本文探討了壓縮機鑄件結構和鑄造工藝的CAD設計相關內容。

　　SolidWorks是一套機械設計自動化軟件，簡單易學，機械工程師能快速地按照其設計思想繪制出草圖，制作模型和詳細的工程圖。應用特征和尺寸，進行零件三維造型，三維模型除了可以將設計思想以最真實的模型在計算機上呈現出來之外，還可隨時計算出鑄件的體積、面積、質心、重量、慣性矩等，用以了解零件、模型的真實性。可隨時對尺寸修正，相關的二維圖形或三維實體模型均自動修改，同時裝配、制造等相關設計也會隨之變動，如此可確保數據的正確性，避免人為改圖的疏漏情形，減少了工作時間與人力消耗。由于有參數式的設計，機械工程師可以運用強大的數學運算方式，創建各尺寸參數之間的關系式，使模型可自動計算出應有的外型，減少尺寸逐一修改的繁瑣費時，并減少錯誤發生。

　　運用SolidWorks中的各項工具，能夠快捷地對鑄件進行厚度分析、起模分析、結構分析等，檢查鑄件結構設計的合理性，避免傳統二維平面設計中難以發現的壁厚設計不當，干涉等問題。鑄造工藝方案確定后，借助其中的分型面、切削分割、型腔、組合、起模等特征，很快就可以得到外模、芯盒的計算機三維造型。利用質量特性工具，可以檢查砂芯能否平穩地放置，將各砂型、砂芯裝配起來，能夠模擬下芯操作。在設計系列零件時，優勢非常明顯，做好一個基礎模型后，建立系列零件表，輸人各系列的尺寸，能夠在幾個系列中快速切換，避免重復性的工作。從模型能夠直接生成工程圖，指導模型的制造、零件的生產。本文附圖中的三維模型，全部是在SolidWorks中完成的。

　　澆注系統開設得正確與否，對鑄件的質量影響很大。澆注系統的設計，要根據具體的情況，正確選擇類型和開設的位置，對各種可能方案進行反復比較，還要確定各組元的合理尺寸及其之間的比例關系，某一方面的失誤都將帶來不良的結果。選取Excel進行數據分析和計算，過程透明，操作簡單，掌握一定基礎知識的初學者就可以自已編制出適合于自己應用的程序。我們按常用的澆注系統計算公式編制了簡易的程序，并將大量的成功例子輸人進行分析驗證，調整各經驗值的大小，只要給出鑄件的重量、外形等各尺寸，計算機就能夠快速地制訂出較合理的澆注系統方案，按此方法計算出來的澆注系統，經過實踐的驗證，鑄件出品率較高，證明澆注系統設計合理。本文將以實例對以上方面進行詳細說明。

　　1、起模分析

　　1.1用途

　　起模分析對于鑄造工藝方案的制訂有很大的幫助。

　　(l)可以使用起模分析工具來檢查起模正確應用到鑄件面上的情況。

　　(2)有了起模分析，可核實起模斜度，檢查面內的角度變更。

　　(3)可利用起模分析找出鑄件的分型線、澆注面和出坯面。

　　(4)應用起模分析后，可看出外模需設活塊的位置。

　　(5)對芯盒的三維造型進行起模分析，能輕松設置芯盒的分邊分塊。

　　1.2實例

　　圖1為對我公司某型號壓縮機上的排氣端座進行起模分析的情況。圖中深色處為負起模區，即妨礙起模的位置。由圖可知，小法蘭、排氣法蘭下半部為負起模區，由圖可初步制訂出這樣的方案，三箱造型，考慮到大法蘭精度要求高，且為好放置排氣口砂芯(圖中僅看得見排氣法蘭處孔)，大面向下，由大面起模，外模上小法蘭(連同凸臺)脫活塊，排氣法蘭的下半部形狀靠加一砂芯形成。

