【文章內(nèi)容簡介】 考慮鑄造合金的性質(zhì)和鑄件的特點(diǎn)[9]。電機(jī)圓筒外殼的澆注系統(tǒng)冒口的設(shè)計采用圓柱式，其位置與澆口的位置相對。冒口的高度，厚度，直徑均采用工廠經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行設(shè)計，在后大部分和遠(yuǎn)離澆口的部分都設(shè)置冒口。設(shè)計如圖32所示，高度為200mm，圓柱直徑55mm?！‰姍C(jī)圓筒外殼造型特點(diǎn)及三維實(shí)體造型方法三維建模是計算機(jī)圖形學(xué)中的一種非常復(fù)雜的技術(shù)。目前，造型和建模的方法有5種，即線框造型、曲面造型、實(shí)體造型、特征造型和分維造型。實(shí)體建模的方法包括邊界描述、創(chuàng)建實(shí)體幾何形狀、截面掃描、拉伸、旋轉(zhuǎn)及掃掠等，將實(shí)體建模、曲面建模、線框建模、顯示幾何建模與參數(shù)化建模融為一體，快速生成實(shí)體[10]。電機(jī)圓筒外殼是一種形狀復(fù)雜的三維實(shí)體，它是經(jīng)過鑄造及機(jī)加工后而成的，以此再設(shè)計繪制過程中對精度的要求不高，盡量滿足其鑄造工藝即可。目前，工程中常用的結(jié)構(gòu)件的三維造型方法主要有兩種：一是采用二次開發(fā)的方法來實(shí)現(xiàn)其造型；二是利用三維造型軟件提供的強(qiáng)大造型功能完成齒輪的造型。其中，二次開發(fā)的方法要求設(shè)計人員具有一定的編程水平，造型周期相對較長，而且編出的軟件也僅適用于特定的齒輪造型；而利用三維造型軟件可以在較短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜零件的三維造型[11]。因此在工廠中，通常選用三維繪圖軟件（一般用UG）來完成圓筒外殼的繪制。 電機(jī)圓筒外殼的繪制打開UG NX5，新建文件“pengfei”，然后進(jìn)入起始建模、草圖繪圖命令。整體來看主視圖是對稱的，其實(shí)不然。其中的每個刺是不相同的，需要耐心的一步步繪制。其中用到了鏡像、延伸、修剪、圓角尺寸標(biāo)注、快速約束等一系列功能。最后繪制如圖21所示的草圖。圖21 拉伸草圖單擊“完成草圖”拉伸，系統(tǒng)彈出“拉伸”對話框，設(shè)置參數(shù)，如圖22。拉伸對話框提示的操作，一步步進(jìn)行，參數(shù)設(shè)置完后單擊“確定”，完成草圖拉伸，如圖23所示。 圖22 拉伸參數(shù)設(shè)置 圖23 拉伸實(shí)體然后在此基礎(chǔ)上再次進(jìn)行草圖的繪制，由于實(shí)體圖相對復(fù)雜。它的形成是在十幾個草圖繪制，經(jīng)過多次的拉伸，回轉(zhuǎn)，掃掠及基礎(chǔ)上才形成的。本文主要介紹在完成實(shí)體過程中用到的幾個主要的草圖及特征，減少繁瑣不必要的陳述。以主視圖的平面為繪圖平面，繼續(xù)草圖。打擊“草圖繪圖”按鈕，選擇繪圖平面，繪制如圖24單擊“完成草圖”。然后“拉伸”命令，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，單擊“確定”按鈕，完成本次操作形成如右圖所示的三維實(shí)體。 圖24 拉伸草圖 圖25 拉伸實(shí)體接下來對毛刺進(jìn)行修改，在此用到了回轉(zhuǎn)。點(diǎn)擊“基準(zhǔn)面”按鈕，建立基準(zhǔn)平面，選中基準(zhǔn)平面后單擊“草圖”按鈕，進(jìn)行草圖繪制，如圖25所示單擊“完成草圖”、“回轉(zhuǎn)”，系統(tǒng)彈出“回轉(zhuǎn)”對話框，設(shè)置參數(shù)，單擊“確定”，然后回轉(zhuǎn)體與整體進(jìn)行求差，如圖26所示 (a) 回轉(zhuǎn)參數(shù)設(shè)置 (b) 求差參數(shù)設(shè)置圖26 回轉(zhuǎn)與求差設(shè)置對參數(shù)設(shè)置后，單擊確定按鈕，完成求差。如圖27所示。 圖27 回轉(zhuǎn)后實(shí)體 圖28 支座草圖接下來對電機(jī)外殼的底座進(jìn)行繪制，單擊“草圖”按鈕，選擇基準(zhǔn)面，繪制如圖28所示的草圖。由于兩邊對稱，對草圖進(jìn)行鏡像，選擇“鏡像”命令，設(shè)置參數(shù)后單擊“確定”。按照相同的操作步驟完成對其草圖拉伸特征的繪制，完成后如圖29所示。 圖29 支座草圖拉伸后實(shí)體 圖210 外殼上部拉伸求差后實(shí)體在此圖的基礎(chǔ)上，在電機(jī)上部分進(jìn)行類似的拉伸—求差，完成后如右圖210所示。