基于加工特征的鑄造毛坯生成與合理化*

舒海生 余豪華 牟曉偉

（哈爾濱工程大學機電工程學院智能制造實驗室，黑龍江哈爾濱 150001）

鑄件作為重要的毛坯類型，是大多數箱體零件加工的起點。研究鑄造毛坯設計，提高鑄造毛坯的設計質量與效率，對提高產品加工質量，縮短產品開發周期都有重要作用。以往關于鑄造毛坯模型生成的研究大都基于現有CAD平臺［1－4］，需要設計人員具有較豐富的工藝經驗，并且不同的設計者由于個體差異所設計出的毛坯也往往不同。現有的這些毛坯設計工作大多只考慮了切削加工過程的余量要求，而沒有考慮到毛坯還要受到上游鑄造工藝的相關限制，因而有必要將這些鑄造工藝要求包括到CAD/CAPP集成系統中。

CAD/CAPP集成系統是建立在加工特征基礎上的，通過事先創建加工特征庫，CAD模塊即可采用庫中現有的加工特征完成建模工作，建模完成后將生成的零件加工特征文件發送到CAPP模塊進行工藝決策，從而實現了設計與工藝之間的無縫集成，避免了特征轉換和特征識別，大大提高設計效率。

本文是以某齒輪箱生產企業的齒輪箱下體箱零件為例，基于該零件的加工特征，將鑄造工藝知識引入到CAPP工藝決策過程中，并利用這些知識，對通過工藝決策獲得的毛坯初始尺寸進行了合理化修改，從而建立了更為合理的鑄造毛坯模型，使得對于CAPP的研究向毛坯鑄造領域進行擴展，為后續鑄造工藝設計提供了基礎。在此基礎上，由于毛坯尺寸的修改不僅可能影響某些特征的加工方法鏈，還涉及到加工余量與工序尺寸的確定，并進而影響切削用量的選擇，因此根據新生成的毛坯模型進一步對原切削加工工藝做相應調整，從而使得修正后的工藝決策結果更加符合實際要求。

1 初始毛坯的生成

毛坯是產品加工的起點，卻是CAPP進行工藝決策的一個終結點。CAPP通過讀取CAD提供的零件信息，進行加工方法鏈的選擇、工序尺寸及其公差的確定、加工余量的選擇，從而最終獲得初始的毛坯尺寸及其公差。

1.1 加工方法鏈的選擇

加工方法鏈是特征的加工路線。加工方法是加工方法鏈的基本單元，其選擇是根據以下幾個因素進行的:加工特征的類型、精度要求、產品的生產批量、企業現有加工能力、加工經濟精度等［5］。CAPP通過規則推理選擇加工方法鏈的一般過程是:先確定初始加工方法與最終的加工方法，然后通過中間工序的連接形成可行的加工方法鏈。

以孔特征為例:孔特征的初始加工方法只有鉆與粗鏜2種。通過查詢工藝手冊的鑄鐵件最小鑄出孔直徑發現［6］:最小鑄出孔直徑由鑄件材料與壁厚決定，例如:50 mm≤壁厚≤100 mm時，直徑≥50 mm的孔都可以鑄出。在50 mm基礎上加上6 mm的直徑加工余量，確定當孔特征的直徑≥56 mm時選擇粗鏜作為其初始加工方法。直徑≤20 mm的孔特征選擇“鉆”為初始加工方法。對于20 mm＜直徑＜56 mm的孔特征初始加工方法選擇將在毛坯的合理化一節中展開說明。初始加工方法確定之后，根據零件的生產批量決定是否使用鉆（或粗鏜）→粗拉→精拉的加工路線。對于齒輪箱等單件小批量產品，大都選擇鉆→擴→粗鉸→精鉸或者粗鏜→半精鏜→精鏜→細鏜的加工路線［5］。最后根據孔特征所要求的最終加工精度和表面粗糙度來確定其最終加工方法，從而獲得孔特征的加工方法鏈。

再以面特征為例，其加工一般選擇粗銑或者粗刨作為初始工序。考慮到刨削加工在窄長面加工上的高效率，確定對于長度不小于6倍寬度的面的加工優先選擇刨削，反之則優先選擇銑削。

1.2 工序尺寸與公差的確定

確定工序尺寸，首先要確定工藝基準，這里以設計基準作為工藝基準，采用了基準重合原則。在確定工藝基準之后首先要確定各加工工序的加工余量;然后從最終加工工序開始到第一道加工工序，依次加上每道工序的余量，從而得到各工序的基本尺寸及毛坯尺寸。最后在得到基本尺寸后，除最終加工工序外，其他工序按各自所采用加工方法的經濟加工精度確定工序尺寸公差，并按照“入體原則”標注公差［5］。工序尺寸的計算流程如圖1所示。