　　1.3操作方法

　　(1)打開模型，然后單擊工具起模分析。

　　(2)在分析參數下，執行如下操作。

　　選擇一平面、一線性邊線或軸來表示起模方向。圖1中選擇的面為大法蘭面，則系統給出的起模方向為垂直于此面的方向，圖中小箭頭所指為起模方向(意義參考圖2)。要更改起模方向，可單擊反轉方向，也可使用圖形區域中的小箭頭來反轉方向。輸入參考起模角度，系統會將該參考角度與模型中現有的角度進行比較。

　　以上兩參數選好后，點擊計算，在圖形區域將會根據設定的顏色顯示出各種面來。"正起模"指面的角度相對于起模方向大于參考角度;"負起模"指面的角度相對于起模方向小于負參考角度;"需要起模"顯示需要校正的面，這些面的角度大于負參考角度但小于正參考角度;"跨立面"顯示包含正以及負起模類型的面，通常.這些為需要生成分割線的面。一般將負起模面設置成醒目的紅色，以便發現。

　　將指針移動到模型上的任一區域，屏幕上將會動態顯示該區域的起模角度的數值。

　　2 方案設計

　　2.1 用途

　　可通過分型面、切削分割、型腔、組合、起模等多種方式，將鑄件的三維造型變換得到外模、砂芯、芯盒等的三維實體造型，進而檢查外模起模是否順利，芯盒設計是否合理;通過裝配，可模擬下芯的情景，以發現可能出現的問題。以上操作，能檢查工藝方案的合理性，若發現問題，可及時修正調整。也可設計好不同方案后，將各情況模擬出來，比較優劣，以得到最佳方案。

　　2.2操作方法

　　SolidWorks中有一系列的鑄模工具。圖3中的各工具的功能依次為:比例縮放，用于按指定的因子縮放模型;分型線，用于建立分型線以將核心和型腔分離;關閉曲面，用于查找并生成模具關閉面;分型面，用于在核心和型腔面之間生成分型面;切削分割，用于切削分割特征;型腔，用于插人一個型腔到基體零件中;起模，使用中性面或分型線按所指定的角度削尖模型面;分割線，將草圖投影到彎曲面或平面，從而生成多個單獨面;等距曲面，使用一個或多個相鄰的面來生成等距的曲面;直紋曲面，從邊線插人直紋曲面;延展曲面，從一條平行于一基準面的邊線開始來延展曲面;平面區域，使用草圖或一組邊線來生成平面區域;縫合曲面，將兩個或多個相鄰、不相交的曲面組合在一起;起模分析，根據模具起模方向分析面的起模角度;底切檢查，識別形成底切的面。

　　另外，利用SolidWorks動態修改尺寸這一功能，可快捷地實現加工面"加工余量"、砂芯留"間隙"的操作。常用的還有"組合"這一工具，通過多個實體的加、減、并邏輯操作，可將鑄件模型轉換成砂芯、外模、芯盒等三維造型。還有"分割"工具，可將一個實體用曲面或平面分割成多個實體，可用于模擬芯盒分邊，外模脫活塊等。

　　2.3 實例

　　上文中的圖1為我公司某型號壓縮機的排氣端座的三維造型的一部分，排氣法蘭的下半部形狀為一砂芯形成，我們通過將一拉伸特征與鑄件模型進行邏輯加的操作，就從上述模型變換到了如下的鑄件外模三維造型(見圖4)。這時候可再次使用起模分析，檢查是否有妨礙起模的地方。如果將拉伸特征與鑄件模型進行邏輯減操作，則可得到砂芯的三維造型。

　　SolidWorks中的退回控制棒，隨時可通過拖動來將模型退回到中間過程(例如退回到為鑄件狀態時〕，觀看鑄件局部的細節，也可很快地拖回到現狀態，通過比較看工藝方案設計得是否合理。

