材料成型 CAD/CAM 基础
学习本门课的要求
– 熟悉 CAD/CAM的基本概念和基本组成，了解其发展动向。
– 掌握 CAD/CAM技术的基本原理和基本方法，
以及在材料成型加工领域中的应用实例。
– 基本达到能运用 CAD/CAM软件进行工程设计、
分析与制造加工。
学时安排
–课堂教学 28
–软件实践 12
学习方法课堂教学与实验教学（软件实践）相结合，
辅之以自学。
推荐参考教材
－ 材料加工 CAD/CAM基础，陈立亮，机械工业出版社,2001
–计算机辅助设计技术与应用，殷国富、陈永华，
科学出版社,2000
– CAD/CAM原理与应用，蔡颍等，机械工业出版社，
1998
第一章 计算机辅助设计（ CAD）技术概论
1-1 CAD的涵义及研究内容
计算机辅助设计（ CAD）
是以计算机为主要研究手段来辅助设计者完成某项工作的设计、
计算、分析、评价、优化等信息处理的综合性高新技术。它是 60年代以来迅速发展起来的一门新兴的综合性计算机应用技术，从开始只完成一些计算和绘图以及数控加工，发展到辅助工程设计，模拟加工过程和 CAD/CAE/CAM一体化。
CAD技术带来的革命
（ 1）产品设计的模式
（ 2）产品的生产、制造
（ 3）产品质量
（ 4）市场竞争
主要研究内容
（ 1）图形处理是 CAD技术的基础，用以表达设计方案，从二维到三维。如实体造型、特征造型、
参数化特征造型。
（ 2）优化分析采用数值计算方法（有限差分、有限元、边界元）求解工程设计。如：结构应力应变计算优化（强度计算）；传热和流动分析（模具冷却系统、挤出定型模优化设计、
热流道浇注系统的热平衡计算、运用流动分析优化模具成型方案）；求解系统的动态性能。 e.g.三维造型软件（ PRO/E,UG和 I-DEAS）和专用软件（ HSC,Z-MOLD… ）。
在 CAD系统中引入,并行工程,的思想，已成为发展趋势。
（ 3）综合评价对完成的设计方案进行校核和评价，包括：尺寸校核；外观分析；碰撞（干涉）
试验（ e.g.新型液压系统的设计、装配、运动过程）；内部结构剖析（内应力、温度分析、翘曲）和加工中的缺陷预测（ e.g,熔体充模状态、气穴位置、挤出模中的熔体流速、吹塑加工中的吹破）
（ 4）信息交换
CAD之间,CAD与 CAM之间,CAD与 CAE之间,CAD与 CAPP之间、
CAD与 RPM之间以及通过 internet进行远程、异地的信息沟通与资源共享。
它基于数据交换标准，如 IGES,STEP,SAT等； CAD技术应研究如何更合理、更高效、更准确地交换数据。
1-2 CAD系统的类型及 CAD过程
1.类型
按功能分通用系统：（ PRO/E,UG,Solidworks,Euclid,I-DEAS,CADDS5、
MDT），通常包括线框、实体和曲面造型模块、装配与零件设计模块、有限元分析模块、数据交换与传输等）
专用系统：为特定的应用而开发的系统，通常只能用于一定的专业或用于解决某一类问题。如：冲模 CAD/CAM系统、注塑模 CAD/CAM系统、建筑装饰 CAD软件等）
按运行方式分交互式系统：以交互方式运行、由计算机检索数据、分析计算、绘图等，
用户利用键盘等交互输入参数、选择方案、修改设计、控制运行过程。
自动化系统：上述过程基本上不需要人的干预。
按硬件角度分主机系统、工作站系统、微机系统
按软件的开放性分交钥匙系统（ turn-key system)和可二次开发系统（ programmable system)
2.CAD过程设计中的大多数活动都可以用 CAD技术来实现，但尚有一些活动难以用 CAD技术实现，如设计的需求分析、可行性研究等，下图说明了设计过程与 CAD过程的关系：
市场信息 设计需求分析 可行性研究与分析概念设计设计分析设计优化设计建模和仿真设计评价设计结果
CAM加工
CAD过程
1-3 计算机辅助设计与传统人工设计比较
传统人工设计
计算机辅助设计
1-4 计算机辅助设计的优点人、机设计能力比较项目 人 计算机逻辑思维能力 有很强的设计想像力和判断力，
能凭借经验进行创造设计，学习快已系统化,格式化,一般无学习能力信息的组织和记忆存储能力信息的组织是自觉的，但不正规；
信息的记忆保存时间短，容量小信息的组织是正规的,详细的；存储时间长,容量大工作的适应能力工作时间过长时,效率下降,容易疲劳和出差错特别适合于从事重复性工作,可长期保持高效率,很少出错分析计算能力 直观分析能力强,数值运算能力差,速度慢没有直观分析能力,数值运算能力很强,速度快查错和纠错能力能直观地查找设计错误,并及时予以纠正；在纠错上具有很大的灵活性查错方式已系统化,受系统限制,
适应性差,很难自动纠正各种错误信息的输入输出能通过各种器官进行信息的传递,
形式多样,但速度慢已系统化,格式化,速度快人与计算机在 CAD中的作用人：
（ 1）控制设计过程（输入原始参数、方案选择、修改设计、控制设计进程）；
（ 2）人利用数值分析的结果和经验知识，作出决策判断；
（ 3）修改错误、修改设计；
计算机：
（ 1）数值计算（优化方法、有限元分析等）；
（ 2）数据存储与管理（从数据库中检索数据，免去人工查询手册）；
（ 3）图形绘制（绘图工作占设计总工作量的 60%左右）
（ 4）设计结果以图形或数据形式显示在屏幕上）
CAD的优点：
工作效率高，可以大大缩短设计周期
设计与分析统一，使产品质量在前期就得到保证
有利于设计制造的标准化、系列化和通用化
为后续工作提供必要的数据
1-5 CAD技术在材料加工中的应用
材料加工（成形）技术铸造、连接、塑性成形、热处理及表面改性、粉末冶金等单元或复合加工（成形）技术的总称。
材料加工 CAD技术是传统材料加工技术与计算机技术、控制技术、信息处理技术等相结合的产物。包括,铸造成型 CAD、塑性成形 CAD（包括板成形和体成形）,焊接成形 CAD,注射成型 CAD、型材挤出模 CAD等。
1-6 计算机辅助设计发展历史五个阶段,P8的表 1-2
1-7 计算机辅助设计的发展趋势
（ 1）微型化软硬件平台向微机工作站转移
（ 2） 集成化
CAD/CAE/CAPP/CAM/…… 的有机结合将促使设计和制造观念的更新。
a,与 CAE集成（优化技术的应用）
可以解决产品设计和工艺过程设计中的可靠性差的问题。 e.g 发展成型过程的计算机模拟技术，利用有限元和边界元等方法，分析材料加工成型过程。
b,与 CAM集成将 CAD的设计结果直接用于数控仿真和生成 NC代码，送数控机床进行自动加工。
c.与 RPM集成构成一个闭环快速产品开发系统，在并行工程（ CE）环境下，能够对产品设计进行快速评价、修改，以快速响应市场。
（ 3）网络化资源共享，协同攻关
（ 4） 智能化
Cax已不再是人类技术工作的简单重复
（ 5）柔性 化适应激烈的市场竞争；
（ 6）并行化企业的各项工作均以 PDM为基础展开
（ 7）标准化社会化大生产的要求
(8) 绿色化优化设计方案，减少废品率第二章 计算机辅助设计（ CAD）技术基础
2-1 计算机辅助设计系统的组成与分类
（ 1）基本组成
CAD/CAM系统硬件系统 软件系统计算机外围设备联网设备系统软件支撑软件数据库应用软件
（ 2）硬件要求
A,性能要求较高的图形输入、输出设备
B,较高的运行速度 —CAD软件中大量的复杂的数值计算
C,足够的外部存储空间 ---计算过程中大量的图形、图像、技术文件、优化分析结果、图形库、数据库和配套的应用软件
D,较好的网络性能 —设计网络系统的速度、稳定性、安全性等
（ 3）软件组成
（ A） 操作系统具有下述功能：管理 CPU；管理存储器；管理外部设备；管理文件；网络通信功能；其它为用户开发应用软件服务的特定功能。
（ B） 支撑软件主要功能：图形处理；三维产品建模；有限元建模与分析；机构运动分析；数据信息交换；工程数据管理；
二次开发工具。
（ C）数据库把手册和资料中的数表、线图数据事先存放在数据库中，
要求具有图形和非图形数据处理的能力。
（ D）应用软件面向用户（如某一企业、某一类产品或某一个工程），
如开目 CAD、大恒 CAD、华正 CAD、圆方 CAD、大方 CAD。
搬运机械 NC机床 机器人 自动测试装置
TCP/IP 网络主机扫描仪数字相机操作杆光笔鼠标键盘绘图仪打印机磁盘机
………..
