壓縮機(jī)鑄件結(jié)構(gòu)和鑄造工藝計算機(jī)輔助設(shè)計

                SolidWorks是一套機(jī)械設(shè)計自動化軟件，簡單易學(xué)，機(jī)械工程師能快速地按照其設(shè)計思想繪制出草圖，制作模型和詳細(xì)的工程圖。應(yīng)用特征和尺寸，進(jìn)行零件三維造型，三維模型除了可以將設(shè)計思想以最真實的模型在計算機(jī)上呈現(xiàn)出來之外，還可隨時計算出鑄件的體積、面積、質(zhì)心、重量、慣性矩等，用以了解零件、模型的真實性�？呻S時對尺寸修正，相關(guān)的二維圖形或三維實體模型均自動修改，同時裝配、制造等相關(guān)設(shè)計也會隨之變動，如此可確保數(shù)據(jù)的正確性，避免人為改圖的疏漏情形，減少了工作時間與人力消耗。由于有參數(shù)式的設(shè)計，機(jī)械工程師可以運用強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運算方式，創(chuàng)建各尺寸參數(shù)之間的關(guān)系式，使模型可自動計算出應(yīng)有的外型，減少尺寸逐一修改的繁瑣費時，并減少錯誤發(fā)生。 
                運用SolidWorks中的各項工具，能夠快捷地對鑄件進(jìn)行厚度分析、起模分析、結(jié)構(gòu)分析等，檢查鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，避免傳統(tǒng)二維平面設(shè)計中難以發(fā)現(xiàn)的壁厚設(shè)計不當(dāng)，干涉等問題。鑄造工藝方案確定后，借助其中的分型面、切削分割、型腔、組合、起模等特征，很快就可以得到外模、芯盒的計算機(jī)三維造型。利用質(zhì)量特性工具，可以檢查砂芯能否平穩(wěn)地放置，將各砂型、砂芯裝配起來，能夠模擬下芯操作。在設(shè)計系列零件時，優(yōu)勢非常明顯，做好一個基礎(chǔ)模型后，建立系列零件表，輸人各系列的尺寸，能夠在幾個系列中快速切換，避免重復(fù)性的工作。從模型能夠直接生成工程圖，指導(dǎo)模型的制造、零件的生產(chǎn)。本文附圖中的三維模型，全部是在SolidWorks中完成的。
                澆注系統(tǒng)開設(shè)得正確與否，對鑄件的質(zhì)量影響很大。澆注系統(tǒng)的設(shè)計，要根據(jù)具體的情況，正確選擇類型和開設(shè)的位置，對各種可能方案進(jìn)行反復(fù)比較，還要確定各組元的合理尺寸及其之間的比例關(guān)系，某一方面的失誤都將帶來不良的結(jié)果。選取Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計算，過程透明，操作簡單，掌握一定基礎(chǔ)知識的初學(xué)者就可以自已編制出適合于自己應(yīng)用的程序。我們按常用的澆注系統(tǒng)計算公式編制了簡易的程序，并將大量的成功例子輸人進(jìn)行分析驗證，調(diào)整各經(jīng)驗值的大小，只要給出鑄件的重量、外形等各尺寸，計算機(jī)就能夠快速地制訂出較合理的澆注系統(tǒng)方案，按此方法計算出來的澆注系統(tǒng)，經(jīng)過實踐的驗證，鑄件出品率較高，證明澆注系統(tǒng)設(shè)計合理。本文將以實例對以上方面進(jìn)行詳細(xì)說明。
1、起模分析
1.1用途
                  起模分析對于鑄造工藝方案的制訂有很大的幫助。 
                 (l)可以使用起模分析工具來檢查起模正確應(yīng)用到鑄件面上的情況。
                 (2)有了起模分析，可核實起模斜度，檢查面內(nèi)的角度變更。
                 (3)可利用起模分析找出鑄件的分型線、澆注面和出坯面。
                 (4)應(yīng)用起模分析后，可看出外模需設(shè)活塊的位置。 
                 (5)對芯盒的三維造型進(jìn)行起模分析，能輕松設(shè)置芯盒的分邊分塊。
1.2實例