　　3砂芯設計

　　3.1用途

　　(1)檢查砂芯的重心所在，看砂芯是否能夠平穩放置。

　　(2)對芯盒分塊，便于順利出砂。

　　(3)檢查下芯時各砂芯砂型間是否有妨礙。

　　3.2操作方法

　　砂芯的生成，一般是在鑄件的基礎上，通過分割、組合、動態修改尺寸(加余量、留砂芯間隙)、起模分析等操作，再加上芯頭，加縮放比例，起模斜度，變換成各砂芯的三維造型。類似的操作，可將之轉換成芯盒的三維造型，通過分型面對芯盒分割，進行起模分析，可檢查芯盒分邊是否合理，能否順利地出砂。

　　檢查砂芯的重心，要對砂芯應用到質量特性，其中可看出砂芯重心所在，垂直于砂芯底面觀察，即可看出砂芯的重心是否落在底部芯頭范圍內，知道它是否能夠放置平衡。

　　檢查下芯時是否有妨礙，需要用到裝配的概念。

　　3.3實例

　　圖5為我公司某型號的排氣端座，圖面朝向的大面為排氣面，其所對的背面接增速箱，因設計條件的限制，排氣溫度較高，為降低機器運行時溫度，不致影響使用性能，機體、排氣端座、吸氣端座上均開設有油腔，油在其中循環，以帶走熱量.為了使散熱良好，面積應盡量大，流動阻力盡量減小，為此綜合多方面的考慮設計了如圖的兩個油腔。左右的油腔均由砂芯形成，但右邊的油腔制造起來時有不少困難，首先，它在兩個端面上的形狀變化較大，因油腔與一進油孔相連，又要求它離小法蘭面一定的距離內形狀不能變化，否則無法與油孔相連。我們用放樣這一特征按上述要求做出了砂芯的模型，設置為不與基體合并，再通過邏輯減在基體上減去，這樣便生成了鑄件的模型，通過退回控制棒，可隨時退回到砂芯的狀態。下面我們通過質量特性來檢查此砂芯是否能放置平穩，圖6中深色的區域為砂芯的底面，如果整個砂芯的重心落在深色區域，則砂芯可平穩放置;反之，則下芯后無支撐時砂芯將會傾斜。考慮到此處結構緊湊，靠近轉子孔這一重要位置，原則上不使用芯撐，以免對局部造成不良影響。我們將采取措施對砂芯本身進行處理，以求在滿足要求的前提下達到放置平穩的目的。

　　放樣就是通過在輪廓之間進行過渡生成特征。未調整前的砂芯就是通過放樣特征形成的。為了達到在離小面一定距離不變形的要求.在離小面一定距離的平面上插入了一個與小面形狀一致的面，讓大面、小面、插人面上的截面均作為放樣截面。現在為將重心平衡過來，在離大端面一定距離的平面上再次插人一放樣截面，添加到現有放樣，即讓大面形狀在一定距離內也保持不變，現在再次對調整后的砂芯應用質量特性，我們看到，已初步起效，重心移到了深色的底部支撐區域內了，如圖7所示。當然，圖中的效果還不是很理想，還需繼續對此砂芯進行細調，可以將大面保持的距離再增大一些，或將靠大面的平面上的截面形狀向右下移動，以作進一步的平衡，達到較佳的受力情況。理論上分析后，在模型制作時做了嚴格要求，此鑄件已完成，效果良好。