CA
D/
CA
M
硬件系统的组成显示器
CAD/CAM系统的硬件布局形式独立式系统以一个主机为中心．可以支持多个终端运行，共享一个 CPU．这种系统的优点是用户共享主机系统的资源。系统可以配置较大的内存和外存，以及高精度、高速度、大幅面的图形输入输出设备；可以装备中心数据库．通过数据库管理系统集中管理和维护全部数据；可以运行规模较大的支撑软件和应用软件，设计、计算、绘图、分析等工作结合起来，进行复杂的作业。当增加新的用户，即增加较多的终端时．平均每个终端的投资相对较少。
主机系统缺点,一方面．当主机出现故障时．整个系统佳处于瘫痪状态．将会中断所有用户的作业；另一方面．当用户数量增加时．每个终端的处理速度及响应时间就会相应的减慢．尤其是在做复杂的分析或大量的数据运算时就更为明显。
工作站系统工作站是介于个人机与小型机之间的一种计算机、
通常具有较高的性能，支持高分辨率彩色图形显示器；
具有良好的人机界面；同时，还可支持高技术指标的外围设备及网络环境。近年来,工作站的性能价格比不断提高，已成为当前 CAD／ CAM的主要硬件环境
个人机系统个人机即通常所说的 PC机。与前述几类相比,PC机成本的，运算的速度和处理能力相对较低，但随着微机硬件技术的提高以及软件开发水平的提高,PC机上的
CAD/CAM系统也逐步显示出其独特的优势．一方面，
硬件配置与工程工作站的差距越来越小；另一方面,PC
机上 CAD系统已从单纯的简单计算、二维图形处理发展为具有三维交互设计、实体建模、有限元分析、优化设计等功能的综合设计系统。
分布式系统所谓分布式系统，是利用计算机技术及通讯技术将分布于各处的计算机 以网络形式联接起来．网络上各个结点可以是微机，也可以是 SUN,HP,SGI等工作站；网络上结点分布形式可以是星型分布、树型分布．也可以是环型分布。分布式系统的特点是系统的软、硬件资源分布在各个结点上。
每个结点有自己的 CPU和外部设备．使用速度不受网络上其它结点的影响。通过网络软件提供的通讯功能．每个结点的用户还可以享用其它结点的资源，例如．大型自动绘图仪、激光打印机等硬件设备，也能够共享某些公共的应用软件及数据文件。这类系统的配置和开发投资可以从小到大进行，易于扩展，有利于逐步提高 CAD／ CAM系统的技术性能：有利于各专业同时进行那些负责的、需要处理大量信息的工程工作。
CAD/CAM系统中，硬件应具有以下几项基本功能：
性能要求较高的图形输入、输出设备
较高的运行速度
足够的外部存储空间
较好的网络性能
CAD/CAM系统的软件计算机是按照程序和数据进行工作的，相对于计算机及其外围设备而言，这些程序、数据及相关的文档就是软件。软件着重研究如何有效地管理和使用硬件，如何实现人们所希望的各种功能要求，因此，软件水平的高低直接影响到 CAD/CAM系统的功能、工作效率及使用的方便程度，软件包含了管理和应用计算机的全部技术。 根据在 CAD/CAM系统中执行的任务和服务的对象的不同，可将软件系统分为三个层次；即系统软件、支撑软件和应用软件
系统软件：工作站为 UNIX，微机为 DOS,WINDOWS等
支撑软件：支撑软件是 CAD/CAM系统的核心，它不针对具体的设计对象，而是为用户提供工具或开发环境，
不同的支撑软件依赖一定的操作系统，又是各类应用软件的基础。一般包括以下几种类型：
绘图软件
几何建模软件
有限元分析软件
优化方法软件
数据库系统软件
系统运动学 /动力学模拟仿真软件
计算机辅助工程软件
应用软件：用户为解决实际问题而自行开发或委托开发的程序系统。应用软件的模块化结构不仅可以方便地调试和管理，而且可以提高使用的柔性、可靠性和经济性 对 CAD而言，按系统运行时设计人员介入的程度，以及系统的工作方式，可以将应用软件分为以下几种类型：
检索型
自动型
交互型
智能型检索型特点：以参数化设计技术为基础。
适用范围：设计已定型的、标准化的和系列化程度很高的产品。
检索型 CAD系统工作流程例如：设计滚动轴承 GB277-89
自动型,设计者预先将待解决的问题，建立数学模型，找到目标函数，将其求解过程编制成程序输入计算机，系统运行时，根据输入的参数自动进行数学模型求解，不需人的介入。 应用范围：事先能够用数学模型描述的一类设计问题
人机交互型特点：人的主导作用贯穿整个设计过程。
适用范围：从产品概念设计到产品最终设计。
输入设计要求建立产品模型分析优化模型细节与结构设计输出图样,
文档等评价数据库图形库程序库
Y
Y
N
到 CAM系统
智能型特点：利用知识库和推理机制完成设计工作。
适用范围：未来的 CAD系统。
智能型 CAD系统工作原理
CAD/CAM系统选择原则
CAD/CAM系统硬件选择不仅要适应 CAD/CAM技术发展水平，而且要满足它服务的对象，应以使用目的和用户所具有的条件（包括经费、人员技术水平等）为前提，
以制造商提供的性能指标为依据，以性能价格比及其适用程度为基本出发点，综合考虑各方面因素加以决策，
具体应考虑以下几个方面,?系统功能
系统的开放性和可移植性
系统升级扩展能力
系统的可靠性、可维护性与服务质量
CAD/CAM系统的软件选择原则软件性能价格比与硬件匹配二次开发环境开放性软件商的综合能力
2-2 几何造型技术几何造型－－利用计算机系统描述物体的几何形状，建立产品几何模型的技术。通过这种方法定义、描述的几何实体必须是完整的、唯一的，而且能够从计算机内部的模型上提取该实体生成过程中的全部信息，或者能够通过系统的计算分析自动生成某些信息几何造型的主要作用：
为图形的显示和输出提供信息；
为各种应用程序,（如，结构设计、受力分析、成型模拟、图形变换、
数控加工等）提供信息。
由于客观事物大多是三维的、连续的，而在计算机内部的数据均为一线的、离散的、有限的，因此，在表达与描述三维实体时，怎样对几何实体进行定义，保证其准确、
完整和唯一几何建模的方法：是将对实体的描述和表达建立在几何信息和拓扑信息处理的基础上。 几何信息：物体在空间的形状、尺寸及位置的描述；
拓扑信息：构成物体的各个分量的数目及相互之间的连接关系按照对这两方面信息的描述及存贮方法不同，三维几何建模系统可划分线框建模、表面建模和实体建模三种主要类型
(1) 线框造型线框造型 是利用基本线素来定义设计目标的棱线部分而构成的立体构架图。在计算机内部，存贮的是该物体的顶点及棱线信息，将实体的几何信息和拓扑信息层次清楚地记录在顶点表及边表中。
线框造型特点,采用线框建模的描述方法所需信息最少．数据运算简单。所占的存贮空间也比较小．另外．这种建模方法对硬件的要求不，容易掌握．处理时间较短。
但是，线框建模也有局限性。一方面．线框建模的数据模型规定了各条边的两个顶点以及各个顶点的坐标．这对于由平面构成的物体来说．轮廓线与棱线一致、能够比较清楚地反映物体的真实形状．但是对于曲面体，仅能表示物体的棱边就不准确了。例如表示圆柱的形状．就必须添加．对有些轮廓就必须描述圆孤的起点、终点、圆心位置、
圆弧的走向等。另一方面，线框建模所构造的实体模型．只有离散的边．而没有边与边的关系．即没有构成面的信息．由于信息表达不完整，在许多情况下．会对物体形状的判断产生多义性。由于建模后生成的物体所有的边都显示在图形中．而大多数的三维线框建模系统尚不具备自动消隐的功能．因此无法判断哪些是不可见边，哪些又是可见边。对同一种线框模型．难以准确地确定实体的真
（ 2）曲面造型
基本曲面能够用初等数学解析式描述的曲面。
例如：
轨迹曲面由二维曲线在三维空间运动的轨迹所构成的曲面。
拉伸表面 Extruded Surface（路径是直线）
旋转表面 Revolved Surface
扫动曲面 Swept Surface
截面曲线沿由任意空间曲线代表的路径移动而构成的曲面。
路径可以有多条（如 6,7），截面曲线也可以有多条（如 1～ 5）。
蒙皮曲面覆盖在一组线条上的曲面称为蒙皮 Skin。
规则表面 Ruled Surface
由 两条互不相交的空间曲线扩展而成的规则表面。
平坦表面 Planar Surface
由封闭的二维线框构成的表面。
其它曲面如：孔斯（ Coons） 曲面,Bezier曲面,B样条曲面,非均匀有理样条
(NURBS)曲面等。
优点：可以描述各种各样的面（如，平面、二次曲面和自由曲面等）；
便于曲面求交线和进行几何体的消隐处理，能够为 CAM提供加工信息。
缺点：对面存在于物体的哪一侧定义不明确；无法判断建立的物体是实心体还是壳体，难以对表面模型进行物性分析。
（ 3）实体造型线框建模和表面建模在完整、准确地表达实体形状方面各有其局限性，要想唯一地构造实体的模型，还需采用实体建模的方法 。
实体建模的原理实体建模的标志，是在计算机内部以实体描述客观事物．利用这样的系统，一方面可以提供实体完整的信息，
另一方面，可以实现对可见边的判断，具有消隐的功能。
实体建模是通过定义基本体素，利用体素的集合运算或基本变形操作实现的，其特点在于覆盖三维立体的表面与其实体同时生成．由于实体建模能够定义三维物体的内部结构形状．因此，能完整地描述物体的所有几何信息，是当前普遍采用的建模方法实体生产的方法按照物体生成的方法不同，实体建模的方法可分为体素法、扫描法等几种．