                圖1為對我公司某型號壓縮機(jī)上的排氣端座進(jìn)行起模分析的情況。圖中深色處為負(fù)起模區(qū)，即妨礙起模的位置。由圖可知，小法蘭、排氣法蘭下半部為負(fù)起模區(qū)，由圖可初步制訂出這樣的方案，三箱造型，考慮到大法蘭精度要求高，且為好放置排氣口砂芯(圖中僅看得見排氣法蘭處孔)，大面向下，由大面起模，外模上小法蘭(連同凸臺)脫活塊，排氣法蘭的下半部形狀靠加一砂芯形成。
1.3操作方法 
                (1)打開模型，然后單擊工具起模分析。 
                (2)在分析參數(shù)下，執(zhí)行如下操作。 
                選擇一平面、一線性邊線或軸來表示起模方向。圖1中選擇的面為大法蘭面，則系統(tǒng)給出的起模方向為垂直于此面的方向，圖中小箭頭所指為起模方向(意義參考圖2)。要更改起模方向，可單擊反轉(zhuǎn)方向，也可使用圖形區(qū)域中的小箭頭來反轉(zhuǎn)方向。輸入?yún)⒖计鹉＝嵌�，系統(tǒng)會將該參考角度與模型中現(xiàn)有的角度進(jìn)行比較。

                 以上兩參數(shù)選好后，點擊計算，在圖形區(qū)域?qū)�會根�?jù)設(shè)定的顏色顯示出各種面來。"正起模"指面的角度相對于起模方向大于參考角度;"負(fù)起模"指面的角度相對于起模方向小于負(fù)參考角度;"需要起模"顯示需要校正的面，這些面的角度大于負(fù)參考角度但小于正參考角度;"跨立面"顯示包含正以及負(fù)起模類型的面，通常.這些為需要生成分割線的面。一般將負(fù)起模面設(shè)置成醒目的紅色，以便發(fā)現(xiàn)。 
                將指針移動到模型上的任一區(qū)域，屏幕上將會動態(tài)顯示該區(qū)域的起模角度的數(shù)值。
2 方案設(shè)計
2.1 用途 
                可通過分型面、切削分割、型腔、組合、起模等多種方式，將鑄件的三維造型變換得到外模、砂芯、芯盒等的三維實體造型，進(jìn)而檢查外模起模是否順利，芯盒設(shè)計是否合理;通過裝配，可模擬下芯的情景，以發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問題。以上操作，能檢查工藝方案的合理性，若發(fā)現(xiàn)問題，可及時修正調(diào)整。也可設(shè)計好不同方案后，將各情況模擬出來，比較優(yōu)劣，以得到最佳方案。
2.2操作方法
                SolidWorks中有一系列的鑄模工具。圖3中的各工具的功能依次為:比例縮放，用于按指定的因子縮放模型;分型線，用于建立分型線以將核心和型腔分離;關(guān)閉曲面，用于查找并生成模具關(guān)閉面;分型面，用于在核心和型腔面之間生成分型面;切削分割，用于切削分割特征;型腔，用于插人一個型腔到基體零件中;起模，使用中性面或分型線按所指定的角度削尖模型面;分割線，將草圖投影到彎曲面或平面，從而生成多個單獨面;等距曲面，使用一個或多個相鄰的面來生成等距的曲面;直紋曲面，從邊線插人直紋曲面;延展曲面，從一條平行于一基準(zhǔn)面的邊線開始來延展曲面;平面區(qū)域，使用草圖或一組邊線來生成平面區(qū)域;縫合曲面，將兩個或多個相鄰、不相交的曲面組合在一起;起模分析，根據(jù)模具起模方向分析面的起模角度;底切檢查，識別形成底切的面。
                另外，利用SolidWorks動態(tài)修改尺寸這一功能，可快捷地實現(xiàn)加工面"加工余量"、砂芯留"間隙"的操作。常用的還有"組合"這一工具，通過多個實體的加、減、并邏輯操作，可將鑄件模型轉(zhuǎn)換成砂芯、外模、芯盒等三維造型。還有"分割"工具，可將一個實體用曲面或平面分割成多個實體，可用于模擬芯盒分邊，外模脫活塊等。
2.3 實例 