　　4壁厚檢查

　　4.1 概述

　　為保證鑄件的強度和避免出現冷隔和澆不足等缺陷，并防止過薄處的白口傾向，鑄件應有適當的壁厚。鑄件最小允許厚度與合金的成分及其流動性關系密切，也與澆注溫度、鑄件尺寸大小和鑄型的冷卻能力及其它熱物理性能有關。但是鑄件的壁厚也不是越厚越好，砂型鑄件具有雙面結晶這一特點，過厚處易出現收縮類缺陷(縮松等)，過厚的鑄件，其重量、體積也隨之增加，經濟性不好。厚度分析實用程序決定零件中不同的厚度值。它識別薄區和厚區，并確定零件中與指定目標厚度相等的部分。壁的相互連接處往往會形成熱節，易出現收縮類缺陷。所以鑄件的壁厚還應盡可能一致以達到比較均勻的冷卻，使壁厚發生變化的地方逐漸過渡。為此，特別是對于新設計的鑄件，希望能在鑄件設計階段即能比較清晰準確地檢查鑄件各處的壁厚，盡量做到各處壁厚均勻，無過厚或過薄現象出現。但是在傳統的二維平面工程圖中，很難去判斷一個復雜鑄件的壁厚是否設計的合理。這一問題，甚至在模樣制作階段也很難發現，但是到了鑄件的生產階段，這一問題即會暴露出來，但這時，要重新去改設計圖紙，改模樣，重新鑄造，浪費了人力物力，且在任務緊急時會耽誤寶貴的時間。我公司曾經出現過這樣一個問題，某型號的新產品在設計時，機體因內外壁均是復雜的曲面，二維工程圖無人能檢查出問題，模樣制造時，外形由外模形成，內部形狀由砂芯形成，當時也沒有發現問題，但在合箱的時候，就發現某處的壁厚過薄，鐵液流不過去，這樣的鑄件自然成了廢品。但應用SolidWorks，就不會有類似的問題發生，可避免不必要的損失。另外，也可將零件進行厚度分析，以確定鑄件上需加的余量(詳見下例的說明)。

　　SolidWorks Utilities中的厚度分析可分析零件中不同的厚度值，識別薄區和厚區，并確定零件中與指定目標厚度相等的部分。進行薄區識別時，輸入分析參數，即符合強度、剛度條件、工藝要求的最小壁厚，系統將顯示小于最小壁厚的警戒值，通過不同顏色區分，一目了然。進行厚區識別時，輸人最小壁厚值作分析參數，再輸人一個認為過厚的壁厚，系統將以不同顏色顯示各厚度范圍，可從中看出熱節區的分布(一般是較醒目的紅色區域)，壁厚是否均勻(均勻的壁厚各處的顏色基本是一致的)。

　　4.2實例

　　我公司某型號的油活塞缸體在試壓時，經常在大法蘭與筋板交接處出現泄漏現象，為此我們將此鑄件的模型進行了厚度分析，可明顯地看出(如圖8)，此處壁厚較大(圖中深色的區域)，且為相互連接處，熱節區容易出現疏松等缺陷，從而導致此處經常會泄漏。在理論上作了分析后，從澆注工藝上采取了對應的措施，問題有所好轉。在新型號產品設計時，針對此種結構的油活塞缸體此處形成熱節的情況，對結構作了調整，將大法蘭與缸體分成了兩個零件，經同樣的壁厚分析，壁厚分布較均勻，工藝性好，從而避免了此類問題的發生。

　　圖9為我公司某型號的排氣端座，使用SolidWorks來檢查零件薄壁處，結果發現陰轉子軸承孔與排氣孔口相連處壁厚過薄(圖9正中較深色的區域)，將指針移上時，顯示指示位置處的壁厚及特征名稱，結果發現此處的壁厚僅有7.66 mm，顯然對于這個鑄件來說是太薄了，但設計時限于轉子孔的位置和排氣孔口均不能更改，且此壁厚經計算滿足了強度條件，為此，設計鑄件工藝時，我們特意將轉子軸承孔的余量取得較大，以使鑄件的壁厚不致太薄，多加的余量在粗加工時很方便就可去除。應用同樣的方法，我們制作了曾出現壁厚過薄的某型號的機體更正前后的對比模樣，發現問題很明顯，如果當時能夠早一步在計算機中作出類似的分析，則不會出現模樣返工的現象。

