CN101807220B - 用于评估铸件设计的可制造性的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于评估铸件设计的可制造性的系统。所述系统包括几何分析器、铸造评估工具、残余应力评估工具和加工评估工具中的至少一个。所述几何分析器分析所述铸件设计的几何设计以确定其几何设计能力，所述铸造评估工具评估所述铸件设计以确定其铸造能力，残余应力评估工具评估所述铸件设计以确定其热处理能力，而加工评估工具评估评估所述铸件设计以确定所述铸件设计的加工能力。如果所述铸件设计分别被所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具或所述加工评估工具确定为不能几何设计、不能铸造、不能热处理、或不能加工，则建议修正所述铸件设计以便为了制造而优化所述铸件设计。

Description

用于评估铸件设计的可制造性的系统

技术领域

本发明总体上涉及用于制造的铸件设计的优化，更具体地涉及用于快速且可靠地评估铸件设计的可制造性的系统和方法。

背景技术

由于低制造成本、高灵活性和近乎纯净的成形(near net shapeforming)，铸件越来越多地使用在各种行业中。在很多行业中，铸件被机械地设计成满足希望的功能需求。这样一来，很少考虑铸件的可制造性，不仅因为总体上缺乏对用于制造的铸件设计的重要性的理解，而且因为通常铸件设计师难以获得计算系统和工具来容易地且可靠地评估铸件的可制造性，更不用说目前可用的计算系统和工具的能力有限。如这里所使用的，“常规的”意指如下技术，例如但不限于现有技术中的实践、方法、系统和工具，即在本发明的构思之前存在和公开的技术。

例如，在常规的铸件设计实践中，铸件设计师将铸件设计发送给铸件分析师和/或(机)加工分析师，以便评估铸造能力和(机)加工能力。这种做法在实践中持续存在，尽管在评估能力中常见的可制造性评估受到很大限制。例如，在铸造能力评估中，计算结果的解释很大程度上依赖于铸件分析师的专业知识。此外，即便可得到高级的铸造过程仿真模块和用户接口，其中这些模块和用户接口提供铸造过程期间发生的热传递和流体流动事件的生动的可视化预测结果，但是在不要求重要的人员交互和大量的人工反复试验交互的情况下，系统地优化铸件设计仍然是困难的且耗时的。因此，由于评估铸件设计及其可制造性的个体知识与经验的不同，所以对于确定可制造性来说常规的铸件设计过程通常导致长的开发周期和低的可靠性。

此外，铸造厂面临的根本问题是用于进给铸件的充分的冒口设计的开发。冒口尺寸估计的常规方法是计算铸件的各部分或区域的体积和冷却表面积并且使用这些测量值来得出几何模数(geometricmodulus)。具有最小几何模数值的铸件区域首先凝固，而具有最大几何模数值的那些区域最后凝固。通常，在大断面铸件中几何模数值决定冒口的设计。虽然这些概念可能是简单且直观的，但是在铸件设计中对它们的实施却并非这样。这是因为难于人工计算复杂铸件的体积和表面积。在工业应用中，大多数铸造厂工程师所采取的方式类似于重量计算方法。铸件设计被随意分成很多块，并且这些块中每个都被看作表面积和体积可被计算出的简单的几何形状。然而在实践中，这个过程是麻烦的并且是不准确的。使用一系列简单形状来对铸件设计求近似的随意性降低了可重复性和精确性。该方法的另一个本质问题在于其仅基于几何形状，而没有直接考虑热效应，例如冷却或绝缘材料的具体特性以及模具的模芯和其它区域的热饱和。虽然已经提出利用一些因素来校正这些效应，但是这些因素可能增加关于结果精确性的不确定性。

最近，利用三维计算机模型对与铸造有关的制造过程的计算机仿真变得越来越广泛。这些仿真在一定精确度上可预测铸件和其浇冒口系统(rigging system)的顺序凝固以及铸件缺陷形成的潜在可能性，然而，使用这些仿真的一个缺点在于它需要初始铸件设计以便在仿真过程中进行评估。许多铸造厂，甚至使用最先进的仿真工具的铸造厂，在形成用于仿真的初始铸件设计时仍使用常规方法。通常，这需要通过人工或基于软件的方法将铸件设计分成简单形状来计算近似的表面积、体积和几何模数值。

此外，由于金属和合金的收缩，特别是由于在热处理的淬火过程和凝固过程中的冷却期间的热不均匀，在加工之前，最终的铸造部件可能具有高的残余应力水平和显著的几何变形。通常认为铸件中的残余应力水平主要与铸件的几何设计有关，特别是在热处理过程期间。更具体地，在铸件中产生的高应力水平可导致凝固期间的热裂和铸件在热处理过程期间的破裂或严重变形。不幸的是，没有简单且可靠的方法、工具或系统来容易且快速地核查铸件的可制造性。例如，在评估铸件的加工可行性时，根据所限定的制造过程，加工分析师需要铸件在凝固和/或热处理之后的最终几何信息。对铸件的最终几何尺寸的准确预测或测量对于精确评估铸件在加工过程期间被加工的能力是非常重要的。对最终铸造部件的实际测量是可行的，但也是昂贵并且耗时的。

因此，需要一种容易地且可靠地评估铸件设计的可制造性的系统。特别是，本领域中需要如下系统和方法，该系统和方法允许铸件设计师快速地评估为了制造而提出的铸件设计的可制造性，并且进一步允许铸件设计师为了包括但不限于几何设计能力、铸造能力、热处理能力和加工能力的可制造性而优化铸件设计。

发明内容

考虑到上述背景技术，本发明的实施方式提供用于评估铸件设计的可制造性的系统和方法。

在一个示例性实施方式中，一种用于评估铸件设计的可制造性的系统包括几何分析器、铸造评估工具、残余应力评估工具和加工评估工具中的至少一个。所述几何分析器分析所述铸件设计的几何设计以便确定是否符合铸件制造原则的几何设计规则从而确定所述铸件设计的几何设计能力。所述铸造评估工具评估由所述铸件设计限定并通过仿真铸造工艺铸造的虚拟铸件，所述虚拟铸件被评估以便确定铸造缺陷的形成从而确定所述铸件设计的铸造能力。所述残余应力评估工具评估通过仿真热处理工艺进行热处理的所述虚拟铸件以确定应力水平和破裂的形成从而确定所述铸件设计的热处理能力。所述加工评估工具评估通过仿真加工工艺进行加工的所述虚拟铸件以确定破裂的形成和尺寸精确性中的至少一个从而确定所述铸件设计的加工能力。如果所述铸件设计分别被所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具或所述加工评估工具确定为不能几何设计、不能铸造、不能热处理、或不能加工，则所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个建议修正所述铸件设计以便为了制造而优化所述铸件设计。

可选地，按照所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个的建议对铸件设计进行的修正可包括修正所述铸件设计的几何设计、形成铸件设计的金属或合金、形成铸造模具的材料、淬火介质、所述铸件设计的加工裕度(machining stock)的尺寸、铸造工艺、热处理工艺和加工工艺中的至少一个。此外，按照所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个的建议对铸件设计进行的修正可由所述系统来进行可制造性评估。再者，所述几何分析器可包括几何铸件设计工具，所述几何铸件设计工具产生和/或修正所述铸件设计，以便由所述系统进行可制造性评估。所述几何分析器可识别并接受由常规几何铸件设计工具产生的用于可制造性评估的铸件设计，并且所述几何分析器可与常规几何铸件设计工具兼容以便集成和运行。另外，所述系统还可包括用于执行仿真铸造工艺、仿真热处理工艺和仿真加工工艺中的至少一个的仿真模块。