1．体素法体素法是通过基本体素的集合运算构造几何实体的建模方法。每一基本体素具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维物体．体素法包含两部分内容；一是基本体素的定义与描述，二是体素之间的集合运算．常用的基本体素有长方体、球、圆柱、圆锥、圆环、锥台等．如图所示．
描述体素时，除了定义体素的基本尺寸参数外，例如长方体的长、宽、高，圆柱的直径、高等，为了准确地描述基本体素在空间的位置和方向，还需定义基准点，以便正确地进行集合运算．体素间的集合运算有交、并、差三种．以两个三锥体素为例．运算结果如图所示．
2．扫描法有些物体的表面形状较为复杂．难于通过定义基本体素加以描述．可以定义基体，利用基本的变形操作实现物体的建模．这种构造实体的方法称为扫描法．扫描法又可分为平面轮廓扫描和整体扫描两种。
平面轮廓扫描是一种与二维系统密切结合的方法．由于任一平面轮廓在空间平移一个距离或绕一固定的轴旋转都会扫描出一个实体，
因此，对于具有相同截面的零件实体来说，可预先定义一个封闭的截面轮廓．再定义该轮廓移动的轨迹或旋转的中心线、旋转角度．就可得到所需的实体，如图所示。
所谓整体扫描就是首先定义一个三维实体作为扫描基体，
让此基体在空间运动，运动可以是沿某方向的移动．也可以是绕某一轴线转动．或绕一面的摆动，运动方式不同．生成的实体形状也不同，如图所示．整体扫描法对于生产过程的于涉 验，运动分析等有很大的实用价值．尤其在数控加工中对于刀具轨迹的生成与检验方面更具有二要意义。
概括地说，扫描变换需要两个分量，一个是被移动的基体．另一个是移动的路径。通过扫描变换可以生成某些用体素法难于定义和描述的物体模
优点：对各侧面有明确的定义（与法矢量方向一致为外侧面，相反为内侧面）；能够唯一的表现物体；有利于物性分析和有限元分析。
缺点：数据量大，数据结构复杂，且缺乏明确的工程意义。
（ 4） 特征造型技术
A.传统造型的不足,只含物体的几何信息和拓扑信息。 P20
B.特征造型,
定义：将特征作为产品描述的基本单元，并将产品描述成特征的集合。
每一个特征，通常又用若干属性来描述，以说明形成特征的制造工序类别及特征的形状、长、宽、直径、角度等满足生产的要求。
除几何信息和拓扑信息外，还包含能反映物体特点（属性）的非几何信息等,e.g 尺寸公差、工艺（表面）处理、制造信息。
C.功能要求
# 参数化设计功能
# 基于特征设计思想
# 采用通用数据交换标准特征的含义－－反映产品零件特点、可按一定原则分类的产品描述信息。
例如：
产品特征孔类槽类下陷类凸起类台阶类边过渡通孔盲孔通槽盲槽
－－直通孔、锥通孔、沉头通孔等
－－盲直孔、盲锥孔、盲沉头孔、盲螺纹孔等
－－ T型,V型、燕尾槽、圆弧槽等
－－键槽等
－－矩形凹陷、弧形凹陷、环形凹陷等
－－圆柱凸起、矩形凸起等
－－矩形台阶、内外园台阶、斜台阶等
－－倒角、园角等基体类 －－板、块、柱、锥、环、球等右图零件的特征描述：
特征造型的主要优点：
使造型对象更具工程意义（如，模板、型腔、通孔等）；
将尺寸、公差、表面粗糙度和热处理等属性信息附着在零件的几何特征上，为零件加工提供统一的数学模型。
型腔板模板矩形槽直通孔材料、热处理、尺寸精度、形位公差、表面粗糙度等尺寸精度、形位公差、粗糙度等精度、粗糙度等
2-2-3 参数化造型技术造型对象的几何形状、拓扑结构固定，但尺寸不固定；改变尺寸即改变对象的大小。
通用性较差。适合于标准件、通用件和系列件的设计与绘图。
例如：
2-2-4 约束变量驱动造型技术组成几何对象的各图素之间存在约束（尺寸、形状、位置等）。适合于草图设计、装配设计和方案选型等场合。
x
y
R
② 局部求解边作图边记录约束条件（用特征树维持约束）
例如右图零件：
零件板圆角凸台通孔
③ 几何推理利用专家系统，检查约束的有效性。如上图，判断孔和凸台是否超出板的边缘。
④ 辅助线求解利用辅助线作为约束条件。下图的对称线即为约束条件，两孔中心必须以垂直中心线对称，并与水平中心线共线。
CAD
工程数据库管理系统
CAE
CAM
专家系统技术优化设计方案零件信息改进零件结构
NC指令
CAD/CAE/CAM系统功能模型图设计任务书用户需求产品模型
CAD/CAE/CAM一体化技术
2-3 产品数据交换技术产品数据 不仅包括产品模型的几何图形数据，还包括制造特征、尺寸公差、材料特性、表面处理等非几何数据。
产品几何描述,如线框表示、几何表示、实体表示以及拓扑、成形及展开等,
产品特性,长、宽等体特征；孔槽等面特征；旋转体等车削件特征等；
公差,尺寸公差与形位公差；
表面处理,如喷涂等；
材料,如类型、品种、强度、硬度等；
说明,如总图说明等．
其他,如加工、工艺装配等。
产品数据交换标准 是为实现不同的 CAD系统之间以及 CAD
／ CAM内部信息集成，与硬件设备无关的通用标准化软件产品数据 是指定义某一零部件或构件所需要的几何、拓扑、
公差、关系、性能和属性等数据。
产品数据的内容：
借助统一的产品数据模型和工程数据库管理系统进行交换
CAD/CAM
系统 A
统一的产品模型和数据库管理系统
CAD/CAM
系统 B
2-3-1 产品数据交换途径：
借助专用或标准（中性）文件进行交换（ P25）
CAD/CAM
系统 A
专用或标准文件
CAD/CAM
系统 B
2-3-2 常用产品数据交换标准简介
（ 1）图形数据交换规范 IGES（ Initial Graphics Exchange Specification）
由美国国家标准局 （ NBS） 主持成立的由波音公司和通用电气公司参加的技术委员会于 1980年编制出的初始图形信息交换技术规范。它开创了国际性的 CAD／ CAM技术的数据交换文件格式标准化工作。我国于 1993年 9月将 IGES 3.0作为国家推荐标准。
IGES模型 指用于定义某产品的实体的集合。定义 IGES模型就是通过实体，对产品的形状、尺寸以及某些说明产品特性的信息进行描述。
实体 是基本的信息单位。它可能是单个的几何元素，也可能是若于个实体的集合。实体可分为几何实体和非几何实体。
几何实体 定义与物体形状有关的信息，包括点、各种类型的曲线、曲面、体以及结构相似的实体所组成的集合。
IGES 4.0中包括几何定义、有限元模型和 CSG模型。
非几何实体 提供将有关实体组合成平面视图的手段，并用注释和尺寸标注来丰富此模型。此外。它还可向单个实体或一个实体组合提供特有的属性或特征、组合实体的定义和实例。非几何实体又分为两类；注释 ——提供信息的
IGES 文件结构特征段 Flag Section：表示数据的存储格式；
起始段 Start Section：文件序言；是对文件的介绍，供人阅读全局段 Global Section：为前、后置处理程序提供的接口信息；
实体索引段 Directory Entry Section：检索实体的入口；
参数数据段 Paramenter Data Section：每个实体的记录；
结束段 Terminate Section：归总起始段、全局段、实体索引段和参数数据段中的记录数。
IGES 在交换产品数据中存在的问题
IGES定义的实体主要是几何图形方面的信息，其他信息交换不充分。
交换复杂图形时容易丢失某些信息（部分语法结构不统一造成）；
交换文件占用的存储空间较大，数据处理时间较长。
STEP采用统一的产品数据模型以及统一的数据管理软件来管理产品数据，各系统间可直接进行信息交换，它是新一代面向产品数据定义的数据交换和表达标准，它采用
EXPRESS语言描述信息模型，便于表示复杂实体，表达形式统一；另外 STEP采用应用协议（ Application Protocol）
来保证语义的一致性．应用协议说明了如何用 STEP标准的集成资源来解释产品数据模型以满足工业需求，即根据不同应用领域的实际需要，选定标准的逻辑子集或加上必须补充的信息作为标准强制地要求各应用系统在交换、传输与存储产品数据时符合应用协议的规定。
（ 2）产品模型数据交换标准 STEP
Standard for the Exchange of Product Model Data
STEP技术 提供一种不依赖于具体系统的中性机制，它规定了产品设计、开发、制造，以至于产品全部生命周期中所包含的诸如产品形状、解析模型、材料、加工方法、组装分解顺序、检验测试等必要的信息定义和数据交换的外部描述、
因而 STEP是基于集成的产品信息模型。
STEP的应用范围非常广泛。 STEP的标准内部划分成许多子标准，其内容分别涉及几何、拓扑、外形表示、特征、外形表示接口、公差、材料、产品数据表示、绘图、机械产品结构、建筑工程结构、船舶模型、电子产品、有限元分析以及数据转换等。以后的版本又增加运动机构、标准零件、工艺规模、质量管理、加工制造、测试和产品寿命等内容。
特点,采用统一的产品数据模型和统一的数据库管理系统来定义和管理数据，可以在各 CAD/CAM系统之间直接交换信息。
（ 3） DXF文件交换格式（ 一个事实上的图形文件交换标准）
AutoCAD
DXF out命令 生成 DXF文件 程序读 DXF文件
AutoCAD
DXF in命令 读入 DXF文件 程序生成 DXF文件其他 CAD系统或计算程序
DXF文件结构
标题段 HEADRER
