搖枕、側架等鑄鋼件是鐵路貨車轉向架中重要的承載件，這些鑄件的質量和性能直接影響到整車的運行品質。特別是在近年來鐵路貨車提速和新產品多極化的新形勢下，對此類件的設計、制造工藝提出了新的挑戰。為適應市場做出快速反應并且獲得質量健全、制造周期短、滿足設計要求的鑄件，隨著公司的“并行工程”項目的深入和國家“863/CIMS”主題有關專家的指導下，我們開發一套“鑄造工藝與模具設計系統”來迎接這一挑戰。

　　2 系統環境建立

　　2.1 軟件選型

　　經過對Pro/ENGINEER、I-deas、UG等著名三維設計軟件的比選，我們針對Pro/ENGINEER的專用鑄造模具設計模塊，選擇了該軟件做為三維工藝與模具設計平臺。

　　2.2 硬件、操作系統

　　根據軟件對系統環境的要求我們選擇了HiSense工作站(256MB內存、10G硬盤)和Windows NT4.0操作系統。

　　3 三維模具設計流程

　　以鐵路貨車鑄鋼件搖枕為例(見圖(1))，介紹三維鑄造工藝與模具設計系統的開發流程。根據鑄造工藝的特殊性和Pro/E軟件的自身的特點，在多次實踐中我們總結出了該鑄鋼件三維模具設計的一般方法。

圖(1)搖枕三維產品模型

　　3.1系統功能模型

　　參照該功能模型圖，根據Pro/E軟件的特點和本企業產品的結構特性，我們在反復實踐中提出幾個關鍵問題：

　　l 因工藝需要，將對三維鑄件產品模型進行工藝尺寸調整，因此對模型的參數化要求較高，并且要求工藝調整后的尺寸鏈應按設計要求的方向變化。

　　l 用Pro/E軟件進行三維鑄件產品設計時，拔模斜度必須在鑄造圓角完成前做出，否則拔模將不能進行。而設計者不能預測拔模角中性基準面的位置。

　　l 較大的鑄件內腔砂芯需要分段處理，每個砂芯具有各自的拔模基準，無法在同一個平面上實現具有不同方向和位置的拔模斜度。

　　針對以上提出的問題我們實踐解決的方案如下：

　　l 我們針對不同的產品制定了建模協議，使模型在設計階段融入工藝特征，并控制模型按照要求的方向變化，使模型的參數化方向可控。

　　l 設計部門提交的產品模型必須分兩步進行：①按并行工程的思想預發布中間產品(即不包含任何鑄造圓角但結構完整的模型);②最終完整的三維設計產品(做參考使用)。

　　l 由于在鑄件產品設計過程中不能預測工藝是如何劃分砂芯的，況且即使知道操作起來也及其復雜，會失去模型參數化的彈性。因此，我們認為解決這一問題最有效的方法是先將內腔砂芯抽取后，按工藝需要將其劃分為多段Pro/E的Part零件，然后分別對其進行拔模、圓角等一系列操作直到滿足設計要求為止(參考設計發布的最終產品)。

　　根據以上關鍵問題解決的方案和工藝現狀，我們摸索出一套適合本企業鑄鋼件模具的設計流程。

　　3.2 建模協議

　　建模協議是真正能體現“并行工程”思想的一個理論體系。它是三維數字化產品上下游之間數據繼承與溝通的前提。它的屬性是在產品設計過程中或產品的整個生命周期中始終貫穿工藝因素于其中。對于鑄造件來講，每種產品都有不同的結構和尺寸鏈分布方式。因此，制訂鑄件的建模協議很難找到一般性規律，只能是針對某一產品或相似產品來制訂相應的建模協議。我們在設計搖枕時先后返工四次，原因是產品模型的建模隨意性較大，利用Pro/E軟件建模可謂“條條大路通羅馬”，要完成一個模型，使用的手段很多。通過多方法比較，我們終于找到了搖枕產品建模的基本方法。

　　通過摸索三維產品的建模協議，我們的體會是產品設計應向系列化、集成化方向邁進，這樣可使企業新產品設計對市場做出敏捷反應，提高工作效率的同時降低員工的勞動強度。

　　3.3 三維“概念工藝模型”

　　這里提出的“概念工藝模型”不是指真正意義上的工藝模型，只是提供給鑄造CAE軟件需要的形式。它的屬性是針對鑄造工藝的多方案比選。在概念模型上只體現鑄造CAE模擬軟件所需的基本結構、準確的工藝參數和尺寸而不能體現模具的詳細設計信息。和傳統的二維工藝與模具設計比較，三維的工藝與模具設計是不能只用一個三維模型把整個工藝思想完整體現出來的，而必須貫穿在整個模具設計的全過程中。

　　3.4 模擬報告

　　開始模具設計的前提是通過使用鑄造CAE軟件分析、比較多個工藝方案后，拿出一個較合理的模擬結果。然后以當前的方案做為模具設計的基準。通過參考模擬結果在容易出現鑄造缺陷的部位施加工藝措施，圖(2)是我們設計搖枕模具時的某一方案的模擬結果。顯然，容易出現缺陷的部位需要增加相應的工藝措施來滿足產品質量的要求，概念工藝模型也做相應調整，直到模擬結果滿意，然后模具設計工作開始。這樣既保證了模具設計的有效性，又減少工裝驗證的次數、降低新產品的開發成本。

