國外一些比較先進的設(shè)計、制造企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了復(fù)雜鑄件結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計的協(xié)同，而在我國軌道裝備制造行業(yè)還處于應(yīng)用的初級階段。在國家提出“中國制造2025”發(fā)展規(guī)劃的背景下，以及鐵路貨車制造行業(yè)正處在轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期，實現(xiàn)復(fù)雜鑄件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與工藝的協(xié)同設(shè)計，從而提高產(chǎn)品的設(shè)計精度、質(zhì)量與制造工藝性，是未來提高產(chǎn)品競爭力的必由之路。

1 傳統(tǒng)設(shè)計方式及其特點

由于專業(yè)分工及傳統(tǒng)體制問題，目前國內(nèi)復(fù)雜鑄件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計仍然以滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度和使用性能為主，難以全面考慮制造工藝性和經(jīng)濟性，從而導(dǎo)致產(chǎn)品制造工藝性較差，需采取多種工藝手段來保證產(chǎn)品的制造質(zhì)量，不但增加了工藝成本，而且還導(dǎo)致最終產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)存在較大的差異。下面以某型號鐵路貨車搖枕做詳細(xì)說明。

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與工藝結(jié)構(gòu)在性能上的差異

圖1為搖枕產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖，由圖1可以看出，搖枕的側(cè)壁和內(nèi)部筋均為為豎直結(jié)構(gòu)，而在工藝設(shè)計時，為了造型和制芯脫模，需要將搖枕側(cè)壁和內(nèi)部筋進行拔模處理，并設(shè)計防裂筋等，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加入拔模特征后，結(jié)構(gòu)形狀均會發(fā)生一定的變化，由于拔模后筋壁厚的變化，導(dǎo)致?lián)u枕工藝模型重量比設(shè)計模型增重2%左右，這勢必會影響轉(zhuǎn)向架乃至整車的重量，同時還會影響產(chǎn)品強度的計算精度。

應(yīng)用有限元分析軟件對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型和工藝模型分別計算搖枕的應(yīng)力大小，圖2、3、4為應(yīng)力分布位置圖。

圖1 搖枕寬度方向截面圖

圖2 應(yīng)力分布1

圖3 應(yīng)力分布2

圖4 應(yīng)力分布3

由表1可以看出，搖枕工藝結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在位置A、B、E、I、J的應(yīng)力值變化較大，由于目前產(chǎn)品設(shè)計中只采用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型進行強度和質(zhì)量計算，在當(dāng)下對產(chǎn)品設(shè)計精度越來越高的形勢下，產(chǎn)品工藝結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的強度差異勢必會影響產(chǎn)品設(shè)計的可靠性。

表1 搖枕工藝結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)應(yīng)力值對比

1.2 傳統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計對制造工藝的影響

在傳統(tǒng)的設(shè)計思路下，鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和鑄造工藝設(shè)計是由結(jié)構(gòu)設(shè)計師和鑄造工藝設(shè)計師根據(jù)各自的經(jīng)驗分別完成的。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計一旦成型，就決定產(chǎn)品的制造工藝性和制造成本。圖5為搖枕長度方向截面圖[1]，搖枕的底壁的彎角區(qū)域承受拉應(yīng)力，為搖枕受力關(guān)鍵區(qū)域，也是搖枕質(zhì)量控制的關(guān)鍵區(qū)域，由于底壁承受的應(yīng)力較大，因此在產(chǎn)品設(shè)計中往往該處壁厚較大，從而使底壁產(chǎn)生縮孔、縮松等鑄造缺陷的傾向大大提高。由于結(jié)構(gòu)原因，在工藝設(shè)計時底壁處于澆注位置的下方，無法直接使用冒口進行補縮，圖5中連接搖枕上下壁的內(nèi)腔也無補縮通道，因此即使在上平面設(shè)置冒口也難以對底壁進行補縮。為了確保關(guān)鍵區(qū)域的致密度，在鑄造工藝設(shè)計中只能采用放置冷鐵的方式，大量冷鐵的使用不但增加工藝成本和操作復(fù)雜度，而且還會因掉冷鐵等原因產(chǎn)生廢品[2]。

圖5 搖枕長度方向截面圖

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與工藝結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計及其特點

國外一些先進的設(shè)計制造企業(yè)在設(shè)計鑄件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)時，采用不同專業(yè)學(xué)科的協(xié)同，通過對鑄件結(jié)構(gòu)和工藝結(jié)構(gòu)的并行優(yōu)化，運用數(shù)字化強度分析、虛擬鑄造工藝分析軟件等信息化工具，完全實現(xiàn)了鑄件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與鑄造工藝結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計甚至一體化設(shè)計，產(chǎn)品模型與工藝模型實現(xiàn)了統(tǒng)一，杜絕了最終產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與設(shè)計結(jié)構(gòu)的差異。不但消除了傳統(tǒng)設(shè)計方法中鑄件結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析與工藝結(jié)構(gòu)的差異，而且提高了鑄件的制造工藝性。

