1、西安航空职业学院毕业论文虚拟环境下铸件的设计制造验证技术应用姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：零件设计阶段，在虚拟环境下应用铸件的设计、制造、验证技术，分析铸件的可制造性、工艺性，基于虚拟验证结果对零件的不合理结构进行改进优化。铸件经虚拟设计、虚拟制造、虚拟验证的循环改进后，获得符合使用要求的铸件模型和生产过程控制参数。在虚拟环境中完成铸件的设计、制造、验证、改进等工作，评估、提高铸件设计的可制造性，节省研制成本、缩短研制周期。关键词：铸造；虚拟设计；虚拟制造；虚拟验证。制造业数字化网络化智能化是新一轮工业革命的核心技术,应该作为中国制造2025的制高点、突
2、破口和主攻方向 1。在铸造领域可利用数字化虚拟技术，在虚拟环境下完成的工艺设计、铸造生产和质量检验，解决预知的问题，可有效地从源头控制产品质量与效率。现阶段在国内铸造领域，虚拟环境下制造和验证技术主要是应用在铸造工艺编制阶段，利用仿真软件对铸造工艺合理性进行评估验证，此方面成功应用案例 24较多，优化内容多为工艺而非零件结构。我单位通过研究、总结和梳理，形成了一套完整的包含铸件虚拟设计、虚拟制造、虚拟验证的操作流程和规范。在零件设计阶段，充分利用数字化手段，在虚拟环境中完成铸件的设计、制造、验证、改进等工作，评估、提高铸件设计的可制造性，能够有效地从设计源头提高产品质量与生产效率，节省研制成本
3、、缩短研制周期。1. 应用机体为柴油机关键重要铸件，因其结构复杂、壁厚相差较大、存在较多孤立热节，铸造过程中易产生缩孔缩松缺陷；同时机体含有主油道、水道，铸造过程中管道易出现变形或泵压渗漏等缺陷。在某型船用柴油机的研制阶段，依据船用柴油机铸件的虚拟设计、虚拟制造、虚拟验证操作规范，在虚拟环境下开展柴油机机体的可制造性、可使用性评估工作，向设计人员提供改进建议，铸件在虚拟环境下经循环的设计、制造、验证和改进后，提高铸件的可制造性。2.1 初始设计的可制造性评估在技术设计初期阶段，依据设计模型和国内大型柴油机制造厂的设备情况，对机体模型开展可制造工艺性分析。机体在虚拟环境下开展铸造工艺设计，在铸造
4、工艺分型分芯设计过程中，经分析在凸轮轴箱与缸套孔的纵隔板处增加工艺孔（图2） ，调整凸轮轴箱内的筋板位置（图3）后更利于分型分芯，可显著提高机体的制造工艺性。图 1：增加工艺孔位置图 图 2：凸轮轴箱内筋板Fig.1 Position of technological hole Fig.2 Dart in camshaft box机体经虚拟制造分析，初步确定常规的QT400材料化学成份配比即可满足使用要求（图4） ；使用常规呋喃树脂砂可满足造型、制芯要求；机体的浇注重量、起吊重量和清理位置等，国内柴油机厂均可生产。但在虚拟制造的砂芯装配仿真过程中，检测到油腔砂芯与曲轴箱砂芯存在落芯干涉问题（图
5、5） ，可制造性差。图 3：材料分析 图 4： 砂芯干涉位置Fig.3 Analysis of material Fig.4 Positon of intervene core机体经虚拟验证分析，机体输出端凸轮轴孔周围、自由端缸套孔齿轮箱侧处存在厚大截面，是铸造过程的热节部位（图6） ，极易产生缩孔缩松缺陷，可制造性差。图 5 热节部位示意图Fig.5 Position of hot spot机体经虚拟环境下的设计、制造、验证分析，初步判断该机体的制造工艺性较差，分析结论形成评估报告并反馈设计人员。2.2 零件结构设计优化技术设计后期，机体设计人员根据工艺性分析报告中的改进建议，对机体进行改进
