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)字化設計、分析及虛擬制造技術的發(fā)展使產(chǎn)品結構與工藝協(xié)同設計成為可能。目前，國外一些比較先進的設計、制造企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了復雜鑄件結構與工藝設計的協(xié)同，而在我國軌道裝備制造行業(yè)還處于應用的初級階段。在國家提出“中國制造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)型升級的關鍵時期，實現(xiàn)復雜鑄件產(chǎn)品結構與工藝的協(xié)同設計，從而提高產(chǎn)品的設計精度、質(zhì)量與制造工藝性，是未來提高產(chǎn)品競爭力的必由之路。

1 傳統(tǒng)設計方式及其特點

由于專業(yè)分工及傳統(tǒng)體制問題，目前國內(nèi)復雜鑄件的產(chǎn)品結構設計仍然以滿足產(chǎn)品結構強度和使用性能為主，難以全面考慮制造工藝性和經(jīng)濟性，從而導致產(chǎn)品制造工藝性較差，需采取多種工藝手段來保證產(chǎn)品的制造質(zhì)量，不但增加了工藝成本，而且還導致最終產(chǎn)品結構與產(chǎn)品設計結構存在較大的差異。下面以某型號鐵路貨車搖枕做詳細說明。

1.1 產(chǎn)品結構與工藝結構在性能上的差異

圖1為搖枕產(chǎn)品結構圖，由圖1可以看出，搖枕的側壁和內(nèi)部筋均為為豎直結構，而在工藝設計時，為了造型和制芯脫模，需要將搖枕側壁和內(nèi)部筋進行拔模處理，并設計防裂筋等，在產(chǎn)品結構基礎上加入拔模特征后，結構形狀均會發(fā)生一定的變化，由于拔模后筋壁厚的變化，導致?lián)u枕工藝模型重量比設計模型增重2%左右，這勢必會影響轉(zhuǎn)向架乃至整車的重量，同時還會影響產(chǎn)品強度的計算精度。

應用有限元分析軟件對產(chǎn)品結構模型和工藝模型分別計算搖枕的應力大小，圖2、3、4為應力分布位置圖。

圖1 搖枕寬度方向截面圖

圖2 應力分布1

圖3 應力分布2

圖4 應力分布3

由表1可以看出，搖枕工藝結構和產(chǎn)品結構在位置A、B、E、I、J的應力值變化較大，由于目前產(chǎn)品設計中只采用產(chǎn)品結構模型進行強度和質(zhì)量計算，在當下對產(chǎn)品設計精度越來越高的形勢下，產(chǎn)品工藝結構與產(chǎn)品結構的強度差異勢必會影響產(chǎn)品設計的可靠性。

表1 搖枕工藝結構與產(chǎn)品結構應力值對比

1.2 傳統(tǒng)產(chǎn)品結構的設計對制造工藝的影響

在傳統(tǒng)的設計思路下，鑄件的結構設計和鑄造工藝設計是由結構設計師和鑄造工藝設計師根據(jù)各自的經(jīng)驗分別完成的。產(chǎn)品結構設計一旦成型，就決定產(chǎn)品的制造工藝性和制造成本。圖5為搖枕長度方向截面圖[1]，搖枕的底壁的彎角區(qū)域承受拉應力，為搖枕受力關鍵區(qū)域，也是搖枕質(zhì)量控制的關鍵區(qū)域，由于底壁承受的應力較大，因此在產(chǎn)品設計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。由于結構原因，在工藝設計時底壁處于澆注位置的下方，無法直接使用冒口進行補縮，圖5中連接搖枕上下壁的內(nèi)腔也無補縮通道，因此即使在上平面設置冒口也難以對底壁進行補縮。為了確保關鍵區(qū)域的致密度，在鑄造工藝設計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雜度，而且還會因掉冷鐵等原因產(chǎn)生廢品[2]。

圖5 搖枕長度方向截面圖

2 產(chǎn)品結構與工藝結構協(xié)同設計及其特點

國外一些先進的設計制造企業(yè)在設計鑄件產(chǎn)品結構時，采用不同專業(yè)學科的協(xié)同，通過對鑄件結構和工藝結構的并行優(yōu)化，運用數(shù)字化強度分析、虛擬鑄造工藝分析軟件等信息化工具，完全實現(xiàn)了鑄件產(chǎn)品結構與鑄造工藝結構的協(xié)同設計甚至一體化設計，產(chǎn)品模型與工藝模型實現(xiàn)了統(tǒng)一，杜絕了最終產(chǎn)品結構與設計結構的差異。不但消除了傳統(tǒng)設計方法中鑄件結構應力分析與工藝結構的差異，而且提高了鑄件的制造工藝性。