圖6為國外設(shè)計的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝一體化結(jié)構(gòu)搖枕，由截面圖可以看出，該鑄件已經(jīng)把拔模斜度、工藝筋等工藝特征加入到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，同時在彈簧座彎角部位上方設(shè)置補縮通道。由于在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計中充分考慮了制造工藝的需要，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加合理，搖枕內(nèi)腔無需放置冷鐵，大大降低了制芯的復(fù)雜度和工藝成本。也減少了因放置冷鐵而產(chǎn)生的鑄造缺陷和廢品。

圖6 產(chǎn)品、工藝一體化結(jié)構(gòu)搖枕截面圖

圖7 為國外設(shè)計的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝一體化結(jié)構(gòu)側(cè)架，由圖可以看出，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中充分加入了工藝特征，不但設(shè)置了拔模工藝筋，而且在產(chǎn)品關(guān)鍵區(qū)域的導(dǎo)框彎角、承臺彎角處設(shè)置了冒口座，并在冒口座下方設(shè)置補縮通道，該側(cè)架在結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化設(shè)計不但使側(cè)架內(nèi)腔無需放置冷鐵，而且使小導(dǎo)框彎角、承臺彎角等關(guān)鍵區(qū)域的內(nèi)部致密度達到遠(yuǎn)高于國內(nèi)TB/T3012和國外AAR M210標(biāo)準(zhǔn)要求的2級水平（見圖8、圖9）。

圖7 產(chǎn)品、工藝一體化結(jié)構(gòu)側(cè)架

3 國內(nèi)復(fù)雜鑄件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與工藝結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計的可行性分析

圖8 小導(dǎo)框彎角解剖面

圖9 承臺彎角解剖面

目前國內(nèi)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計方面已經(jīng)大量應(yīng)用了三維軟件建模、有限元分析、PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理等先進設(shè)計分析和管理工具；在工藝設(shè)計方面已充分應(yīng)用CAD輔助設(shè)計工具、PROCAST等虛擬鑄造模擬軟件，并開展了三維工藝設(shè)計方面的研究，也取得了一些階段性成果。因此在軟硬件條件方面，國內(nèi)完全具備了復(fù)雜鑄件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與工藝結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計的條件。只是由于長期形成的傳統(tǒng)設(shè)計習(xí)慣和管理體制制約了新設(shè)計理念的推廣應(yīng)用。

在現(xiàn)行管理體制不改變的前提下，要實現(xiàn)鑄件結(jié)構(gòu)與工藝的協(xié)同設(shè)計，需產(chǎn)品設(shè)計師和工藝設(shè)計師在鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中加強溝通與合作，也可以按照項目制管理方式，組成項目團隊，更有利于項目人員的溝通協(xié)作，協(xié)同設(shè)計可按如下流程進行：

（1）由產(chǎn)品設(shè)計師根據(jù)組裝和結(jié)構(gòu)強度需要設(shè)計出鑄件基本結(jié)構(gòu)。

（2）鑄造工藝設(shè)計師對產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)進行工藝性審查，并提出改進意見。

（3）達成一致意見后，由產(chǎn)品設(shè)計師（或鑄造工藝設(shè)計師）根據(jù)鑄造工藝設(shè)計師提出的建議增加拔模、工藝筋、和冒口補貼等工藝特征。

（4）三維模型完成后，同時進行力學(xué)性能分析和鑄造模擬分析。

（5）根據(jù)分析結(jié)果進行結(jié)構(gòu)改進和再次計算分析，以得到同時滿足結(jié)構(gòu)強度和鑄造工藝性的鑄件結(jié)構(gòu)。

根據(jù)上述流程設(shè)計的鑄件結(jié)構(gòu)將會是鑄件的最終結(jié)構(gòu)，不需要在進行結(jié)構(gòu)方面的工藝處理，因此，鑄件的力學(xué)性能計算和產(chǎn)品質(zhì)量計算會更準(zhǔn)確，也會大大提高產(chǎn)品的鑄造工藝性和降低工藝成本。由于加入了工藝特征，會給鑄件的三維模型設(shè)計和二維工程圖設(shè)計增加一定的難度和工作量。

4 結(jié)束語

數(shù)字化制造技術(shù)（包括計算機輔助設(shè)計、計算機輔助制造和計算機輔助工藝優(yōu)化）的發(fā)展應(yīng)用促進了制造業(yè)的升級和協(xié)同設(shè)計理念的產(chǎn)生，協(xié)同設(shè)計方法的應(yīng)用使設(shè)計和制造實現(xiàn)了無縫對接，將是設(shè)計技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。同時由于多學(xué)科人員之間的互相協(xié)作和對計算機軟件應(yīng)用水平要求的不斷提高，將使工程技術(shù)人員的專業(yè)知識結(jié)構(gòu)由專一化向多元化發(fā)展。