隨后點(diǎn)擊，“基準(zhǔn)面”按鈕，創(chuàng)建一個與XZ平面平行且距離為427mm的平面。點(diǎn)擊“草圖繪制”，創(chuàng)建如圖211所示的草圖。 圖211 拉伸草圖 圖212 拉伸后實(shí)體點(diǎn)擊“完成草圖”——拉伸特征，對參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)置后，點(diǎn)擊確定完成如圖212所示的三維實(shí)體。在完成這一系列的實(shí)體操作中，一些細(xì)小的操作步驟在這里不做介紹。完成的實(shí)體，為了便與脫模，應(yīng)該有一定的錐度和圓角。在繪圖過程中默認(rèn)錐度為4176。，圓角R4。點(diǎn)擊創(chuàng)建“基準(zhǔn)面”按鈕，在XZ平面上部434mm距離建立一個基準(zhǔn)面，在XZ平面上方425mm建造另一個基準(zhǔn)面。在這兩個基準(zhǔn)面上分別繪制操作，完成草圖。點(diǎn)擊“拉伸”，進(jìn)行不同的參數(shù)設(shè)置，最后確定完成如圖213所示的實(shí)體造型。圖213 拉伸后大體輪廓接下來繪制外殼兩側(cè)一些凸起的部分，分析可知兩側(cè)的凸起部分并不是對稱的，并且一側(cè)的凸起也不是在一個平面上的。相對來說，繪制要繁瑣一些。首先繪制左側(cè)的凸起部分。根據(jù)上述創(chuàng)建基準(zhǔn)面的方法，創(chuàng)建兩個滿足條件的基準(zhǔn)面。點(diǎn)擊“草圖”，選定已經(jīng)創(chuàng)建的基準(zhǔn)平面，然后確定。進(jìn)行草圖繪制，如圖214所示。 (a) 草圖 (b) 拉伸實(shí)體圖214 右側(cè)凸出部分由于兩側(cè)并不對稱，所以不能用鏡像特稱來完成操作，按照以上所述的步驟，創(chuàng)建基準(zhǔn)面——草圖——拉伸實(shí)體完成另一側(cè)的特征。如圖215 (a) 草圖 (b) 外殼實(shí)體圖215 圓筒外殼大體造型以上就完成了電機(jī)外殼的三維實(shí)體造型(其中一些具體的細(xì)節(jié)部分不在做詳細(xì)的陳述，省略不寫)。下圖就是圓筒外殼的三維實(shí)體造型及三視圖。圖216 電機(jī)外殼三視圖 STL文件的導(dǎo)出用UG軟件將三維實(shí)體造型導(dǎo)出成為*.stl格式文件[12]。從菜單選擇導(dǎo)出*.stl格式，出現(xiàn)如圖216所示的對話框，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置單擊確定，以“l(fā)inpengfei”為文件名保存。接著出現(xiàn)類選擇對話框，如圖217所示，選定對象確定，導(dǎo)出成*.stl格式文件。 圖217 快速成型對話框 圖218 類選擇對話框第三章 電機(jī)圓筒外殼鑄造工藝數(shù)值模擬鑄造過程數(shù)值模擬的基礎(chǔ)是電機(jī)圓筒外殼的三維實(shí)體造型。設(shè)計出仿真鑄型（電機(jī)圓筒外殼三維實(shí)體模型）后，將仿真鑄件實(shí)體導(dǎo)入模擬分析軟件AnyCasting中[13]。采用AnyCasting的網(wǎng)格劃分功能對電機(jī)外殼模型進(jìn)行有限差分網(wǎng)格的劃分，完成鑄造分析模型的幾何近似和模型化，建立起準(zhǔn)確的電機(jī)圓筒外殼鑄造成型系統(tǒng)的有限差分模型。然后，設(shè)定鑄造工藝參數(shù)，運(yùn)用軟件AnyCasting進(jìn)行電機(jī)圓筒外殼的模擬仿真澆注試驗(yàn)，分析鑄件充型和凝固過程中速度場、壓力場合溫度場，從而找出現(xiàn)行鑄造過程中存在的規(guī)律，在澆注整個過程中可能出現(xiàn)的情況。 電機(jī)外殼的實(shí)體造型電機(jī)外殼是電機(jī)機(jī)上最大的一個部件，一般占發(fā)動機(jī)總重的1/4，形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)緊湊。因此對建模工作提出了較高的要求，其中包括建模軟件的選用和建模思路的建立等。限于試驗(yàn)條件和時間等因素，本文采用UG軟件對三維實(shí)體造型的三維實(shí)體進(jìn)行建模。圖31為電機(jī)外殼三維實(shí)體模型。 (a) 電機(jī)外殼右側(cè) (b) 電機(jī)外殼左側(cè)圖31 電機(jī)外殼仿真鑄件建好以后，在執(zhí)行數(shù)值模擬運(yùn)算之前需要對鑄件模型進(jìn)行有限差分網(wǎng)格的劃分。本文中模擬試驗(yàn)的網(wǎng)格劃分工作由AnyCasting軟件的前處理模塊anyPRE來完成。