趙 梅（煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東煙臺(tái)市 264006）

鑄造模具的模塊結(jié)構(gòu)圖及總體框架

趙 梅（煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東煙臺(tái)市 264006）

討論了參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本原理，構(gòu)建了鑄造模具工藝裝備系統(tǒng)的總體框架和模樣系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)、工裝系統(tǒng)各個(gè)分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。

模塊化設(shè)計(jì)；鑄造模具

當(dāng)今企業(yè)要想在日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地就必須快速響應(yīng)市場(chǎng)和用戶(hù)對(duì)新產(chǎn)品的需求，因而要盡量縮短新產(chǎn)品的研制周期,最大限度地利用已有設(shè)計(jì)成果，修改不合要求的部分是最快速、最有針對(duì)性的辦法。探索以繼承為基礎(chǔ)的快速設(shè)計(jì)方法、原理和規(guī)范一直是產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)?；谔卣鞯膮?shù)化、變量化設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)就是其中具有典型代表意義的設(shè)計(jì)方法和關(guān)鍵技術(shù)。

參數(shù)化設(shè)計(jì)是規(guī)格化、系列化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一種簡(jiǎn)單、高效、優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)方法。參數(shù)化設(shè)計(jì)具有這樣一些特質(zhì)：用輪廓體現(xiàn)設(shè)計(jì)思想，尺寸驅(qū)動(dòng)，尺寸合理性檢查，單一數(shù)據(jù)庫(kù)。目前，一些三維CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)都提供了參數(shù)化、變量化產(chǎn)品造型功能。

所謂模塊化設(shè)計(jì)，即在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列相對(duì)通用的功能模塊，通過(guò)模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同功能或相同功能不同性能規(guī)格的產(chǎn)品，以滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。采用模塊化設(shè)計(jì)方法可以解決產(chǎn)品品種、規(guī)格與設(shè)計(jì)制造周期和生產(chǎn)成本之間的矛盾，也為產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代、提高產(chǎn)品質(zhì)量、便于維修提供了條件，因而可增強(qiáng)生產(chǎn)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

在鑄造模具（通常所稱(chēng)鑄造模具僅指“模板”，含模樣、模底板、澆注系統(tǒng)模和冒口系統(tǒng)模，是鑄造工藝裝備中的核心部分）設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，因完成復(fù)雜圖形的參數(shù)化極其繁瑣，因此在鑄造系統(tǒng)中提供參數(shù)化設(shè)計(jì)并不普遍，單純的參數(shù)化設(shè)計(jì)主要用于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件專(zhuān)用系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可采用參數(shù)化、變量化、模塊化相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)是以三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件Pro/ ENGINEER為平臺(tái)，在對(duì)軟件各組成模塊及其提供的幾種二次開(kāi)發(fā)工具熟悉和掌握的基礎(chǔ)上，使Pro/ TOOLKIT二次開(kāi)發(fā)工具編程和建立參數(shù)化模型相結(jié)合，應(yīng)用可執(zhí)行文件（.EXE）的連接方式建立鑄造模樣、澆冒口系統(tǒng)、相關(guān)工裝系統(tǒng)的參數(shù)化、模塊化設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)。

1 鑄造模具的模塊結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)分為四個(gè)模塊：模樣設(shè)計(jì)模塊、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊、冒口設(shè)計(jì)模塊和其他相關(guān)裝置模塊，系統(tǒng)的四個(gè)模塊受同一共享數(shù)據(jù)文件控制，并且澆注系統(tǒng)、冒口和其他相關(guān)裝置的選擇與模樣結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系，系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

2 鑄造模具的四個(gè)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在四個(gè)子系統(tǒng)中，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最為復(fù)雜，將比較詳細(xì)地介紹。