加工余量的確定一般采用查表法，這種方法以查表為基礎，工藝人員結合實際情況做合理修改，確定加工余量。該方法方便、快捷，在實際加工中被廣泛應用。本文將該表以加工余量庫的形式存儲在工藝知識庫中，在工藝決策過程中根據特征類型、加工方法、特征尺寸進行查詢，從而能夠快速地確定加工余量。

確定特征的各工序尺寸和加工余量之后，還需要確定各工序的經濟加工精度和表面粗糙度。CAPP系統將各類加工特征對應的加工方法的經濟加工精度及表面粗糙度等知識事先存儲到工藝知識庫中，然后依據特征類型及其加工方法，引入相關工藝規則來確定各工序的經濟加工精度和表面粗糙度。所涉及的工藝規則描述如下:

規則1:最終加工工序的IT及Ra為設計要求;此規則優先度高于后兩條規則。

規則2:初始加工工序的IT取該加工方法IT取值范圍的下限（例如鉆的加工經濟精度為11～13，則取13），其他工序則取上限。

規則3:初始加工工序的Ra取該加工方法Ra取值范圍的上限后加兩級，其他工序則取上限。

規則3中的“兩級”中的“級”是在系統的工藝知識庫將Ra的所有數值進行從小到大排列的基礎上得到的。排列中以Ra=0.008 μm為等級1，Ra=0.01 μm為等級2，依此類推，Ra=100 μm為等級42。

假設某平面的第一道工序為粗銑，粗銑平面的表面粗糙度取值范圍是Ra=5～20 μm，其中Ra=5 μm的等級為29，則取等級31，即:Ra=8;但是如果該平面只有粗銑一道工序，則遵守規則1。

確定各工序的經濟加工精度之后，需要查詢工藝知識庫中的公差表以獲得各道工序的公差數值。系統通過經濟加工精度（IT）和特征基本尺寸查詢庫中的“標準公差數值表”來確定工序尺寸的公差數值。毛坯的公差等級與公差數值也是通過查詢相關的工藝知識表格確定的。齒輪箱下體箱零件的毛坯以鑄造為主，毛坯的尺寸公差等級（CT）由生產批量、鑄件材料、鑄造方法共同決定，一般需查詢“小批和單件生產的鑄件尺寸公差等級”表;毛坯尺寸公差數值則需查詢“鑄件尺寸公差數值”表。確定了毛坯尺寸及其公差之后，就完成了初始毛坯的生成。

此時將各個特征的加工方法鏈、各道工序的工序尺寸、加工余量、加工經濟精度和表面粗糙度，以及毛坯尺寸、毛坯公差，總加工余量等通過對話框輸出，由工藝人員結合實際情況可作必要的修改。

2 毛坯的合理化

毛坯的合理化是指為了使生成的毛坯模型符合鑄造工藝的要求，在毛坯生成的過程中根據鑄造工藝知識進行相關處理。毛坯合理化工作可以分為兩部分:

（1）在機加工的工藝決策中引入鑄造工藝知識，使加工特征的毛坯形態符合鑄造工藝約束，從而實現對毛坯的初步合理化;

（2）在得到毛坯特征的初始尺寸后，基于鑄造工藝知識對毛坯特征尺寸作進一步的合理化修改。

2.1 鑄造工藝知識對工藝決策的約束

在加工方法鏈選擇、毛坯尺寸及公差的確定等工藝決策過程中主要引入了下列鑄造工藝知識:

（1）鑄件最小鑄出孔尺寸要求

基于鑄造工藝知識“鑄件最小鑄出孔尺寸”進行的孔特征初始加工方法選擇，其過程中就包含了對毛坯的合理化。現以20 mm＜直徑＜56 mm的孔特征的加工方法鏈的選擇為例加以說明，其過程如下:

步驟1:根據孔特征的加工精度要求，按照粗鏜→半精鏜→精鏜→金剛鏜的加工路線，確定其最終工序，從而初步確定該孔的加工方法鏈。

步驟2:確定各道工序的加工余量，逆向推理獲得毛坯孔尺寸D。

步驟3:根據壁厚與鑄件材料查詢鑄件最小鑄出孔尺寸d，如果D＞d，則該毛坯孔可以通過鑄造獲得，因此步驟1選定的加工方法鏈就是最終選擇結果;如果D≤d，那么該特征不存在毛坯孔，首道工序不能選擇粗鏜，所以按照鉆→擴→粗鉸→精鉸的加工路線重新確定該孔的加工方法鏈，結束。

（2）鑄件最小鑄出槽尺寸要求

確定槽特征的加工方法鏈后，首先要計算該毛坯槽的尺寸，然后根據“最小鑄出槽尺寸”確定該毛坯槽是否適于鑄造，如果不能鑄造，則更改其粗加工的加工余量，并標識該特征無毛坯槽;如果適于鑄造，則不做修改。

