搖枕、側(cè)架等鑄鋼件是鐵路貨車轉(zhuǎn)向架中重要的承載件，這些鑄件的質(zhì)量和性能直接影響到整車的運行品質(zhì)。特別是在近年來鐵路貨車提速和新產(chǎn)品多極化的新形勢下，對此類件的設(shè)計、制造工藝提出了新的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)市場做出快速反應(yīng)并且獲得質(zhì)量健全、制造周期短、滿足設(shè)計要求的鑄件，隨著公司的“并行工程”項目的深入和國家“863/CIMS”主題有關(guān)專家的指導(dǎo)下，我們開發(fā)一套“鑄造工藝與模具設(shè)計系統(tǒng)”來迎接這一挑戰(zhàn)。

　　2 系統(tǒng)環(huán)境建立

　　2.1 軟件選型

　　經(jīng)過對Pro/ENGINEER、I-deas、UG等著名三維設(shè)計軟件的比選，我們針對Pro/ENGINEER的專用鑄造模具設(shè)計模塊，選擇了該軟件做為三維工藝與模具設(shè)計平臺。

　　2.2 硬件、操作系統(tǒng)

　　根據(jù)軟件對系統(tǒng)環(huán)境的要求我們選擇了HiSense工作站(256MB內(nèi)存、10G硬盤)和Windows NT4.0操作系統(tǒng)。

　　3 三維模具設(shè)計流程

　　以鐵路貨車鑄鋼件搖枕為例(見圖(1))，介紹三維鑄造工藝與模具設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)流程。根據(jù)鑄造工藝的特殊性和Pro/E軟件的自身的特點，在多次實踐中我們總結(jié)出了該鑄鋼件三維模具設(shè)計的一般方法。

圖(1)搖枕三維產(chǎn)品模型

　　3.1系統(tǒng)功能模型

　　參照該功能模型圖，根據(jù)Pro/E軟件的特點和本企業(yè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性，我們在反復(fù)實踐中提出幾個關(guān)鍵問題：

　　l 因工藝需要，將對三維鑄件產(chǎn)品模型進行工藝尺寸調(diào)整，因此對模型的參數(shù)化要求較高，并且要求工藝調(diào)整后的尺寸鏈應(yīng)按設(shè)計要求的方向變化。

　　l 用Pro/E軟件進行三維鑄件產(chǎn)品設(shè)計時，拔模斜度必須在鑄造圓角完成前做出，否則拔模將不能進行。而設(shè)計者不能預(yù)測拔模角中性基準(zhǔn)面的位置。

　　l 較大的鑄件內(nèi)腔砂芯需要分段處理，每個砂芯具有各自的拔模基準(zhǔn)，無法在同一個平面上實現(xiàn)具有不同方向和位置的拔模斜度。

　　針對以上提出的問題我們實踐解決的方案如下：

　　l 我們針對不同的產(chǎn)品制定了建模協(xié)議，使模型在設(shè)計階段融入工藝特征，并控制模型按照要求的方向變化，使模型的參數(shù)化方向可控。

　　l 設(shè)計部門提交的產(chǎn)品模型必須分兩步進行：①按并行工程的思想預(yù)發(fā)布中間產(chǎn)品(即不包含任何鑄造圓角但結(jié)構(gòu)完整的模型);②最終完整的三維設(shè)計產(chǎn)品(做參考使用)。

　　l 由于在鑄件產(chǎn)品設(shè)計過程中不能預(yù)測工藝是如何劃分砂芯的，況且即使知道操作起來也及其復(fù)雜，會失去模型參數(shù)化的彈性。因此，我們認(rèn)為解決這一問題最有效的方法是先將內(nèi)腔砂芯抽取后，按工藝需要將其劃分為多段Pro/E的Part零件，然后分別對其進行拔模、圓角等一系列操作直到滿足設(shè)計要求為止(參考設(shè)計發(fā)布的最終產(chǎn)品)。