圖(2)鑄造工藝方案比選

　　3.5 進入模具設計環境

　　Pro/E軟件提供了一個Pro/CASTING模具設計模塊，利用該模塊可有效的對三維鑄件產品進行增加鑄造收縮率、抽取砂芯、開模、設計芯頭等許多手段進行模具設計。圖(3)是搖枕已經裝配在模具設計環境中，并設計出了砂芯、芯頭、分型面等工作。圖(4)是搖枕在模具設計環境中經過多次劃分形成一個鑄型裝配關系。包括上下砂型、內腔砂芯、斜楔擋砂芯等。圖(5)是上砂型經過重新進入模具設計環境后再次抽取，得到的上模樣，然后進行拔模、圓角、澆鑄系統、冒口和其它工裝附件設計，直到滿足現場工藝要求為止。圖(6)是下模樣的設計流程方法同上。圖(7)是將內腔砂芯劃分的操作流程。由于鑄件尺寸較大，內腔砂芯無法用一個芯盒制作，根據現場工藝需要將其劃分為上下頭芯、上下腰芯，共需要設計四種芯盒。其難度在于每塊砂芯都要先設計拔模斜度然后倒圓角，最后在把砂芯裝配起來并進行修正，確保鑄件內腔的尺寸精確。修正后無誤的四種砂芯分別回到模具設計環境中又一次劃分，把芯盒劃分為可NC加工的活塊。

圖(3)進入模具設計環境

　　在模具的整個設計過程中，始終是唯一的一個CAD核心模型，因此保證了模具原始信息的唯一性和正確性;另外，CAD自身的鏡象功能保證了上、下模樣定位的準確，芯盒活塊的互換性好。這樣，模具的尺寸精度依賴于加工中心自身的加工精度。與手工操作比較，肯定是方便、快捷可靠性高，省去了檢測量規和檢測人員等冗長而昂貴的操作過程。滿足現代企業規模化大生產的現狀。

　　3.6 信息反饋

　　從流程圖上可以看出，信息反饋包括兩方面的內容：一是三維概念工藝模型與鑄造CAE軟件之間的信息反饋，通過不斷改進工藝參數和工藝手段來獲得滿意的模擬結果，這里的工藝仿真過程大大節約現場的工藝驗證費用和時間，降低了產品投資成本的同時為產品早日投入市場贏得了時間;二是砂型虛擬裝配過程中的信息反饋，如出現干涉現象、鑄件壁厚不合理或芯頭間隙偏差等因素會及早反饋給上游設計，這種直觀反映問題的方式可避免現場不必要的工裝驗證過程，無疑又縮短了鑄件新產品的試制周期。

　　4 關鍵技術

　　4.1 建立通用平臺

　　通常情況下，每個項目都由一個項目組(team)來完成，成員之間分別完成不同的工作，最后由主管工藝師匯總。這需要一個本部門內部乃至整個企業的通用平臺，它是產品信息溝通和共享的紐帶。最直接有效的方法是：①建立系列模板文件。在該類文件中確立面基準、層基準、視圖基準、質量特性、及應用制作BOM表相關的技術，使將來做裝配時無障礙自動生成BOM表。同時也有利于模具組件的系列化和標準化。②標準化結構目錄。給每類產品定制一套完整的目錄結構，使工作條理化，分工明確，便于檢索和數據共享。

　　4.2 采用BFR(Basic Feature Region)技術

　　在模具設計過程中，可能出現后續的工藝特征與產品模型特征存在不恰當的關系而發生沖突，筆者在反復實踐中摸索出解決這一問題的辦法是建立三維產品模型時采用BFR(Basic Feature Region 即基礎特征區)技術。現說明如下供大家參考： 傳統二維設計時一般尺寸鏈較復雜，原因是為控制產品相關尺寸精度，而在三維設計過程中控制精度恰恰是它的優勢，因此可犧牲一定的尺寸鏈關系來增加模型參數化的彈性，這是筆者的觀點。現可以把模型規劃為幾個基礎特征區即BFR，每個BFR都有唯一的核心基準，在這個BFR內所有的其他特征都參考這個核心基準，在BFR之間用唯一的參數關系建立關聯，可以是尺寸關系、約束關系、方程關系等。這樣創建的模型參數化彈性較高，出現問題時有據可尋，易于協調。當然，不同的產品模型具有不同的參考關系，也存在不同的BFR原型，需進一步探討。一旦這種手段形成規模效應，那么在企業內部數據溝通與共享將會更有前途。

　　5 結束語

　　三維鑄造模具設計在國內起步較晚，尚處于摸索階段，可謂任重道遠，但隨著我公司并行工程項目的深入，將會摸索一套切實可行的三維鑄造模具設計的通用方法，提高工作效率，提高模具質量。

　　參考文獻：

　　pro/ENGINEER 模具設計手冊

　　pro/ENGINEER 進階設計訓練教材

　　pro/ENGINEER 中文建模指南