三維CAD/CAE／CAM技術(shù)在試驗(yàn)轉(zhuǎn)輪葉片鑄造中的應(yīng)用

■ 王清宇，矯勇，劉忠仁

近年來，計(jì)算機(jī)鑄造工藝模擬軟件開始被大多數(shù)鑄造工廠所接受，應(yīng)用這些軟件可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)各種鑄造缺陷，優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高工藝出品率，有利于鑄造工藝的優(yōu)化和鑄件的質(zhì)量提高，是鑄造工藝由“經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)”走向“科學(xué)指導(dǎo)”的重要途徑，具有重大的實(shí)際意義。

一、三維CAD/CAE/CAM的現(xiàn)狀及使用

CAD是CAE、CAM的基礎(chǔ)，CAE、CAM服務(wù)于CAD。在CAE中無論是單個(gè)零件還是整機(jī)的有限元分析及機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，都需要CAD為其造型、裝配；在CAM中，則需要CAD進(jìn)行曲面設(shè)計(jì)、復(fù)雜零件造型和模具設(shè)計(jì)。CAD設(shè)計(jì)是否正確，可以通過CAE和CAM來發(fā)現(xiàn)，否則只能通過現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)才能發(fā)現(xiàn)。

1. 鑄造過程CAD/CAM/CAE一體化

實(shí)現(xiàn)鑄造過程 CAD/CAE/CAM一體化的關(guān)鍵在于將CAD、CAM與CAE有機(jī)地聯(lián)系起來，而實(shí)現(xiàn)這種連結(jié)的基礎(chǔ)則基于統(tǒng)一的三維數(shù)據(jù)模型。鑄造CAD/CAE/CAM一體化的技術(shù)路線如圖1所示。

鑄造過程CAD/CAE/CAM一體化是將鑄造生產(chǎn)方式融入整個(gè)零件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和裝配中。主要由以下幾步完成：

零件設(shè)計(jì)階段（鑄造工藝CAD/CAE）；鑄造毛坯工藝設(shè)計(jì)階段（鑄造工藝CAD）；鑄造工藝優(yōu)化階段（CAD/CAE）；模具生產(chǎn)階段（鑄造工藝CAD/CAM）；零件加工階段（鑄造工藝CAD/加工工藝CAM）。

傳統(tǒng)鑄造過程與應(yīng)用鑄造過程 CAD/CAE/CAM技術(shù)后的鑄造過程對(duì)比分析如圖2所示，CAD/CAE/CAM的應(yīng)用大幅縮減了鑄造過程循環(huán)。

2. 鑄造過程CAD/CAE/CAM技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益

鑄造過程CAD/CAE/CAM技術(shù)的重大意義在于能大幅提高設(shè)計(jì)合理性、加工制造的速度和精度，從而改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品質(zhì)量，減少了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理造成的鑄造問題，提高工藝出品率和成品率，將大幅縮短設(shè)計(jì)和修改的周期，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。因此，鑄造業(yè)應(yīng)適時(shí)開展鑄造過程 CAD/CAE/CAM技術(shù)應(yīng)用，跟上現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展步伐。據(jù)調(diào)查，鑄造過程 CAD/CAE/CAM技術(shù)有以下幾個(gè)方面的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 鑄造 CAD/CAE/CAM一體化流程

（1）減少零件結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)問題，避免結(jié)構(gòu)性鑄造缺陷。

（2）顯著提高工藝設(shè)計(jì)水平及工藝文件的編制效益，一般可提高功效10～20倍。

（3）使工藝參數(shù)選取與計(jì)算更趨于正確可靠。

（4）明顯提高鑄造工藝出品率及鑄造合金的利用率。

從鑄造生產(chǎn)的全局來看，采用鑄造過程 CAD/CAE/CAM技術(shù)后，鑄件重量平均減少10%，模樣制作時(shí)間縮短25%，成本降低10%以上。

二、轉(zhuǎn)輪葉片三維CAD/CAE/CAM應(yīng)用實(shí)例

以往銅葉片鑄件在試驗(yàn)車間加工后，發(fā)現(xiàn)鑄件存在局部夾雜、縮松和氣孔，這些缺陷大都在鑄件澆注和凝固過程中形成，因而比較精確地再現(xiàn)鑄件的充型和凝固過程，對(duì)鑄件缺陷的預(yù)測(cè)顯得極為重要。

以往的工藝流程為：葉片理論型線（水輪機(jī)）→鑄件模樣（試驗(yàn)車間）→鑄造工藝設(shè)計(jì)（熱加工）→鑄件生產(chǎn)（熱加工）→葉片加工（試驗(yàn)車間）。由于涉及到理論型線數(shù)據(jù)的保密問題，熱加工部門在鑄造工藝設(shè)計(jì)和鑄件生產(chǎn)時(shí)一直是使用試驗(yàn)車間制作的鑄件模樣實(shí)物進(jìn)行的，是實(shí)物“翻”實(shí)物的做法，由于不能精確測(cè)量“實(shí)物”的詳細(xì)尺寸，所以不能全面、詳細(xì)地掌握鑄件的尺寸和結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也就無法建立鑄件的三維實(shí)體模型。若只靠鑄造工藝員對(duì)實(shí)物的測(cè)量和經(jīng)驗(yàn)來制訂鑄造工藝，就會(huì)出現(xiàn)圖2a中的多次循環(huán)往復(fù)過程，對(duì)保證鑄件質(zhì)量和生產(chǎn)周期均較為不利。經(jīng)過我公司事業(yè)部與研究所的溝通與協(xié)商，重新確定了工藝流程。