                上文中的圖1為我公司某型號壓縮機(jī)的排氣端座的三維造型的一部分，排氣法蘭的下半部形狀為一砂芯形成，我們通過將一拉伸特征與鑄件模型進(jìn)行邏輯加的操作，就從上述模型變換到了如下的鑄件外模三維造型(見圖4)。這時候可再次使用起模分析，檢查是否有妨礙起模的地方。如果將拉伸特征與鑄件模型進(jìn)行邏輯減操作，則可得到砂芯的三維造型。 
                SolidWorks中的退回控制棒，隨時可通過拖動來將模型退回到中間過程(例如退回到為鑄件狀態(tài)時〕，觀看鑄件局部的細(xì)節(jié)，也可很快地拖回到現(xiàn)狀態(tài)，通過比較看工藝方案設(shè)計得是否合理。
3砂芯設(shè)計
3.1用途
(1)檢查砂芯的重心所在，看砂芯是否能夠平穩(wěn)放置。
(2)對芯盒分塊，便于順利出砂。
(3)檢查下芯時各砂芯砂型間是否有妨礙。
3.2操作方法
                砂芯的生成，一般是在鑄件的基礎(chǔ)上，通過分割、組合、動態(tài)修改尺寸(加余量、留砂芯間隙)、起模分析等操作，再加上芯頭，加縮放比例，起模斜度，變換成各砂芯的三維造型。類似的操作，可將之轉(zhuǎn)換成芯盒的三維造型，通過分型面對芯盒分割，進(jìn)行起模分析，可檢查芯盒分邊是否合理，能否順利地出砂。
                檢查砂芯的重心，要對砂芯應(yīng)用到質(zhì)量特性，其中可看出砂芯重心所在，垂直于砂芯底面觀察，即可看出砂芯的重心是否落在底部芯頭范圍內(nèi)，知道它是否能夠放置平衡。
                檢查下芯時是否有妨礙，需要用到裝配的概念。
3.3實例 

