CN111859578B - 自由镂空铸型的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自由镂空铸型的设计方法：S1，构建基本镂空体；S2，对未镂空铸型的STL格式模型进行网格剖分并得到未镂空铸型的有限差分网格模型；S3，定义出壳型厚度d并选择壳型厚度d范围内的网格作为镂空铸型的壳型网格；S4，在去除壳型网格后的剩余网格上，选取多个网格团簇并定义各个网格团簇的位置，并通过循环迭代寻找大小处于X_min*Y_min*Z_min～X_max*Y_max*Z_max的所有网格团簇；S5，得到所有匹配镂空体的STL的格式模型文件；S6，得到所有反向镂空体的STL格式模型文件；S7，生成自由镂空铸型的STL格式模型文件。本申请能够在铸型的内部形成任意形状的自由镂空结构，且自由镂空结构能够保持原始的三角面片离散格式，保持镂空体的表面光滑程度，从而当其用于增材制造时，提高了铸件的质量。

Description

自由镂空铸型的设计方法

技术领域

本发明涉及铸造技术领域，尤其涉及一种自由镂空铸型的设计方法。

背景技术

增材制造技术制备铸型是铸造的发展趋势，该技术使得可以根据铸件的拓扑形状和铸造质量需求设计铸型，尤其是铸型的镂空化使铸型脱离传统密实结构、且具有铸件冷却快、铸件冷却易于调控的特点，同时又减小了铸型的增材制造时间，有利于推广铸型的增材制造技术。但是，目前镂空铸型的设计方法还很少，尤其缺少对不规则的、任意的形状的自由镂空内腔结构设计的方法。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种自由镂空铸型的设计方法，其能在铸型的内部形成任意形状的自由镂空结构，且自由镂空结构能够保持原始的三角面片离散格式、保持镂空体的表面光滑程度，从而当其用于增材制造时，提高了铸件的质量。

为了实现上述目的，本发明提供了一种自由镂空铸型的设计方法，其包括步骤S1-S7。

S1，采用三维软件构建基本镂空体并输出STL格式模型文件。

S2，提供未镂空铸型的STL格式模型文件，在有限差分软件中对未镂空铸型的STL格式模型进行网格剖分并得到未镂空铸型的有限差分网格模型。

S3，在未镂空铸型的有限差分网格模型上定义出壳型厚度d并选择壳型厚度d范围内的网格作为镂空铸型的壳型网格。

S4，在未镂空铸型的有限差分网格模型中去除壳型网格后的剩余网格上，选取多个网格团簇，其中任意的网格团簇由连续X行、Y列、Z层网格构成、大小表示为X*Y*Z，且X_min≤X≤X_max、Y_min≤Y≤Y_max、Z_min≤Z≤Z_max。将网格团簇的行方向定义为x方向、列方向定义为y方向、层方向定义为z方向。所述多个网格团簇的选取过程为：首先选取大小由X_max行、Y_max列、Z_max层网格构成的最大的网格团簇以及由X_min行、Y_min列、Z_min层网格构成的最小的网格团簇，且所述最大的网格团簇的大小表示为X_max*Y_max*Z_max、最小的网格团簇的大小表示为X_min*Y_min*Z_min；然后，以X_max、Y_max、Z_max作为初始值、以步进值1分别减小X、Y、Z值进行循环迭代，直到找到最小的网格团簇X_min、Y_min、Z_min，则大小处于X_min*Y_min*Z_min～X_max*Y_max*Z_max之间的所有网格团簇即为选取出的网格团簇1。S5，在有限差分软件中读取基本镂空体的STL格式模型文件，并将基本镂空体通过旋转、平移、缩放逐一映射到各网格团簇上以形成与各网格团簇匹配的匹配镂空体，由此得到所有匹配镂空体的STL的格式模型文件。

