基于加工特征的铸造毛坯生成与合理化*

舒海生 余豪华 牟晓伟

（哈尔滨工程大学机电工程学院智能制造实验室，黑龙江哈尔滨 150001）

铸件作为重要的毛坯类型，是大多数箱体零件加工的起点。研究铸造毛坯设计，提高铸造毛坯的设计质量与效率，对提高产品加工质量，缩短产品开发周期都有重要作用。以往关于铸造毛坯模型生成的研究大都基于现有CAD平台［1－4］，需要设计人员具有较丰富的工艺经验，并且不同的设计者由于个体差异所设计出的毛坯也往往不同。现有的这些毛坯设计工作大多只考虑了切削加工过程的余量要求，而没有考虑到毛坯还要受到上游铸造工艺的相关限制，因而有必要将这些铸造工艺要求包括到CAD/CAPP集成系统中。

CAD/CAPP集成系统是建立在加工特征基础上的，通过事先创建加工特征库，CAD模块即可采用库中现有的加工特征完成建模工作，建模完成后将生成的零件加工特征文件发送到CAPP模块进行工艺决策，从而实现了设计与工艺之间的无缝集成，避免了特征转换和特征识别，大大提高设计效率。

本文是以某齿轮箱生产企业的齿轮箱下体箱零件为例，基于该零件的加工特征，将铸造工艺知识引入到CAPP工艺决策过程中，并利用这些知识，对通过工艺决策获得的毛坯初始尺寸进行了合理化修改，从而建立了更为合理的铸造毛坯模型，使得对于CAPP的研究向毛坯铸造领域进行扩展，为后续铸造工艺设计提供了基础。在此基础上，由于毛坯尺寸的修改不仅可能影响某些特征的加工方法链，还涉及到加工余量与工序尺寸的确定，并进而影响切削用量的选择，因此根据新生成的毛坯模型进一步对原切削加工工艺做相应调整，从而使得修正后的工艺决策结果更加符合实际要求。

1 初始毛坯的生成

毛坯是产品加工的起点，却是CAPP进行工艺决策的一个终结点。CAPP通过读取CAD提供的零件信息，进行加工方法链的选择、工序尺寸及其公差的确定、加工余量的选择，从而最终获得初始的毛坯尺寸及其公差。

1.1 加工方法链的选择

加工方法链是特征的加工路线。加工方法是加工方法链的基本单元，其选择是根据以下几个因素进行的:加工特征的类型、精度要求、产品的生产批量、企业现有加工能力、加工经济精度等［5］。CAPP通过规则推理选择加工方法链的一般过程是:先确定初始加工方法与最终的加工方法，然后通过中间工序的连接形成可行的加工方法链。

以孔特征为例:孔特征的初始加工方法只有钻与粗镗2种。通过查询工艺手册的铸铁件最小铸出孔直径发现［6］:最小铸出孔直径由铸件材料与壁厚决定，例如:50 mm≤壁厚≤100 mm时，直径≥50 mm的孔都可以铸出。在50 mm基础上加上6 mm的直径加工余量，确定当孔特征的直径≥56 mm时选择粗镗作为其初始加工方法。直径≤20 mm的孔特征选择“钻”为初始加工方法。对于20 mm＜直径＜56 mm的孔特征初始加工方法选择将在毛坯的合理化一节中展开说明。初始加工方法确定之后，根据零件的生产批量决定是否使用钻（或粗镗）→粗拉→精拉的加工路线。对于齿轮箱等单件小批量产品，大都选择钻→扩→粗铰→精铰或者粗镗→半精镗→精镗→细镗的加工路线［5］。最后根据孔特征所要求的最终加工精度和表面粗糙度来确定其最终加工方法，从而获得孔特征的加工方法链。

再以面特征为例，其加工一般选择粗铣或者粗刨作为初始工序。考虑到刨削加工在窄长面加工上的高效率，确定对于长度不小于6倍宽度的面的加工优先选择刨削，反之则优先选择铣削。

1.2 工序尺寸与公差的确定

确定工序尺寸，首先要确定工艺基准，这里以设计基准作为工艺基准，采用了基准重合原则。在确定工艺基准之后首先要确定各加工工序的加工余量;然后从最终加工工序开始到第一道加工工序，依次加上每道工序的余量，从而得到各工序的基本尺寸及毛坯尺寸。最后在得到基本尺寸后，除最终加工工序外，其他工序按各自所采用加工方法的经济加工精度确定工序尺寸公差，并按照“入体原则”标注公差［5］。工序尺寸的计算流程如图1所示。

加工余量的确定一般采用查表法，这种方法以查表为基础，工艺人员结合实际情况做合理修改，确定加工余量。该方法方便、快捷，在实际加工中被广泛应用。本文将该表以加工余量库的形式存储在工艺知识库中，在工艺决策过程中根据特征类型、加工方法、特征尺寸进行查询，从而能够快速地确定加工余量。