根据另一个示例性实施方式，一种用于评估铸件设计的可制造性的系统包括工作数据库、几何分析器、铸造评估工具、残余应力评估工具和加工评估工具中的至少一个。所述工作数据库包括与制造由所述铸件设计限定的铸件有关的数据。所述几何分析器包括搜索引擎和知识数据库，搜索引擎和知识数据库分析所述工作数据库的数据以评估所述铸件设计以便确定是否符合铸件制造原则从而确定所述铸件设计的几何设计能力。所述铸造评估工具包括几何模数计算器，所述几何模数计算器计算所述工作数据库的数据以评估所述铸件设计以便确定在由铸件设计限定的铸件中形成铸造缺陷的潜在可能性从而确定所述铸件设计的铸造能力。残余应力评估工具包括应力水平计算器，所述应力水平计算器计算所述工作数据库的数据以评估所述铸件设计以便确定由铸件设计限定的铸件中的应力水平和在由铸件设计限定的铸件中形成破裂的潜在可能性从而确定所述铸件设计的热处理能力。加工评估工具包括变形计算器，所述变形计算器计算所述工作数据库的数据以评估所述铸件设计以便确定由铸件设计限定的铸件中形成破裂的潜在可能性和由铸件设计限定的铸件的尺寸精确性从而确定所述铸件设计的加工能力。如果所述铸件设计分别被所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具或所述加工评估工具确定为不能几何设计、不能铸造、不能热处理、或不能加工，则所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个建议修正所述铸件设计以便为了制造而优化所述铸件设计。

可选地，所述工作数据库被集成到所述几何分析器中。所述知识数据库包括与铸件制造原则有关的数据。工作数据库的与制造由铸件设计限定的铸件有关的数据可包括所述铸件设计的几何设计、形成铸件的金属或合金或金属与合金两者、形成铸造模具的材料、冷却铸件的淬火介质、铸件的加工裕度的尺寸、形成所述铸件设计的铸造工艺、热处理所述铸件的热处理工艺和加工所述铸件的加工工艺中的至少一个。同时，知识数据库的与铸件制造原则有关的数据可包括几何设计规则、用于形成铸件的各种金属和合金的特性、用于形成铸件模具的各种材料的特性、用于冷却铸件的淬火介质的特点、各种铸造工艺的特点、各种热处理工艺的特点、各种加工工艺的特点、各种热处理工艺的各种加热阶段的特点、各种铸造工艺的各种凝固阶段的特点、各种热处理工艺的各种淬火和/冷却阶段的特点中的至少一个。按照所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个的建议修正的铸件设计可包括修正所述工作数据库的与制造由铸件设计限定的铸件有关的数据。按照所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个的建议修正的铸件设计可由所述系统来进行可制造性评估。

此外，可选地，所述几何分析器可通过利用搜索引擎对所述工作数据库的数据与所述知识数据库的数据进行比较来分析所述铸件设计从而确定所述铸件设计的几何设计能力。所述搜索引擎可实施前向链算法，所述前向链算法将工作数据库的数据与知识数据库的数据进行比较。所述几何分析器还可包括几何铸件设计工具，所述几何铸件设计工具产生和/或修正所述铸件设计的几何设计，以便由所述系统进行可制造性评估。所述几何分析器的所述几何铸件设计工具可产生和/或修正铸件设计的三维计算机动画设计格式的几何设计，并且为了由所述系统进行可制造性评估而识别并接受由常规几何铸件设计工具产生的铸件设计的几何设计。所述铸件评估工具可评估所述铸件设计以确定形成由所述铸件设计限定的铸件的金属或合金或者金属与合金两者的至少收缩和收缩孔隙的潜在可能性以及由所述铸件设计限定的铸件的气体孔隙(gas porosity)的潜在可能性。所述几何模数计算器可使用网格生成和评估方法或者滚珠法来计算或估计由铸件设计限定的铸件的几何模数。

根据又一个示例性实施方式，一种评估铸件设计的可制造性的方法包括：提供包括几何分析器、铸造评估工具、残余应力评估工具和加工评估工具中至少一个的系统；确定下述(A)、(B)、(C)和(D)中的至少一项：(A)通过分析铸件设计的几何设计以确定是否符合铸件制造原则的几何设计规则来使用所述几何分析器确定所述铸件设计的几何设计能力；(B)通过使用所述铸造评估工具的几何模数计算器评估铸件设计以确定在由铸件设计限定的铸件中形成铸造缺陷的潜在可能性来使用所述铸造评估工具确定所述铸件设计的铸造能力；(C)通过使用所述残余应力评估工具的应力水平计算器评估铸件设计以确定在由铸件设计限定的铸件中的应力水平和在由铸件设计限定的铸件中形成破裂的潜在可能性来使用所述残余应力评估工具确定所述铸件设计的热处理能力；和(D)通过使用所述加工评估工具的变形计算器评估铸造设计以确定在由铸件设计限定的铸件中形成破裂的潜在可能性和由铸件设计限定的铸件的尺寸精确性来使用所述加工评估工具确定所述铸件设计的加工能力；以及，如果所述铸件设计分别被所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具或所述加工评估工具确定为不能几何设计、不能铸造、不能热处理、或不能加工，则通过按照所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个的建议修正所述铸件设计来优化所述铸件设计以便制造。可选地，所述方法可进一步包括评估按照所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个的建议修正的铸件设计的可制造性。

根据本发明的一个方面，提供一种用于评估铸件设计的可制造性的系统，所述系统包括几何分析器、铸造评估工具、残余应力评估工具和加工评估工具中的至少一个，其中：所述几何分析器分析所述铸件设计的几何设计以便确定是否符合铸件制造原则的几何设计规则从而确定所述铸件设计的几何设计能力；所述铸造评估工具评估由所述铸件设计限定并通过仿真铸造工艺铸造的虚拟铸件，所述虚拟铸件被评估以便确定铸造缺陷的形成从而确定所述铸件设计的铸造能力；所述残余应力评估工具评估通过仿真热处理工艺进行热处理的所述虚拟铸件以便确定应力水平和破裂的形成从而确定所述铸件设计的热处理能力；所述加工评估工具评估通过仿真加工工艺进行加工的所述虚拟铸件以便确定破裂的形成和尺寸精确性中的至少一个从而确定所述铸件设计的加工能力；并且如果所述铸件设计分别被所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具或所述加工评估工具确定为不能几何设计、不能铸造、不能热处理、或不能加工，则所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个建议对所述铸件设计进行修正以便为了制造而优化所述铸件设计。

在优选实施方式中，按照所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个的建议对所述铸件设计进行的修正包括修正下列各项中的至少一个：所述铸件设计的几何设计、所述铸件设计的金属或合金、形成铸造模具的材料、淬火介质、所述铸件设计的加工裕度的尺寸、铸造工艺、热处理工艺和加工工艺。

在优选实施方式中，按照所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个的建议修正的铸件设计由所述系统来进行可制造性评估。

在优选实施方式中，所述几何分析器包括几何铸件设计工具，所述几何铸件设计工具产生所述铸件设计的所述几何设计，以便由所述系统进行可制造性评估。

在优选实施方式中，所述几何分析器识别并接受由常规几何铸件设计工具产生的用于可制造性评估的铸件设计并且与常规几何铸件设计工具兼容以便集成和运行。

在优选实施方式中，所述系统还包括用于执行仿真铸造工艺、仿真热处理工艺和仿真加工工艺中的至少一个的仿真模块。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于评估铸件设计的可制造性的系统，所述系统包括工作数据库、几何分析器、铸造评估工具、残余应力评估工具和加工评估工具中的至少一个，其中：所述工作数据库包括与制造由所述铸件设计限定的铸件有关的数据；所述几何分析器包括搜索引擎和知识数据库，所述搜索引擎和知识数据库分析所述工作数据库的数据以评估所述铸件设计以便确定是否符合铸件设计原则从而确定所述铸件设计的几何设计能力；所述铸造评估工具包括几何模数计算器，所述几何模数计算器计算所述工作数据库的数据以评估所述铸件设计以便确定在由所述铸件设计限定的铸件中形成铸造缺陷的潜在可能性从而确定所述铸件设计的铸造能力；所述残余应力评估工具包括应力水平计算器，所述应力水平计算器计算所述工作数据库的数据以评估所述铸件设计以便确定由所述铸件设计限定的铸件中的应力水平和在由所述铸件设计限定的铸件中形成破裂的潜在可能性从而确定所述铸件设计的热处理能力；所述加工评估工具包括变形计算器，所述变形计算器计算所述工作数据库的数据以评估所述铸件设计以便确定由所述铸件设计限定的铸件中形成破裂的潜在可能性和由所述铸件设计限定的铸件的尺寸精确性从而确定所述铸件设计的加工能力；并且如果所述铸件设计分别被所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具或所述加工评估工具确定为不能几何设计、不能铸造、不能热处理、或不能加工，则所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个建议对所述铸件设计进行修正以便为了制造而优化所述铸件设计。