S6，将所有匹配镂空体的STL格式模型文件中的三角面片的法向反向，以得到各匹配镂空体对应的反向镂空体，由此得到所有反向镂空体的STL格式模型文件。

S7，将所有反向镂空体的STL格式模型文件添加到未镂空铸型的STL格式模型文件中，由此生成自由镂空铸型的STL格式模型文件。

在一实施例中，在未镂空铸型的有限差分网格模型中，在x方向上的最大单元数为n_x、y方向上的最大单元数为n_y、z方向上的最大单元数为n_z。在步骤S4中，X_min＝Y_min＝Z_min＝1，

在一实施例中，基本镂空体为空心结构或实心结构。

在一实施例中，基本镂空体为空心球体、空心圆柱体、空心六面体、圆柱壳体、六面体壳体或带通孔的球体。

在一实施例中，在步骤S2中，将未镂空铸型的有限差分网格模型中的各网格尺寸定义为a_x×b_y×c_z，则在x方向上对应的壳型厚度d≥2a_x，在y方向上对应的壳型厚度d≥2a_y，在z方向上对应的壳型厚度d≥2a_z。

在一实施例中，在步骤S4中，在x方向上、和/或y方向、和/或z方向上的相邻两个网格团簇1连续设置。

在一实施例中，在步骤S4中，在x方向上、和/或y方向、和/或z方向上的相邻两个网格团簇间隔设置。将未镂空铸型的有限差分网格模型中的各网格尺寸定义为a_x×a_y×a_z，则在x方向上相邻两个网格团簇的间隔为a_x的整数倍，在y方向上相邻两个网格团簇的间隔为a_y的整数倍，在z方向上相邻两个网格团簇的间隔为a_z的整数倍。

在一实施例中，在步骤S5中，所有匹配镂空体形成自由阵列。

在一实施例中，在步骤S5中，由各匹配镂空体的外轮廓确定的中心和相应网格团簇的外轮廓确定的中心重合，且各匹配镂空体的外轮廓尺寸为相应网格团簇的外轮廓尺寸的m倍，且0＜m≤1。

在一实施例中，0.1≤m≤0.9。

本发明的有益效果如下：

在本申请的自由镂空铸型的设计方法中，基于步骤S1-S7，能够在铸型的内部形成任意形状的自由镂空结构，且基于大小不等的网格团簇得到大小不一的自由镂空结构，当其针对具有复杂曲面形状的铸件时，可以实现沿曲面的最大限度自由镂空；且自由镂空结构能够保持原始的三角面片离散格式，保持镂空体的表面光滑程度，从而当其用于增材制造时，提高了铸件的质量。并且，由于铸型内部的镂空结构可以为任意形状的设计，从而不给设计者设置任何镂空空腔拓扑形状限制，由此能够充分发挥设计者的创造性，满足铸造的各种需求。此外，采用本申请所述的自由镂空铸型的设计方法还能降低铸型的整体质量和材料的使用量，缩短了增材制造时间，从而极大地降低了铸型的生产成本。

附图说明

图1是自由镂空铸型的设计方法的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1网格团簇

d壳型厚度

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。

参照图1，本申请的自由镂空铸型的设计方法包括步骤S1-S7。

步骤S1，采用Pro/e或Solidworls等三维软件构建基本镂空体并输出STL格式模型文件。需要说明的是，这里以及下文所述的STL文件均由多个三角形面片的定义组成，每个三角形面片的定义包括三角形各个顶点的三维坐标及三角形面片的法矢量。

步骤S2，提供未镂空铸型的STL格式模型文件，在有限差分软件中对未镂空铸型的STL格式模型进行网格剖分并得到未镂空铸型的有限差分网格模型。其中，所述有限差分软件可为铸造之星(FT-STAR)。经过网格剖分后，未镂空铸型的有限差分网格模型由多个网格单元组成，网格单元可为四面体或六面体。

步骤S3，在未镂空铸型的有限差分网格模型上定义出壳型厚度d(如图1所示)并选择壳型厚度d范围内的网格作为镂空铸型的壳型网格。这里，壳型厚度d大小需要基于铸件的拓扑形状和铸造质量需求进行选择。