　　5澆注系統計算

　　我公司的鑄件中有相當一部分是系列化的，即不同的型號之間除了尺寸大小方面的差別外，形狀方面的差別很小。我公司I, II型壓縮機經過幾十年的試驗改進，已經形成了一套成熟的模樣制造、零件加工的工藝，在這種情況下，如果在舊型號的基礎上設計一新型號的鑄件，為鑄件設計澆注系統時，就可以應用到Excel的功能，先選取常用的伯努利方程、奧贊公式等，將大量的成功例子輸人，通過對平均靜壓頭、澆注時間、直、橫、內澆道之間的比例關系等進行分析驗證，并將各經驗表格輸人，經過調整各經驗位的大小，最后綜合.得到符合我公司情況的公式，如圖10,在圖示的第3行中輸人公式，通過填充句柄拖動，公式在下面的每一行中都以同樣的規律得以體現，然后將重量、壁厚等需輸人的條件的單元格鎖定取消，最后鎖定整個工作表，因為系統默認的單元格為鎖定，這樣除了可以在設計條件欄輸人以外，其他單元格均被鎖定，可以防止誤操作造成原始數據的改動，保護了程序的穩定性。就這樣編制了簡易的適合我公司鑄件澆注系統計算的小程序，只要在相應位置輸人鑄件的重量、外形等各尺寸，計算機就能夠快速參照成功例子制訂出較合理的澆注系統方案。按上述方法快速計算出的澆注系統，十余個新產品通過試制，非常成功。

　　6重量計算

　　6.1概述

　　重量在零件設計時，有時是一項重要的參數。傳統的二維平面工程圖，通常是這樣計算重量的，就是將零件折分成為多個簡單的幾何體，分別計算，再將之加減乘除，從而得出近似的重量，但對于鑄件來說，特別是復雜的鑄件，外形內腔為曲面變化，用這種方法很難得到準確重量的。因而特別是在很多需要標注重量的場合，設計者一般是先估算出一個誤差較大的重量，等零件制作出來后，再稱取重量，對設計圖紙作調整。通過SolidWorks，只要有幾組試驗數據提供，從中得到此種材料(如HT200)的密度，就可很快地利用質量特性得到零件的重量。

　　在我公司一大型新產品的設計中，需要估算整個壓縮機的重量，檢查加工、裝配時行車、裝配工作臺等是否能夠承受重量，以決定是否需要對車間進行改造。端蓋、隔圈等簡單規則件很容易計算重量，但排氣端座、機體、吸氣端座等復雜鑄件很難以通常的方法來估算重量，對這些復雜鑄件在計算機中均作了相應的三維造型，作質量特性的計算，其總重量大約為3. 5t，現有的3t行車無法滿足要求，為此購買了新的5t行車。

　　6.2實例

　　我公司的球鐵轉子，在零件加工完畢后要進行動平衡試驗，選取的動平衡試驗等級為G2.5級，確定動平衡試驗等級后，實際操作時需用到的許用不平衡力矩是這樣計算的:許用不平衡力矩=允許偏心距*重量/2，設計時，必須要知道轉子的重量，才能制訂出合理的技術條件。但是我公司轉子的型線部分是由外單位計算出的曲線，我公司僅僅知道曲線上各點的坐標值，且此曲線通常是較復雜的曲線(圖11)，無法用簡單的圓弧去模擬。

　　為此我們在SolidWorks中對之進行了重量計算。首先使用樣條曲線將各點擬合成光滑曲線，通過以螺旋線為曲徑掃描，生成了轉子部分的形狀，轉子兩頭軸頸形狀非常簡單，圖12中未表現出來。在質量特性的選項中將同牌號材料的經驗密度輸入，就可得到下圖中的數據，很快就知道轉子螺旋部分的重量。再加上其它部分的重量，經過上面公式，則可得到試驗所需的許用不平衡力矩。

　　7結束語

　　將計算機引人到鑄件的結構設計和工藝編制中，能提高效率，節省時間，避免錯誤。但計算機畢竟只是工具，它是按照人的思路來工作的，更多的應用還有待大家去發掘。