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在工業(yè)制造中，鑄鋼件得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的制造業(yè)中鑄鋼件的工藝設(shè)計對工藝人員的技能水平要求較高，人才培養(yǎng)耗時耗力，設(shè)計過程缺乏有效管控；工藝設(shè)計質(zhì)量主要依靠個人經(jīng)驗保證，差異性較大；需要工藝人員結(jié)合工藝設(shè)計規(guī)范或工藝原則進行大量的查表和計算，導(dǎo)致工藝設(shè)計效率低，出錯率高；工藝設(shè)計與生產(chǎn)過程銜接不流暢，工藝紀律執(zhí)行主要依靠作業(yè)指導(dǎo)書或工藝卡對生產(chǎn)人員進行培訓(xùn)和指導(dǎo)，產(chǎn)品質(zhì)量未實現(xiàn)過程控制，且事后跟蹤難。而搭建云設(shè)計平臺可以有效解決這些問題?；凇霸啤钡脑O(shè)計理念，將產(chǎn)品設(shè)計所需要的經(jīng)驗知識、標準規(guī)范、內(nèi)控要求等轉(zhuǎn)化為參數(shù)化的、可導(dǎo)入的數(shù)據(jù)，在云平臺中方便技術(shù)人員快速獲取使用，從而提高鑄鋼件生產(chǎn)整體的設(shè)計效率。其中全流程虛擬鑄造系統(tǒng)云平臺中的成形工藝設(shè)計節(jié)點更是將工藝設(shè)計規(guī)范和工藝原則中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和計算公式全部轉(zhuǎn)化為后臺算法，核心的設(shè)計參數(shù)依靠后臺參數(shù)庫自動匹配、自動計算及自動判斷，最大程度地減少人工錄入，提高工藝設(shè)計的效率和質(zhì)量。

1 全流程虛擬鑄造系統(tǒng)云平臺

全流程虛擬鑄造云平臺是基于傳統(tǒng)的鑄造工藝，融合虛擬制造、知識庫應(yīng)用、設(shè)計制造一體化等先進理念，通過專業(yè)化設(shè)計、知識庫應(yīng)用、數(shù)據(jù)閉環(huán)管控，讓每一位工程師擺脫“個人經(jīng)驗”限制，充分利用企業(yè)技術(shù)資源，全面協(xié)同工作。通過工作流驅(qū)動鑄造工藝設(shè)計的流程、參數(shù)以及圖文檔等規(guī)范管理。結(jié)合相應(yīng)生產(chǎn)模式和工藝要求，建立并行協(xié)同的數(shù)字化工藝設(shè)計流程，包括產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計之間的協(xié)同，以工藝設(shè)計內(nèi)部不同工藝模塊之間的并行協(xié)同。同時，通過并行設(shè)計、參數(shù)互聯(lián)、知識庫應(yīng)用等手段，在保證工藝設(shè)計質(zhì)量的前提下，提高工藝設(shè)計效率，避免因流程細化導(dǎo)致的設(shè)計周期延長等問題。

圖1 所示為全流程虛擬鑄造云平臺的節(jié)點圖，首先由營銷人員依據(jù)鑄件產(chǎn)品詢價信息，在系統(tǒng)中錄入鑄件產(chǎn)品的基本信息，工藝設(shè)計部門接到鑄件信息錄入完成的計劃后，由工藝部門主管對該產(chǎn)品的工藝設(shè)計任務(wù)進行下發(fā)，包括不同節(jié)點的責任人和完成時限。產(chǎn)品下發(fā)后，工藝人員登錄自己的賬號填寫相對應(yīng)的節(jié)點信息，直到最后一個節(jié)點完成。

圖1 全流程虛擬鑄造系統(tǒng)平臺流程圖

2 成形工藝設(shè)計

鑄鋼件“成形工藝設(shè)計”節(jié)點由10 個頁簽組成，可實現(xiàn)產(chǎn)品的加工余量設(shè)計、冒口設(shè)計、補貼設(shè)計、冷鐵設(shè)計、澆道設(shè)計、拉筋設(shè)計、吊把設(shè)計、芯頭設(shè)計及壓箱設(shè)計，圖2 所示為成形工藝設(shè)計節(jié)點。系統(tǒng)會先給出每個部分設(shè)計原則供設(shè)計人員參考，設(shè)計人員進行每一個頁簽的數(shù)據(jù)填寫，并在最后一個頁簽“工藝輸出”中匯總，最終完成產(chǎn)品在云平臺系統(tǒng)中的成形-工藝設(shè)計操作。

2.1 加工余量設(shè)計

在尺寸設(shè)計頁面中會顯示加工余量的國標供設(shè)計人員參考，加工余量的設(shè)計是根據(jù)“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)”自動生成相應(yīng)的表格，表格中的內(nèi)容在后臺有對應(yīng)的邏輯關(guān)系，自動給出加工面的標準值，包括頂面、側(cè)面和底面，是否粗加工、反變形，設(shè)計人員只需要參考標準值填上加工余量的設(shè)計值，相差太大的話可以說明是什么原因。圖3 所示為表格中相對應(yīng)的邏輯關(guān)系。