2.1 模樣模塊的結(jié)構(gòu)圖

該模塊用來(lái)選擇鑄件的形狀和確定相關(guān)尺寸。擁有添加、查詢(xún)、調(diào)用、修改等功能。根據(jù)零件的形狀將其分為底座、蓋類(lèi)、連桿等。例如當(dāng)用戶(hù)對(duì)零件進(jìn)行造型時(shí)，先調(diào)出近似零件。若形狀不需要修改，則通過(guò)對(duì)話框輸入數(shù)值直接對(duì)尺寸進(jìn)行修改，即得所需的零件；若形狀需要修改，之后也可對(duì)形狀進(jìn)行修改。鑄件的分型面與Pro/E中的基準(zhǔn)面相關(guān)聯(lián)，即分型面為其三維造型的基準(zhǔn)面。對(duì)于復(fù)雜的零件，分型面為曲面或幾個(gè)曲面的疊加時(shí)，它的設(shè)置對(duì)于用戶(hù)的要求較高，因此未涉及。合理地選擇分型面對(duì)于簡(jiǎn)化鑄造工藝、提高生產(chǎn)率、降低成本、提高鑄件質(zhì)量等都有直接的關(guān)系。

模樣是造型工藝必須的工藝裝備，用來(lái)形成鑄型的型腔，直接關(guān)系著鑄件的形狀和尺寸精度。以往模樣的手工制作主要依靠模型工的識(shí)圖能力和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在進(jìn)行實(shí)體造型以后，有可視化的三維實(shí)體作為參照，就可以直接觀察鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)、制定相應(yīng)的模樣結(jié)構(gòu)。條件允許的話，可根據(jù)加工需要，生成數(shù)控車(chē)削、數(shù)控銑削等的NC代碼，用于數(shù)控加工，以保證模具的制造精度，提高工作效率。在可以共享產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門(mén)的三維模型數(shù)據(jù)的前題下，使得零件設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)與模具設(shè)計(jì)、制造部門(mén)能夠方便地進(jìn)行協(xié)調(diào)和溝通，避免重復(fù)設(shè)計(jì)。

該模塊有7種零件，如圖2，涵蓋了叉架類(lèi)、盤(pán)蓋類(lèi)、板類(lèi)、殼類(lèi)等常見(jiàn)零件類(lèi)型。

2.2 澆注系統(tǒng)模塊的結(jié)構(gòu)圖

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)是保證鑄件質(zhì)量、避免鑄件缺陷產(chǎn)生和提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理與否，直接影響著鑄件的質(zhì)量、廢品率和工藝出品率。如果澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，就有可能造成許多鑄造缺陷，如砂眼、夾渣、氣孔、冷豆、澆不足和冷隔等。鑄件澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是確定澆口杯、阻流斷面、直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道的形狀及尺寸。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)是以水力學(xué)理論和水力模擬為計(jì)算依據(jù)，以澆注系統(tǒng)內(nèi)部各部位所允許的最大紊流程度為限制條件，確定各部位的截面積與形狀，得出的結(jié)果具有較強(qiáng)的科學(xué)性。系統(tǒng)可按照程序提供的參數(shù)運(yùn)行，也可根據(jù)操作者的經(jīng)驗(yàn)修改參數(shù)繼續(xù)運(yùn)行，以吸取有益的經(jīng)驗(yàn)，提高設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 澆注系統(tǒng)模塊的結(jié)構(gòu)圖

本澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊的最終目的是生成合乎要求的內(nèi)、橫、直三種澆道，除了要正確選擇澆注類(lèi)型、引注位置及澆道在鑄型中的合理布置外，關(guān)鍵要確定各組元（內(nèi)、橫、直三種澆道）的斷面比例關(guān)系及尺寸，因?yàn)榻饘僖哼M(jìn)入型腔的速度和流量對(duì)鑄件質(zhì)量有相當(dāng)大的影響，而控制金屬液流速的最小斷面又決定著充型速度，所以確定澆注系統(tǒng)各組元的斷面尺寸，首先應(yīng)計(jì)算控制澆注速度的最小斷面尺寸。對(duì)于封閉式澆注系統(tǒng)，其最小斷面是內(nèi)澆道，非封閉式的其它澆注系統(tǒng)的阻流斷面則在內(nèi)澆道以前的某個(gè)位置，如橫澆道或直澆道。

