復(fù)雜鑄件結(jié)構(gòu)與工藝的協(xié)同設(shè)計(jì)研究

劉敬豪，于 江

（齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161002）

數(shù)字化設(shè)計(jì)、分析及虛擬制造技術(shù)的發(fā)展使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與工藝協(xié)同設(shè)計(jì)成為可能。目前，國(guó)外一些比較先進(jìn)的設(shè)計(jì)、制造企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜鑄件結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)的協(xié)同，而在我國(guó)軌道裝備制造行業(yè)還處于應(yīng)用的初級(jí)階段。在國(guó)家提出“中國(guó)制造2025”發(fā)展規(guī)劃的背景下，以及鐵路貨車制造行業(yè)正處在轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鑄件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與工藝的協(xié)同設(shè)計(jì)，從而提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)精度、質(zhì)量與制造工藝性，是未來(lái)提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的必由之路。

1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式及其特點(diǎn)

由于專業(yè)分工及傳統(tǒng)體制問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)復(fù)雜鑄件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍然以滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用性能為主，難以全面考慮制造工藝性和經(jīng)濟(jì)性，從而導(dǎo)致產(chǎn)品制造工藝性較差，需采取多種工藝手段來(lái)保證產(chǎn)品的制造質(zhì)量，不但增加了工藝成本，而且還導(dǎo)致最終產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)存在較大的差異。下面以某型號(hào)鐵路貨車搖枕做詳細(xì)說(shuō)明。

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與工藝結(jié)構(gòu)在性能上的差異

圖1為搖枕產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖，由圖1可以看出，搖枕的側(cè)壁和內(nèi)部筋均為為豎直結(jié)構(gòu)，而在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，為了造型和制芯脫模，需要將搖枕側(cè)壁和內(nèi)部筋進(jìn)行拔模處理，并設(shè)計(jì)防裂筋等，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加入拔模特征后，結(jié)構(gòu)形狀均會(huì)發(fā)生一定的變化，由于拔模后筋壁厚的變化，導(dǎo)致?lián)u枕工藝模型重量比設(shè)計(jì)模型增重2%左右，這勢(shì)必會(huì)影響轉(zhuǎn)向架乃至整車的重量，同時(shí)還會(huì)影響產(chǎn)品強(qiáng)度的計(jì)算精度。

應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型和工藝模型分別計(jì)算搖枕的應(yīng)力大小，圖2、3、4為應(yīng)力分布位置圖。

圖1 搖枕寬度方向截面圖

圖2 應(yīng)力分布1

圖3 應(yīng)力分布2

圖4 應(yīng)力分布3

由表1可以看出，搖枕工藝結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在位置A、B、E、I、J的應(yīng)力值變化較大，由于目前產(chǎn)品設(shè)計(jì)中只采用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行強(qiáng)度和質(zhì)量計(jì)算，在當(dāng)下對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)精度越來(lái)越高的形勢(shì)下，產(chǎn)品工藝結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度差異勢(shì)必會(huì)影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性。

表1 搖枕工藝結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)應(yīng)力值對(duì)比

1.2 傳統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)制造工藝的影響

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路下，鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鑄造工藝設(shè)計(jì)是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師和鑄造工藝設(shè)計(jì)師根據(jù)各自的經(jīng)驗(yàn)分別完成的。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一旦成型，就決定產(chǎn)品的制造工藝性和制造成本。圖5為搖枕長(zhǎng)度方向截面圖[1]，搖枕的底壁的彎角區(qū)域承受拉應(yīng)力，為搖枕受力關(guān)鍵區(qū)域，也是搖枕質(zhì)量控制的關(guān)鍵區(qū)域，由于底壁承受的應(yīng)力較大，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中往往該處壁厚較大，從而使底壁產(chǎn)生縮孔、縮松等鑄造缺陷的傾向大大提高。由于結(jié)構(gòu)原因，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)底壁處于澆注位置的下方，無(wú)法直接使用冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，圖5中連接搖枕上下壁的內(nèi)腔也無(wú)補(bǔ)縮通道，因此即使在上平面設(shè)置冒口也難以對(duì)底壁進(jìn)行補(bǔ)縮。為了確保關(guān)鍵區(qū)域的致密度，在鑄造工藝設(shè)計(jì)中只能采用放置冷鐵的方式，大量冷鐵的使用不但增加工藝成本和操作復(fù)雜度，而且還會(huì)因掉冷鐵等原因產(chǎn)生廢品[2]。

圖5 搖枕長(zhǎng)度方向截面圖

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與工藝結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)

國(guó)外一些先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造企業(yè)在設(shè)計(jì)鑄件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)時(shí)，采用不同專業(yè)學(xué)科的協(xié)同，通過(guò)對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)和工藝結(jié)構(gòu)的并行優(yōu)化，運(yùn)用數(shù)字化強(qiáng)度分析、虛擬鑄造工藝分析軟件等信息化工具，完全實(shí)現(xiàn)了鑄件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與鑄造工藝結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計(jì)甚至一體化設(shè)計(jì)，產(chǎn)品模型與工藝模型實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，杜絕了最終產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的差異。不但消除了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中鑄件結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析與工藝結(jié)構(gòu)的差異，而且提高了鑄件的制造工藝性。