                圖5為我公司某型號的排氣端座，圖面朝向的大面為排氣面，其所對的背面接增速箱，因設(shè)計條件的限制，排氣溫度較高，為降低機(jī)器運行時溫度，不致影響使用性能，機(jī)體、排氣端座、吸氣端座上均開設(shè)有油腔，油在其中循環(huán)，以帶走熱量.為了使散熱良好，面積應(yīng)盡量大，流動阻力盡量減小，為此綜合多方面的考慮設(shè)計了如圖的兩個油腔。左右的油腔均由砂芯形成，但右邊的油腔制造起來時有不少困難，首先，它在兩個端面上的形狀變化較大，因油腔與一進(jìn)油孔相連，又要求它離小法蘭面一定的距離內(nèi)形狀不能變化，否則無法與油孔相連。我們用放樣這一特征按上述要求做出了砂芯的模型，設(shè)置為不與基體合并，再通過邏輯減在基體上減去，這樣便生成了鑄件的模型，通過退回控制棒，可隨時退回到砂芯的狀態(tài)。下面我們通過質(zhì)量特性來檢查此砂芯是否能放置平穩(wěn)，圖6中深色的區(qū)域為砂芯的底面，如果整個砂芯的重心落在深色區(qū)域，則砂芯可平穩(wěn)放置;反之，則下芯后無支撐時砂芯將會傾斜。考慮到此處結(jié)構(gòu)緊湊，靠近轉(zhuǎn)子孔這一重要位置，原則上不使用芯撐，以免對局部造成不良影響。我們將采取措施對砂芯本身進(jìn)行處理，以求在滿足要求的前提下達(dá)到放置平穩(wěn)的目的。 
                放樣就是通過在輪廓之間進(jìn)行過渡生成特征。未調(diào)整前的砂芯就是通過放樣特征形成的。為了達(dá)到在離小面一定距離不變形的要求.在離小面一定距離的平面上插入了一個與小面形狀一致的面，讓大面、小面、插人面上的截面均作為放樣截面。現(xiàn)在為將重心平衡過來，在離大端面一定距離的平面上再次插人一放樣截面，添加到現(xiàn)有放樣，即讓大面形狀在一定距離內(nèi)也保持不變，現(xiàn)在再次對調(diào)整后的砂芯應(yīng)用質(zhì)量特性，我們看到，已初步起效，重心移到了深色的底部支撐區(qū)域內(nèi)了，如圖7所示。當(dāng)然，圖中的效果還不是很理想，還需繼續(xù)對此砂芯進(jìn)行細(xì)調(diào)，可以將大面保持的距離再增大一些，或?qū)⒖看竺娴钠矫嫔系慕孛嫘螤钕蛴蚁乱苿樱�以作進(jìn)一步的平衡，達(dá)到較佳的受力情況。理論上分析后，在模型制作時做了嚴(yán)格要求，此鑄件已完成，效果良好。
4壁厚檢查
4.1 概述
                為保證鑄件的強(qiáng)度和避免出現(xiàn)冷隔和澆不足等缺陷，并防止過薄處的白口傾向，鑄件應(yīng)有適當(dāng)?shù)谋诤�。鑄件最小允許厚度與合金的成分及其流動性關(guān)系密切，也與澆注溫度、鑄件尺寸大小和鑄型的冷卻能力及其它熱物理性能有關(guān)。但是鑄件的壁厚也不是越厚越好，砂型鑄件具有雙面結(jié)晶這一特點，過厚處易出現(xiàn)收縮類缺陷(縮松等)，過厚的鑄件，其重量、體積也隨之增加，經(jīng)濟(jì)性不好。厚度分析實用程序決定零件中不同的厚度值。它識別薄區(qū)和厚區(qū)，并確定零件中與指定目標(biāo)厚度相等的部分。壁的相互連接處往往會形成熱節(jié)，易出現(xiàn)收縮類缺陷。所以鑄件的壁厚還應(yīng)盡可能一致以達(dá)到比較均勻的冷卻，使壁厚發(fā)生變化的地方逐漸過渡。為此，特別是對于新設(shè)計的鑄件，希望能在鑄件設(shè)計階段即能比較清晰準(zhǔn)確地檢查鑄件各處的壁厚，盡量做到各處壁厚均勻，無過厚或過薄現(xiàn)象出現(xiàn)。但是在傳統(tǒng)的二維平面工程圖中，很難去判斷一個復(fù)雜鑄件的壁厚是否設(shè)計的合理。這一問題，甚至在模樣制作階段也很難發(fā)現(xiàn)，但是到了鑄件的生產(chǎn)階段，這一問題即會暴露出來，但這時，要重新去改設(shè)計圖紙，改模樣，重新鑄造，浪費了人力物力，且在任務(wù)緊急時會耽誤寶貴的時間。我公司曾經(jīng)出現(xiàn)過這樣一個問題，某型號的新產(chǎn)品在設(shè)計時，機(jī)體因內(nèi)外壁均是復(fù)雜的曲面，二維工程圖無人能檢查出問題，模樣制造時，外形由外模形成，內(nèi)部形狀由砂芯形成，當(dāng)時也沒有發(fā)現(xiàn)問題，但在合箱的時候，就發(fā)現(xiàn)某處的壁厚過薄，鐵液流不過去，這樣的鑄件自然成了廢品。但應(yīng)用SolidWorks，就不會有類似的問題發(fā)生，可避免不必要的損失。另外，也可將零件進(jìn)行厚度分析，以確定鑄件上需加的余量(詳見下例的說明)。