圖2 成形-工藝設(shè)計節(jié)點

圖3 加工余量表格邏輯關(guān)系

2.2 冒口設(shè)計

在尺寸設(shè)計頁面中首先會給出冒口設(shè)計原則，設(shè)計人員根據(jù)冒口設(shè)計原則進行設(shè)計。冒口設(shè)計的總原則：冒口的凝固時間應(yīng)不小于鑄件被補縮部分的凝固時間；冒口所能提供的補縮液量應(yīng)不小于補縮區(qū)域鑄件的液態(tài)收縮、凝固收縮和型腔擴大量之和。冒口應(yīng)盡量靠近熱節(jié)但不直接放在熱節(jié)上，熱節(jié)位于材料截面相互連接的地方。冒口的模數(shù)M，模數(shù)M 的計算公式[1]：

式中：V—補縮體積，mm3；

圖4 冒口設(shè)計頁面

Sc—散熱表面積，mm2.

圖4 所示為冒口設(shè)計頁面，首先設(shè)計人員根據(jù)熱節(jié)的模數(shù)，給出初步的解決方案，增加明冒口還是暗冒口，并在模擬軟件進行模擬，系統(tǒng)通過后臺公式計算出冒口模數(shù)，在表格中自動推薦冒口型號和冒口模數(shù)，設(shè)計人員根據(jù)模擬的結(jié)果及推薦的型號最終確定冒口型號和數(shù)量。系統(tǒng)會給出標準冒口型號供設(shè)計人員選擇，非標冒口也可以進行添加后選擇，圖5 所示為標準冒口型號。冒口確定后進行補縮距離校核，確定是否有末端區(qū)，填寫補縮區(qū)距離及末端區(qū)距離，系統(tǒng)會自動得出結(jié)論合格還是不合格，不合格的話給出解決方案：增加末端區(qū)、階梯冷卻梯度還是設(shè)置補貼。最后為補縮液量校核，輸入補縮區(qū)域重量與補縮液量比較并得出結(jié)論。

2.3 補貼設(shè)計

在補貼設(shè)計頁面中首先會給出補貼設(shè)計原則為：補貼需滿足順序凝固的補縮梯度、補貼位置優(yōu)先選擇外側(cè)及單側(cè)補貼、預(yù)留切割基準等。首先是補縮位置的確定，在補貼頁面上會給生成一個表格，內(nèi)容包括熱節(jié)、補貼編號、檢測級別及補貼梯度，設(shè)計人員只需要在表格中選擇檢測級別并填寫補貼梯度即可，填寫完后系統(tǒng)會進行補貼參數(shù)的計算，包括補貼等效厚度、補貼寬度及補貼長度。

圖5 標準冒口型號

2.4 冷鐵設(shè)計

冷鐵是為增加鑄件局部的冷卻速度，在砂型、砂芯表面或型腔中安放的金屬物或其他激冷物，在冷鐵設(shè)計頁面中首先會給出冷鐵的一些相關(guān)信息，如冷鐵位置：在兩補縮區(qū)之間放置，以增加人為末端區(qū)；結(jié)構(gòu)上判斷為易熱裂紋部位，需設(shè)置隨形冷鐵；結(jié)構(gòu)上易粘砂部位，可設(shè)置隔砂冷鐵；結(jié)構(gòu)上不易設(shè)置冒口，并且通過外冷鐵無法消除縮松時可設(shè)置內(nèi)冷鐵等。設(shè)計人員要確定選用外冷鐵還是內(nèi)冷鐵，并填寫相應(yīng)冷鐵位置壁厚的厚度，系統(tǒng)會自動推薦出冷鐵型號，設(shè)計人員只需最后填寫冷鐵數(shù)量并上傳冷鐵圖即可。

2.5 澆道設(shè)計

澆注系統(tǒng)分為封閉式澆注系統(tǒng)和開放式澆注系統(tǒng)兩種。

封閉式澆注系統(tǒng)：內(nèi)澆道是最小的阻流截面，其控制著澆注速度。通常用于水平鑄型（較低）。

開放式澆注系統(tǒng)，直澆道是最小的阻流截面，其控制澆注速度。通常用在垂直放置的鑄型（較高）和澆注系統(tǒng)有較大形成氧化物傾向的情況。

在澆道設(shè)計頁面，首先要確定澆注時間，設(shè)計人員填寫澆注重量，選擇需要的鋼包、水口1 和水口2 的直徑，系統(tǒng)會自動算出出鋼重量、澆注時間及是否符合澆注需求。然后是內(nèi)澆口的計算，選擇內(nèi)澆口類型：圓形或鴨嘴，選擇內(nèi)澆口直徑后系統(tǒng)自動計算出內(nèi)澆口截面積，并填上數(shù)量，填寫內(nèi)澆口出流速度，系統(tǒng)會自動判斷出是否合格。內(nèi)澆口設(shè)計完后進行壓頭計算，系統(tǒng)根據(jù)水口1 和水口2自動算出壓頭高度，設(shè)計人員只需填上直澆道高度即可，系統(tǒng)自動判斷出直澆道高度是否滿足。根據(jù)檢驗的級別系統(tǒng)自動判斷出是否需要過濾器，系統(tǒng)人員選擇過濾器型號并填寫過濾器數(shù)量及單個過濾器過濾噸位。圖6 所示為澆道設(shè)計頁面。