步骤S4，在未镂空铸型的有限差分网格模型中去除壳型网格后的剩余网格上，选取多个网格团簇1，其中任意的网格团簇1由连续X行、Y列、Z层网格构成、大小表示为X*Y*Z，且X_min≤X≤X_max、Y_min≤Y≤Y_max、Z_min≤Z≤Z_max。其中，在未镂空铸型的有限差分网格三维模型中，将网格团簇1的行方向定义为x方向、列方向定义为y方向、层方向定义为z方向。

具体地，所述多个网格团簇1的选取过程为：首先，选取大小由X_max行、Y_max列、Z_max层网格构成的最大的网格团簇1以及由X_min行、Y_min列、Z_min层网格构成的最小的网格团簇1，且所述最大的网格团簇1的大小表示为X_max*Y_max*Z_max，最小的网格团簇1的大小表示为X_min*Y_min*Z_min；然后，以X_max、Y_max、Z_max作为初始值、以步进值1分别减小X、Y、Z值进行循环迭代(即以最大的网格团簇寻找一遍后，再以比最大的网格团簇小一个网格的网格团簇寻找一遍，如此遍历查找)，直到找到最小的网格团簇X_min、Y_min、Z_min，则大小处于X_min*Y_min*Z_min～X_max*Y_max*Z_max之间的所有网格团簇1即为选取出的网格团簇1。此外，对于已经找到的网格团簇可以做出相应的标记，以避免后面重复寻找。

需要说明的是，这里的X_max、Y_max、Z_max为网格团簇1的上限，X_min、Y_min、Z_min为网格团簇1的下限。因此，相反地，也可以先从网格团簇1的下限开始寻找，然后通过循环迭代，直到找到最大的网格团簇X_max、Y_max、Z_max。S5，在有限差分软件中读取基本镂空体的STL格式模型文件，并将基本镂空体通过旋转、平移、缩放逐一映射到各网格团簇1上以形成与各网格团簇1匹配的匹配镂空体，由此得到所有匹配镂空体的STL的格式模型文件。

S6，将所有匹配镂空体的STL格式模型文件中的三角面片的法向反向，以得到各匹配镂空体对应的反向镂空体，由此得到所有反向镂空体的STL格式模型文件。

S7，将所有反向镂空体的STL格式模型文件添加到未镂空铸型的STL格式模型文件中，由此生成自由镂空铸型的STL格式模型文件。

在本申请的自由镂空铸型的设计方法中，基于步骤S1-S7，能够在铸型的内部形成任意形状的自由镂空结构，且基于大小不等的网格团簇1得到大小不一的自由镂空结构，当其针对具有复杂曲面形状的铸件时，可以实现沿曲面的最大限度自由镂空；且自由镂空结构能够保持原始的三角面片离散格式，保持镂空体的表面光滑程度，从而当其用于增材制造时，提高了铸件的质量。

由于铸型内部的镂空结构可以为任意形状的设计，从而不给设计者设置任何镂空空腔拓扑形状限制，由此能够充分发挥设计者的创造性，满足铸造的各种需求(如避免铸件和砂型的应力集中、避免铸件和镂空砂型的裂纹，实现镂空砂型的清砂，实现铸件在凝固和冷却过程中的冷却控制，保证铸件质量等)。此外，采用本申请所述的自由镂空铸型的设计方法还能降低铸型的整体质量和材料的使用量，缩短了增材制造时间，从而极大地降低了铸型的生产成本。

在一实施例中，在步骤S1中的基本镂空体可为空心结构或实心结构，且在建模过程中对基本镂空体的外轮廓尺寸无任何限制。其中，基本镂空体可为任意拓扑形状，具体地如空心球体、空心圆柱体、空心六面体、圆柱壳体、六面体壳体、带通孔的球体或带各种内部结构的球心壳体。当然，基本镂空体也可以采用已有结构的STL文件或可根据需求进行造型。