图形文件当前的工作环境设置记录；
表段 TABLES
当前图形编辑的支撑环境记录：视口表 VPORT、线型表 LTYPE、图层表 LAYER、字体表 STYLE、视图表 VIEW、用户坐标系表 UCS、尺寸标注式样表 DIMSTYLE和应用程序标识表 APPID；
块段 BLOCKS
图块记录；
实体段 ENTITIES
实体（类型、几何参数等）及其属性（实体所在图层、线型、颜色等）的记录；
结束段 END OF FILE
一条记录，即 0 EOF。
记录组成,组码＋码值
组码（正整数） 定义记录类型，如,6－线型名,20－ y 坐标初始值，
等等；
码值（实数、字符和字符串） 对应组码所从事的工作，即记录产生当前图形的每一步细节。
如,0 实体
CIRCLE 圆
5 半径
40
100 圆心坐标（ x,y,z）
0
STL 类型文件 是 CAD／ CAM中广泛使用的一类三维空间造型存储文件，它最初来源于快速成型技术及反求工程，
目前几乎所有的三维造型软件都具有输出此类文件的功能。
该类文件主要的优势在于简单、适应性好，即可以输出各种类型空间表面。文件中只包含有相互衔接的三角形面片节点坐标及其外法矢，属于,中性,文件，可以在不同的
CAD／ CAE／ CAM系统进行转换。尽管 IGES,STEP类型文件也具有很好的描述空间造型的能力，但在不断变化的空间表面描述上 (金属塑性成形过程 )，目前只能采用三角形或四边形描述，也就是说只能采用将任意空间表面离散成网格，以三角形网格形式输出、存储。
（ 4） STL文件交换格式利用 STL数据格式表示立体图形的方式较为简单，对于任何一个独立的空间实体，都可借助其表面信息进行描述，而表面信息则是由许许多多空间小三角面片的逼近体现出来，通过记录各小三角面片的顶点和法向矢量信息来间接描述原来的立体图形。
STL数据遵循的规则有：
共顶点规则：每一个三角面片必须与每个相邻的三角面片共用两个顶点，即一个三角面片的顶点不能落在相邻的任何三角面片的边上；
取向规则：单个面片上的法向量满足右旋定则，其正向必须朝着实体外侧，且与相邻面片的法向量协同（即如果将两个相邻面片合并成一个曲面、则两个面片的法向应该指向曲面的同一侧）；
充满规则，三角面片必须布满三维模型的所有表面，不得有任何遗漏；
取值规则，每个顶点的坐标值必须是非负的，即 STL实体应该在第一象限。
2-4 计算机辅助工艺规程设计 （ CAPP）
1 工艺规程设计的任务工艺规程设计是工厂工艺部门的一项经常性技术工作是生产技术准备工作的第一步，也是连接产品设计和产品制造的桥梁。以文件形式确定下来的工艺规程是进行工艺装备制造和零件加工的主要依据，它对组织生产、
保证产品质量、提高生产率、降低成本、缩短生产周期、
改善劳动条件都有着直接的影响 是生产中的关键性工作。
工艺规程设计的主要任务 是为被加工零件选择合理的加工方法、加工顺序、工、夹、量具，以及切削条件的计算等，使能按设计要求生产出合格的成品零件 。
主要内容有：
选择加工方法和采用的机床、刀具、夹具及其它工装设备
安排合理的加工顺序
选择基准，确定加工余量和毛坯，计算工序尺寸和公差。
选用合理的切削用量。
计算时间定额和加工成本。
编制包含上述所有资料的工艺文件。
其核心内容是选择加工方法和安排合理的加工顺序。
传统的工艺规程设计方法工艺规程设计处于产品设计和制造的接口处，需要分析和处理大量信息。既要考虑产品设计图样上有关零件结构形状、尺寸公差、材料、批量等方面的信息，又要了解制造中有关加工方法、加工设备、生产条件、加工成本、工时定额，甚至传统习惯等方面的信息、各种信息之间的关系又极为错综复杂，设计工艺规程时必须全面而周密地对这些信息加以分析和处理。
传统的工艺规程设计缺点：
耗时长期以来，传统的工艺规程设计方法一直是由工艺人员根据他们多年从事工厂生产活动而积累起来的经验，以手工方式进行的。这包括查阅资料和手册，进行工艺计算，绘制工序图，填写工艺卡片和表格文件等工作、其中，花费在书写工艺文件上的时间占 30％，工艺规程的设计质量完全取决于工艺人员的技术水平和经验。质量不易保证经验是一种宝贵的知识，但经验需要较长时期的积累，
而且，由于每个工艺人员的经验有限，习惯不同，技术水平也不一样，因而用手工编制的工艺规程缺乏一致性，
很难得到最佳的制造方案。对同样的零件由不同的工艺人员设计，会得出多种不同的工艺方案。因此，依靠个人经验。用手工方式设计的工艺规程一致性差，质量不稳定，难以达到优化的目标。
重复性劳动多 当工厂生产一个产品时，每个零件都要设计一个工艺规程，当产品更换时，原有的工艺规程便不再使用，必须重新设计一套新产品的工艺规程,当产品更换时，原有的工艺规程便不再使用，必须重新设计一套新产品的工艺规程，即使新产品中的某些零件与过去生产的零件相似或相同 也必须重新设计。其主要原因是工艺部门的管理问题 工艺人员不能充分利用过去设计的工艺规程。
根据成组技术原理，各种机械产品中的许多零件都在一定程度上具有相似性，所以它们的工艺规程也具有一定的相似性，而不是每一个零件都必须设计一个工艺规程。
实 例
某机床厂原来用 377个工艺规程制造 425种齿轮零件 应用成组技术对齿轮和工艺规程进行仔细分析后，发现可以只用 71种标准工艺规程就可以生产出 425种齿轮。
某工厂，要在 10个星期内投产制造 2100种零件，是否需要设计 2100个工艺规程呢？后经统计发现，虽然投入生产的零件品种数不断增加，但很多零件有相似性，真正不同的工艺规程的增长率在下降、实际上最后可归纳为
1200个工艺规程。从上述两个例子可以看到，生产的零件品种数和工艺规程数并不存一一对应的关系。目前工艺规程设计中存在的重复性和多样性，不仅本身是一种浪费，而巨还影响到工装设备的制造和使用，并直接影响产品的投产速度、交货日期、成本核算和企业的竞争能力。
综上所述，传统的工艺规程设计方法已不适应当前产品品种多样化、更新换代日益频繁的生产形势、现今在机械制造领域中，由于新工艺新技术的飞速发展，社会需求趋向于多样化，产品更新周期日益缩短，多品种小批量生产的企业大量增加。
设计部门 （ CAD） 和制造部门 (CAM)都普遍采用了高度自动化的技术，只有工艺设计工作仍然处于手工操作。
凭经验办事，效率低下的状态，再加上熟练的工艺人员正日益短缺 工艺设计已成为机械制造系统中的瓶颈，不能适应当今生产发展和经济改革的需要。为此 必须寻找新的工艺规程设计方法，代替原来的手工劳动，以提高工艺设计的工作效率，缩短生产准备周期，降低工艺设计费用。
3 利用计算机实现 CAPP (Computer Aided Process Planning)
随着电子计算机技术的发展和在机械制造领域中的广泛应用，为工艺规程设计提供了理想的工具、工艺规程设计主要是在分析和处理大量信息的基础上进行选择（加工方法、
机床。刀具、加工顺序等）、计算（加工余量、工序尺寸、
公差、切削参数、工时定额等）、绘图（工序图）以及编制文件等工作，而计算机能有效地管理大量的数据，进行快速、
准确的计算和各种形式的比较、选择，能自动绘图和编制表格文件。这些功能恰恰适应工艺规程设计的需要，于是出现了计算机辅助工艺规程设计（ Computer Aided Process
Planning ），简称 CAPP。这样一种新技术。
CAPP不仅能实现工艺设计自动化，还能把生产实践中行之有效的若干工艺设计原则与方法，转换成工艺设计决策模型，建立科学的决策逻辑。把长期从事工艺设计工作的人的经验传授给初参加工作的人，编制出最优的制造方案。
派生法 （ Variant）
根据成组技术的原理将零件划分为相似零件组，按零件组编制出标准工艺规程，并以文件的形式贮存在计算机中。当要为新零件设计工艺规程时，输入该零件的成组技术代码，由计算机判别零件属于哪一个零件组，检索出该零件组的标准工艺规程，再根据零件的结构形状特点、尺寸公差，进行编辑修改，获得适合于该零件的工艺规程。
通常调用 标准工艺文件，确定加工顺序，计算切削参数、
加工时间或加工费用 都是由计算机自动进行的。
创成法 （ Generative）
不以原有的工艺规程为基础，在计算机软件系统中收集了大量的工艺数据和加工知识，并在此基础上建立了一系列的决策逻辑，形成了工艺数据库和加工知识库。当输入新零件的有关信息后，系统可以模仿工艺人员，应用各种
CAPP系统的工作原理
2-4 专家系统与有限元优化技术
2-4-1 专家系统的基本概念人工智能 ---研究的是怎样利用机器模仿人脑从事推理、规划、设计、思考、
学习等思维活动，解决迄今认为需由专家才能处理好的复杂问题。即由计算机来表示和执行人类的智能活动。可以从 3个方面来理解人工智能系统（ 1）
从完成的主要功能看，分为视觉系统、听觉系统、专家系统、自动程序设计系统等；（ 2）从系统完成思维活动的抽象过程看，是一个广义问题求解系统；
（ 3）从处理对象看，是一个知识信息的处理系统。
专家系统 （ Expert System） ---是 人工智能的一个分支，是指在某个领域内能够起到人类专家作用，具有大量知识和经验的智能系统。是一种问题求解的智能软件系统。
专家系统的实质,知识＋推理专家系统结构：
人机接口解释系统 推理机 中间数据库知识库知识库开发系统用户 知识应用专家知识获取