圖6為國(guó)外設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝一體化結(jié)構(gòu)搖枕，由截面圖可以看出，該鑄件已經(jīng)把拔模斜度、工藝筋等工藝特征加入到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，同時(shí)在彈簧座彎角部位上方設(shè)置補(bǔ)縮通道。由于在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分考慮了制造工藝的需要，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加合理，搖枕內(nèi)腔無(wú)需放置冷鐵，大大降低了制芯的復(fù)雜度和工藝成本。也減少了因放置冷鐵而產(chǎn)生的鑄造缺陷和廢品。

圖6 產(chǎn)品、工藝一體化結(jié)構(gòu)搖枕截面圖

圖7 為國(guó)外設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝一體化結(jié)構(gòu)側(cè)架，由圖可以看出，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中充分加入了工藝特征，不但設(shè)置了拔模工藝筋，而且在產(chǎn)品關(guān)鍵區(qū)域的導(dǎo)框彎角、承臺(tái)彎角處設(shè)置了冒口座，并在冒口座下方設(shè)置補(bǔ)縮通道，該側(cè)架在結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)不但使側(cè)架內(nèi)腔無(wú)需放置冷鐵，而且使小導(dǎo)框彎角、承臺(tái)彎角等關(guān)鍵區(qū)域的內(nèi)部致密度達(dá)到遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)TB/T3012和國(guó)外AAR M210標(biāo)準(zhǔn)要求的2級(jí)水平（見(jiàn)圖8、圖9）。

圖7 產(chǎn)品、工藝一體化結(jié)構(gòu)側(cè)架

3 國(guó)內(nèi)復(fù)雜鑄件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與工藝結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)的可行性分析

圖8 小導(dǎo)框彎角解剖面

圖9 承臺(tái)彎角解剖面

目前國(guó)內(nèi)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面已經(jīng)大量應(yīng)用了三維軟件建模、有限元分析、PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理等先進(jìn)設(shè)計(jì)分析和管理工具；在工藝設(shè)計(jì)方面已充分應(yīng)用CAD輔助設(shè)計(jì)工具、PROCAST等虛擬鑄造模擬軟件，并開(kāi)展了三維工藝設(shè)計(jì)方面的研究，也取得了一些階段性成果。因此在軟硬件條件方面，國(guó)內(nèi)完全具備了復(fù)雜鑄件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與工藝結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)的條件。只是由于長(zhǎng)期形成的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)習(xí)慣和管理體制制約了新設(shè)計(jì)理念的推廣應(yīng)用。

在現(xiàn)行管理體制不改變的前提下，要實(shí)現(xiàn)鑄件結(jié)構(gòu)與工藝的協(xié)同設(shè)計(jì)，需產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和工藝設(shè)計(jì)師在鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中加強(qiáng)溝通與合作，也可以按照項(xiàng)目制管理方式，組成項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，更有利于項(xiàng)目人員的溝通協(xié)作，協(xié)同設(shè)計(jì)可按如下流程進(jìn)行：

（1）由產(chǎn)品設(shè)計(jì)師根據(jù)組裝和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要設(shè)計(jì)出鑄件基本結(jié)構(gòu)。

（2）鑄造工藝設(shè)計(jì)師對(duì)產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝性審查，并提出改進(jìn)意見(jiàn)。

（3）達(dá)成一致意見(jiàn)后，由產(chǎn)品設(shè)計(jì)師（或鑄造工藝設(shè)計(jì)師）根據(jù)鑄造工藝設(shè)計(jì)師提出的建議增加拔模、工藝筋、和冒口補(bǔ)貼等工藝特征。

（4）三維模型完成后，同時(shí)進(jìn)行力學(xué)性能分析和鑄造模擬分析。

（5）根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和再次計(jì)算分析，以得到同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和鑄造工藝性的鑄件結(jié)構(gòu)。

根據(jù)上述流程設(shè)計(jì)的鑄件結(jié)構(gòu)將會(huì)是鑄件的最終結(jié)構(gòu)，不需要在進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面的工藝處理，因此，鑄件的力學(xué)性能計(jì)算和產(chǎn)品質(zhì)量計(jì)算會(huì)更準(zhǔn)確，也會(huì)大大提高產(chǎn)品的鑄造工藝性和降低工藝成本。由于加入了工藝特征，會(huì)給鑄件的三維模型設(shè)計(jì)和二維工程圖設(shè)計(jì)增加一定的難度和工作量。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化制造技術(shù)（包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造和計(jì)算機(jī)輔助工藝優(yōu)化）的發(fā)展應(yīng)用促進(jìn)了制造業(yè)的升級(jí)和協(xié)同設(shè)計(jì)理念的產(chǎn)生，協(xié)同設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用使設(shè)計(jì)和制造實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫對(duì)接，將是設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。同時(shí)由于多學(xué)科人員之間的互相協(xié)作和對(duì)計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用水平要求的不斷提高，將使工程技術(shù)人員的專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)由專一化向多元化發(fā)展。