1．前言 随着计算机技术的迅速发展，现代制造工业的发展日新月异，产品的设计和生产的方式已发生了巨大的变化，产品改型也越来越快。采用传统方法进行铸造工艺设计与铸件生产，主要依靠经验公式和现有的生产经验，一套成熟稳定的生产工艺通常要经过多次的修改、试验、再修改的过程，这不仅浪费资源和时间，而且难以保证产品质量。传统的设计与制造方式已无法适应现代工业发展的需要。 作为现代先进设计与制造技术的基础，CAD、CAE、CAM是多学科交叉、知识密集型高新技术。借助CAD/CAE/CAM一体化技术进行铸造工艺设计与铸件生产，从产品设计到铸造模具的加工实现“无图纸化作业”，不仅可以大大提高设计效率，缩短产品的设计与制造周期，而且能够实现设计、分析与模具加工的统一，提高铸造模具结构的合理性、准确性和加工精度，从而保证铸件质量；还能将设计人员从繁冗的绘图、计算和编程中解放出来，以从事更多的创造性工作。CAD/CAE/CAM一体化技术在铸造过程的应用已成为铸造技术发展的一个显著特点。铸造企业为了提高产品的档次和市场竞争能力，越来越认识到应用CAD/CAE/CAM一体化技术的必要性。 2．铸造CAD/CAE/CAM一体化的主要内容 2.1 铸造工艺CAD 铸造工艺CAD以计算机为主要手段，辅助设计者完成工艺设计和所有绘图工作，它需要基于通用绘图软件进行二次开发，以实现专业铸造工艺设计功能。设计人员在CAD平台上绘制零件图，然后通过二次开发的一系列算法和程序，以及建立起来的相关的数据库，在零件图上将工艺形状逐一添加上去，最终形成所需的铸造工艺图。 目前，大部分铸造企业都使用计算机绘图，但一般只停留在使用CAD软件的自身绘图功能。工艺人员进行铸造工艺设计时，主要依靠经验和工厂的内部约定、习惯，在铸件图纸上用红蓝铅笔手工绘制铸造工艺图，还没有真正意义地甩开图板，更没有甩开手册（国家机械工业部标准和企业内部标准），影响产品设计效率的进一步提高。 国内外研究者主要在AutoCAD平台上开发二维的铸造工艺CAD，基于三维软件如UG、Pro/E、SolidWorks等平台的二次开发也作了相当的工作。但是，因为各厂的实际情况不同，铸造工艺CAD的通用性受到很大的限制，增加了铸造工艺CAD的开发难度，影响其实际应用效果，加上企业对二次开发应用的要求和紧迫性还没有达到迫切需要的程度。因此，铸造工艺CAD应用和发展状况远远落后于CAE的发展和应用。 2.2 铸件凝固过程CAE CAE也就是计算机模拟仿真技术。在加工铸造模具和投入实际铸件生产之前，利用计算机对铸件充型凝固过程进行模拟计算，预测缺陷所在，以便优化工艺设计。 铸造CAE经过了四十多年的发展，从温度场发展到流动场、应力场，从宏观模拟深入到微观领域，从实验室研究走向工业化实际应用。特别是近些年来，在计算机硬件、软件、信息处理技术以及相关学科的强有力地支持下，数值模拟技术在人类社会的各个领域得到了广泛的应用，取得了长足的进步。目前欧美日等西方发达国家的铸造企业普遍应用了模拟技术，特别是汽车铸件生产商几乎全部装备了仿真系统，成为确定工艺的固定环节和必备工具。国内已有众多的企业纷纷采用数值模拟技术，应用于实际生产。 2.3 铸造模具CAM 铸模CAM是基于三维实体模型数据，利用数控机床，加工铸造模具的过程。在模具的设计制造过程中，产品几何形状的确定、描述是设计的核心基础，无论是产品本身几何形状的描述，还是模具型腔的确定、模具零件设计、工艺过程设计、数控加工编程都依赖几何形状这一基础信息。 传统的铸造模具制造过程多数是根据二维平面图，采用手工或木模加工机床制造木模和芯盒，对于大批量生产，则采用精度较高的切削加工机床及模具钳工进行金属铸模的制造。由于二维平面图上形体的直观性较差，影响了立体模型建立的准确性。二维图纸传递的几何信息难免有出错的地方，这些都直接影响所加工模具的准确性。因此，基于CAD软件进行三维几何建模是CAM的前提和基础。 2.4 CAD/CAE/CAM一体化 CAD、CAE和CAM开始是独立发展，自成体系的。随着它们的推广使用，各个分支之间相互依存，关系越来越紧密，设计系统只有配合数控加工，才能充分显示其巨大的优越性，而数控技术只有依靠设计系统产生的模型才能发挥效率，同时通过模拟仿真手段，确保产品设计的可靠性和加工过程的合理性，三者自然而然地紧密结合，形成计算机辅助设计与制造集成系统。CAD/CAE/CAM一体化就是指的这种系统，系统中的各个阶段都可以利用公共数据库中的数据和信息，缩短了产品的生产周期，提高了产品的质量。 CAD/CAE/CAM一体化技术是解决产品设计与制造薄弱环节的必由之路，许多先进工业国家投入巨资，对CAD/CAE/CAM技术进行研究开发。早在20世纪60年代初期，国外一些飞机和汽车制造公司就开始了CAD/CAE/CAM的研究工作，投入了大量的人力和物力。 