知识库 (Knowledge Base)
存放专家知识和经验的特殊数据库。
推理机 (Inference Machine)
控制、协调专家系统工作的一组程序。
正向推理和反向推理
解释系统 (Explanation System)
解释系统的推理结果，回答用户问题。
知识获取系统 (Knowledge Acquisition)
将存储在人类专家头脑中的知识和经验提取出来，经验证后转存于系统的知识库中。
人机接口 (Interface)
人、机对话界面。
中间数据库 (Temporary Database)
用于存放推理过程的中间结果或论据的临时数据库。
例如,
零件加工回转件 非回转件孔 外圆表面螺纹孔 光孔钻,(镗 )
车内螺纹钻 钻、铰 钻、镗、
磨精密铸造车
>0.1 >0.01 <0.01
铣削
2-4-2 知识工程
1,产品设计 ---从信息处理的观点来看，是建立一个满足要求的模型结构和形状表示，记叙设计和制造对象所应具有的性质、动作和功能等。为此，必须有某种描述性语言可用来描述。此外，对于结构、形状的表示，除了可用于提取制造信息外，还应该包括可查明其外观和质感的显示信息，并以此为依据进行评价，确认模型是否满足要求。由此可见，产品设计实际上是一个围绕产品模型的反复评价和多次修改的动态过程。
2,知识库 +演绎取代传统的,数据库 +检索,的功能用于设计。其实现大致有 2种方法,（ 1）
一是按要求条件提供模型的部分结构，直接参与建造模型；（ 2）积蓄各种技术信息及使用方法，从候选的结构组中尽快去掉实现可能性较小的结构形式。
3,当前建造智能化 CAD系统的基本条件,P31
2-4-3 知识表示知识表示 ---是人工智能研究中的重要领域，是一个知识获取并应用知识的过程。而知识必须要有适当的表示形式才能在计算机中存储、
检索、使用和修改。亦即：研究如何存储信息的数据结构和智能地管理这些数据结构以进行推理的过程。
(1) 谓词逻辑表示法主要是运用命题演算和谓词演算等知识来描述事实。
例如：盐是咸的 海水中溶有大量的盐 所以海水是咸的
(2) 语义网络表示法由结点 (事实或结论 )和表示结点间关系 (推理 )的有向线段构成的知识描述方法。
例如：
(3) 框架表示法由结点 (槽 Slot)和无向线段组成的一种分层次的知识结构表示法，其最上层结点代表给定情况下总是成立的事实，而下层结点存放特定的参数、文字、数据或其它框架的内容。
例如：
AFO,A Feature Of
内孔 H1框架的 PROLOG语言描述：
Frame( ―内孔 H1‖,/*框架名（特征名）
[slot( ―AFO‖,[value[ ―内倒角” ]]),/*定义子框架（子特征）
slot( ―特征编码”,[default[ ―hole‖ ]]),
slot( ―孔径”,[value[ ―70‖ ]]),
slot( ―开始位置”,[value[ ―0‖ ]]),
slot( ―结束位置”,[value[ ―25‖ ]]),/*孔深＝开始位置－
结束位置
slot( ―Ra‖,[if_needed( ―solve_Ra‖ )]),/*表面粗糙度由规则 solve_Ra确定 */
slot( ―加工方法”,[if_needed( ―solve_Hole‖ )]),/*加工工艺由规
(4) 产生式表示法该法用,IF……THEN……‖ 的形式表述知识。
例如,IF
注射时给定树脂的塑料熔体不能充满型腔
THEN
适当提高熔体温度，或加大注射压力，或 ……
（ 5） 面向对象的知识表示法面向对象含义,知识（数据）和处理方法（功能）的统一体。知识 是对象的内部状态、事实的静态特征属性描述；知识处理方法表现为动态智能行为，即获取知识、
推理、消息传递和更新知识等。
面向对象方法的特点：
抽象性
封装性
继承性
多态性利用面向对象方法表述知识和知识处理方法举例
Class Rule{
public:
Rule(); // 建立规则
~Rule(); // 取消规则
void far load(); // 读取规则
void far save(); // 将规则存入知识库
private:
char *ID; // 规则编码
char *premise(); // 前提
char *conclusion(); // 结论
double certainty; // 置信度
static int num; // 使用频率
……
}
2-4-4 设计型专家系统框架 P33
1 适合专家系统的领域,（ 1）解决问题的方式 —经验 +判断推理； （ 2）
解决问题的过程 ---涉及数值计算、符号推理，使用“启发”、“规则”、
“策略”；（ 3）专家经验。
2 设计型专家系统的开发：
2-4-5 有限元分析优化技术
(1) 问题的提出（以结构设计为例）
结构设计通常要解决的两类问题
强度 经典分析法（如材料力学）：
刚度 经典分析法（如弹性力学）：
][max
,f
例如：深筒拉伸当 d 很小时，凸模（成型杆）
的强度和刚度能否满足要求？
经典分析法的弱点：
（ 1）靠经验类比（公式中的各种系数）与较大的安全系数来确定结构尺寸和用材；
（ 2）对结构动特性和耦合特性的分析基本无能为力；
（ 3）对设计结果难以把握，一般要通过实验来验证。
(2) 有限元分析 (Finite Element Analysis,FEA)的基本思想将一个连续体的求解区域离散（剖分）成有限个形状简单的子区域（单元），各子区域相互连接在有限个节点上，承受等效节点载荷（应力载荷、温度载荷、流动载荷、磁载荷等）；根据“平衡,条件分析并建立各节点的载荷场方程，然后将它们组合起来进行综合求解，以获得对复杂工程问题的近似数值解。
(3) 有限元分析过程（以结构分析为例）
几何参数 载荷 边界条件 材料性能前置处理求解后置处理节点位移清单应力值清单位移图形显示等值线图形显示单元颜色变化图动态图形显示建立有限元模型有限元分析分析结果的判定
(4) 有限元分析的前后处理
A,两种类型,P36
B,前处理
1）生成有限元网格；
2）节点的优化排序；
3）生成有限元属性数据；
4）生成输入数据文件。
C,后处理
1）对计算结果的加工处理；
2）计算结果的图形显示；（有：结构变形图、等值线图、主应力迹线图、等色图）
颜色表示应力分布，形状改变表示弹性形变情况：
例如：分析一端固定，一端受静力的零件上应力和应变分布情况还可以用动画表示应力和形变的传播：
2-4-6 仿真模拟技术
(1) 基本概念
1）仿真的必要性,P37
2）计算机仿真 (Simulation)：利用计算机进行产品的概念设计、结构设计和模拟仿真，并优化此结果。 Or:
CAE技术。
3）仿真的优缺点,P38
4） 计算机仿真的关键技术：
建立仿真对象的数学模型
求解数学模型，并将结果显示出来
(2) CAD/CAM系统中仿真技术的应用
产品外形与装配关系仿真
机构运动仿真
加工过程和试验过程仿真
生产过程仿真
热加工过程仿真产品外形仿真装配关系仿真铸件在砂型中冷却时的温度变化仿真冲压模具工作过程仿真零件数控铣仿真
(3) 数字仿真基本方法
建立数学模型定量描述仿真对象固有特性，及其在外界作用下动态响应。
建立仿真模型在给定数学模型的基础上，设计出求解数学模型的算法。
编写相应的仿真程序根据仿真模型编写计算机程序。
设置时间间隔设置当前状态和下一个状态的时间间隔，计算每一个状态下的结果，最终形成时间序列对应的整体过程。
动态显示仿真结果
2-4-7 虚拟现实技术 (Virtual Reality)
(1) 含义一种高逼真地模拟人在自然环境中视觉、听觉、触觉和动感等行为的人机界面技术。
(2) VR典型结构
(3) VR基本特征
o 多感知性 (Multi-Sensory)
o 存在性 (Presence)
o 交互性 (Interaction)
o 自主性 (Autonomy)
(4) VR的关键技术和研究内容
动态环境建模技术
实时三维图形技术
立体显示和传感技术
应用系统开发工具
系统集成技术第三章 计算机辅助制造（ CAM）技术基础工业化国家经济总产值的 50%（日本）至 68%（美国）是由制造业创造的，制造业对发展国家经济有决定性的影响，而发展机床业是发展制造业的根本。
数控机床是典型的机电一体化产品，是现代制造业的主流设备，是体现现代机床技术水平、现代机械制造业工艺水平的重要标志，是关系国计民生、国防尖端建设的战略物资。
2002年，我国机床市场消费额达 59亿美元，成为世界第一。我国数控机床总量供给能力不凡，产品品种无重要缺门空白，数控机床进入成熟期。但与先进国家相比尚有 30-50年的差距。
机床数控化率 <10%，数控机床应用水平较低。
3.1 数控加工及数控技术基础知识
（一）数控加工的基本概念
（ 1）数控（ NC）的含义数控：是数字控制（ Numerical control ）的简称，通常称为 NC，是用数字信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种控制方法。
数控系统中的译码、处理、计算公式和控制的步骤一般都是通过预先设计好的，是专门用于数控的专用微型计算机来实现的，所以 NC也称为硬件控制，反之采用小型通用计算机或微型计算机来实现控制的称为软件控制，简称为 CNC (Computer Numerical Control)