                SolidWorks Utilities中的厚度分析可分析零件中不同的厚度值，識別薄區(qū)和厚區(qū)，并確定零件中與指定目標(biāo)厚度相等的部分。進(jìn)行薄區(qū)識別時，輸入分析參數(shù)，即符合強(qiáng)度、剛度條件、工藝要求的最小壁厚，系統(tǒng)將顯示小于最小壁厚的警戒值，通過不同顏色區(qū)分，一目了然。進(jìn)行厚區(qū)識別時，輸人最小壁厚值作分析參數(shù)，再輸人一個認(rèn)為過厚的壁厚，系統(tǒng)將以不同顏色顯示各厚度范圍，可從中看出熱節(jié)區(qū)的分布(一般是較醒目的紅色區(qū)域)，壁厚是否均勻(均勻的壁厚各處的顏色基本是一致的)。
4.2實例

                我公司某型號的油活塞缸體在試壓時，經(jīng)常在大法蘭與筋板交接處出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，為此我們將此鑄件的模型進(jìn)行了厚度分析，可明顯地看出(如圖8)，此處壁厚較大(圖中深色的區(qū)域)，且為相互連接處，熱節(jié)區(qū)容易出現(xiàn)疏松等缺陷，從而導(dǎo)致此處經(jīng)常會泄漏。在理論上作了分析后，從澆注工藝上采取了對應(yīng)的措施，問題有所好轉(zhuǎn)。在新型號產(chǎn)品設(shè)計時，針對此種結(jié)構(gòu)的油活塞缸體此處形成熱節(jié)的情況，對結(jié)構(gòu)作了調(diào)整，將大法蘭與缸體分成了兩個零件，經(jīng)同樣的壁厚分析，壁厚分布較均勻，工藝性好，從而避免了此類問題的發(fā)生。 

                圖9為我公司某型號的排氣端座，使用SolidWorks來檢查零件薄壁處，結(jié)果發(fā)現(xiàn)陰轉(zhuǎn)子軸承孔與排氣孔口相連處壁厚過薄(圖9正中較深色的區(qū)域)，將指針移上時，顯示指示位置處的壁厚及特征名稱，結(jié)果發(fā)現(xiàn)此處的壁厚僅有7.66 mm，顯然對于這個鑄件來說是太薄了，但設(shè)計時限于轉(zhuǎn)子孔的位置和排氣孔口均不能更改，且此壁厚經(jīng)計算滿足了強(qiáng)度條件，為此，設(shè)計鑄件工藝時，我們特意將轉(zhuǎn)子軸承孔的余量取得較大，以使鑄件的壁厚不致太薄，多加的余量在粗加工時很方便就可去除。應(yīng)用同樣的方法，我們制作了曾出現(xiàn)壁厚過薄的某型號的機(jī)體更正前后的對比模樣，發(fā)現(xiàn)問題很明顯，如果當(dāng)時能夠早一步在計算機(jī)中作出類似的分析，則不會出現(xiàn)模樣返工的現(xiàn)象。
5澆注系統(tǒng)計算