在优选实施方式中，所述工作数据库被集成到所述几何分析器中。

在优选实施方式中，所述知识数据库包括与铸件制造原则有关的数据。

在优选实施方式中，所述工作数据库的与制造由所述铸件设计限定的铸件有关的数据包括下列各项中的至少一个：所述铸件设计的几何设计、形成铸件的金属或合金或者金属与合金两者、形成铸造模具的材料、铸件的淬火介质、铸件的加工裕度的尺寸、形成所述铸件设计的铸造工艺、热处理铸件的热处理工艺、加工铸件的加工工艺，并且所述知识数据库的与铸件制造原则有关的数据包括下列各项中的至少一个：几何设计规则、用于形成铸件的各种金属和合金的特性、用于形成铸造模具的各种材料的特性、用于冷却铸件的淬火介质的特点、各种铸造工艺的特点、各种热处理工艺的特点、各种加工工艺的特点、铸件的各种加工裕度的尺寸、各种热处理工艺的各种加热阶段的特点、各种铸造工艺的各种凝固阶段的特点、各种热处理工艺的各种淬火阶段的特点。

在优选实施方式中，由所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个建议的对所述铸件设计的修正包括修正所述工作数据库的与制造由所述铸件设计限定的铸件有关的数据。

在优选实施方式中，所述几何分析器通过利用所述搜索引擎对所述工作数据库的数据与所述知识数据库的数据进行比较来分析所述铸件设计从而确定所述铸件设计的几何设计能力。

在优选实施方式中，所述搜索引擎执行前向链算法，所述前向链算法将所述工作数据库的数据与所述知识数据库的数据进行比较。

在优选实施方式中，所述几何分析器还包括几何铸件设计工具，所述几何铸件设计工具产生或修正所述铸件设计的几何设计，以便由所述系统进行可制造性评估。

在优选实施方式中，所述几何分析器的所述几何铸件设计工具产生或修正所述铸件设计的三维计算机动画设计格式的几何设计，并且所述几何分析器的所述几何铸件设计工具为了由所述系统进行可制造性评估而识别并接受由常规几何铸件设计工具产生的铸件设计的几何设计。

在优选实施方式中，所述铸造评估工具评估所述铸件设计以便确定形成由所述铸件设计限定的铸件的金属或合金或者金属与合金两者的至少收缩和收缩孔隙的潜在可能性以及由所述铸件设计限定的铸件的气体孔隙的潜在可能性。

在优选实施方式中，所述几何模数计算器使用网格生成和评估方法来计算或估计由所述铸件设计限定的铸件的几何模数。

在优选实施方式中，所述几何模数计算器使用滚珠法来计算或估计由所述铸件设计限定的铸件的几何模数。

在优选实施方式中，按照所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个的建议修正的所述铸件设计由所述系统进行可制造性评估。

根据本发明的又一个方面，提供一种评估铸件设计的可制造性的方法，所述方法包括：提供包括几何分析器、铸造评估工具、残余应力评估工具和加工评估工具中至少一个的系统；通过分析所述铸件设计的几何设计以确定是否符合铸件制造原则的几何设计规则来使用所述几何分析器确定所述铸件设计的几何设计能力；通过使用所述铸造评估工具的几何模数计算器评估所述铸件设计以确定在由所述铸件设计限定的铸件中形成铸造缺陷的潜在可能性来使用所述铸造评估工具确定所述铸件设计的铸造能力；通过使用所述残余应力评估工具的应力水平计算器评估所述铸件设计以确定由所述铸件设计限定的铸件中的应力水平和该铸件中形成破裂的潜在可能性来使用所述残余应力评估工具确定所述铸件设计的热处理能力；通过使用所述加工评估工具的变形计算器评估所述铸造设计以确定在由所述铸件设计限定的铸件中形成破裂的潜在可能性和由所述铸件设计限定的铸件的尺寸精确性来使用所述加工评估工具确定所述铸件设计的加工能力；并且如果所述铸件设计分别被所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具或所述加工评估工具确定为不能几何设计、不能铸造、不能热处理、或不能加工，则通过按照所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个的建议对所述铸件设计进行修正来优化所述铸件设计以便制造。

在优选实施方式中，所述方法进一步包括评估按照所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个的建议修正的铸件设计的可制造性。

附图说明

当结合下面的附图阅读时，可以最好地理解下面对具体实施方式的详细描述，附图中相似的结构使用相似的附图标记来标识，其中：

图1A-1C示出根据本发明各种实施方式的用于评估铸件设计的可制造性的系统的流程图；

图2示出根据本发明的另一实施方式的用于评估铸件设计的可制造性的系统的几何分析器的流程图；

图3是滚珠法(rolling ball method)的示意性图示，所述滚珠法用于计算由铸件设计限定的铸件的几何模数，其中所述铸件设计的可制造性由根据本发明一个实施方式的系统来评估；

图4是由铸件设计限定的铸件的子表面区段的总热损失的分解的示意性图，其中所述铸件设计的可制造性由根据本发明一个实施方式的系统来评估；

图5示出气缸盖铸件和在整个气缸盖上计算出的几何模数的变化；

图6A和6B是气缸盖铸件的图示，其示出了具有形成宏观空隙的可能性较大的区域；

图7示出气缸盖铸件和在整个气缸盖上计算出的残余应力水平的变化；

图8示出描述气缸盖铸件被水淬火介质和空气淬火介质冷却时计算出的残余应力水平的比较的图表；以及

图9示出气缸盖铸件和气缸盖被水淬火介质冷却时的变形的变化。

附图中示出的实施方式本质上仅是示例性的，并非旨在限制由权利要求限定的实施方式。此外，在考虑下面的详细说明的情况下，将会更全面地明白并理解附图和实施方式的各个方面。

具体实施方式

本发明的实施方式总体涉及用于快速且可靠地评估铸件设计的可制造性的系统和方法。铸件设计是为了制造而提出的铸件的设计。如在此使用的，“铸件设计”不仅意指所提出铸件的几何设计，并且还意指待形成的铸件的特点、用于使铸件成形的模具的特点、以及用于制造铸件的过程的特点。这样一来，由在此描述的系统评估的铸件设计广泛地包括与制造由铸件设计所限定出的铸件有关的数据。这些数据包括但未必限于铸件设计的几何设计、用于形成由铸件设计所限定的铸件的金属或合金或者金属与合金两者、用于形成使由铸件设计所限定的铸件成形的铸造模具的材料、用于冷却由铸件设计所限定的铸件的淬火介质、由铸件设计所限定的铸件的加工裕度(machiningstock)的尺寸、用于形成由铸件设计所限定的铸件的铸造工艺、用于热处理由铸件设计所限定的铸件的热处理工艺、以及用于加工由铸件设计所限定的铸件的加工工艺。铸件设计的几何设计通常是三维计算机动画的几何设计。还应当明白，几何设计可以是一维或二维和/或可以是不同于计算机动画的几何设计的格式。

此外，如在此所使用的，铸造产品或部件的制造过程通常涉及铸造过程、热处理过程和加工过程。铸造过程通常涉及对铸造模具中的金属或合金或者金属与合金两者的铸造，以便使金属和/或合金与模具形状一致地成形。示例性的铸造过程包括但不限于砂型铸造、永久模铸造、半永久模铸造、挤压铸造、低压铸造和高压压铸。此外，用于形成铸件的金属，即将在模具中铸造的金属可包括但不限于铝、镁、铁及其合金。如在这里所使用的，同时热处理过程通常涉及在铸造过程之后的加热、淬火、和/或保持铸件处于特定温度或多个温度。可以使用各种工艺来加热、淬火、以及使铸件保持在特定温度或多个温度下。此外，可以使用各种类型的淬火介质来以不同方式和不同速率冷却铸件。此外，如这里所使用的，加工过程通常涉及通常用于已凝固铸件的加工。加工过程通常涉及通过冲压和/或钻孔或其他加工操作为凝固铸件提供凹部、孔等。还应当明白，制造过程可包括几何设计过程，所述几何设计过程通常涉及设计或产生铸件设计的几何设计。通常在计算机动画设计环境中执行该几何设计过程，并且通常在实施铸造、热处理和加工过程之前完成该几何设计过程。