我国CAD/CAE/CAM的开发始于20世纪70年代末。国产CAD软件与国外相比尚有一段距离，也逐渐趋于成熟，开始推广应用。但纵观目前的应用状况，其应用水平相对较低，即使引进国外xx的软件也是以绘图为目的，没有发挥其真正功效。企业一般不可能自行开发软件，只能购买现有的支撑软件。但由于企业的性质、规模、产品各不相同，对CAD应用软件的需求也不相同，因此必须以现有的软件作为支撑平台进行必要的二次开发，形成适合企业需求的应用软件。 3．铸造过程CAD/CAE/CAM一体化的技术路线 实现铸造过程CAD/CAE/CAM一体化的关键在于将CAD、CAE与CAM有机地联系起来，而实现这种联结的基础是基于统一的三维数据模型。铸造CAD/CAE/CAM一体化的技术路线如图1所示。
图1 铸造CAD/CAE/CAM一体化的技术路线 实现铸造过程CAD/CAE/CAM一体化，其基本的工作步骤如下： 1) CAD过程设计产品结构，产生三维产品模型为CAE、CAM过程准备设计数据。具体来讲就是在三维CAD软件中进行零件的三维建模，然后利用二次开发的程序进行三维铸造工艺设计，生成浇冒口系统，冷铁和砂芯等三维实体。 2) CAE模拟验证所设计的铸造工艺的合理性，为修改和优化工艺提供科学依据。具体内容是利用标准化的数据接口（比如生成STEP、STL、IGES文件），输入到铸造CAE软件进行流动场、温度场、应力场等计算分析，预测铸造缺陷。然后利用CAE的反馈信息优化铸造工艺。可能会经过几个“修改工艺－模拟—修改工艺”的反复过程，直到得出一个合适的铸造工艺。 3) CAM铸模加工。根据CAD过程准备的三维数据模型，生成铸造模具加工工艺规程，得到NC编程所需的数据，然后将加工程序直接送入NC加工。 4) 利用模具造型，进行实际铸件生产。 从以上步骤可见，在设计、模拟与加工之间无需通过图纸来传递设计意图和加工信息,整个CAD/CAE/CAM过程都基于CAD过程产生的三维数据模型。以往的二维设计中许多时间是浪费在图纸绘制和错误的修改上，图纸的更改常常是顾此失彼。而三维模型能自动生成二维图形，三维模型任意部位的修改都能及时地反应在二维图纸上。xx基于三维模型，可以xx二维图纸传递几何信息的不准确性，使最终生成的铸件和设计者的意图保持一致。
三维造型是一项艰苦的工作。在利用CAD/CAE/CAM一体化系统制造铸模过程中，三维造型所花费的时间和精力{zd0}，通常占整个工作量的1/3～1/2。减少三维造型的工作量是软件开发人员的责任。根据铸造工艺的形状特点去构造专门化的三维造型算法，基于三维CAD软件平台进行三维铸造工艺二次开发是将三维造型的工作量降到{zd1}的有效途径。基于通用三维CAD软件平台进行二次开发，建立三维铸造工艺CAD系统，以得到基于铸造工艺基本特征的统一的三维数据模型，从而实现CAD/CAE/CAM之间信息共享。三维铸造工艺CAD是实现CAD/CAE/CAM一体化的必由之路。 4．应用实例 4.1 三维铸造工艺CAD 本研究基于UG进行二次开发，建立三维铸造工艺CAD系统。基于UG的三维铸造工艺CAD能够和CAE、CAM接口，它们共用一套三维模型数据，符合铸造CAD/CAE/CAM一体化的要求，是铸造工艺CAD的发展方向。图2图3是两个面向装配的三维铸造工艺CAD的实例。
图2 三维铸造工艺CAD实例1
图3 三维铸造CAD工艺实例2 4.2铸造CAE 铸造CAE采用有限元法或有限差分法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、应力应变场数据，由此引出相应的工程性的结论。多年来，实践中已经涌现出大量成功的范例，证明CAE确实能辅助完成铸造工艺的优化[6]。下面是采用笔者课题组开发的“华铸CAE”软件进行铸件充型凝固过程模拟的几个实例。图4是曲轴铸件的缩孔缩松分布图，图5为某时刻的温度分布图。从这两图可见，在铸件内部冒口下面存在有缩孔缩松的缺陷。图6是轮毂铸件的充型次序图。
图4 曲轴铸件缩孔缩松分布图 图5 曲轴铸件温度分布图
图6 (a) 充型率36%
图6 (b) 充型率51%
图6 (d) 充型率{bfb} 图6 轮毂铸件的充型次序图 4.3铸模CAM 基于CAD的三维数据，可以进行铸模CAM加工。图7图8是基于UG的铸模CAM的实例。
图7 UG CAM界面与加工轨迹
图8 固定轴铣刀具轨迹 5．结论 计算机软硬件以及模具加工、检测技术的快速发展使得铸造CAD/CAE/CAM一体化技术成为铸造企业切实可行的技术。本文提出的铸造CAD/CAE/CAM一体化技术能有效运用于实际铸件和铸模的设计、分析与制造过程，对提高生产效率、缩短新产品开发周期具有重要的意义。 |