要求高效、稳定、可靠、开放类型电子管晶体管集成电路小型计算机微处理器工控 PC机硬件连接数控系统（ NC系统）
软件数控系统
（ CNC系统）
（ 2）数控系统要求、类型及性能评价指标
（ 3） 数控技术发展
1949
1955
1959
1960
麻省理工学院开始研制,1952
研制成功美国空军，两年后数控机床商品化晶体管元器件,APT
德国，日本开始研究
1965 小规模集成电路
NC机床
1970 美国 INTEL公司开发和使用了微处理器数控加工的优点：
加工精度高，质量稳定可靠；
自动化生产，效率高，周期短；
可直接从 CAD系统中提取数据，保证数据处理的一致性；
减轻劳动强度
改善劳动条件
有利于生产管理
（ 4）数控加工的含义一种在数控机床上加工零件的工艺方法。
实质：用数控装置（系统）代替 人 操作机床进行零件加工的一种自动化加工方法。
1.批量小而又多次重复生产的零件；
2.几何形状复杂的零件；
3.贵重零件加工；
4.需要全部检验的零件；
5.试制件。
（ 5）数控加工的适用范围
（ 6）数控加工工作流程（ P204）
零件图的加工工艺设计数控程序编制数控系统处理信息伺服系统转换放大信号执行部件动作位置检测提取加工信息将程序读入系统脉冲指令 驱动工作台实际位移量的信息反馈
（ 1）组成输入装置数控系统伺服系统机床执行部件指令 驱动位置、速度反馈温度反馈
2 数控机床的组成与分类输入介质
控制介质数控加工时，所需的各种控制信息要靠某种中间载体携带和传输，这种载体称为控制介质。在控制介质上保存着加工零件所必需的全部操作信息和刀具及工件移动的信息，它记载着零件的加工程序。
控制介质有：穿孔纸带、磁带或磁盘?数控装置
伺服系统
机床主机主机是数控机床的主体，包括车身、箱体、导轨、主轴、进给机构等机械部件人造大理石床身（混凝土聚合物）
天然大理石床身数控机床应有更小的热变形控制热变形的措施：对机床热源进行强制冷却，采用热对称结构。
对机床热源进行强制冷却对机床热源进行强制冷却热对称结构立柱机床排屑系统数控机床运动件之间的摩擦要小，要消除传动系统的间隙，达到低速时无爬行，高速时快速响应。
MOV2 进给运动,wmv
数控机床应有更好的宜人性（人机关系及环保）
便于操作的机床结构
（ 2）分类点位控制数控机床按加工功能 直线控制数控机床轮廓控制数控机床按工艺用途分类数控铣床加工中心线切割机床点火花机床立式数控车床卧式数控车床立式数控铣床卧式数控铣床快走丝电火花线切割机床工作台移动式电火花机床工作台固定式电火花机床固定立柱立式加工中心滑枕立式加工中心
O形整体床身立式加工中心
MOV3 五坐标高速加工中心
3 数控机床工作过程加工准备阶段机床调整阶段程序调试阶段试切加工阶段正式加工阶段检测
4 工件轮廓生成法工件的真实轮廓由机床执行部件的运动轨迹插补生成。
y
x0
y
x0
插补类型（按脉冲当量的分配形式）：
直线插补－－沿直线分配脉冲。
圆弧插补－－沿圆弧分配脉冲。
其它插补类型（如，抛物线插补、高次曲线插补，
等等）
插补运算－－求解逼近轨迹上各点 ( x,y ) 坐标的数学运算。
脉冲当量－－机床执行部件单位位移量，用于控制插补精度。
通常，脉冲当量值由数控机床的加工精度决定。
自动插补运算直线插补：只输入执行的起点和终点坐标。
圆弧插补：输入圆弧起点、终点和圆心坐标（或半径值）
由事先规定的圆弧角正负值来确定半径位于弧的哪一边常见数控系统
SIEMENS FANUC
立式数控铣床
（一） 数控加工程序编制的内容与步骤
编制程序的目的：
用程序去实现数控加工的全部工艺规范。
内容与步骤分析零件几何形状、尺寸和精度要求分析零件图 选择工夹具、
确定装夹方式、
加工路线和切削用量等确定工艺过程 根据零件图和加工路线计算基点和节点等数控关键数据数值计算按数控系统要求的格式编写程序编写程序单 制备信息载体校对检查信息载体试加工修改
3.2 数控（铣床）编程方法
（二） 编程方法
手工编程熟悉数控代码及编程规则对编程人员的要求 具备机械加工工艺知识（一切 CAM人员必备！）
具备数值计算能力
自动编程（ 2种模式）
（ 1）以自动编程语言为基础编程人员依据所用数控语言的编程手册和零件图样，以语言的形式表达出加工的全部内容（ 加工原始数据和加工指令），输入计算机中进行处理，得到可以直接用于数控机床的 NC代码。
（ 2）以计算机绘图为基础在对话方式下，完成零件图定义、走刀路线的确定、加工参数的选择。 P236
自动 编程的信息处理过程
（ 1）语言式 自动 编程（ P237）
借助数控“高级语言”编程（ 例如,APT等 ）。
（ 2）图形 交互式自动编程 （ 238）
在几何造型的基础上，给出加工参数，由编程软件自动生成相应的加工轨迹和加工指令。常与 CAD系统集成。
（ a）几何造型
（ b）刀具路径的产生
（ c）后置处理
（三）几个重要术语
数控机床的坐标轴及运动方向规定：
①,工件不动”，刀具相对工件运动；
② 直角坐标系满足右手定则和右旋定则；
③ 机床坐标轴和运动方向；? 数控机床的坐标轴数与联动轴数坐标轴数－－可以用数字控制的执行部件进给运动数。
联动轴数－－能够同时控制的坐标轴数。
机床坐标系与工件坐标系机床坐标系－－机床固有坐标系。
机床坐标系原点的确定方法。
工件坐标系－－建立在工件上的坐标系。
工件坐标系原点的确定由编程人员按加工工艺要求自定。
工件原点偏置：工件原点偏离机床原点的距离。
工件上各点坐标的表示绝对坐标表示相对（增量）坐标表示绝对尺寸指机床运动部件的坐标尺寸值相对于坐标原点给出,如图所示。 增量尺寸指机床运动部件的坐标尺寸值相对于前一位置给出绝对尺寸 增量尺寸数控机床坐标系的确定方法
1.假定刀具相对于固定的工件运动
2.采用右手笛卡儿坐标系直线坐标 X Y Z
旋转坐标 A B C
附加坐标 U V W
3 确定顺序,Z-X-Y
（ P216—P218）
4 增大工件和刀具之间距离的方向为运动的正方向数控机床坐标系原点在数控车床上，机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处，见左图。同时，通过设置参数的方法，也可将机床原点设定在 X,Z坐标的正方向极限位置上。
数控铣床的原点在数控铣床上，机床原点一般取在 X,Y、
Z坐标的正方向极限位置上，见右图车床的机床原点 铣床的机床原点
1、程序格式（编程规则）
以人工编程 G代码为例? 程序组成程序－－若干程序段（行）的集合；
程序段（行）－－完成某个或某些特定动作的指令
（代码字）集合；
指令（代码字）－－由操作（地址）符和操作内容
（数据）构成。
例如,N001 G91 G00 X2700 X3000 Z15000 M03 LF
N002 ……
…………
N017 X-5000 Y-4000 Z14800 M02 LF
（四）编程方法
程序行内指令（代码字）的顺序及其含义模态（续）代码与一次性代码
N G X Y Z? F S T M D H LF
程序行号准备功能尺寸 进给速度主轴转速刀具编号辅助功能半径补偿长度补偿程序行结束代码 功 能 代码 功 能
G00
G01
G02
G03
G04
G06
G08
G09
G17
G18
G19
G33
G34
点位控制直线插补顺时针圆弧插补逆时针圆弧插补暂停抛物线插补加速减速
XY平面选择
ZX平面选择
YZ平面选择螺纹切削 (等螺距 )
螺纹切削 (增螺距 )
G35
G36~39
G40
G41
G42
G43
G44
G60
G65~79
G80
G81~89
G90
G91
螺纹切削 (减螺距 )
内部保留取消刀具补偿刀具径向左补偿刀具径向右补偿刀具轴向正补偿刀具轴向负补偿准确定位保留用于点位控制取消固定循环固定循环 #1 ~ #9
绝对坐标编程增量坐标编程常用 G功能代码摘要代码 功 能 代码 功 能
M00
M01
M02
M03
M04
M05
M06
M07
M08
M09
M10
M11
M13
程序停机任选停机程序结束主轴顺时针方向旋转主轴逆时针方向旋转主轴停转换刀开 2号切削液开 1号切削液关闭切削液夹紧松开主轴顺转并开切削液
M14
M15
M16
M19
M30
M31
M32~35
M40~45
M50
M51
M60
M68
M69
主轴逆转并开切削液正向 (＋ )运动反向 (－ )运动主轴定向停止纸带结束旁路互锁固定切削速度保留开 3号切削液开 4号切削液换工件工件夹紧工件松开常用 M功能代码摘要加工程序的一般格式举例：
% // 开始符
O1000 // 程序名
N10 G00 G54 X50 Y30 M03 S3000
N20 G01 X88.1 Y30.2 F500 T02 M08
N30 X90
……
N300 M30 // 结束符
%
// 程序主体
2、点位、直线控制系统的程序编制以点位控制系统为例
编程原则：定位准确，进给路径短。
刀具到达孔位后的钻孔行程计算为刀尖高度）超出量（对于沉孔，－－刀具引入
）通孔为板厚，沉孔见图－－钻孔的有效深度（式中：
bba
d
bda
ZZZ
Z
ZZZh
//
dZ?
bZ?