在未镂空铸型的有限差分网格模型中，将各网格尺寸定义为a_x×b_y×c_z，其中a_x、b_y、c_z的大小可相同或不同。

在步骤S2中，为了避免单层网格离散曲面时产生仅有棱连接的情况，则在x方向上对应的壳型厚度d≥2a_x，在y方向上对应的壳型厚度d≥2a_y，在z方向上对应的壳型厚度d≥2a_z。

在步骤S4中，在一实施例中，在x方向上、和/或y方向、和/或z方向上的相邻两个网格团簇1可以连续设置。

在另一实施例中，在x方向上、和/或y方向、和/或z方向上的相邻两个网格团簇1可以间隔设置。具体地，在x方向上相邻两个网格团簇1的间隔为a_x的整数倍，在y方向上相邻两个网格团簇1的间隔为a_y的整数倍，在z方向上相邻两个网格团簇1的间隔为a_z的整数倍。

在步骤S4中，在未镂空铸型的有限差分网格模型中，x方向上的网格最大单元数为n_x、y方向上的网格最大单元数为n_y、z方向上的网格最大单元数为n_z，在一实施例中，X_min＝Y_min＝Z_min＝1，

由于未镂空铸型的有限差分网格模型中的各网格尺寸为a_x×a_y×a_z、任意的网格团簇1由连续X行、Y列、Z层网格构成，则任意的网格团簇1的尺寸为Xa_x×Ya_y×Za_z。在步骤S5中，在一实施例中，基本镂空体在x方向上的尺寸不小于3/4Xa_x、不大于Xa_x，基本镂空体在y方向上的尺寸不小于3/4Ya_y、不大于Ya_y，基本镂空体在z方向上的尺寸不小于3/4Za_z、不大于Za_z，且基本镂空体不可同时满足在x方向上的尺寸等于Xa_x、在y方向上的尺寸等于Ya_y、在z方向上的尺寸等于Za_z。

在步骤S5中，所有匹配镂空体可形成为自由阵列(即规则阵列或不规则阵列)。其中，由各匹配镂空体的外轮廓确定的中心和相应网格团簇1的外轮廓确定的中心重合，且各匹配镂空体的外轮廓尺寸为相应网格团簇1的外轮廓尺寸的m倍，且0＜m≤1。此时，剩余的非镂空的厚度为(1-m)/2倍的网格团簇1的外轮廓尺寸。

优选地，0.1≤m≤0.9。需要说明的是，在x方向、y方向、z方向上的m的取值可以相等或不等。其中，基本镂空体的取向可根据要求设定，且可通过旋转实现。

由于各匹配镂空体的大小基于对应的网格团簇1的大小来定，当网格团簇1较大时，可进行大的自由镂空；当网格团簇1较小时，可进行小的自由镂空；单个的网格也可实现自由镂空，由此实现了大小不一的自由镂空结构，从而最大限度地实现了铸型的自由镂空。

上述所述的铸型可为砂型或砂芯，当然不仅限于此，上述所述的铸型还可为其它铸造模具。此外，本申请的自由镂空铸型的设计方法可适用于固化砂块、金属等材质。

Claims (10)

1.一种自由镂空铸型的设计方法，其包括步骤：

S1，采用三维软件构建基本镂空体并输出STL格式模型文件；

S2，提供未镂空铸型的STL格式模型文件，在有限差分软件中对未镂空铸型的STL格式模型进行网格剖分并得到未镂空铸型的有限差分网格模型；

S3，在未镂空铸型的有限差分网格模型上定义出壳型厚度d并选择壳型厚度d范围内的网格作为镂空铸型的壳型网格；

S4，在未镂空铸型的有限差分网格模型中去除壳型网格后的剩余网格上，选取多个网格团簇(1)，其中任意的网格团簇(1)由连续X行、Y列、Z层网格构成、大小表示为X*Y*Z，且X_min≤X≤X_max、Y_min≤Y≤Y_max、Z_min≤Z≤Z_max；