首先参考图1，用于评估铸件设计12的可制造性的系统10包括几何分析器14、铸造评估工具16、残余应力评估工具18和加工评估工具20。几何分析器14分析铸件设计12的几何设计以确定用于制造目的的铸件设计的几何设计能力。更具体地，如图2中所示，几何分析器14包括几何设计工具22、知识数据库24、工作数据库26和搜索引擎28。几何设计工具22可产生和修改铸件设计12的几何设计。此外，几何设计工具22可识别并接受、以及在需要时修改由常规几何铸件设计工具产生的铸件设计12的几何设计，用于由几何分析器14进行的几何设计能力分析和/或由系统10进行的可制造性评估。由几何铸件设计工具22产生或识别并接受的几何设计可以是一维、二维或三维图像，这些图像通常格式化为计算机动画设计。应当明白，几何分析器14可以与可产生、修改和/或识别并接受铸件设计12的几何设计的常规几何设计工具兼容以便与后者集成和一起运行。常规的几何铸件设计工具可包括但不限于

和

为了确定铸件设计12的几何设计的几何设计能力，几何分析器14分析该几何设计，以便确定其是否符合铸件制造原则。这些铸件制造原则包括为了具有可制造的铸件设计12而通常必须遵循的铸件制造的公认原则。下面提供的表1-3提供了示例性的铸件制造原则。具体地说，表1提供了示例性的一般铸件制造原则，表2提供了常见铸造过程的示例性能力，而表3提供了通常与不同高压压铸材料-即金属和合金相关联的示例性壁厚约束。然而，应当明白，不必限于在此提供的铸件制造原则。

表1.一般铸件设计规则

表2.常见铸造过程的典型能力

表3.与不同高压压铸材料相关联的示例性壁厚约束

此外，关于铸件制造原则，可以使用草图(drafting)，特别是在砂型铸造工艺中，使得在不损害印痕的情况下可将加工工具从型砂中取出。通常，铸造应使至少1度并且在可能时直到2度的草图在壁上具有小纵横比。另外，通常，对于壁厚来说，在砂型铸造工艺中薄于大约3毫米的壁可引起错误操作或不合适的装填。

与铸件制造原则有关的数据以及包括铸件制造原则的数据存储在知识数据库24中。因此，知识数据库24的数据通常包括下列各项中的至少一项：几何设计规则、通常用于形成铸件的各种金属和合金的特性、通常用于形成铸件模具的各种材料的特性、通常用于冷却铸件的淬火介质的特点、各种铸造工艺的特点、各种热处理工艺的特点、各种(机)加工工艺的特点、铸件的各种加工裕度的尺寸、各种热处理工艺的各种加热阶段的特点、各种铸造工艺的各种凝固阶段的特点、各种热处理工艺的各种淬火和/或冷却阶段的特点、以及铸件的各种加工裕度的尺寸。应当明白，可以使用与铸件制造原则有关的新的或额外的数据来更新知识数据库24，并且在需要时知识数据库24可允许移除或删除数据。

工作数据库26包括与由铸件设计12限定的铸件的制造有关的数据。因此，工作数据库26通常存储专用于由系统10进行可制造性评估的每个铸件设计12的数据。工作数据库26的数据通常包括上述关于由系统10进行可制造性评估的铸件设计12的任何或全部数据。如图2中所示，搜索引擎28搜索并且试图匹配知识数据库24与工作数据库26的数据，以便协调和/或区别。更具体地，搜索引擎28通常执行前向链算法(forward chaining algorithm)，该前向链算法将工作数据库26的数据与知识数据库24的数据进行比较。搜索引擎28试图将铸件设计12的测量值、尺寸、壁厚、以及其他特性和特点与知识数据库24的铸件制造原则数据进行匹配。

由此，几何分析器14通过使用搜索引擎28将工作数据库26的数据与知识数据库24的数据进行比较来分析铸件设计12的几何设计，从而确定铸件设计12的几何设计的几何设计能力。当搜索引擎28发现知识数据库24的数据与工作数据库26的数据之间因不存在差异或存在微小差异而实质一致时，几何分析器14通常将铸件设计12的几何设计确定为可几何设计的，并因此适于制造，或至少是可制造的。相反，当搜索引擎28发现这些数据之间存在明显差异时，几何分析器14通常将铸件设计12确定作为不能几何设计的，这样一来必须在几何上重新设计，以便为铸件设计12提供符合铸件制造原则的几何设计规则并且因此可制造的几何设计。

可以想到的是，在系统10接受由常规几何设计工具提供的铸件设计的几何设计之前，常规几何设计工具可评估所述几何设计以便确定其是否符合铸件制造原则的几何设计规则。这样一来，这些几何设计并非必须由几何分析器14来进行分析。而是，在被系统10接受之前，用于几何设计能力的可被称之为预先认可的铸件设计可受到铸造评估工具16、残余应力评估工具18和加工评估工具20中的至少一个的评估。

系统10可评估铸件设计12，无论是否通过多种办法在几何设计能力、可制造性方面进行了预先认可。在一个示例性实施方式中，如图1A中示出，系统10使铸件设计12经受计算机化的仿真模块30处理以产生由铸件设计12限定的虚拟铸件。使该虚拟铸件运行通过一系列仿真制造过程中的至少一个，以便使系统10能够评估铸件设计12的可制造性。在另一个示例性实施方式中，如图1B中示出，系统10执行对涉及知识数据库24的数据和/或工作数据库26的数据的一系列计算中的至少一个以获得计算结果。所述计算结果由系统10来评估以确定铸件设计12的可制造性。这些计算和评估由系统10在基于计算机的环境-例如CAD环境中来执行，因此，这些计算和评估不需要仿真模块30或者不需要为提供对于可制造性评估来说可能必须的计算结果而执行仿真制造过程。

关于系统10使铸件设计12经受计算机化的仿真模块30处理的系统10的示例性实施方式，可以想到的是，系统10可包括仿真模块30，或者仿真模块30可以是与系统10兼容的常规仿真模块。仿真模块30可模拟通常发生在铸件制造期间的工艺中的至少一个的作业。这些仿真工艺可包括铸造工艺、热处理工艺、和机加工工艺。在该示例性实施方式中，系统10正是通过铸造工艺、热处理工艺、和机加工工艺中的至少一个的仿真作业来评估铸件设计12的可制造性。

更具体地，仿真铸造过程通常使用专用于该铸件设计12的几何分析器14的数据来实施铸件设计12的模拟铸造从而形成虚拟铸件，其中所述数据例如是但不限于用于形成由铸件设计12限定的铸件的金属或合金、铸造模具的材料、和所选择的铸造过程。系统10的铸造评估工具16评估通过模拟铸造过程铸成的虚拟铸件中形成的铸件缺陷以确定铸件设计12的铸造能力。

虚拟铸件的评估使得铸造评估工具16能够确定铸件设计12的铸造能力，即铸件设计12铸造成没有大的宏观铸件缺陷或者至少基本上没有重大的宏观铸件缺陷的能力。铸件缺陷包括但不限于可见或不可见的、由铸件设计12限定的铸件的收缩和气体孔隙。可通过几何模数计算、铸件设计12的金属或合金的特点、以及铸件设计12的所选择的铸造过程来识别可能的宏观收缩的热点。此外，可通过所选择的铸造过程、形成铸造模具的(多种)材料、铸件设计12的几何设计等来确定形成宏观气体孔隙的潜在可能性。可根据铸件设计12的几何设计从几何分析器14和几何分析器14的知识数据库24的铸件制造原则数据来评估铸件设计12的铸造能力的其他方面，例如最小可铸造孔、及其半径等。