Z =0
Z
o
Z
r
Z
s?ZaZd
Z
b
例如右图其中：
－－刀尖到工件距离
－－刀具装夹后的长度
s
r
Z
Z
注意,对于点位加工，孔径的精度由刀具自己保证（如，刀径、刀与主轴的同轴度、
直线度、刚度、耐磨性等）；
孔距和孔位精度由机床控制系统、机械系统和编程保证。
点位加工举例：
N005 G91G00 X2700 Y3000 Z15000 M03;
N010 Z-14800;
N015 G01 Z-1700 F200;
N020 G00 Z1700;
N025 X1300 Y2000;
N030 G01 Z-1700;
N035 G00 Z1700;
N040 X2000;
N045 G01 Z-1700;
N050 G00 Z1700;
N055 X100 Y-1500;
N060 G01 Z-1700;
3 · 轮廓控制系统的程序编制（ 以铣削平面为例）
（ 1）基点和节点计算基点－－构成零件轮廓各相邻几何元素的交点和切点。
节点－－逼近线段的交点，用于处理非标准曲线或曲面（对于标准圆弧、直线和二次曲面，节点的计算可以省去）。 交点 切点 节点节点由于刀具中心轨迹是零件轮廓的等距线，所以，只要在基点或节点计算的基础上，参照刀具半径和加工余量，便可计算出中心轨迹的全部坐标值。
工件轮廓加工余量刀位点移动轨迹
（ 2）刀具中心轨迹（即刀位点移动轨迹）计算
（ 3）辅助程序段计算主要对刀点到切入点、切出点到刀具停止点的路径计算。
（ 4）增量坐标计算 （选项）
增量相当于平移变换中的平移量。
规定：
插补类型 计算对象直线插补 终点相对起点的增量圆弧插补 ① 以起点为参考点，计算圆心相对起点的增量；
② 以圆心为参考点，计算起点相对圆心的增量；
注意：无论是增量编程或是绝对编程，圆弧插补均应采用增量方式。
（ 5）脉冲数计算（选项）
脉冲当量距离两个基点或节点之间的脉冲数＝
要求分别计算 X方向和 Y方向上的脉冲数。
程序段举例：
绝对坐标编程
N001 G00G17G90 X30 Y0;
N002 G02 X30 Y0 I-30 F100;
N003 G00 X0 Y0 M02;
增量坐标编程
N001 G00G17G91 X30 Y0;
N002 G02 X0 Y0 I-30 F100;
N003 G00 X-30 Y0 M02;
Y
X
A
0
R3
0
（ 6）刀具补偿
① 径向补偿（刀具偏置）
含义－－刀位点径向偏离工件轮廓。
补偿值 D = R + △
式中,R－－ 刀具半径
△ －－ 加工余量工件轮廓加工余量刀位点移动轨迹
径向补偿指令：
右补偿（刀具右偏） G42－－顺着刀具前进方向看，刀具在轮廓右侧
左补偿（刀具左偏） G41－－ 顺着刀具前进方向看，刀具在轮廓左侧。
取消径向补偿 G40
右补偿左补偿右补偿 左补偿
采用刀具径向补偿编程的优越性：
– 不考虑刀具半径，直接按工件轮廓尺寸编程；
– 适当 改变半径补偿量，以实现同一刀具，同一程序完成轮廓从粗到精的全部加工。
② 长度补偿
含义－－在 Z 轴方向上实现对刀具移动距离的补偿。
a － 工件坐标系的 Z 轴设定值,b － 刀尖到刀柄校准面的距离，
c － 指令动作,d － 实际移动量,e － 补偿量注：事先将测定的 a,b 值存入刀补表中。
Z 轴机械原点工件坐标系的 Z 轴零点
abc
d
e
+
Z
-
Z
长度补偿指令：
G43－ 正补偿（如前图,e = c - d）
G44－负补偿（如右图,e = d - c）
G49－取消长度补偿
dc
e
采用刀具长度补偿的优越性：
可实现在一次加工中使用多把长度不同的刀具，特别适合于加工中心的自动换刀系统。
N005 G90G17G00G42 X10Y10; //绝对坐标编程，快速移动到 1点，右补偿
N010 G01 X30 F100; //直线插补到 2点，主轴转速为 100/mm
N015 G03 X40Y20 I0J10; //逆时针圆弧插补
N020 G02 X30Y30 I0J10; //顺时针圆弧插补
N025 G01 X10Y20; //直线插补
N030 Y10;
（ 7）轮廓加工举例先计算各点的坐标。
3.3 数控编程的工艺处理
1 · 工序、工步的划分与顺序安排（ P224）
基本原则：先粗后精，先面后孔；尽量减少换刀次数和空刀路程。
特殊情况：对同轴度要求很高的孔系，应一次定位，顺序换刀，依次完成该孔系的全部孔加工。 2 · 零件装夹方法的确定和夹具选择装夹原则：
尽量减少装夹次数和时间
工件坐标系与机床坐标系之间应有确定的关系
夹具的选择：尽量采用组合夹具。
3 · 对刀点、刀位点和换刀点对刀点－－刀具相对于工件的运动起点。
刀位点－－刀具运动轨迹的基准点。
平头立铣刀 球头铣刀 车刀 钻头 线切割电极丝例如（图中红色表示基准点）：
换刀点－－换刀位置。
原则：换刀时不得碰伤工件、夹具和机床。
4 ·走刀路线刀具相对于工件的运动轨迹（走刀路线）。
路径选择原则：
（ 1） 保证良好的加工精度和表面质量；
（ 2） 数值计算简单；
（ 3）进给路径尽可能短。其它应考虑的问题：
– 辅助路径（引入距离）
– 切入点和切出点主要指铣削轮廓时的进刀和出刀（ 切向或圆弧进出刀,）
>=
d
铣刀工件
– 轮廓加工时尽量避免进给停顿；
– 为提高表面质量、降低粗糙度，采用多次小余量进给；
– 加工孔系时，安排镗孔的路线应注意各孔的定位方向一致，避免反向间隙的产生。
5 · 刀具选择选择原则：
刀具精度高，刚性好；
尺寸稳定，耐磨性好；
调整方便。
目的：
提高生产率，降低台时费用。
6 · 切削用量的确定切削深度 a
切削用量 进给量 f
切削速度 v a
fs
图中,S 为主轴转速（ r / min）,由切削深度 a,进给量 f 和刀具耐用度计算公式或查手册得到的切削速度 v 或主轴转速 n。
此外，选择进给量 f 时，还应注意工件轮廓拐角处的“超程”和“欠程”问题。
7 · 编程误差及其控制数控加工的误差来源：
逼近误差
插补误差
尺寸园整误差
其它：机床控制和伺服系统误差、零件定位误差、对刀误差、刀具磨损误差、
刀具或工件受力（受热）变形误差，等等。
编程误差控制：
逼近误差（选择合适的数学近似方程）
插补误差（增加插补点，合理分配插补点）
尺寸园整误差（采用合理的数据处理方法）
原则：编程误差应控制在零件公差的 10～ 20%之内。
8 · 数控加工工艺文件（ P232）
3.4 数控线切割编程
1 · 编程中的工艺处理
（ 1）偏移量 f
f －－ 切割丝半径（ r ） 与单边放电间隙（ z） 之和。
（ 2）取件位置、切割路线和起点引丝孔不好 好 最好
（ 3）切割轨迹
直接加工：切割丝轨迹通过公差带中心切割孔钼丝切割轨迹 Da=D+T/2－ f
孔的公称尺寸 D
D＋ T/2
钼丝切割轨迹 da=d－ t/2＋ f
件的公称尺寸 d
d－ t/2
落料
为延长模具寿命冲孔凸模－－轨迹偏向工件（孔）的正差，即凸模直径略大；
落料凹模－－轨迹偏向工件（轴）的负差，即凹模直径略小。
工件工件孔 D[+T]
钼丝凸模轴 D+(0.75~1)T
切割轨迹
dA= D+(0.75~1)T+f
工件 d[-T] 凹模孔 d－ (0.75~1)T
切割轨迹
Da= d－ (0.75~1)T－ f
钼丝
非一次性切割：
f ＝ r + z +?