确定特征的各工序尺寸和加工余量之后，还需要确定各工序的经济加工精度和表面粗糙度。CAPP系统将各类加工特征对应的加工方法的经济加工精度及表面粗糙度等知识事先存储到工艺知识库中，然后依据特征类型及其加工方法，引入相关工艺规则来确定各工序的经济加工精度和表面粗糙度。所涉及的工艺规则描述如下:

规则1:最终加工工序的IT及Ra为设计要求;此规则优先度高于后两条规则。

规则2:初始加工工序的IT取该加工方法IT取值范围的下限（例如钻的加工经济精度为11～13，则取13），其他工序则取上限。

规则3:初始加工工序的Ra取该加工方法Ra取值范围的上限后加两级，其他工序则取上限。

规则3中的“两级”中的“级”是在系统的工艺知识库将Ra的所有数值进行从小到大排列的基础上得到的。排列中以Ra=0.008 μm为等级1，Ra=0.01 μm为等级2，依此类推，Ra=100 μm为等级42。

假设某平面的第一道工序为粗铣，粗铣平面的表面粗糙度取值范围是Ra=5～20 μm，其中Ra=5 μm的等级为29，则取等级31，即:Ra=8;但是如果该平面只有粗铣一道工序，则遵守规则1。

确定各工序的经济加工精度之后，需要查询工艺知识库中的公差表以获得各道工序的公差数值。系统通过经济加工精度（IT）和特征基本尺寸查询库中的“标准公差数值表”来确定工序尺寸的公差数值。毛坯的公差等级与公差数值也是通过查询相关的工艺知识表格确定的。齿轮箱下体箱零件的毛坯以铸造为主，毛坯的尺寸公差等级（CT）由生产批量、铸件材料、铸造方法共同决定，一般需查询“小批和单件生产的铸件尺寸公差等级”表;毛坯尺寸公差数值则需查询“铸件尺寸公差数值”表。确定了毛坯尺寸及其公差之后，就完成了初始毛坯的生成。

此时将各个特征的加工方法链、各道工序的工序尺寸、加工余量、加工经济精度和表面粗糙度，以及毛坯尺寸、毛坯公差，总加工余量等通过对话框输出，由工艺人员结合实际情况可作必要的修改。

2 毛坯的合理化

毛坯的合理化是指为了使生成的毛坯模型符合铸造工艺的要求，在毛坯生成的过程中根据铸造工艺知识进行相关处理。毛坯合理化工作可以分为两部分:

（1）在机加工的工艺决策中引入铸造工艺知识，使加工特征的毛坯形态符合铸造工艺约束，从而实现对毛坯的初步合理化;

（2）在得到毛坯特征的初始尺寸后，基于铸造工艺知识对毛坯特征尺寸作进一步的合理化修改。

2.1 铸造工艺知识对工艺决策的约束

在加工方法链选择、毛坯尺寸及公差的确定等工艺决策过程中主要引入了下列铸造工艺知识:

（1）铸件最小铸出孔尺寸要求

基于铸造工艺知识“铸件最小铸出孔尺寸”进行的孔特征初始加工方法选择，其过程中就包含了对毛坯的合理化。现以20 mm＜直径＜56 mm的孔特征的加工方法链的选择为例加以说明，其过程如下:

步骤1:根据孔特征的加工精度要求，按照粗镗→半精镗→精镗→金刚镗的加工路线，确定其最终工序，从而初步确定该孔的加工方法链。

步骤2:确定各道工序的加工余量，逆向推理获得毛坯孔尺寸D。

步骤3:根据壁厚与铸件材料查询铸件最小铸出孔尺寸d，如果D＞d，则该毛坯孔可以通过铸造获得，因此步骤1选定的加工方法链就是最终选择结果;如果D≤d，那么该特征不存在毛坯孔，首道工序不能选择粗镗，所以按照钻→扩→粗铰→精铰的加工路线重新确定该孔的加工方法链，结束。

（2）铸件最小铸出槽尺寸要求

确定槽特征的加工方法链后，首先要计算该毛坯槽的尺寸，然后根据“最小铸出槽尺寸”确定该毛坯槽是否适于铸造，如果不能铸造，则更改其粗加工的加工余量，并标识该特征无毛坯槽;如果适于铸造，则不做修改。

（3）铸件尺寸公差等级和铸件尺寸公差数值要求

通过查询工艺知识库，根据铸造方法与铸件材料确定铸件尺寸公差等级，然后根据相应特征的初始毛坯尺寸确定铸件尺寸公差数值［7］，这些对确定铸造毛坯的合理尺寸有重要影响，并且本身就是铸造工艺参数确定的重要组成部分。

基于铸造工艺知识约束的工艺决策，不仅使工艺决策过程更符合实际，而且也是对初始毛坯尺寸作进一步合理化修改的基础。

2.2 毛坯特征尺寸的合理化修改

以往的研究在得到初始毛坯尺寸及其公差之后，并没有根据铸造工艺知识考虑铸件尺寸公差对铸件基本尺寸的影响。事实上，铸造毛坯基本尺寸并不单单是零件设计尺寸与总加工余量的代数和或差。以孔特征为例，不妨设孔的设计尺寸为F，毛坯孔的基本尺寸为R，加工余量为MA，铸件尺寸公差数值为CT，则毛坯孔的基本尺寸计算应由式（1）求得［8］:

槽特征与孔特征都属于内腔机械加工，两者计算方法相同。槽特征的毛坯基本尺寸R与设计尺寸F，加工余量MA，铸件尺寸公差数值CT的关系如图2所示。

面特征的毛坯尺寸计算公式由式（2）求得［8］:

式（2）中的R与F分别是面特征到基准面的毛坯基本尺寸与设计尺寸，其关系如图3所示。

对合理化修改后得到的毛坯特征尺寸首先进行四舍五入取整，然后根据取整的结果修改粗加工的余量，从而可使得后续切削用量的确定更符合实际。

3 合理化毛坯特征文件的生成与合理化修改

毛坯模型的生成需要CAD与CAPP的再一次交互，CAPP通过修改零件加工特征文件生成相应的毛坯特征文件，CAD可以读取该文件以获得毛坯的各项参数作为驱动，从而在同一平台上将零件模型变换为毛坯模型。本文以UG软件为平台，其毛坯模型的生成流程如图4所示。其中毛坯特征文件的生成是关键。

毛坯特征文件的生成是与毛坯特征尺寸的合理化修改同步完成的，其生成过程如下:

步骤1:按照特征文件中的顺序读取特征，检验其是否存在毛坯特征，如果不存在，则在该特征的参数中添加“Operation=Dele”，表示毛坯上不存在该特征;如果有毛坯特征，则进入步骤2。

步骤2:获得合理化修改后的毛坯特征尺寸，并对其取整后，检验该特征的类型，如果该特征为面特征，则进入步骤3;如果特征为孔、槽等实体类型的特征则进入步骤4。

步骤3:在该面特征的参数中添加“Offset=MA”，表示需要将零件中的此特征进行偏置处理以获得毛坯特征;其中MA是特征的总加工余量，也是偏置量。另外，偏置方向默认为:与特征的刀具接近方向相反。完成修改后进入步骤5。

步骤4:在该实体特征的参数中添加“Operation=Edit”，表示该毛坯特征需要通过零件特征的尺寸修改获得。根据特征类型做相应的修改:孔特征的直径;槽特征的长、宽、高等。完成修改后，进入步骤5。

步骤5:检验该特征是否为加工特征文件中最后一个特征。如果不是，进入步骤1;如果是，则完成毛坯特征文件的生成，结束。

4 结语

本文在基于加工特征的CAD/CAPP集成框架下，针对某齿轮箱生产企业的齿轮箱下体箱零件中的加工特征为例，该零件的三维模型如图5所示。

由于引入了铸造工艺知识，使得该零件毛坯的生成不仅考虑到了切削加工工艺过程的余量要求，同时还兼顾了铸造域对毛坯制造的要求。在生成合理化毛坯的同时，对原工艺决策结果加以修正，并通过对零件加工特征文件的修改直接生成毛坯特征文件，使得在统一的CAD平台的基础上，能够直接生成三维零件的毛坯模型。

本文利用Visual C++编辑器，针对该零件的加工特征，实现了基于加工特征的铸造毛坯生成与合理化的实例验证。

由VC++生成的毛坯特征文件，其形式如下:

毛坯特征文件中各特征的编号与零件的特征文件的编号一一对应，其中“3”为下箱体结合面，需要对该特征进行偏置，6.5为其偏置量。“5”为输入轴承孔，该特征需要将直径修改为130 mm。特征“4”则被删除。

由于影响铸造毛坯设计的铸造工艺域的因素还有很多，例如拔模斜度、工艺补正量、非加工壁厚负余量以及反变形量等，这些因素对毛坯设计的影响尚需作进一步研究。

［1］庞晓辉，廖敦明，陈立亮，等.基于UG的铸造工艺CAD分模模块的开发［J］.中国机械工程，2006（11）:306 －308.

［2］Shinhua Yue，Guoxiang Wang，Fei Yin.Application of an integrated CAD/CAE/CAM system for die casting dies［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，139（20）:465 －468.

［3］王智平，程俊，朱小武.基于Pro/E二次开发的铸造工艺CAD系统［J］.兰州理工大学学报，2005，31（2）:33 －35.

［4］陈善国，黄正东.铸造零件毛坯模型生成方法研究［J］.机械与液压，2008，36（4）:232 －235.

［5］王先逵.机械制造工艺学［M］.北京:机械工业出版社，2002:31－49.

［6］中国机械工程学会铸造分会编.铸造手册［M］.北京:机械工业出版社，2003:32－32.

［7］李弘英，赵成志.铸造工艺设计［M］.北京:机械工业出版社，2005:11－12.

［8］贾志宏，傅明喜.金属材料液态成型工艺［M］.北京:化学工业出版社，2007:92－93.