从上述的热点潜在可能性可容易地计算或估计出宏观收缩或气体孔隙的形成。热点是虚拟铸件或由铸件设计12限定的铸件的大体孤立的区域，在所述孤立区域中，凝固时间比虚拟铸件的周围区域的凝固时间更长，所述周围区域凝固得更快。使用仿真模块30，可不通过估计而快速地计算出虚拟铸件的各个不同区域的凝固时间。对于给定的金属或合金和铸造过程，如由工作数据库26中的数据所限定的，虚拟铸件的体积(V)的局部凝固时间直接相关于局部体积-表面积(V/A)比，其可被称为等效局部几何(截面)模数(Ms)：

$t_s=B{\left(\frac{V}{A}\right)}^2=B{\left(M_s\right)}^2$

其中B是Chvorinov常数，并且由下式给出：

对于砂型铸造工艺， $B=\frac{\mathrm{\π}}{4}{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{casting}}\mathrm{\Δ}{H}_{\mathrm{casting}}}{T_{\mathrm{Melting}}-T_{\mathrm{mold},\mathrm{initial}}}\right)}^2\left(\frac{1}{k_{\mathrm{mold}}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mold}}{C}_{\mathrm{mold}}}\right)$

对于金属模铸造工艺， $B=\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{casting}}\mathrm{\Δ}{H}_{\mathrm{casting}}}{h(T_{\mathrm{Melting}}-T_{\mathrm{mold},\mathrm{initial}})}\right)$

其中ΔH是铸造工艺的潜热(＝H_f+∑C_iΔT)，H_f是凝固(熔化)的潜热，h是热传递系数，C是比热，而ρ是密度。

这样一来，当比较虚拟铸件的凝固时间以确定热点时，可由铸造评估工具16直接比较由仿真模块30计算出的几何模数。该几何模数方法对于模具材料不热饱和的铸造构造工作得非常好。另外，几何模数方法的基本原理是基于铸造模具材料每单位模具/金属界面面积大体上吸收相同热量的假设。另外，由于几何模数仅是几何量，所以在计算机动画设计环境中可以容易且快速地做出几何模数的比较，以便进行热点核查，而不用运行仿真模块30和模拟铸造过程。

关于执行涉及知识数据库24的数据和/或工作数据库26的数据的一系列计算中的至少一个以获得计算结果的系统10的实施方式，铸造评估工具16包括几何模数计算器32。假定仿真模块30无法获得或未被使用，或者至少未用于如上所述地计算几何模数，几何模数计算器32计算几何分析器14的工作数据库26的数据以计算出由铸件设计12限定的铸件的几何模数，从而评估铸件设计12的在由铸件设计12限定的铸件中形成铸件缺陷的潜在可能性，进而确定铸件设计12的铸造能力。

几何模数计算器32可使用多种计算几何方法以获得在CAD环境下由铸件设计12限定的铸件的各个部分的几何模数。在此描述这种计算几何方法的两个例子。一种计算几何方法使用由铸件设计12的CAD模型的边界表示(B-Rep)产生的块均匀格(massive uniform grids)。然后根据兴趣点(网格)与最近的边界网格之间的距离计算铸件的兴趣部分(点)的几何模数。通过搜索不属于铸件的最近的网格来确定铸件中的兴趣点(网格)的最近的边界网格。这通常是简单的网格生成和搜索/比较过程，并因此在CAD环境下由铸件设计12限定的铸件的几何模数可在该方法下得以快速地计算出。然而，该方法的精确性取决于网格尺寸-网格尺寸越精细，所计算出的几何模数的精确性越高。

第二种计算几何方法通常被称为滚珠(球)法，其也可快速地计算在CAD环境下由铸件设计12限定的铸件的兴趣部分的最大几何模数。图3示出了这种方法的基本思路。由铸件设计12限定的铸件的CAD模型包括一组B-Rep表面，B-Rep表面限定铸件的边界并且具有法线方向，法线方向定向成使得其指向惯量Ω，Ω在边界表面上的p点处的最大几何模数是包含在内并且切向地接触点p的最大珠(球)的半径的1/3。对于在此描述的算法和思路，甚至在未完全包含在Ω中时，切向地接触边界表面的珠(球)也是很重要的。假定具有在p点处切向地接触表面并且接触

中的另一其他点q的珠(球)，则该珠(球)总体将与

相交。与点p相关联的最大的珠(球)仅是切向地接触点p并接触边界

上的至少一个其他点(如图3中示出的q)的最小的珠(球)。

通过定义，在点p处切向地接触表面的珠(球)的中心X必定落在线

$X=P+{\hat{n}}_{p}R$

的某处，其中

是点p处的单位表面法线。当该滚珠(球)也接触点p时，通过的cos(α)的等式表达来计算R的值：

$\cos \left(\mathrm{\α}\right)=\frac{{\hat{n}}_p(q-p)}{\left|\right|q-p\left|\right|}=\frac{\left|\right|q-p\left|\right|}{2R}---\left(5\right)$

$R=\frac{{\left|\right|q-p\left|\right|}^2}{2{\hat{n}}_p(q-p)}---\left(6\right)$

现在寻找完全包含在Ω中的最大的珠(球)变成简单的最小化问题。对于一组参数表面

和点p，可从也切向地接触点q^*的最小的珠(球)中找到对任意

的R(q)的最小值。然后，局部几何模数是该最小珠(球)的半径的1/3。

此外，如上所述，几何模数方法严重依赖铸件设计12的几何设计。制造过程通常应用冷淬和其他热修正来控制铸件的凝固阶段。为了解决与冷淬和其他热变化相关联的热效应，应修改固有的几何模数方法。图4示出了修正的几何模数方法的基本思路。在修正的几何模数方法中，认为铸件的总热量损失是若干部件的热损失的组合，其通过组合局部几何设计特征和局部热传递机制来确定。通常，不容易得到总热量损失；然而，倘若根据局部热传递机制适当地细分元件在模具/铸件接口处的表面，可容易得到每个热损失分量。

为了获得特定子表面区段-例如图4中的q2的热损失分量，使用与该特定子表面区段相对应的珠(球)。在这样的系统中，假定该珠(球)是与铸件的金属或合金相同的金属或合金，同时认为周围区域与铸造模具材料在该子表面区域与铸件接触的周围区域相同。铸件与铸造模具之间的界面条件与在原始铸造系统中限定的(条件)相同。对于整个珠(球)来说，这些假定形成各处相同的热传递边界条件。因此，作为一维轴对称问题可容易地得到热损失分量。

在任意局部区域，可将热传递机制分类为：(1)模具扩散主导(砂型铸造工艺的典型特征)；(2)部件扩散主导(注塑模制铸造工艺的典型特征)；(3)界面热传递主导(压铸工艺的典型特征)；以及(4)这些机制的组合。上面前三种机制中的任意一个的适当应用将进一步简化热传递问题。

该一维热传递系统的参数包括对应于原始铸造系统中的局部热量参数组的参数，包括初始温度、潜热、过热、和主导的热传递机制。因此，修正的几何模数方法对初始铸件设计金属或合金特性和凝固参数是敏感的。

一旦通过一维轴对称问题组获得全部单独的热损失率分量，如上所述，就可以容易地计算出兴趣区域的修正几何模数。因此，对于任何兴趣区域，修正几何模数算法不直接处理由铸件设计限定的铸件的整个的复杂边界条件；相反，该算法处理多个一致且简单的边界条件以找到每个局部热损失率分量。然后将这些值的时间平均值加在一起以获得兴趣区域的修正几何模数值(总的热损失率)。这种方法解决很多不同的铸造模具材料和界面条件的问题，从而克服几何模数方法在冷淬和其他热变化方面的限制。

图5示出在气缸盖铸件的计算出的几何模数中的潜在变化。同时，图6示出具有形成宏观空隙的高度可能性的气缸盖铸件的区域。具体地说，图6识别出具有几何模数大于3.92毫米(图6A)的那些区域和具有几何模数大于4.2毫米(图6B)的那些区域。这样一来，很明显可能存在铸件的若干区域(由图6A和6B中的箭头标出)，在这些区域处，几何模数大于周围区域的几何模数，其中较大的几何模数表示宏观空隙的热点的区域。在凝固阶段期间，这些区域将最后凝固并且形成宏观收缩空隙。因此，铸造评估工具16识别出热点区域及其具体几何设计特征。铸造评估工具16还可建议几何设计所需的修正、或铸件12的其他方面、或进给器(冒口)应该放置的位置、几何设计不应该被修改的位置。

