摘要：主要介绍壳体铸件运用cAD/cAE计算机技术进行低压铸造工艺设计的过程、基于Pn0/E软件的低压铸件三维CAD模型设计和Any—casting铸造模拟软件的cAE工艺模拟。三维cAD能够使设计者比较直观和容易地进行铸造工艺工装设计，cAD模拟能够使设计者在工艺阶段预测缺陷部位，从而及时改进工艺，提高工装模具结构的合理性和准确性。
运用CAD/cAE技术对某壳体铸件进行低压铸造工艺设计和模拟，和传统铸造工艺设计手段相比，三维CAD能够使设计者比较直观和容易地进行铸造工艺工装设计，CAE模拟能够使设计者在工艺设计阶段预测缺陷部位，从而及时改进工艺，提高工装模具结构的合理性和准确性，有效缩短产品开发周期，保证铸件质量，满足产品使用要求，降低试制成本¨。
1铸件结构工艺性分析
1.1主要技术要求
该壳体属于复杂重要零件，承受一定的静载荷和不确定的动载荷，材料为高强度铝合金，要求铸件力学性能σb≥300 MPa，δ5≥1.5%，HBS≥100，试块力学性能为σb≥334 MPa，δ5≥2.0%，HBS≥100，重要部位不允许存在任何铸造缺陷，见图1中的1、2、3部位，铸造尺寸公差要求为GB/T6414,CT17级。
1.2铸件结构分析
图1为该壳体铸件的Pro/E三维实体造型。外形尺寸约为320 mm x 190 mm×150 mm，该零件结构复杂，最小壁厚为8 mm，法兰台较多，左边有一斜侧法兰，有3个方向的斜度，给工艺工装设计带来一定的难度。右边耳轴为明显局部厚大部位，厚达20 mm，因此造成了壁厚的不均匀性。
通过以上分析，发现由于该壳体是一种尺寸精度要求高、形状复杂、受力大、可靠性要求较高的铸件，故选用金属型低压铸造工艺。
2 工艺方案CAD设计
2.1分型面和浇注位置的确定
根据该壳体结构及低压铸造的工艺要求，分型面应选在大端面处，这样外形由下模形成，内腔由主型芯形成，模具整体性好，有利于保证尺寸精度，同时利于排气和提高模具寿命。根据分型面及低压铸造的特点，浇道位置选在下模的底部中心孔平面，这样有利于充型和补缩，侧法兰外缘和内孔由一侧芯整体形成。
2.2浇口设计
一般来说，低压铸件的加工余量为1—2 mm，为增加补缩通道，在浇道处中心孔内圆加工余量为10 mm，由Φ60 mm变成Φ40 mm，在浇道起始平面加工余量为8mm，浇道大端直径为Φ65 mm，起模斜度为5°。在分型面设置随形集渣包，使得最先流人的冷金属积聚到集渣包，该处开10mm×0.15mm的排气道，初始工艺模型示意图见图2。
2.3模具型腔的材料
型腔模块材料选用QT500-7，该材料热稳定性好，图l 壳体铸件的Pr。/E三维实体造型不易变形。通过以上分析，发现由于该壳体是一种尺寸精度要3低压铸造工艺参数的选择
3.1升液速度的确定
其中升液阶段的加压速度应使合金液平稳上升，升液速度一般控制在50 mm/s左右，所需加压速度为0.014MPa/s，升液时间视充型压力而定。
3.2充型压力和充型速度的确定
一般根据帕斯卡原理来计算其充型压力值：P充=P：=μHγ
(1)式中，P充为充型压力，MPa;H为型腔顶部与坩埚中金属液面的距离，mm;y为金属液重度(N/mm3);μ为充型阻力系数，一般取1.2～1.5。充型速度是指充型过程中，金属液面在型腔中的平均上升速度，一般稍高于升液速度。控制不良会形成气孔和氧化夹渣，因此正确地控制加压速度是获得良好铸件的关键。
充型速度无量纲计算公式：
(2)式中，υ充min:为金属液在铸型中的(最小允许)平均上升速度(沿铸件高度)，mm/s;h为铸件高度，mm;δ为铸件壁厚，mm;t浇为合金液的浇注温度，℃。
3.3结壳时间岛的确定一般地说，采用金属型时结壳时间比较短，有时可以取消结壳时间，直接增压，但考虑到该壳体有厚大部位，结壳时间选择5s。
3.4增压压力值及增压速度的确定
液态金属在一定压力下进行结晶，是低压铸造的特点之一，因此增压压力也称为结晶压力，即充型结束后，在充型压力的基础上，再使压力增加一定数值，有利于铸件补缩，可有效地消除缩孔、缩松，提高组织的致密度，但由于铸型及设备条件等因素的限制，增压压力也不能太高。
增压压力经验公式：
(3)式中，P充为充型压力，MPa;k₁为增压系数，对于金属型取后k₁=1.5—2.0。对于金属型铸件，其增压结晶阶段的加压速度应快，以保证铸件及时结晶补缩，增压速度一般控制在0.005～0.010 MPa/s。
3.5保压时间t5的确定
保压时间不足，铸件的凝固得不到充分的补缩，易出现缩孔、缩松缺陷。若保压时间过长，轻则使生产周期长、生产率下降，严重时使上部“冻住”，造成流通困难，甚至停产。生产上多以铸件浇口残余长度为依据，凭经验控制保压时间。