首先將建好的CAD模型文件轉(zhuǎn)換成AnyCasting所支持的STL（Stereolithography）文件格式，然后導(dǎo)入到anyPRE中。在其中先將鑄件和澆注系統(tǒng)裝配到一起，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分[14]。如圖32為導(dǎo)入到anyPRE中的鑄件實(shí)體模型、澆注系統(tǒng)的形式和位置。圖32 導(dǎo)入實(shí)體網(wǎng)格劃分后的模型要盡量逼真于實(shí)際鑄件，才能確保實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果的正確性。網(wǎng)格劃分的基本前提是壁厚參數(shù)要小于缸體鑄件的最小壁厚，這樣才能保證仿真鑄件不失真。根據(jù)對計算結(jié)果精度的要求不同，靈活地設(shè)置網(wǎng)格密度，對精度要求低的部分可以把網(wǎng)格設(shè)置得稀疏一些，對精度要求較高的部分則應(yīng)提高網(wǎng)格的密度，以確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。這樣可以在保證計算結(jié)果具有足夠精度的前提下，減少計算時間，提高計算效率，在有限的時間和硬件條件下獲得較為滿意的計算結(jié)果[15]。本實(shí)驗(yàn)由于電機(jī)外殼屬于壁厚較為均勻的鑄件，所以采用均勻網(wǎng)格劃分法。初始方案將網(wǎng)格剖分成979979，劃分結(jié)果如圖33所示。 (a) 生成網(wǎng)格參數(shù) (b)實(shí)體網(wǎng)格剖分圖33 網(wǎng)格剖分很明顯一些小的毛刺沒有被剖分到，經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)結(jié)果非常不合理，與實(shí)際不相符合。優(yōu)化方案，多次設(shè)定模擬決定，將總體網(wǎng)格數(shù)量設(shè)定為1940888，在200萬左右，即可滿足要求，并且模擬運(yùn)算過程較快，結(jié)果較為理想。劃分結(jié)果如圖34導(dǎo)入到anyPRE中的鑄件實(shí)體模型以及澆注系統(tǒng)位置 (a) 網(wǎng)格剖分參數(shù) (b) 實(shí)體網(wǎng)格剖分圖34優(yōu)化的網(wǎng)格剖分網(wǎng)格劃分完畢后，需要輸入鑄造工藝參數(shù)和邊界條件，以便模擬仿真鑄造過程實(shí)驗(yàn)。（1）鑄造材料：鑄鐵。在這里考慮到兩個問題，第一電機(jī)外殼對材料的要求不高，鑄鐵本身就可以滿足其工作要求[16]。第二考慮到經(jīng)濟(jì)性方面的原因，鑄鐵比鑄鋼經(jīng)濟(jì)實(shí)惠；（2） 砂型鑄造：對鑄件、鑄型及周圍的空氣預(yù)熱溫度200176。C。預(yù)熱可以提高逐漸的質(zhì)量，另外由于砂型鑄造要保持一定的干燥度，預(yù)熱可以去除多余的水分，保持干燥的環(huán)境；（3） 熱傳導(dǎo)率：在鑄件凝固過程中，鑄型沒有相變過程，故可看作無內(nèi)熱源的熱傳導(dǎo)問題。鑄件與鑄型之間的熱傳遞過程，用熱傳導(dǎo)率來處理交界處的邊界條件。Anycasting對于熱傳導(dǎo)率有自己的數(shù)據(jù)庫，可以根據(jù)材料的屬性查到[17]；（4） 鑄件材料的設(shè)置，如圖35所示； 圖35 鑄件材料設(shè)置 圖36 澆口設(shè)置（5）澆口條件做如下設(shè)置，如圖36所示；（6）為了便于對溫度的分析，模擬中加上傳感器，在鑄件上面取出不同的特殊點(diǎn)。本文為了對不同的點(diǎn)進(jìn)行研究，選擇了三個傳感器，取出了24個不同的特殊點(diǎn)。如圖37所示； (a) 點(diǎn)的選取 (b) 點(diǎn)的空間位置圖37 傳感器設(shè)置 （7）為了使模擬的更為逼真，系統(tǒng)對充型與凝固做了定義，可以默認(rèn)設(shè)置，如果有不合理的地方可以做修改，本模擬用了默認(rèn)設(shè)置，如圖38所示； (a) 充型定義 (b) 凝固定義圖38 鑄造過程設(shè)置（8）充型結(jié)束后，以凝固96%作為結(jié)果輸出。并且在輸出數(shù)據(jù)中，以每5%作為一個間隔輸出，這樣便于對數(shù)據(jù)的觀察。在這里模擬結(jié)束條件，沒必要以凝固分?jǐn)?shù)100%作為結(jié)束條件，因?yàn)槊翱诘囊?187176。C的澆注溫度保溫，不可能達(dá)到完全凝固。充型、凝固輸出的體積分?jǐn)?shù)間隔不要太大，不便于輸出數(shù)