基于前述内容，铸造评估工具16评估由铸件设计12限定的铸件的几何模数，该几何模数是通过执行仿真模块30中的模拟铸造过程或通过使用几何模数计算器32对涉及知识数据库24的数据和/或工作数据库26的数据进行一系列计算以获得计算结果而确定出的。几何模数的这些评估使得铸造评估工具16能够识别出形成铸件缺陷的潜在可能性，并因此能够确定铸件设计12的铸造能力。当铸造评估工具16发现在由铸件设计12限定的铸件中形成宏观铸件缺陷的潜在可能性不存在或仅在无关紧要的程度上存在时，然后，铸造评估工具16通常将铸件设计12确定为可铸造，并因此适于制造，或至少是可制造的。相反，当形成宏观铸件缺陷的潜在可能性存在时，至少在超出无关紧要的程度存在时，然后，铸造评估工具16通常将铸件设计12确定为不能铸造，这样一来，就必须修正铸件设计12以便提供可铸造的且可制造的铸件设计12。

残余应力评估工具18借助仿真模块30评估通过模拟热处理工艺处理的虚拟铸造热量，或评估由残余应力评估工具18的应力水平计算器34所计算的结果。这两个评估使得残余应力评估工具18能够确定铸件设计12的热处理能力，即虚拟铸件或由铸件设计12限定的铸件被热处理的能力，其通常包括在微小应力水平或没有可能形成破裂或形成破裂的可能性很小的情况下加热、保持在特定温度或多个温度下、以及淬火。

更具体地，残余应力评估工具18评估在凝固冷却和淬火过程期间使虚拟铸件或由铸件设计12限定的铸件破裂的应力水平和热点。在铸造状态中，通常由于铸件设计12的几何设计，并且具体地由于形成铸造模具的材料，铸造应力来自抵御收缩的阻力。在热处理工艺的淬火阶段期间，残余应力来自铸件的非均匀冷却。这种非均匀冷却通常是由于铸件设计12的几何设计和所选择的淬火介质造成的。这样一来，在凝固和淬火阶段期间产生的残余应力可使用知识数据库24的数据和/或工作数据库26的数据来计算，这些数据例如是但不限于材料构成模型、淬火介质、几何设计、所使用的金属或合金、以及所使用的模具材料。另外，金属和合金在各种温度下的延展特性可用作评估在铸件中形成破裂的潜在可能性的准则。

在可利用仿真模块30时可通过仿真模块30计算应力水平，通常也可计算变形程度。然而，在不能获得或不使用仿真模块30时，应力水平、潜在的变形和潜在的形成破裂可在CAD环境下使用残余应力评估工具18的应力水平计算器34来计算。应力水平计算器34可使用经验方程通过铸件设计12的几何设计、金属或合金、所选择的铸造工艺、所选择的淬火介质等计算变形和残余应力。因此，应力水平计算器34可计算几何分析器14的工作数据库26的数据来快速地确定由铸件设计12限定的铸件的应力水平。例如，在铸造工艺的凝固阶段，残余应力可表示为：

${\mathrm{\σ}}_{r-\mathrm{cast}}=f(M_s,{\stackrel{\·}{M}}_s,T_s,h_{\mathrm{tc}},\mathrm{\α},R_m)$

而在热处理工艺的淬火阶段，残余应力可表示为：

${\mathrm{\σ}}_{r-\mathrm{quench}}=f(M_s,{\stackrel{\·}{M}}_s,\mathrm{\ΔT},h_{\mathrm{tc}},\mathrm{\α})$

其中，M_s是几何模数(厘米)，

是由铸件设计12限定的铸件中的几何模数梯度(厘米/厘米)，T_s是铸件材料的固相线，h_tc是在铸造或淬火期间的界面热传递系数，α是在铸造或淬火期间的热膨胀(收缩)系数，ΔT是淬火温差，以及R_m是模具材料的阻力。例如，在从540℃到75℃水淬火的A 356铸件中的残余应力(单位：MPa)可估计为：对于表面拐角/角区域， ${\mathrm{\σ}}_{r-\mathrm{quench}}=-1212+3333.3*(M_s+2\sqrt{{\stackrel{\·}{M}}_s}),$ 以及对于所有其他区域，σ_r-quench＝-1212+3333.3*(M_s)。

然后，可通过残余应力评估工具18评估应力水平计算器34计算出的残余应力水平从而确定铸件设计12的热处理能力。更具体地，如果计算出残余应力，则残余应力评估工具18可评估所计算出的结果以识别出可能破裂的热点，如图7中所示，其识别出热点区域(由图7中箭头所表示)具有在气缸盖铸件中形成破裂的潜在可能性。如果识别出任何这样的热点，则残余应力评估工具18可建议修正铸件设计12。例如，如果残余应力评估工具18确定仅通过修正铸件设计12的几何设计不能减小所识别出的热点中的大的残余应力，则残余应力评估工具18可建议修正铸件设计12以便采用不同的铸造工艺或热处理工艺，例如，不同的凝固阶段或淬火阶段。例如，相对温和的淬火阶段或介质，例如与水淬火相比的空气淬火，如图8中所示，可显著地减小残余应力。通常，金属模铸造趋于具有比砂型铸造更大的铸态残余应力。而且，通常，淬火过程越剧烈，残余应力和变形越大。对于同样的合金和铸造过程来说，与使用空气淬火介质相比，使用水淬火介质，观测到铸件的不同区域或位置中的残余应力更大，如图8中所示。

因此，基于前述内容，残余应力评估工具18评估由铸件设计12限定的铸件的残余应力水平，该残余应力水平是通过仿真模块30中的虚拟铸件的模拟热处理过程或通过使用应力水平计算器34对涉及知识数据库24的数据和/或工作数据库26的数据进行一系列计算以获得计算出的残余应力水平结果而确定出的。残余应力的这些评估使得残余应力评估工具18能够确定铸件设计12的铸件的应力水平并且识别出在热处理工艺期间形成铸件的破裂和变形的潜在可能性，并因此能够确定铸件设计12的热处理能力。当残余应力评估工具18发现不存在或仅在无关紧要的程度上存在潜在的大的残余应力水平、潜在的破裂形成可能性、和/或潜在的变形可能性时，然后，残余应力评估工具18通常将铸件设计12确定为可热处理，并因此适于制造，或至少是可制造的。相反，当至少在超出无关紧要的程度存在潜在的大的残余应力水平、潜在的破裂形成可能性、和/或潜在的变形可能性时，然后，残余应力评估工具18通常将铸件设计12确定为不能热处理，这样一来，就必须进行修正以提供可热处理的且可制造的铸件设计12。

加工评估工具20评估由模拟加工过程的仿真模块30计算并从其接收的结果或者评估由加工评估工具20的变形计算器36计算并从其接收的结果。对计算出的结果的评估使得加工评估工具20能够通过其计算机动画几何设计确定由铸件设计12限定的铸件的变形的潜在可能性，即，利用计算机动画几何设计确定铸件的几何尺寸精确性。另外，无论这些结果的来源如何，对这些结果的评估都使得加工评估工具20能够确定铸件设计12的加工能力，即，确定在没有形成破裂的潜在可能性或具有形成破裂或不满足尺寸和/或公差要求的微小可能性的情况下铸件设计12被加工的公差。

加工评估工具20通常评估由铸件设计12限定的铸件的尺寸精确性和加工公差。例如，加工评估工具20评估壁厚、因热和残余应力引起的总几何变形、加工裕度的尺寸等。可由模拟加工过程的仿真模块30来计算并提供这种数据或其他数据。可替换地，可在CAD环境下利用加工评估工具20的变形计算器36来计算这种数据或其他数据。