1. 葉片鑄件設(shè)計(jì)與三維建模

鑄件設(shè)計(jì)階段：加工工藝在葉片水力模型（三維實(shí)體）的基礎(chǔ)上增加工藝卡頭加工余量等結(jié)構(gòu)和參數(shù)，初步確定了鑄件的三維結(jié)構(gòu)；鑄造工藝通過初步的鑄造CAE模擬結(jié)果來優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，保證在零件滿足功能的前提下，確保零件結(jié)構(gòu)有利于鑄造生產(chǎn)和保證零件的鑄造質(zhì)量。

2. 鑄造工藝設(shè)計(jì)

鑄造工藝設(shè)計(jì)階段：零件確定后，通過鑄造 CAD確認(rèn)加工余量，設(shè)定鑄件的變形量，計(jì)算冒口大小、冷鐵面積、澆注系統(tǒng)、模數(shù)，以及鑄件和砂型總重等工藝參數(shù)計(jì)算，初步確定鑄造工藝。

3. 鑄造工藝優(yōu)化

鑄造工藝優(yōu)化階段：通過鑄造CAE進(jìn)行鑄造過程的模擬。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況設(shè)定工藝參數(shù)：如砂箱尺寸、鑄件在砂型中的位置、澆注及補(bǔ)縮系統(tǒng)、澆注溫度、鑄件材質(zhì)、砂型材質(zhì)及涂料材質(zhì)等，進(jìn)而模擬鑄造的充型、凝固過程，預(yù)測(cè)鑄件各處溫度、鑄型溫度的變化，鑄件（包含澆注及補(bǔ)縮系統(tǒng)）應(yīng)力的變化及鑄件成分和組織變化，預(yù)測(cè)鑄件澆不足、卷氣、縮孔、縮松等缺陷，對(duì)鑄造過程中所涉及的工藝參數(shù)和工藝方案做出評(píng)價(jià)，通過一次或多次修改工藝和工藝模擬，最后確定鑄造工藝，如圖3～圖6所示。

通過對(duì)比以上幾個(gè)方案，可以看出：圖3中由于鑄件的澆注位置使得鑄件處于“兩頭厚，中間薄”的狀態(tài)，模擬結(jié)果中部出現(xiàn)了缺陷；圖4中由于鑄件側(cè)立后，鑄件處于“兩頭厚，中間薄”的狀態(tài)，故而設(shè)計(jì)了2個(gè)冒口，這樣雖然進(jìn)行了補(bǔ)縮，但是冒口根部較厚，不利于射線檢測(cè)、鑄件清理、機(jī)械加工及砂型制作；圖5是根據(jù)圖4中的模擬結(jié)果進(jìn)一步改進(jìn)鑄件冒口結(jié)構(gòu)，使得便于造型。缺陷出現(xiàn)在加工卡頭上，不影響葉片本體質(zhì)量。圖6是根據(jù)圖5中的模擬結(jié)果進(jìn)一步改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)，使之利于鑄件清理和機(jī)械加工。

圖2 鑄造過程對(duì)比

利用三維轉(zhuǎn)二維功能進(jìn)行工藝圖繪制（見圖7）及工藝卡編寫，并把最后的鑄件結(jié)構(gòu)實(shí)體反饋給加工工序來編制加工工藝和程序。

4. 模具的生產(chǎn)

模具生產(chǎn)階段：根據(jù)鑄造工藝優(yōu)化的結(jié)果得到的鑄件結(jié)構(gòu)，通過鑄造CAM進(jìn)行模具設(shè)計(jì)及模具加工。

5. 零件加工

零件加工階段：鑄造CAD確定了零件的毛坯結(jié)構(gòu)，通過加工工藝CAM進(jìn)行零件加工路徑模擬，確定合理的加工工藝，編制數(shù)控加工程序，進(jìn)行數(shù)控加工。

三、應(yīng)用效果

CAD/CAE/CAM鑄造過程一體化技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化，大幅縮短了鑄件工藝設(shè)計(jì)和修改的周期，提高了成品率及工藝出品率。

經(jīng)過前一段時(shí)間的運(yùn)行，我公司先后生產(chǎn)了烏東德、白鶴灘、荒溝、績(jī)溪及敦化等一系列試驗(yàn)機(jī)組的葉片鑄件，通過射線檢測(cè)及加工結(jié)果的驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期的效果。

在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如：所用的三維軟件不能很好地兼容二維數(shù)據(jù)；同時(shí)使用多個(gè)軟件，各類型的文檔多，不易管理等，這些需要在以后的工作中逐步理順。

四、結(jié)語

CAD/CAE/CAM鑄造過程一體化貫穿鑄造生產(chǎn)全過程，從產(chǎn)品零件合理化設(shè)計(jì)、鑄造工藝設(shè)計(jì)、鑄造工藝模擬優(yōu)化、工藝圖繪制、模具生產(chǎn)、產(chǎn)品加工到最后裝配。通過此次系列試驗(yàn)機(jī)組葉片鑄件的生產(chǎn)，使公司鑄造技術(shù)水平上了一個(gè)臺(tái)階，同時(shí)帶動(dòng)圖樣、工藝設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)化，提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，并樹立了現(xiàn)代企業(yè)形象。

圖3 傳統(tǒng)立澆方案

圖4 分散冒口側(cè)立澆方案

圖5 集中冒口側(cè)立澆方案

圖6 集中冒口改進(jìn)后側(cè)立澆方案

圖7 三維生成的二維鑄造工藝