6、。在凸轮轴箱内增加工艺孔，同时删除加强筋板（图 7） ，利于砂芯的制作与装配，降低制造难度；修改油腔位置毛坯特征避免砂芯干涉（图 8） ；对厚大热节位置的结构进行优化（图 9、图10） ，避免出现缩孔疏松缺陷。图 6 凸轮轴腔位置改进 图 7 油腔位置改进 Fig.6 Improve of camshaft box Fig.7 Improve of oil cavity 图 8 厚大热节位置改进 图 9 厚大热节位置改进Fig.8 Improve of hot spot Fig.9 Improve of hot spot机体经铸造工艺虚拟设计，确定以砂型重力铸造方式生产；小于 40mm 的孔和
7、槽不铸出；为保证机体主缸套孔质量，以机体底脚面为分型面，缸套孔朝下；加工余量选择GB/T6414H 级；冒口设置在机体铸造上表面；轴承档、螺栓孔等关键位置放置冷铁进行激冷；浇注系统为底注式。铸造工艺模型详见图 11。图 10 机体铸造工艺方案Fig.10 Layout of Cylinder Frame process机体经虚拟制造分析，常规的 QT400 铸件材料、呋喃树脂砂等即可满足生产要求；配箱过程中砂芯无干涉（图 12） ；机体的浇注重量、起吊重量和清理位置等要求国内柴油机厂均可满足。图 11：分芯方案Fig.11 Layout of separate core 机体经虚拟验证分析，铸
8、造过程的充型平稳，无严重涡流现象，充型后温度场分布合理，不会产生冷隔缺陷；铸件凝固过程中，无长时间过热位置，不易产生粘砂缺陷；整体趋于同时凝固，无过大孤立液相区，不易产生缩孔疏松缺陷；软件预测的缺陷均在可接受范围内，材料机械性能分布满足零件使用要求。图 12 充型过程 图 13 氧化夹杂缺陷Fig.12 Filling prcess Fig.13 Inclusion defects 图 14 孤立液相区 图 15 疏松缺陷Fig.14 Separate liquid Fig.15 Dispersed shrinkage图 16 抗拉强度预测云图 图 17 屈服强度预测云图Fig.16 Tens
9、ile strength Fig.17 Yield strength图 18 延伸率预测云图 图 19 硬度预测云图Fig.18 Elongation Fig.19 Brinell hardness机体经虚拟环境下的设计、制造、验证分析，初步判断该机体的制造工艺性较好，可制造，毛坯质量满足零件使用要求。2.3 毛坯试制验证通过实际生产试制（图 21） ，零件（图 22）表面质量、内部质量和机械性能要求（表1）均满足零件使用要求。机体设计、毛坯试制周期约为 11 个月。图 20 机体配箱 图 21 机体零件Fig.20 Core setting Fig.21 Cylinder frame表 1
10、首件机体附铸试块机械性能Table.1 Mechanical properties of test result2. 总结 零件设计阶段，在虚拟环境中完成铸件的设计、制造、验证、改进等工作，提高铸件的可制造性。铸件经虚拟设计、虚拟制造、虚拟验证的循环改进后，获得符合零件使用要求的铸件工艺和生产过程控制参数，用于指导后续实际生产，提高铸件成品率。从而节省研制成本、缩短研制周期。参考资料1 周济. 智能制造“中国制造2025”的主攻方向. 中国机械工程. 2005（26）17 ：2273-2284。2 廖敦明，陈立亮，刘瑞祥，等。铸造CADCAECAM一体化技术J.铸造，2005（7）702-705。3 吴浚效，李彤，李文珍等。虚拟制造及其在铸造生产中的应用.J.铸造，2002（2）93-96。4 王家弟，卢晨，丁文江。并行工程技术在铸造中的应用J.铸造，2000（9）544-566。致 谢感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正!
