大型复杂铸件无模快速制造技术的研究与应用*

□ 赵国强 □ 刘庆义，2 □ 倪允强 □ 孙玉成，2 □ 秦 鹏 □ 李继超

1.潍柴动力股份有限公司 工艺研究院 山东潍坊 261061

2.内燃机可靠性国家重点实验室 山东潍坊 261061

1 研究背景

在装备机械产品设计中，为提高整机性能，铸件的集成化、轻量化设计已成为趋势，并对铸件精度也提出了更高的要求。同时，复杂的铸件结构给铸造过程带来了更大的挑战，尤其是对于一些单件、小批量、大型复杂铸件的制造，采用传统有模铸造方法，需要翻制多套模具，存在周期长、成本高等问题［1-3］，大大制约了企业新产品的开发进度。

笔者针对铸件快速开发要求，结合现有的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助制造（CAM）一体化技术，将铸造工艺CAD、铸造工艺CAE优化分析、无模铸型CAD、无模铸型CAM快速加工等技术有机结合起来，对某大型柴油机飞轮壳铸件进行了无模数字化快速制造，实现了基于铸件三维模型的CAD、CAE、CAM无缝衔接，能够有效缩短大型复杂铸件的生产周期，降低制造成本。

2 无模快速制造技术流程

图1所示为基于CAD、CAE、CAM的无模快速制造技术流程，这一技术流程基于统一的铸件三维模型，将铸造工艺CAD、铸造工艺CAE优化分析、无模铸型CAM快速加工等数字化技术集成创新应用。

（1）铸造工艺CAD。首先基于零件CAD模型应用Creo、UG等软件得到铸件CAD模型，然后进行必要的数据完整性检查和零件分析，根据零件结构特点来进行铸造工艺方案设计，最后建立浇冒系统三维模型。由这一过程得到的铸造工艺可以为CAE分析提供数据。

（2）铸造工艺 CAE优化分析。应用 Magma、ProCAST等专业软件对铸件在充型、凝固和冷却过程中的流动场和温度场进行模拟分析，进而预测铸造缺陷，并应用分析结果来验证所设计铸造工艺的合理性。在不同铸造工艺方案的基础上，这一过程实际上是设计工艺→模拟→修改工艺的反复过程，直到最终得出最优的工艺方案［4-6］。

▲图1 无模快速制造技术流程

（3）无模铸型CAD。在确认铸造工艺方案可行后，在Creo、UG等软件环境下进行三维型芯CAD建模。这一过程需结合加工设备的加工范围、刀具长度等因素拆分重组出不同模块单元，并对各模块单元设置相应的组合结构，来保证铸型装配精度。这一过程生成的铸型单元CAD模型可以为CAM加工准备设计数据。

（4）无模铸型CAM快速加工。基于上述设计过程得到的铸型单元三维模型，在UG等软件环境下，单独为每个铸型单元自动规划路径，采用数控加工设备加工出各铸型单元。这一过程将模具的制造环节加以省略，可直接对铸型进行减材加工，并快速获得高精度、高表面质量的铸型，特别适用于单件、小批量的铸件新产品开发［7］。

（5）铸件成型。铸型全部加工完成后，经过必要的浸涂涂料、烘干处理，应用各铸型单元之间的定位结构实现铸型组装，最后经浇铸、凝固、冷却、落铸清理后得到铸件。

由以上步骤可以看出，由于在设计、模拟与加工各环节之间完全基于CAD过程产生的三维模型来传递设计意图和加工信息，因此实现了铸件无模快速制造过程的完全封闭，并保证最终生成的铸件和设计意图保持一致。

3 无模快速制造技术验证

大型铸件具有结构复杂、型腔空间大且曲面多、壁厚不均匀等特点，不仅使造型和制芯难度大，而且铸件在冷却凝固过程中易造成缩孔、缩松、浇不足、热裂等缺陷，从而导致铸件新品的开发周期和质量无法保证。

基于CAD、CAE、CAM的铸件无模快速制造技术流程，省去了模具制作环节，兼具数字化制造过程所具有的高精度等优点，可以为高效、高质、低成本解决小批量大型复杂铸件提供有力支撑。结合上述技术特点，笔者以某大型柴油机飞轮壳铸件快速制造为例，进行了基于CAD、CAE、CAM的大型复杂铸件无模快速制造技术应用及验证。

3.1 铸造工艺CAD

某大型柴油机飞轮壳铸件CAD模型如图2所示，轮廓尺寸为φ955 mm×232 mm，基本壁厚为10 mm，多处局部壁厚不均匀。铸件材质为HT200灰铁，总质量约为220 kg。这一铸件为典型的大型薄壁铸件，结构复杂，型腔空间大且自由曲面多，不仅造型和制芯难度大，而且铸件在冷却凝固过程中易造成缩孔、缩松、热裂等缺陷。

▲图2 大型柴油机飞轮壳铸件CAD模型

为保证铸造过程充型平稳，按照快速充型、分散浇铸的原则，在铸件周围开设了环形横浇道及八条内浇道，中部设置冒口及出气孔，由此设置了底注式浇铸系统。这一浇铸系统便于铁液的快速流动、顺序凝固，可顺利将型腔内的气体排出型腔，从而减少气孔等缺陷。图3所示为飞轮壳浇铸系统模型。