圖6 澆道設(shè)計頁面

2.6 拉筋設(shè)計

防裂筋設(shè)置條件：有熱裂趨勢的鑄件設(shè)置防裂拉筋，無熱裂趨勢的則不設(shè)置；設(shè)置在壁厚變化交接處，如圖7 所示，A/B＞（1～2），L/B＜2 時，可不設(shè)置；A/B＞（2～3），L/B＜1 時，可不設(shè)置；易變形鑄件需設(shè)置防變形拉筋。

在拉筋設(shè)計頁面，首先要進行防拉筋判斷，設(shè)計人員填寫法蘭厚度、缸壁厚度及法蘭高度，系統(tǒng)會自動判斷是否需要防裂筋，如不需要，系統(tǒng)就進行下一個頁面，如需要，工藝人員進行過濾圓角R 的填寫，系統(tǒng)就會自動計算防裂筋的厚度、高度及間距。最后輸入鑄件的噸位，系統(tǒng)自動得出拉筋規(guī)格。

圖7 壁厚交接處

2.7 吊把設(shè)計

有的鑄件體積和重量都比較大，搬運起來不方便，就需要吊把來進行吊運。吊把使用時優(yōu)先使用顧客所給吊耳，其次考慮其他方式吊運，最后考慮設(shè)計工藝吊把，吊把的設(shè)計應(yīng)有利于翻件，且（吊把+重心）平面與底面垂直。在吊把設(shè)計頁面中，系統(tǒng)會根據(jù)鑄件重量自動給出吊把的參數(shù)，如吊把直徑、根部R 角、形狀（戴帽或不戴帽）及吊把長度，設(shè)計人員填上吊把數(shù)量并上傳吊把位置圖。

2.8 芯頭設(shè)計

是否需要出芯時優(yōu)先考慮實樣造型、活料，難以起模的部位考慮出芯，如倒削、復(fù)雜內(nèi)腔等，采用組芯方法的也可以考慮出芯。分型面的選擇需要注意：保證尺寸精度；有利于制芯、下芯、合箱；盡量減少砂芯的數(shù)量；分芯面最好是平面。在芯頭設(shè)計頁面中首先是芯頭參數(shù)選擇，增加砂芯編號，選擇砂芯類型、芯頭類型（垂直或水平）及定位結(jié)構(gòu)，填寫芯頭等效直徑和芯頭有效長度，系統(tǒng)會自動推薦芯頭長度，設(shè)計人員根據(jù)推薦值填寫設(shè)計的芯頭長度，系統(tǒng)會自動計算并給出上芯頭斜度、下芯頭斜度及下芯頭斜度。然后進行砂芯信息的填寫，包括砂芯重量、砂芯體積及砂芯表面積。

2.9 壓箱設(shè)計

在壓箱設(shè)計頁面中首先會給出壓箱設(shè)計原則：壓箱重量應(yīng)均勻分布于上箱整個表面；最好讓壓鐵與上箱僅是接觸，而不是完全施加于砂子上，以避免在上箱不上移的情況下，承受全部壓力；壓箱板應(yīng)避開出氣和冒口。

壓箱計算：壓箱重量＞5 倍浮力；

壓箱重量=壓箱鋼板重量+壓箱鐵重量+上箱重量；

浮力=吊胎重量+懸空芯子重量。

設(shè)計人員在壓箱設(shè)計頁面填寫吊胎重量、懸空芯子重量及上箱重量，系統(tǒng)會根據(jù)上面的計算關(guān)系自動計算出壓箱鐵重量。

2.10 工藝輸出

工藝輸出頁面主要是將前面幾個設(shè)計頁面匯總，包括明冒口、暗冒口、冷鐵、工藝吊把、內(nèi)澆口、直澆道、鋼包信息及過濾器等，使工藝人員更直觀了解此產(chǎn)品成形工藝所設(shè)計的內(nèi)容。

3 總結(jié)

在全流程虛擬鑄造系統(tǒng)云平臺中設(shè)計鑄鋼件產(chǎn)品的成形-工藝設(shè)計屬于一種新的設(shè)計模式，這種設(shè)計模式的基礎(chǔ)是將成形工藝設(shè)計分為若干子模塊，每個子模塊都有一定的對應(yīng)關(guān)系。設(shè)計人員在設(shè)計產(chǎn)品的成形工藝設(shè)計時，不用再繁瑣的查詢、計算。只需要錄入產(chǎn)品的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)云平臺就會按照既定的規(guī)則進行自動計算查詢。這種設(shè)計模塊可以極大地提高人力資源的使用效率，方便設(shè)計人員快速設(shè)計。