　　根據(jù)以上關(guān)鍵問題解決的方案和工藝現(xiàn)狀，我們摸索出一套適合本企業(yè)鑄鋼件模具的設(shè)計流程。

　　3.2 建模協(xié)議

　　建模協(xié)議是真正能體現(xiàn)“并行工程”思想的一個理論體系。它是三維數(shù)字化產(chǎn)品上下游之間數(shù)據(jù)繼承與溝通的前提。它的屬性是在產(chǎn)品設(shè)計過程中或產(chǎn)品的整個生命周期中始終貫穿工藝因素于其中。對于鑄造件來講，每種產(chǎn)品都有不同的結(jié)構(gòu)和尺寸鏈分布方式。因此，制訂鑄件的建模協(xié)議很難找到一般性規(guī)律，只能是針對某一產(chǎn)品或相似產(chǎn)品來制訂相應(yīng)的建模協(xié)議。我們在設(shè)計搖枕時先后返工四次，原因是產(chǎn)品模型的建模隨意性較大，利用Pro/E軟件建模可謂“條條大路通羅馬”，要完成一個模型，使用的手段很多。通過多方法比較，我們終于找到了搖枕產(chǎn)品建模的基本方法。

　　通過摸索三維產(chǎn)品的建模協(xié)議，我們的體會是產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)向系列化、集成化方向邁進，這樣可使企業(yè)新產(chǎn)品設(shè)計對市場做出敏捷反應(yīng)，提高工作效率的同時降低員工的勞動強度。

　　3.3 三維“概念工藝模型”

　　這里提出的“概念工藝模型”不是指真正意義上的工藝模型，只是提供給鑄造CAE軟件需要的形式。它的屬性是針對鑄造工藝的多方案比選。在概念模型上只體現(xiàn)鑄造CAE模擬軟件所需的基本結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)確的工藝參數(shù)和尺寸而不能體現(xiàn)模具的詳細(xì)設(shè)計信息。和傳統(tǒng)的二維工藝與模具設(shè)計比較，三維的工藝與模具設(shè)計是不能只用一個三維模型把整個工藝思想完整體現(xiàn)出來的，而必須貫穿在整個模具設(shè)計的全過程中。

　　3.4 模擬報告

　　開始模具設(shè)計的前提是通過使用鑄造CAE軟件分析、比較多個工藝方案后，拿出一個較合理的模擬結(jié)果。然后以當(dāng)前的方案做為模具設(shè)計的基準(zhǔn)。通過參考模擬結(jié)果在容易出現(xiàn)鑄造缺陷的部位施加工藝措施，圖(2)是我們設(shè)計搖枕模具時的某一方案的模擬結(jié)果。顯然，容易出現(xiàn)缺陷的部位需要增加相應(yīng)的工藝措施來滿足產(chǎn)品質(zhì)量的要求，概念工藝模型也做相應(yīng)調(diào)整，直到模擬結(jié)果滿意，然后模具設(shè)計工作開始。這樣既保證了模具設(shè)計的有效性，又減少工裝驗證的次數(shù)、降低新產(chǎn)品的開發(fā)成本。

圖(2)鑄造工藝方案比選

　　3.5 進入模具設(shè)計環(huán)境

　　Pro/E軟件提供了一個Pro/CASTING模具設(shè)計模塊，利用該模塊可有效的對三維鑄件產(chǎn)品進行增加鑄造收縮率、抽取砂芯、開模、設(shè)計芯頭等許多手段進行模具設(shè)計。圖(3)是搖枕已經(jīng)裝配在模具設(shè)計環(huán)境中，并設(shè)計出了砂芯、芯頭、分型面等工作。圖(4)是搖枕在模具設(shè)計環(huán)境中經(jīng)過多次劃分形成一個鑄型裝配關(guān)系。包括上下砂型、內(nèi)腔砂芯、斜楔擋砂芯等。圖(5)是上砂型經(jīng)過重新進入模具設(shè)計環(huán)境后再次抽取，得到的上模樣，然后進行拔模、圓角、澆鑄系統(tǒng)、冒口和其它工裝附件設(shè)計，直到滿足現(xiàn)場工藝要求為止。圖(6)是下模樣的設(shè)計流程方法同上。圖(7)是將內(nèi)腔砂芯劃分的操作流程。由于鑄件尺寸較大，內(nèi)腔砂芯無法用一個芯盒制作，根據(jù)現(xiàn)場工藝需要將其劃分為上下頭芯、上下腰芯，共需要設(shè)計四種芯盒。其難度在于每塊砂芯都要先設(shè)計拔模斜度然后倒圓角，最后在把砂芯裝配起來并進行修正，確保鑄件內(nèi)腔的尺寸精確。修正后無誤的四種砂芯分別回到模具設(shè)計環(huán)境中又一次劃分，把芯盒劃分為可NC加工的活塊。