▲图3 飞轮壳浇铸系统模型

3.2 铸造工艺CAE优化分析

铸造工艺CAE通过对铸件充型、凝固过程进行数值模拟计算，得到流动场、温度场等工艺数据，最终对铸造工艺提供改进建议。笔者应用Magma铸造模拟软件对飞轮壳铸件浇铸过程进行流动性、温度场模拟，设定浇铸温度为1 420℃。

浇铸过程模拟显示，铁液由下而上顺序充型，液面速度分布均匀，无明显涡流，未出现砂眼、浇不足等缺陷，总体上浇铸系统设计较为合理。图4所示为浇铸结束后温度分布。

凝固过程模拟显示，铸件凝固过程先从铸件的周边薄壁处开始凝固，然后向中央冒口部位方向顺序凝固，最后冒口凝固。图5所示为凝固结束后缩松分布。

以上模拟结果表明，当前工艺条件下，铸件各部位均无明显的缩孔、缩松缺陷，铸造质量良好。

▲图4 浇铸结束后温度分布

▲图5 凝固结束后缩松分布

3.3 无模铸型CAD

在完成铸造工艺CAE分析并确定浇铸工艺后，在UG、Creo等软件环境下进行无模铸型CAD过程，具体如下：①采用带浇冒系统的铸件CAD模型进行三维铸型CAD建模；②根据铸型结构特点和数控加工设备加工范围，将铸型分割成可加工的上模1、2和下模1、2等四个铸型单元，如图6所示；③根据各铸型单元之间的装配方式，采用坎合定位结构来保证整体铸型的组装精度［8］，并根据现场需要设计必要的吊装位置等。分割后整体三维模型如图7所示。

▲图6 铸型单元

▲图7 分割后整体三维模型

3.4 无模铸型CAM快速加工

若采用传统的有模铸造模式生产这一大型柴油机飞轮壳铸件，完成首件铸件开发需要2～3月。随着CAD、CAE、CAM技术在铸造领域的深入应用和数字化无模精密铸型制造技术的快速发展，快速铸造已成为可能，并且能够保证更高的精度、更小的加工余量和更好的表面质量。机械科学总院开发的基于切削加工原理的数字化无模铸型制造技术可在CAD模型驱动下，直接采用数控加工设备切削铸坯，得到高精度的铸型、铸芯，快速完成铸型的制造［9-10］。

3.4.1 无模铸型单元数控加工路径规划

在得到铸型单元的CAD模型后，分析各单元结构特点，合理配备铸型加工刀具方案，并按照先粗后精、先主后次等加工原则，在CAM模块下进行加工路径规划，然后进行加工仿真，最后得到最优规划路径。

将铸型单元导入UG软件进行工艺处理，然后进入CAM模块，根据每个铸型单元CAD模型的特点，创建刀具、方法、几何体、程序等设计过程，并按照粗加工、精加工来设计不同的加工参数。选用直径较大的铣刀粗加工完成铸型主体结构，并采用直径较小的球头刀精加工铸型局部结构。在所有参数设置完成后进行加工仿真，通过刀轨校验来确定加工过程中是否存在过切或欠切等现象。确定刀轨可行后，经后置处理生成可进行铸型加工的数控代码。图8所示为铸型单元加工轨迹。

3.4.2 无模铸型单元CAM数控加工

将铸坯紧固在数字化无模铸造精密成型机上，由数控程序直接驱动设备进行切削加工，即分别采用专用的铸型切削刀具，对经过试验且满足铸造要求的树脂铸坯进行数字化CAM快速加工。由于铸型切削为轻型加工，因此可以采用高速切削、大进给量来满足高效和高质的要求。图9所示为加工完成的飞轮壳铸件铸型，整体铸型模型尺寸为1 850 mm×1 600 mm×700 mm，加工时间仅为40 h。

3.5 铸件成型

铸件成型加工完成后，浇铸得到飞轮壳铸件，如图10所示。经检测，铸件结构完整，无裂纹、气孔、凹陷等缺陷，满足使用要求。该大型柴油机飞轮壳铸件采用基于CAD、CAE、CAM的无模快速铸造方法，铸件整个开发周期只需20天，铸件尺寸精度达±2.5 mm，加工余量小，相比采用传统的有模铸造，开发周期缩短了50%以上。

▲图8 铸型单元加工轨迹

▲图9 加工完成飞轮壳铸件铸型

4 结束语

笔者针对传统铸型制造所存在的模具开发周期长、成本高等问题，应用CAD、CAE、CAM等计算机辅助技术，成功进行了某大型柴油机飞轮壳铸件的数字化无模快速制造，最终开发出满足使用要求的铸件。无模快速制造技术相比传统的有模铸造模式，省去了模具制造的过程，缩短了铸件开发周期，降低了开发成本，是目前铸件快速开发中一种切实可行、快速有效的先进制造技术［11］。

实践表明，相比于传统的有模铸造模式，基于CAD、CAE、CAM的无模快速制造方法能有效应用于大型复杂铸件的数字化设计、铸造分析与铸型数字化加工全过程，从而实现铸件制造全过程的数字化。这一技术成功摆脱了模具制约，能够显著缩短铸件的开发周期，降低制造成本。基于CAD、CAE、CAM的无模快速制造方法特别适用于小批量、多品种、个性化定制铸件的新产品开发，具有良好的推广应用价值。

▲图10 浇注得到飞轮壳铸件