3.6浇注温度和模具温度的确定。目前我厂使用的低压铸造机型号为J453E，根据以上原则和铸件参考模型的尺寸，分析计算得到以下工艺参数和加压规范(见图3)。
合金浇注温度 (680±20)℃
外模预热温度 (240±20)℃
金属芯预热温度 (240±20)℃
浇口预热温度 (310±20)℃
4 CAE工艺模拟
初始方案充型模拟见图4，凝固模拟见图5。结果显示法兰端部为最后充型部位，容易窝气;左边厚大部位内部有一处明显缩孔。
改进方案：左边采用曲面分型，让法兰外缘直接带入上下型腔，只有内部圆柱芯采用侧抽，有利于排气，在中心浇口处增加3处放射状内浇道，见图6，使金属液完全能至下而上实现平稳充型，且加大补缩通道。按改进后方案对该铸件进行模拟分析没有发现缺陷，凝固模拟结果见图7。
5 Pr0/E模具设计
对改进后的工艺模型(在Pr0/E里称之为参考模型)，经过拆模转化成型腔、型芯、浇注系统等模具零部件，再与设计好的模座装配成一套注射模具。同时Pro/E在拆模过程中还提供了一些必要的分析功能，如起模检测、厚度检查、模具开启以及干涉检查等。
5.1建立工件(Workpiece)
参考模型之后要建立工件(workpiece)，一个简单的拉伸特征就可完成，即将来形成型腔实体的部分。
5.2模型检验(Model Check)
必须先检验模型的厚度(Thickness Check)、起模斜度(Dr出check)等几何特征，以确认成品的厚度及起模斜度是否符合设计要求。若不符合，便可及早发现并修改。
5.3设定收缩率
不同的材料有不同的收缩率，为了补正体积收缩上的误差，必须将参照模型放大。Pro/E针对这个需要提供了一套设定收缩率的工具，根据该件的材料及低压铸造特征选用1%的收缩率。
5.4建立分型面
建立分型面时首先定义各型芯分型面，最后定义主分型面。一般都是先用增加(Add)一复制(C叩y)一选择(select)一单独曲面(Indiv Surfs)复制模型外表面，以生成初步的分型面，再用Modify—Add/Flat及Modi-fy-Add/Extlllde来建立破孔面，形成不带破孔的分型面，最后将所有曲面合并(Merge)在一起。在所有分型面都做完后，需要延拓到工件表面。该壳体铸件模型共6个分型面，5个圆柱芯在复制完模型表面后，均再做一个封闭旋转曲面合并后生成。主分型面比较难做的是左侧法兰分型面的分割，要用到曲线和侧像投影，然后做一个平整面合并而成，见图8。
5.5建立模具体积块及模具元件
(Mold Comp)分型面完成之后，接着就要分割工件，建立模具体积块。首先利用型芯分型面分割出5个型芯，然后用主分型面分割出上下两半型，这样将坯料拆为7个模型体积块，并将其抽取为模具元件。利用刚生成的模具元件顺利生成模拟浇注件(M01ding)，说明拆模流程正确。关闭参考零件、坯料及分型面，利用Pr0/E的模具开启(Mold Opening)功能展示出开模状态，见图9。通过做干涉检查(Inte如rence Check)，该模具在拔模时不会发生干涉。
5.6模座及定位元件的设计
一般而言，模座的构件大部分可利用拉伸(Protru—sion)、旋转(Revolve)及剪切(Cut)等简易的实体特征来建构，这里不做叙述，设计完成后的模具装配图见图10。
6结 语
该模具设计完成后，直接转入CAM数控加工，仅用20天时间完成了模具制造。该壳体首次试模，共试制9件，经过化学成分分析和力学性能鉴定，其综合性能已经超出产品的设计要求。经破坏性解剖4件，内部没有缺陷，其余5件经试加装配完全达到产品的使用要求。
参考文献
1:杨大春，刘远伟.基于solidworks的精铸件三维CAD铸造工艺设计.铸造，，53(2)：140～142
2:廖敦明，陈立亮，刘瑞祥，等.铸造cAD/cAE/cAM一体化技术.铸造，，54(7)：702～705
3:柳百成.铸造工程的模拟仿真与质量控制.北京：机械工业出版社，2001.
4:李新雷，郝启堂，王继昌，等.大型分体式反重力铸造设备的研制.铸造，，54(3)：268～270
5:李平，蔡启舟，魏伯康，等.华铸cAE软件在壳型铸造激冷铸铁凸轮轴工艺优化中的应用.铸造，，53(7)：55l～554
6:董秀琦.低压及差压铸造理论与实践.北京：机械工业出版社，.
7:詹友刚.Pro/E2001教程.北京：清华大学出版社，.
8:张丽桃，罗峰.Pr0/E在鼠标模具设计中的应用.cAD/cAM与制造业信息化，(4)：4l～4
作者：郭凌 刘锦益 闰福 冯义宏
作者单位：内蒙古北方重工业集团有限公司
来源：特种铸造及有色合金