影響澆注系統(tǒng)尺寸的因素很多，如性能不同的合金，材料及工藝不一的鑄型，千變?nèi)f化的鑄件結(jié)構(gòu)與尺寸，互有差異而且經(jīng)常改變的生產(chǎn)條件等等，所以目前還沒(méi)有一種能概括所有復(fù)雜多變條件的理論計(jì)算方法。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以水力學(xué)原理為基礎(chǔ)，并結(jié)合了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的近似計(jì)算。

計(jì)算澆注系統(tǒng)最小斷面尺寸的水力學(xué)公式（也稱(chēng)阿暫公式）為：

公式中，G為鑄件總重量（包括鑄件、冒口、出氣孔等），可通過(guò)計(jì)算、估算并輸入數(shù)值，μ、t、Hp為待定值。

按照澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方法，將澆注系統(tǒng)參數(shù)分為流量系數(shù)μ值的確定，有效壓頭Hp的確定，澆注類(lèi)型的確定，澆注時(shí)間t的確定，最小阻流斷面面積的確定，各組元斷面面積比值的確定，各組元斷面形狀和尺寸確定等。

（1）確定流量系數(shù)μ值

μ值大小與澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、澆注方式、鑄型特點(diǎn)（如復(fù)雜程度、壁厚、有無(wú)明冒口和出氣孔、鑄型的透氣性和發(fā)氣性等）及合金的特性等因素有關(guān)。本設(shè)計(jì)中提供了μ的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值供選擇，也允許用戶(hù)輸入其他數(shù)值。

（2）確定澆注類(lèi)型

澆注類(lèi)型用于確定頂注式、底注式,還是中間注入式。

（3）確定有效壓頭Hp

有效壓頭是指作用在內(nèi)澆道的液體金屬背壓。實(shí)際上型腔中的金屬液面的位置隨時(shí)間而變化，因此這個(gè)背壓是變化的，有效壓頭只是為了簡(jiǎn)化計(jì)算而假定的平均壓力頭。對(duì)于封閉式澆注系統(tǒng)，頂注時(shí)Hp=H0；底注時(shí)Hp=H0－C/2；中間注入時(shí)如Hp=H0－C/ 8，（式中，H0為內(nèi)澆道至澆口杯液面的高度，cm；C為鑄件的總高度，cm）。

（4）確定澆注時(shí)間t

充滿(mǎn)澆注系統(tǒng)和型腔所需要的時(shí)間叫澆注時(shí)間。澆注時(shí)間和澆注速度對(duì)各種鑄造缺陷的產(chǎn)生有很大影響，必須選擇合適的值。為了保證金屬液在型腔中平穩(wěn)充填，避免使液態(tài)金屬氧化和吸氣，又能防止鑄件產(chǎn)生冷隔和澆不足缺陷，必須保證金屬液在型腔中有合適的上升速度。這一點(diǎn)是確定澆注時(shí)間的依據(jù)。這個(gè)時(shí)間的長(zhǎng)短決定于合金的種類(lèi)、鑄件的特性（復(fù)雜程度、結(jié)構(gòu)、尺寸及壁厚等）和所用澆注系統(tǒng)的類(lèi)型。本設(shè)計(jì)中由鑄件重量和壁厚系數(shù)s來(lái)確定澆注時(shí)間t，并提供了s的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。

（5）確定最小阻流斷面面積

至此最小斷面尺寸的水力學(xué)公式中μ、t、Hp幾個(gè)待定值均已產(chǎn)生，由系統(tǒng)根據(jù)上述公式計(jì)算出澆注系統(tǒng)最小斷面尺寸。