（3）鑄件尺寸公差等級和鑄件尺寸公差數值要求

通過查詢工藝知識庫，根據鑄造方法與鑄件材料確定鑄件尺寸公差等級，然后根據相應特征的初始毛坯尺寸確定鑄件尺寸公差數值［7］，這些對確定鑄造毛坯的合理尺寸有重要影響，并且本身就是鑄造工藝參數確定的重要組成部分。

基于鑄造工藝知識約束的工藝決策，不僅使工藝決策過程更符合實際，而且也是對初始毛坯尺寸作進一步合理化修改的基礎。

2.2 毛坯特征尺寸的合理化修改

以往的研究在得到初始毛坯尺寸及其公差之后，并沒有根據鑄造工藝知識考慮鑄件尺寸公差對鑄件基本尺寸的影響。事實上，鑄造毛坯基本尺寸并不單單是零件設計尺寸與總加工余量的代數和或差。以孔特征為例，不妨設孔的設計尺寸為F，毛坯孔的基本尺寸為R，加工余量為MA，鑄件尺寸公差數值為CT，則毛坯孔的基本尺寸計算應由式（1）求得［8］:

槽特征與孔特征都屬于內腔機械加工，兩者計算方法相同。槽特征的毛坯基本尺寸R與設計尺寸F，加工余量MA，鑄件尺寸公差數值CT的關系如圖2所示。

面特征的毛坯尺寸計算公式由式（2）求得［8］:

式（2）中的R與F分別是面特征到基準面的毛坯基本尺寸與設計尺寸，其關系如圖3所示。

對合理化修改后得到的毛坯特征尺寸首先進行四舍五入取整，然后根據取整的結果修改粗加工的余量，從而可使得后續切削用量的確定更符合實際。

3 合理化毛坯特征文件的生成與合理化修改

毛坯模型的生成需要CAD與CAPP的再一次交互，CAPP通過修改零件加工特征文件生成相應的毛坯特征文件，CAD可以讀取該文件以獲得毛坯的各項參數作為驅動，從而在同一平臺上將零件模型變換為毛坯模型。本文以UG軟件為平臺，其毛坯模型的生成流程如圖4所示。其中毛坯特征文件的生成是關鍵。

毛坯特征文件的生成是與毛坯特征尺寸的合理化修改同步完成的，其生成過程如下:

步驟1:按照特征文件中的順序讀取特征，檢驗其是否存在毛坯特征，如果不存在，則在該特征的參數中添加“Operation=Dele”，表示毛坯上不存在該特征;如果有毛坯特征，則進入步驟2。

步驟2:獲得合理化修改后的毛坯特征尺寸，并對其取整后，檢驗該特征的類型，如果該特征為面特征，則進入步驟3;如果特征為孔、槽等實體類型的特征則進入步驟4。

步驟3:在該面特征的參數中添加“Offset=MA”，表示需要將零件中的此特征進行偏置處理以獲得毛坯特征;其中MA是特征的總加工余量，也是偏置量。另外，偏置方向默認為:與特征的刀具接近方向相反。完成修改后進入步驟5。

步驟4:在該實體特征的參數中添加“Operation=Edit”，表示該毛坯特征需要通過零件特征的尺寸修改獲得。根據特征類型做相應的修改:孔特征的直徑;槽特征的長、寬、高等。完成修改后，進入步驟5。

步驟5:檢驗該特征是否為加工特征文件中最后一個特征。如果不是，進入步驟1;如果是，則完成毛坯特征文件的生成，結束。

4 結語

本文在基于加工特征的CAD/CAPP集成框架下，針對某齒輪箱生產企業的齒輪箱下體箱零件中的加工特征為例，該零件的三維模型如圖5所示。

由于引入了鑄造工藝知識，使得該零件毛坯的生成不僅考慮到了切削加工工藝過程的余量要求，同時還兼顧了鑄造域對毛坯制造的要求。在生成合理化毛坯的同時，對原工藝決策結果加以修正，并通過對零件加工特征文件的修改直接生成毛坯特征文件，使得在統一的CAD平臺的基礎上，能夠直接生成三維零件的毛坯模型。

本文利用Visual C++編輯器，針對該零件的加工特征，實現了基于加工特征的鑄造毛坯生成與合理化的實例驗證。

由VC++生成的毛坯特征文件，其形式如下:

毛坯特征文件中各特征的編號與零件的特征文件的編號一一對應，其中“3”為下箱體結合面，需要對該特征進行偏置，6.5為其偏置量。“5”為輸入軸承孔，該特征需要將直徑修改為130 mm。特征“4”則被刪除。

由于影響鑄造毛坯設計的鑄造工藝域的因素還有很多，例如拔模斜度、工藝補正量、非加工壁厚負余量以及反變形量等，這些因素對毛坯設計的影響尚需作進一步研究。

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