圖6為國外設計的產(chǎn)品結構、工藝一體化結構搖枕，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)品結構中，同時在彈簧座彎角部位上方設置補縮通道。由于在產(chǎn)品結構設計中充分考慮了制造工藝的需要，使產(chǎn)品結構更加合理，搖枕內(nèi)腔無需放置冷鐵，大大降低了制芯的復雜度和工藝成本。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、工藝一體化結構搖枕截面圖

圖7 為國外設計的產(chǎn)品結構、工藝一體化結構側架，由圖可以看出，在產(chǎn)品結構中充分加入了工藝特征，不但設置了拔模工藝筋，而且在產(chǎn)品關鍵區(qū)域的導框彎角、承臺彎角處設置了冒口座，并在冒口座下方設置補縮通道，該側架在結構方面的優(yōu)化設計不但使側架內(nèi)腔無需放置冷鐵，而且使小導框彎角、承臺彎角等關鍵區(qū)域的內(nèi)部致密度達到遠高于國內(nèi)TB/T3012和國外AAR M210標準要求的2級水平（見圖8、圖9）。

圖7 產(chǎn)品、工藝一體化結構側架

3 國內(nèi)復雜鑄件產(chǎn)品結構與工藝結構協(xié)同設計的可行性分析

圖8 小導框彎角解剖面

圖9 承臺彎角解剖面

目前國內(nèi)在產(chǎn)品結構設計方面已經(jīng)大量應用了三維軟件建模、有限元分析、PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理等先進設計分析和管理工具；在工藝設計方面已充分應用CAD輔助設計工具、PROCAST等虛擬鑄造模擬軟件，并開展了三維工藝設計方面的研究，也取得了一些階段性成果。因此在軟硬件條件方面，國內(nèi)完全具備了復雜鑄件產(chǎn)品結構與工藝結構協(xié)同設計的條件。只是由于長期形成的傳統(tǒng)設計習慣和管理體制制約了新設計理念的推廣應用。

在現(xiàn)行管理體制不改變的前提下，要實現(xiàn)鑄件結構與工藝的協(xié)同設計，需產(chǎn)品設計師和工藝設計師在鑄件結構設計過程中加強溝通與合作，也可以按照項目制管理方式，組成項目團隊，更有利于項目人員的溝通協(xié)作，協(xié)同設計可按如下流程進行：

（1）由產(chǎn)品設計師根據(jù)組裝和結構強度需要設計出鑄件基本結構。

（2）鑄造工藝設計師對產(chǎn)品基本結構進行工藝性審查，并提出改進意見。

（3）達成一致意見后，由產(chǎn)品設計師（或鑄造工藝設計師）根據(jù)鑄造工藝設計師提出的建議增加拔模、工藝筋、和冒口補貼等工藝特征。

（4）三維模型完成后，同時進行力學性能分析和鑄造模擬分析。

（5）根據(jù)分析結果進行結構改進和再次計算分析，以得到同時滿足結構強度和鑄造工藝性的鑄件結構。

根據(jù)上述流程設計的鑄件結構將會是鑄件的最終結構，不需要在進行結構方面的工藝處理，因此，鑄件的力學性能計算和產(chǎn)品質(zhì)量計算會更準確，也會大大提高產(chǎn)品的鑄造工藝性和降低工藝成本。由于加入了工藝特征，會給鑄件的三維模型設計和二維工程圖設計增加一定的難度和工作量。

4 結束語

數(shù)字化制造技術（包括計算機輔助設計、計算機輔助制造和計算機輔助工藝優(yōu)化）的發(fā)展應用促進了制造業(yè)的升級和協(xié)同設計理念的產(chǎn)生，協(xié)同設計方法的應用使設計和制造實現(xiàn)了無縫對接，將是設計技術發(fā)展的必然趨勢。同時由于多學科人員之間的互相協(xié)作和對計算機軟件應用水平要求的不斷提高，將使工程技術人員的專業(yè)知識結構由專一化向多元化發(fā)展。