铸件设计12的总体特性-例如体积和表面积可直接从CAD模型中获取，而公差和表面净整度要求可从知识数据库24和/或工作数据库26的数据中获得。通常，加工表面具有例如大约3毫米的加工裕度。通常塞堵并随后加工具有尺寸小于约3毫米的小的铸造特征或具有大纵横比的孔。另外，大的加工表面通常包括额外的加工裕度以使得能够平行和垂直于数据点。同样，通常填充需要精确打钻的孔。再者，有益的是，在将设置孔的位置设置小型凹痕有助于后续的加工过程。可采用体积与表面积的比来计算铸件特征，例如标定壁厚，同时可根据上面的几何模数方法计算限定区域的实际壁厚。通过评估计算出的结果，无论是由仿真模块30提供的还是由变形计算器36提供的，加工评估工具20便能够确定出违反壁厚约束的铸件区域，例如最小和最大允许壁厚以及在毗邻区域或邻近区域上急剧的厚度变化。

铸件尺寸的精确性通常取决于所使用的铸造过程。仅举例，表4列出了非热处理砂型铸造部件上的尺寸公差。

表4非热处理砂型铸造部件上的尺寸公差

尺寸	公差(毫米(mm))
		等于或小于25mm	+/-0.53mm
25mm与300mm之间	0.53mm+0.051mm每25mm
		大于300mm	0.53mm+0.127mm每25mm
角度	+/-1°直到76mm

除了为了铸件尺寸的变形而针对知识数据库24和/或工作数据库26的数据评估铸件设计12外，可通过加工评估工具20评估铸件在凝固和可能的热处理之后的实际尺寸精确性。如上所述，当可利用仿真模块30时，可通过仿真模块30将计算出的结果集成到加工评估工具20中单独地计算因收缩和/或变形引起的实际尺寸变形，以便确定铸件设计12的加工能力。

还可在CAD环境下通过加工评估工具20的变形计算器36计算铸件的实际尺寸精确性。变形计算器36可使用经验方程，所述经验方程使收缩和变形与铸件设计12的几何设计、金属或合金、所选择的铸造、热处理、和/或加工过程、所选择的淬火介质等直接相关联。因此，变形计算器36可计算几何分析器14的知识数据库24和/或工作数据库26的数据以便快速地计算虚拟铸件的尺寸精确性。例如，在铸造工艺的凝固阶段，收缩(Δ1)和变形(μ)可被表示为：

Δl_cast＝f(l，T_s，α，R_m)

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cast}}=f(M_s,{\stackrel{\·}{M}}_s,T_s,h_{\mathrm{tc}},\mathrm{\α},R_m)$

而在热处理工艺的淬火阶段，尺寸改变(Δ1)和变形(μ)可被表示为：

Δl_quench＝f(l，ΔT，h_tc，α)

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{quench}}=f(M_s,{\stackrel{\·}{M}}_s,\mathrm{\ΔT},h_{\mathrm{tc}},\mathrm{\α})$

其中M_s是几何模数(厘米)，

是铸件中的几何模数梯度(厘米/厘米)，1是铸件的特定部分或组成部分的特征长度，T_s是铸件材料的固相线，h_tc是在铸造或淬火期间的界面热传递系数，α是在铸造或淬火期间的热膨胀(收缩)系数，ΔT是淬火温差，以及R_m是模具材料的阻力。例如，在从540℃到75℃水淬火的A356铸件中的变形(单位：mm)可估计为：

对于表面拐角/角区域， ${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{quench}}=-18.3+16*\ln (M_s+2\sqrt{{\stackrel{\·}{M}}_s}),$ 以及对于所有其他区域，μ_quench＝18.3+16*ln(M_s)。

例如，图9示出水淬火的气缸盖的从变形计算器36的经验方程中计算出的变形和尺寸变化。当计算出收缩，并且特别是变形时，可以识别出潜在变形的热点、或尺寸精确性的变化。如果识别出任何这些热点，则加工评估工具20可建议修正铸件设计12。例如，如果加工评估工具20确定仅通过修正铸件设计12的几何设计不能减小所识别出的热点中的大的变形和/或收缩，则加工评估工具20可建议修正铸件设计12以便采用不同的铸造工艺或热处理工艺，例如，不同的凝固阶段或淬火阶段。例如，相对温和的淬火阶段或介质，例如空气淬火，可显著地减小变形。

因此，基于前述内容，加工评估工具20评估由铸件设计12限定的铸件的尺寸精确性、潜在的收缩、潜在的变形、和/或潜在的破裂形成可能性，所述尺寸精确性、潜在的收缩、潜在的变形、和/或潜在的破裂形成可能性是通过仿真模块30中的虚拟铸件的模拟加工或通过使用变形计算器36对涉及知识数据库24的数据和/或工作数据库26的数据进行计算以获得计算结果而确定出的。这些评估使得加工评估工具20能够确定铸件设计12的加工能力。当加工评估工具20发现不存在或仅在无关紧要的程度上存在尺寸精确性的重大变化、潜在的重大收缩、潜在的大变形、和/或潜在的破裂形成可能性时，然后，加工评估工具20通常将铸件设计12确定为可加工，并因此适于制造，或至少是可制造的。相反，当至少在超出无关紧要的程度存在尺寸精确性的重大变化、潜在的重大收缩、潜在的大变形、和/或潜在的破裂形成可能性时，然后，加工评估工具20通常将铸件设计12确定为不能加工，这样，就必须进行修正以提供可加工且可制造的虚拟铸件。

如上所述，当铸件设计12分别被几何分析器14、铸造评估工具16、残余应力评估工具18或加工评估工具20确定为不能几何设计、不能铸造、不能热处理、或不能加工时，相应的分析器或评估工具便会建议修正铸件设计12以便为了制造目的而优化铸件设计12。因此，修正铸件设计12包括修正专用于铸件设计12的工作数据库26的数据。可以想到的是，按照建议修正的铸件设计12可由系统10进行可制造性评估，从而确保无需进一步的修正来提供可制造的修正铸件设计12。

本发明的另一个示例性实施方式总体上涉及一种评估铸件设计12的可制造性的方法。该方法总体上包括：提供包括几何分析器、铸造评估工具、残余应力评估工具和加工评估工具的系统；通过分析铸件设计的几何设计是否符合铸件制造原则的几何设计规则来使用几何分析器确定铸件设计的几何设计能力；通过使用铸造评估工具的几何模数计算器评估铸件设计以确定在由铸件设计限定的铸件中是否存在形成铸造缺陷的潜在可能性而使用铸造评估工具确定铸件设计的铸造能力；通过使用残余应力评估工具的应力水平计算器评估铸件设计以确定由铸件设计限定的铸件中的应力水平和形成破裂的潜在可能性而使用残余应力评估工具确定铸件设计的热处理能力；通过使用加工评估工具的变形计算器评估铸件设计以确定由铸件设计限定的铸件的尺寸精确性和该铸件中形成破裂的潜在可能性而使用加工评估工具确定铸件设计的加工能力；以及，如果铸件设计分别被几何分析器、铸造评估工具、残余应力评估工具或加工评估工具确定为不能几何设计、不能铸造、不能热处理、或不能加工，则通过按照几何分析器、铸造评估工具、残余应力评估工具和加工评估工具中的至少一个的建议修正铸件设计来优化铸件设计以便制造。可以想到的是，该方法可进一步包括评估按照几何分析器、铸造评估工具、残余应力评估工具和加工评估工具中的至少一个的建议修正的铸件设计的可制造性。

应当指出的是，在此对实施方式的以特定方式“构造”或体现特定特性或以特定方式工作的部件的陈述是与预期使用的陈述相对的结构化陈述。更具体地，在此以部件被“构造”的方式所做的参考表示部件的现有物理情形，因此，应该认为是部件的结构化特点的明确陈述。

应当指出的是，当在此使用时，类似“通常”、“常见的”、和“经常”的术语不用于限制所要求保护实施方式的范围，或者不用于暗示某些特征对于所要求保护实施方式的结构或功能是关键的、必要的或甚至重要的。相反，这些术语仅旨在识别实施方式的具体方面或强调可能使用或可能不使用在具体实施方式中的可替换或额外的特征。