将网格团簇(1)的行方向定义为x方向、列方向定义为y方向、层方向定义为z方向；

所述多个网格团簇(1)的选取过程为：

首先选取大小由X_max行、Y_max列、Z_max层网格构成的最大的网格团簇(1)以及由X_min行、Y_min列、Z_min层网格构成的最小的网格团簇(1)，且所述最大的网格团簇(1)的大小表示为X_max*Y_max*Z_max，最小的网格团簇(1)的大小表示为X_min*Y_min*Z_min；然后，以X_max、Y_max、Z_max作为初始值、以步进值1分别减小X、Y、Z值进行循环迭代，直到找到最小网格团簇X_min、Y_min、Z_min，此时大小处于X_min*Y_min*Z_min～X_max*Y_max*Z_max之间的所有网格团簇(1)即为选取出的所述多个网格团簇(1)；

S5，在有限差分软件中读取基本镂空体的STL格式模型文件，并将基本镂空体通过旋转、平移、缩放逐一映射到各网格团簇(1)上以形成与各网格团簇(1)匹配的匹配镂空体，由此得到所有匹配镂空体的STL的格式模型文件；

S6，将所有匹配镂空体的STL格式模型文件中的三角面片的法向反向，以得到各匹配镂空体对应的反向镂空体，由此得到所有反向镂空体的STL格式模型文件；

S7，将所有反向镂空体的STL格式模型文件添加到未镂空铸型的STL格式模型文件中，由此生成自由镂空铸型的STL格式模型文件。

2.根据权利要求1所述的自由镂空铸型的设计方法，其特征在于，

在未镂空铸型的有限差分网格模型中，在x方向上的最大单元数为n_x、y方向上的最大单元数为n_y、z方向上的最大单元数为n_z；

在步骤S4中，X_min＝Y_min＝Z_min＝1，

3.根据权利要求1所述的自由镂空铸型的设计方法，其特征在于，在步骤S1中，基本镂空体为空心结构或实心结构。

4.根据权利要求3所述的自由镂空铸型的设计方法，其特征在于，基本镂空体为空心球体、空心圆柱体、空心六面体、圆柱壳体、六面体壳体或带通孔的球体。

5.根据权利要求1所述的自由镂空铸型的设计方法，其特征在于，在步骤S2中，将未镂空铸型的有限差分网格模型中的各网格尺寸定义为a_x×b_y×c_z，则在x方向上对应的壳型厚度d≥2a_x，在y方向上对应的壳型厚度d≥2a_y，在z方向上对应的壳型厚度d≥2a_z。

6.根据权利要求1所述的自由镂空铸型的设计方法，其特征在于，在步骤S4中，在x方向上、和/或y方向、和/或z方向上的相邻两个网格团簇1连续设置。

7.根据权利要求1所述的自由镂空铸型的设计方法，其特征在于，在步骤S4中，在x方向上、和/或y方向、和/或z方向上的相邻两个网格团簇(1)间隔设置；

将未镂空铸型的有限差分网格模型中的各网格尺寸定义为a_x×a_y×a_z，则在x方向上相邻两个网格团簇(1)的间隔为a_x的整数倍，在y方向上相邻两个网格团簇(1)的间隔为a_y的整数倍，在z方向上相邻两个网格团簇(1)的间隔为a_z的整数倍。

8.根据权利要求1所述的自由镂空铸型的设计方法，其特征在于，在步骤S5中，所有匹配镂空体形成自由阵列。

9.根据权利要求1所述的自由镂空铸型的设计方法，其特征在于，在步骤S5中，由各匹配镂空体的外轮廓确定的中心和相应网格团簇(1)的外轮廓确定的中心重合，且各匹配镂空体的外轮廓尺寸为相应网格团簇(1)的外轮廓尺寸的m倍，且0＜m≤1。

10.根据权利要求9所述的自由镂空铸型的设计方法，其特征在于，0.1≤m≤0.9。

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