（6）確定各組元斷面面積比值

本系統(tǒng)提供了一系列經(jīng)驗(yàn)比例關(guān)系供選擇。

（7）確定澆注系統(tǒng)各組元的斷面尺寸

系統(tǒng)將以最小斷面面積為基數(shù)，按各組元斷面面積比值自動(dòng)計(jì)算出各澆道的截面尺寸，作為設(shè)計(jì)三種澆道的參數(shù)。

最后，選擇澆注系統(tǒng)內(nèi)、橫、直澆道的樣式，由前面產(chǎn)生的各組元的斷面尺寸驅(qū)動(dòng)生成澆注系統(tǒng)內(nèi)、橫、直澆道實(shí)體模型。本軟件提供了雨淋式、牛角式、喇叭式、基本式四種內(nèi)澆道樣式（其中基本式有6種形式）；提供了濾渣網(wǎng)型、馬鞍型、彎曲型、阻流型、離心撇渣包型、基本型六種橫澆道布置形式（其中基本型有4種形式）。

2.3 冒口模塊的結(jié)構(gòu)圖

冒口設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是：計(jì)算冒口的尺寸，選擇冒口形狀及安放位置。該模塊用來(lái)計(jì)算冒口的大小尺寸，選擇冒口的合理形狀，生成合乎要求的冒口實(shí)體模型。冒口尺寸的計(jì)算是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，由于影響因素很多，如合金的鑄造性能、澆注溫度、澆注方法、鑄型種類(lèi)、鑄件的結(jié)構(gòu)形狀及熱節(jié)形狀等，所以沒(méi)有很準(zhǔn)確又廣泛適用的計(jì)算公式。各種合金鑄件常用的計(jì)算方法有熱節(jié)圓法、比例法、補(bǔ)縮液量法和模數(shù)法等。本系統(tǒng)采用了比例法和模數(shù)法。

（1）采用模數(shù)法計(jì)算冒口的具體尺寸

要達(dá)到補(bǔ)縮的目的，冒口的凝固時(shí)間應(yīng)大于或等于鑄件（或鑄件被補(bǔ)縮部分）的凝固時(shí)間，所以冒口的模數(shù)Mm必須大于或等于鑄件的模數(shù)Mo，這樣冒口就會(huì)比鑄件晚凝固。

（2）選擇冒口的形狀

冒口的形狀直接影響它的補(bǔ)縮效果。相同體積的物體，球形的表面積最小，模數(shù)最大，散熱最慢，因此，最理想的冒口形狀是球形，球形冒口的補(bǔ)縮效率較同體積的其它形狀冒口提高近10%。但球形冒口因起模困難，目前尚未普遍采用。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最多的是圓柱形、球頂圓柱形、腰圓柱形等冒口。冒口設(shè)計(jì)模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 冒口模塊的結(jié)構(gòu)圖

2.4 其他相關(guān)鑄造模具工裝設(shè)計(jì)模塊的結(jié)構(gòu)圖

其他相關(guān)鑄造模具工裝設(shè)計(jì)模塊包括兩部分：模板和砂箱的設(shè)計(jì)。該模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