                我公司的鑄件中有相當(dāng)一部分是系列化的，即不同的型號之間除了尺寸大小方面的差別外，形狀方面的差別很小。我公司I, II型壓縮機(jī)經(jīng)過幾十年的試驗改進(jìn)，已經(jīng)形成了一套成熟的模樣制造、零件加工的工藝，在這種情況下，如果在舊型號的基礎(chǔ)上設(shè)計一新型號的鑄件，為鑄件設(shè)計澆注系統(tǒng)時，就可以應(yīng)用到Excel的功能，先選取常用的伯努利方程、奧贊公式等，將大量的成功例子輸人，通過對平均靜壓頭、澆注時間、直、橫、內(nèi)澆道之間的比例關(guān)系等進(jìn)行分析驗證，并將各經(jīng)驗表格輸人，經(jīng)過調(diào)整各經(jīng)驗位的大小，最后綜合.得到符合我公司情況的公式，如圖10,在圖示的第3行中輸人公式，通過填充句柄拖動，公式在下面的每一行中都以同樣的規(guī)律得以體現(xiàn)，然后將重量、壁厚等需輸人的條件的單元格鎖定取消，最后鎖定整個工作表，因為系統(tǒng)默認(rèn)的單元格為鎖定，這樣除了可以在設(shè)計條件欄輸人以外，其他單元格均被鎖定，可以防止誤操作造成原始數(shù)據(jù)的改動，保護(hù)了程序的穩(wěn)定性。就這樣編制了簡易的適合我公司鑄件澆注系統(tǒng)計算的小程序，只要在相應(yīng)位置輸人鑄件的重量、外形等各尺寸，計算機(jī)就能夠快速參照成功例子制訂出較合理的澆注系統(tǒng)方案。按上述方法快速計算出的澆注系統(tǒng)，十余個新產(chǎn)品通過試制，非常成功。
6重量計算
6.1概述
                重量在零件設(shè)計時，有時是一項重要的參數(shù)。傳統(tǒng)的二維平面工程圖，通常是這樣計算重量的，就是將零件折分成為多個簡單的幾何體，分別計算，再將之加減乘除，從而得出近似的重量，但對于鑄件來說，特別是復(fù)雜的鑄件，外形內(nèi)腔為曲面變化，用這種方法很難得到準(zhǔn)確重量的。因而特別是在很多需要標(biāo)注重量的場合，設(shè)計者一般是先估算出一個誤差較大的重量，等零件制作出來后，再稱取重量，對設(shè)計圖紙作調(diào)整。通過SolidWorks，只要有幾組試驗數(shù)據(jù)提供，從中得到此種材料(如HT200)的密度，就可很快地利用質(zhì)量特性得到零件的重量。
                在我公司一大型新產(chǎn)品的設(shè)計中，需要估算整個壓縮機(jī)的重量，檢查加工、裝配時行車、裝配工作臺等是否能夠承受重量，以決定是否需要對車間進(jìn)行改造。端蓋、隔圈等簡單規(guī)則件很容易計算重量，但排氣端座、機(jī)體、吸氣端座等復(fù)雜鑄件很難以通常的方法來估算重量，對這些復(fù)雜鑄件在計算機(jī)中均作了相應(yīng)的三維造型，作質(zhì)量特性的計算，其總重量大約為3. 5t，現(xiàn)有的3t行車無法滿足要求，為此購買了新的5t行車。 6.2實例

                我公司的球鐵轉(zhuǎn)子，在零件加工完畢后要進(jìn)行動平衡試驗，選取的動平衡試驗等級為G2.5級，確定動平衡試驗等級后，實際操作時需用到的許用不平衡力矩是這樣計算的:許用不平衡力矩=允許偏心距*重量/2，設(shè)計時，必須要知道轉(zhuǎn)子的重量，才能制訂出合理的技術(shù)條件。但是我公司轉(zhuǎn)子的型線部分是由外單位計算出的曲線，我公司僅僅知道曲線上各點的坐標(biāo)值，且此曲線通常是較復(fù)雜的曲線(圖11)，無法用簡單的圓弧去模擬。

                為此我們在SolidWorks中對之進(jìn)行了重量計算。首先使用樣條曲線將各點擬合成光滑曲線，通過以螺旋線為曲徑掃描，生成了轉(zhuǎn)子部分的形狀，轉(zhuǎn)子兩頭軸頸形狀非常簡單，圖12中未表現(xiàn)出來。在質(zhì)量特性的選項中將同牌號材料的經(jīng)驗密度輸入，就可得到下圖中的數(shù)據(jù)，很快就知道轉(zhuǎn)子螺旋部分的重量。再加上其它部分的重量，經(jīng)過上面公式，則可得到試驗所需的許用不平衡力矩。
7結(jié)束語
                將計算機(jī)引人到鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝編制中，能提高效率，節(jié)省時間，避免錯誤。但計算機(jī)畢竟只是工具，它是按照人的思路來工作的，更多的應(yīng)用還有待大家去發(fā)掘。