圖(3)進入模具設(shè)計環(huán)境

　　在模具的整個設(shè)計過程中，始終是唯一的一個CAD核心模型，因此保證了模具原始信息的唯一性和正確性;另外，CAD自身的鏡象功能保證了上、下模樣定位的準(zhǔn)確，芯盒活塊的互換性好。這樣，模具的尺寸精度依賴于加工中心自身的加工精度。與手工操作比較，肯定是方便、快捷可靠性高，省去了檢測量規(guī)和檢測人員等冗長而昂貴的操作過程。滿足現(xiàn)代企業(yè)規(guī)模化大生產(chǎn)的現(xiàn)狀。

　　3.6 信息反饋

　　從流程圖上可以看出，信息反饋包括兩方面的內(nèi)容：一是三維概念工藝模型與鑄造CAE軟件之間的信息反饋，通過不斷改進工藝參數(shù)和工藝手段來獲得滿意的模擬結(jié)果，這里的工藝仿真過程大大節(jié)約現(xiàn)場的工藝驗證費用和時間，降低了產(chǎn)品投資成本的同時為產(chǎn)品早日投入市場贏得了時間;二是砂型虛擬裝配過程中的信息反饋，如出現(xiàn)干涉現(xiàn)象、鑄件壁厚不合理或芯頭間隙偏差等因素會及早反饋給上游設(shè)計，這種直觀反映問題的方式可避免現(xiàn)場不必要的工裝驗證過程，無疑又縮短了鑄件新產(chǎn)品的試制周期。

　　4 關(guān)鍵技術(shù)

　　4.1 建立通用平臺

　　通常情況下，每個項目都由一個項目組(team)來完成，成員之間分別完成不同的工作，最后由主管工藝師匯總。這需要一個本部門內(nèi)部乃至整個企業(yè)的通用平臺，它是產(chǎn)品信息溝通和共享的紐帶。最直接有效的方法是：①建立系列模板文件。在該類文件中確立面基準(zhǔn)、層基準(zhǔn)、視圖基準(zhǔn)、質(zhì)量特性、及應(yīng)用制作BOM表相關(guān)的技術(shù)，使將來做裝配時無障礙自動生成BOM表。同時也有利于模具組件的系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。②標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)目錄。給每類產(chǎn)品定制一套完整的目錄結(jié)構(gòu)，使工作條理化，分工明確，便于檢索和數(shù)據(jù)共享。

　　4.2 采用BFR(Basic Feature Region)技術(shù)

　　在模具設(shè)計過程中，可能出現(xiàn)后續(xù)的工藝特征與產(chǎn)品模型特征存在不恰當(dāng)?shù)年P(guān)系而發(fā)生沖突，筆者在反復(fù)實踐中摸索出解決這一問題的辦法是建立三維產(chǎn)品模型時采用BFR(Basic Feature Region 即基礎(chǔ)特征區(qū))技術(shù)。現(xiàn)說明如下供大家參考： 傳統(tǒng)二維設(shè)計時一般尺寸鏈較復(fù)雜，原因是為控制產(chǎn)品相關(guān)尺寸精度，而在三維設(shè)計過程中控制精度恰恰是它的優(yōu)勢，因此可犧牲一定的尺寸鏈關(guān)系來增加模型參數(shù)化的彈性，這是筆者的觀點。現(xiàn)可以把模型規(guī)劃為幾個基礎(chǔ)特征區(qū)即BFR，每個BFR都有唯一的核心基準(zhǔn)，在這個BFR內(nèi)所有的其他特征都參考這個核心基準(zhǔn)，在BFR之間用唯一的參數(shù)關(guān)系建立關(guān)聯(lián)，可以是尺寸關(guān)系、約束關(guān)系、方程關(guān)系等。這樣創(chuàng)建的模型參數(shù)化彈性較高，出現(xiàn)問題時有據(jù)可尋，易于協(xié)調(diào)。當(dāng)然，不同的產(chǎn)品模型具有不同的參考關(guān)系，也存在不同的BFR原型，需進一步探討。一旦這種手段形成規(guī)模效應(yīng)，那么在企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)溝通與共享將會更有前途。

　　5 結(jié)束語

　　三維鑄造模具設(shè)計在國內(nèi)起步較晚，尚處于摸索階段，可謂任重道遠(yuǎn)，但隨著我公司并行工程項目的深入，將會摸索一套切實可行的三維鑄造模具設(shè)計的通用方法，提高工作效率，提高模具質(zhì)量。

　　參考文獻(xiàn)：

　　pro/ENGINEER 模具設(shè)計手冊

　　pro/ENGINEER 進階設(shè)計訓(xùn)練教材

　　pro/ENGINEER 中文建模指南