3 總體框架

該系統(tǒng)的最終目標(biāo)是設(shè)計(jì)得出鑄件模具及其工裝（包括模樣、澆注系統(tǒng)、模板、砂箱等）的裝配體。裝配體有許多部件和零件組成，這些零部件的部分尺寸由設(shè)計(jì)約束參數(shù)以及相互之間的關(guān)聯(lián)共同決定。這些參數(shù)和關(guān)聯(lián)關(guān)系分別屬于不同的零件，同時(shí)被多個(gè)零件所使用。具體而言，先將復(fù)雜圖形拆成若干模塊和若干部分，如澆道系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)、模板等模塊，澆道系統(tǒng)又可細(xì)分為內(nèi)澆道、橫澆道、直澆道三部分組成，每部分建成參量圖素均可變化尺寸，然后，通過(guò)組合形成新的圖形。因此，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)的共享數(shù)據(jù)區(qū)，用于存放設(shè)計(jì)過(guò)程中所有的參數(shù)和關(guān)聯(lián)關(guān)系，首先，系統(tǒng)讀取共享文件中的參數(shù)數(shù)據(jù)，初始化人機(jī)交互接口，如菜單和對(duì)話框；然后用戶(hù)根據(jù)新的設(shè)計(jì)要求，通過(guò)界面接口，修改共享數(shù)據(jù)文件中的所有或部分參數(shù)和關(guān)聯(lián)關(guān)系；接著系統(tǒng)分別讀取相應(yīng)的參數(shù)化模型，并根據(jù)新的設(shè)計(jì)參數(shù)和關(guān)聯(lián)關(guān)系，更新模型；最后，分別保存更新的零件模型，返回裝配體參數(shù)模型。通過(guò)Pro/E裝配模塊Pro/ Assembly將所需模塊進(jìn)行組裝，就得到新的鑄件模具裝配體，完成模具的參數(shù)化、模塊化設(shè)計(jì)，如圖6所示。圖7為其中的一個(gè)例子（包含模樣、內(nèi)、直、橫澆道、模底板、砂箱）。

本系統(tǒng)有7種模樣、19種澆道、6種冒口、8種模底板、3種砂箱形狀可供選擇，且每種零件的尺寸都可變化，所以，通過(guò)組合將會(huì)產(chǎn)生無(wú)限多個(gè)模具裝配體模型。

4 結(jié)語(yǔ)

圖5 其他相關(guān)工裝模塊的結(jié)構(gòu)圖

圖6 系統(tǒng)總體運(yùn)行框架

本設(shè)計(jì)采用基于特征的參數(shù)化、變量化設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法建立CAD系統(tǒng)的總體模型和四種澆注系統(tǒng)參數(shù)化自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)模樣、澆道、冒口、模底板、砂箱、定位銷(xiāo)等鑄造模具工藝裝備參數(shù)化數(shù)據(jù)庫(kù)和圖形庫(kù)；利用恰當(dāng)?shù)倪x取界面參

圖7 鑄造模具工裝系統(tǒng)實(shí)例之一

數(shù)的方法解決頂層可驅(qū)動(dòng)參數(shù)和底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型的目的；采用自動(dòng)設(shè)計(jì)和交互設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，既可以采用系統(tǒng)自動(dòng)處理生成的數(shù)據(jù)，也允許用戶(hù)參與修改，使系統(tǒng)具有一定的靈活性和適用性，有利于系統(tǒng)的整體優(yōu)化。

[1]林清安.Pro/ENGINEER零件設(shè)計(jì)高級(jí)篇.北京:北京大學(xué)出版杜，2000.

[2]林清安.Pro/ENGINEER模具設(shè)計(jì)篇.北京:北京大學(xué)出版杜，2000.

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本文主要確定了鑄造模具CAD系統(tǒng)的總體構(gòu)想，如何通過(guò)對(duì)通用的機(jī)械類(lèi)軟件——Pro/ ENGINEER進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)這些構(gòu)想，就要涉及到具體的參數(shù)建模和用戶(hù)界面開(kāi)發(fā)等工作，這些方法將在本刊2010年第四期刊登的“鑄造模具CAD系統(tǒng)的參數(shù)建模方法及用戶(hù)界面開(kāi)發(fā)”一文中介紹。

Collectivity Design frame of Casting Die and Toolings

ZHAO Mei

（Yantai Engineering Professional Technology Institute，Yantai 264006，Shandong China）

The rationale of parameterization design system of 3D casting die parts has been discussed and the collectivity frame of parameterization design system and each configuration of pattern system,gating system，riser system and tooling system have been built.

Parameterization and modularization design system；Casting die and tooling system

TG241;

A；

1006－9658（2010）03－5

2009－12－28

2009－173

趙梅（1969-），女，高級(jí)講師，主要從事CAD/CAM教學(xué)工作