为了描述和限定本文中的实施方式的目的，应当指出的是，术语“大体上”、“显著地”和“近似地”在此用于代表固有的不确定性程度，其可认为是任何的定量比较、值、测量或其他表达。术语“大体上”、“显著地”和“近似地”在此还用于表示在不引起相关主题的基本功能变化的情况下定量表达可从所陈述的参考值改变的程度。

已经详细地并且参考其特定实施方式描述了本发明的实施方式，显而易见的是，在不偏离所附权利要求限定的实施方式的范围的情况下可以做出改型和变型。更具体地，虽然在此将本发明的实施方式的某些方面确定为优选的或特别有益的，但是应当明白，本发明的实施方式并非仅限于这些优选方面。

Claims (21)

1.一种用于评估铸件设计的可制造性的系统，所述系统包括几何分析器、铸造评估工具、残余应力评估工具和加工评估工具中的至少一个，其中：

所述几何分析器分析所述铸件设计的几何设计以便确定是否符合铸件制造原则的几何设计规则从而确定所述铸件设计的几何设计能力；

所述铸造评估工具评估由所述铸件设计限定并通过仿真铸造工艺铸造的虚拟铸件，所述虚拟铸件被评估以便确定铸造缺陷的形成从而确定所述铸件设计的铸造能力；

所述残余应力评估工具评估通过仿真热处理工艺进行热处理的所述虚拟铸件以便确定应力水平和破裂的形成从而确定所述铸件设计的热处理能力；

所述加工评估工具评估通过仿真加工工艺进行加工的所述虚拟铸件以便确定破裂的形成和尺寸精确性中的至少一个从而确定所述铸件设计的加工能力；并且

如果所述铸件设计分别被所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具或所述加工评估工具确定为不能几何设计、不能铸造、不能热处理、或不能加工，则所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个建议对所述铸件设计进行修正以便为了制造而优化所述铸件设计。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，按照所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个的建议对所述铸件设计进行的修正包括修正下列各项中的至少一个：所述铸件设计的几何设计、所述铸件设计的金属或合金、形成铸造模具的材料、淬火介质、所述铸件设计的加工裕度的尺寸、铸造工艺、热处理工艺和加工工艺。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，按照所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个的建议修正的铸件设计由所述系统来进行可制造性评估。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述几何分析器包括几何铸件设计工具，所述几何铸件设计工具产生所述铸件设计的所述几何设计，以便由所述系统进行可制造性评估。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述几何分析器识别并接受由常规几何铸件设计工具产生的用于可制造性评估的铸件设计并且与常规几何铸件设计工具兼容以便集成和运行。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于执行仿真铸造工艺、仿真热处理工艺和仿真加工工艺中的至少一个的仿真模块。

7.一种用于评估铸件设计的可制造性的系统，所述系统包括工作数据库、几何分析器、铸造评估工具、残余应力评估工具和加工评估工具中的至少一个，其中：

所述工作数据库包括与制造由所述铸件设计限定的铸件有关的数据；

所述几何分析器包括搜索引擎和知识数据库，所述搜索引擎和知识数据库分析所述工作数据库的数据以评估所述铸件设计以便确定是否符合铸件设计原则从而确定所述铸件设计的几何设计能力；

所述铸造评估工具包括几何模数计算器，所述几何模数计算器计算所述工作数据库的数据以评估所述铸件设计以便确定在由所述铸件设计限定的铸件中形成铸造缺陷的潜在可能性从而确定所述铸件设计的铸造能力；

所述残余应力评估工具包括应力水平计算器，所述应力水平计算器计算所述工作数据库的数据以评估所述铸件设计以便确定由所述铸件设计限定的铸件中的应力水平和在由所述铸件设计限定的铸件中形成破裂的潜在可能性从而确定所述铸件设计的热处理能力；

所述加工评估工具包括变形计算器，所述变形计算器计算所述工作数据库的数据以评估所述铸件设计以便确定由所述铸件设计限定的铸件中形成破裂的潜在可能性和由所述铸件设计限定的铸件的尺寸精确性从而确定所述铸件设计的加工能力；并且

如果所述铸件设计分别被所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具或所述加工评估工具确定为不能几何设计、不能铸造、不能热处理、或不能加工，则所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个建议对所述铸件设计进行修正以便为了制造而优化所述铸件设计。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述工作数据库被集成到所述几何分析器中。

9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述知识数据库包括与铸件制造原则有关的数据。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于：

所述工作数据库的与制造由所述铸件设计限定的铸件有关的数据包括下列各项中的至少一个：所述铸件设计的几何设计、形成铸件的金属或合金或者金属与合金两者、形成铸造模具的材料、铸件的淬火介质、铸件的加工裕度的尺寸、形成所述铸件设计的铸造工艺、热处理铸件的热处理工艺、加工铸件的加工工艺，并且

所述知识数据库的与铸件制造原则有关的数据包括下列各项中的至少一个：几何设计规则、用于形成铸件的各种金属和合金的特性、用于形成铸造模具的各种材料的特性、用于冷却铸件的淬火介质的特点、各种铸造工艺的特点、各种热处理工艺的特点、各种加工工艺的特点、铸件的各种加工裕度的尺寸、各种热处理工艺的各种加热阶段的特点、各种铸造工艺的各种凝固阶段的特点、各种热处理工艺的各种淬火阶段的特点。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，由所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个建议的对所述铸件设计的修正包括修正所述工作数据库的与制造由所述铸件设计限定的铸件有关的数据。

12.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述几何分析器通过利用所述搜索引擎对所述工作数据库的数据与所述知识数据库的数据进行比较来分析所述铸件设计从而确定所述铸件设计的几何设计能力。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述搜索引擎执行前向链算法，所述前向链算法将所述工作数据库的数据与所述知识数据库的数据进行比较。

14.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述几何分析器还包括几何铸件设计工具，所述几何铸件设计工具产生或修正所述铸件设计的几何设计，以便由所述系统进行可制造性评估。

15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述几何分析器的所述几何铸件设计工具产生或修正所述铸件设计的三维计算机动画设计格式的几何设计，并且所述几何分析器的所述几何铸件设计工具为了由所述系统进行可制造性评估而识别并接受由常规几何铸件设计工具产生的铸件设计的几何设计。

16.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述铸造评估工具评估所述铸件设计以便确定形成由所述铸件设计限定的铸件的金属或合金或者金属与合金两者的至少收缩和收缩孔隙的潜在可能性以及由所述铸件设计限定的铸件的气体孔隙的潜在可能性。

17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述几何模数计算器使用网格生成和评估方法来计算或估计由所述铸件设计限定的铸件的几何模数。

18.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述几何模数计算器使用滚珠法来计算或估计由所述铸件设计限定的铸件的几何模数。

19.如权利要求7所述的系统，其特征在于，按照所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个的建议修正的所述铸件设计由所述系统进行可制造性评估。

20.一种评估铸件设计的可制造性的方法，所述方法包括：提供包括几何分析器、铸造评估工具、残余应力评估工具和加工评估工具中至少一个的系统；通过分析所述铸件设计的几何设计以确定是否符合铸件制造原则的几何设计规则来使用所述几何分析器确定所述铸件设计的几何设计能力；通过使用所述铸造评估工具的几何模数计算器评估所述铸件设计以确定在由所述铸件设计限定的铸件中形成铸造缺陷的潜在可能性来使用所述铸造评估工具确定所述铸件设计的铸造能力；通过使用所述残余应力评估工具的应力水平计算器评估所述铸件设计以确定由所述铸件设计限定的铸件中的应力水平和该铸件中形成破裂的潜在可能性来使用所述残余应力评估工具确定所述铸件设计的热处理能力；通过使用所述加工评估工具的变形计算器评估所述铸造设计以确定在由所述铸件设计限定的铸件中形成破裂的潜在可能性和由所述铸件设计限定的铸件的尺寸精确性来使用所述加工评估工具确定所述铸件设计的加工能力；并且如果所述铸件设计分别被所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具或所述加工评估工具确定为不能几何设计、不能铸造、不能热处理、或不能加工，则通过按照所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个的建议对所述铸件设计进行修正来优化所述铸件设计以便制造。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括评估按照所述几何分析器、所述铸造评估工具、所述残余应力评估工具和所述加工评估工具中的至少一个的建议修正的铸件设计的可制造性。

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