－－切割余量
（ 4）零件定位与夹具选择定位原则,方便装夹，简化编程最好选择组合夹具。
（ 5）辅助程序规则
引入程序段 原则：引入点尽量靠近切入点；
切出程序段
超切 / 回退程序段 因钼丝是柔性体，钼丝工作部分前进滞后于线架。
2 · 数控线切割机床的程序编制
（ 1）基本规则
① 编程格式以国内常用的 3B格式为例 B X B Y B J G Z
分隔符 X 坐标值 分隔符 Y 坐标值 分隔符 计数长度 计数方向 加工指令
② 坐标原点和起点 / 终点的确定规定：
切割水平线和垂直线，原点在线的起点上，
程序行中的 x,y就代表起点；
切割斜线，原点在斜线起点，程序行中的 x,y
代表终点；
切割圆弧，原点在圆心，程序行中的 x,y代表圆弧起点。
③ 脉冲计数及 其 方向数控线切割一般按脉冲数控制切割过程。
切割斜线和圆弧时,X方向脉冲 计数 Gx与 Y方向脉冲计数 Gy的选择通常只取 Gx,Gy其中之一即可，因为计数方向主要用于确定计数长度。 ④ 计数长度 J（ 在指定计数方向上拖板走动的距离和）
Jx = P * Gx Jy = P * Gy
例如：
ni iiyni iix yyPGxxPG 1 11 1 )(1)(1
式中,n －－ 斜线和圆弧上的切点或交点数；
xi,yi －－ 切点或交点的 x,y 坐标；
( x0,y0 ) －－ 起 点坐标（斜线切割）或圆心坐标（圆弧切割）
P －－ 脉冲当量通式：
⑥ Z 指令（加工指令，共 12条）
P243
（ 2） 3B格式编程举例
切割右图样板完整程序：
B0 B0 B015000 GX L3
B0 B12000 B006000 GX NR2
B14000 B8080 B014000 GX L3
B3000 B5190 B005190 GY NR2
B0 B0 B003000 GY L4
B0 B0 B006000 GX L3
D
⑤ X,Y,J 的单位（?m）
其中,J应取足 6位数，如,J = 15000?m,写作
015000。
第四章 注射成型 CAD
4-1 注射模结构 CAD
4-1-1 注射模结构 CAD的内容
注射制品的几何造型
模腔工作面的自动生成
模具结构方案设计
标准模架的选择
二维工程图的生成
结构计算与校核
4-1-2 注射模结构 CAD应具备的基本功能
强大且完善的几何造型能力
标准化设计
设计数据的处理和管理
拥有充分的柔性和适应性
4-1-3 注射模结构设计软件实例
软件总体结构 (P174G6-5)
标准模架选择及编码原电子工业部颁布的标准模架 (SJ2528-84)：
10类基本模架,44种派生系列,31150种具体规格。
Z 系列：单分型面模架系列
T 系列：双分型面模架系列标准模架选择流程 (P175G6-6)
利用编码存储和管理模架数据。
顶杆零件的编码示例 (P176G6-7)。
利用数据库存储和管理模架数据
成型零件设计成型零件设计中的难点之一：镶拼式结构设计。
由于镶拼结构的多样性和复杂性，故目前仍以交互方式为主进行设计。
镶块件的标准化、参数化解决是镶拼式结构设计的重要途径之一。 (P178G6-8,G6-9)
参数化图库的应用参数图形－－图形的结构固定 (即几何约束固定 )，但尺寸可变 (即尺寸约束可变 )。改变尺寸便可得到同类图形的变种 (实例 )。
Φ
Φ5
参数化图库－－参数图形的集合。
参数化图库主要用于标准零件和通用零件的设计、管理与应用。
图形数据库结构 (P181G6-11)
图形数据库结构中“终点坐标”和“标注点位置坐标”
的确定：
)17( 2
1
1
221
111
1
1
0
2
1
nnmn
m
m
nn L
L
L
KK
KK
KK
x
x
x
x
x
x
)27( 2
1
1
221
111
1
1
0
2
1
mnmn
m
m
nn L
L
L
KK
KK
KK
y
y
y
y
y
y
个尺寸模式个坐标点所用到的第求解第求解坐标点的总数总数图形中完整标注的尺寸寸值或变量点坐标用到的尺由已知点坐标求解未知的坐标值点也可是参数化图形的基已知结点，
值图形中待求结点的坐标，方程左边式中
K
n 1,2,
)( )(
n 1,2,i )(
ij
00
ji
n
m
iL
yx
yx
i
ii
参数化图形库的建立思路
建立参数化基本图元 (元件 )子库；
在基本图元子库的基础上，通过图形变换和布尔运算，
生成复合图元或零部件几何结构图；
为零部件几何结构图标注参数尺寸。
参数化图形库的使用 (P182G6-12)
4-2 注射成型过程数值模拟
4-2-1 塑料熔体流动过程模拟目的：预测熔体充模过程的流动行为，尽早发现设计中存在的问题。
(1) 一维流动分析一维流动的三种基本形式圆管流动 矩形板流动 径向流动
)107(
)97(
)87(
)77(
)67(
2
)57( )(
)47(
)37( 0
2
0
2
2
2
n
dyu
y
dy
y
S
S
Q
Qu d yx
y
T
z
T
w
t
T
c
z
P
y
v
y
b
y
b
b
b
p
熔体流动率压力梯度，
型腔形状函数粘性热设定的熔体注射流量剪切速率模腔压力剪切粘度模腔厚度方向坐标方向流速式中
)(
S
z
P
x
Q
P
z
yv
率时的粘度和温度描述熔体处于零剪切速减小的特性粘度随剪切应力增加而表述热塑性塑料熔体的，
与塑料性质有关的参数，
初始剪切速度粘度式中公式求得熔体的粘度采用
,
,,
)127( )/e x p ()(
)117(
) (1
)(
),(
*
*
0
0
1*
0
0
b
b
b
n
TB
BT
TTBT
T
T
C r o s s
可以利用有限差分法求解上述 (4-3)～ (4-10) 。
具体解法思路,
已知某一时刻的温度场 T,利用上一时刻的粘度?和式 (4-7)求得流动率 S；
利用式 (4-6)求得压力梯度，便可知该时刻压力场 P；
利用 (4-11)求得该时刻的粘度?；
利用 (4-8)求得?；
利用 (4-10) 求得粘性热?；
利用 (4-9)求得熔体流速场 u；
再利用 (4-4)求解下一时刻的温度场 T；
…… 。
如此循环，直到整个一维模腔被熔体充满为止。
(2) 二维流动分析经过适当划分，将二维流动转化成一维流动单元的串联，然后利用一维流动分析模型求解熔体的二维流动过程。
常用一维流动单元举例圆形管 具有中心浇口的圆板 具有边缘浇口的平板 具有中心浇口的圆环板下图是某个二维模腔经适当划分后形成的九个流动单元，
由这九个流动单元构成了五条流动路径：
1-2-9,1-3-4,1-3-5-6,1-3-5-7,1-3-5-8
二维流动分析思路：
以一维流动分析诸方程为基础；
在一个时间步长内只考虑一个单元的熔体流动过程；
因每条路径的入口压力近似，且沿每条流动路径的总压力降应相等，所以，利用迭代法求解基于一维流动分析的塑料熔体流动诸方程时，应分别沿每条路径更新其体积流量 Q；
只要流动单元内的熔体流动尚未停止，则在每个时间步长内，都需要更新单元的温度场；
根据更新后的体积流量，计算熔体在每个未充满单元内的前沿位置；
根据一维流动分析中所介绍的步骤，计算单元内的压力场、
速度场和温度场等；
重复上述一维计算步骤，直到全部流动路径上的单元均被熔体充满为止。
(3) 三维流动分析通常将三维流动问题分解成流动平面 (x-z平面 )的二维分析和壁厚 (y)方向的一维分析。流动平面内的未知量 (如，温度、压力等 )用有限元法求解，而型腔壁厚方向上的未知量 (如，时间等 )则用有限差分法求解。
在求解过程中，有限元法与有限差分法交替进行，相互依赖。
(4) 数值求解过程 (P191G6-23)
4-2-2 注射冷却过程模拟影响塑料制品冷却的主要因素：
制品结构、冷却管道类型和尺寸及位置、冷却介质流速与温度、制品与模具之间的非稳态热交换等。
(1) 一维冷却分析
管边距与管间距计算一维冷却系统的管道布置举例 (P192G6-24)
用迭代公式求解一维冷却系统的管道布置管边距与管间距冷却水应带走的热量冷却水的平均温度型腔壁的平均温度模具材料的热导率热系数冷却水与管壁之间的传冷却管道直径动率冷却管中允许的温度波式中
,
)147(
)](13.0[876.0
)(87.0
)137( ln4.2
8.2
22.0
ba
Q
T
T
h
d
J
bdahd
hdTT
Q
a
b
a
bhd
J
c
c
w
w
w
wcw
c
w
具体解法：
设初值 d0,b0/a0和 j?代入 (4-13)中求得 J?比较 J 与 j?
若 J 与 j 的差值在允许范围外?减小比值 b/a(或增大 d)，继续迭代?…… 。
利用热平衡方程求解出初值 q’? 设初值 a=d?将初值代入 (4-14)求得 Qc?比较 q’与 Qc?若比值超过允许值?增大 a
继续计算 Qc?…… 。
上述两个迭代相辅相成 (由 b/a关联 )，以最终得到 a和 b。
冷却时间计算模腔的最低温度制件的脱模温度熔体的注射温度塑料的热扩散系数制品的半个厚度间塑料制品的最小冷却时式中
)157(
)(
)(4
ln
4
m i n2
m i n1
m a x1
1
m i n2m i n1
m i n2m a x1
1
2
2
T
T
T
a
h
t
TT
TT
a
h
t
c
c
热阻计算 (略 )
热阻：模壁同冷却水道之间的传热阻力，与模具材料、
模壁和水道之间距离有关。
冷却水道总长度计算冷却水道总长度取决于冷却水道总面积 A：
冷却水道带走的总热量式中
)167(
)(
243
Q
aTT
Q
A
mm
的流速冷却水处于湍流状态时直径管水道的传热系数水道壁与冷却水界面处冷却水平均温度总热阻腔壁与冷却水道之间的模腔壁平均温度水道壁平均温度
)(
)187( )0 1 5.01(3 4 8.7
)177(
13.0
87.0
42
2
4
2
23
3
v
d
d
v
Ta
a
T
R
T
QRTT
T
m
m
v
m
vmm
m
预测制品的实际脱模温度制品与模壁之间的温差可表示为针对制品的一个冷却循环
t
)197( )(
c
21
m i n2m a x121
最小冷却时间度制件和模腔壁的平均温，
式中
TT
eTTTTT c
kt
系数制品与模具之间的传热环中应带走的热量冷却系统在一个冷却循式中
＝
根据牛顿冷却定律，有可得的初值条件的平均值，并利用进行积分，取对
)217( )(
)207(
)(
)(
ln
)()(
)(
0 )197(
3
3
21
m a x2m i n1
m i n2m a x1
m a x2m i n1m i n2m a x1
21
a
Q
fa
Q
TT
TT
TT
TTTT
TT
tt
m
m
cc
联立解 (4-20),(4-21)，采用迭代算法，便可得到给定冷却条件下制品脱模温度的预测值 T1min。
(2) 二维和三维冷却分析 (略 )
塑料注射成型数值模拟举例第五章 冲压成型 CAD
5-1 冲裁模 CAD/CAM系统
5-1-1 冲裁件工艺性判断与毛坯优化排样
(1)冲裁件工艺性判断冲裁件工艺性 是指冲裁件对冲裁工艺的适应性，包括冲裁件的结构、尺寸及其偏差、外轮廓与孔 (槽 )和孔 (槽 )与孔 (槽 )之间的距离等因素的适应性。
工艺性判断的主要内容 是检查被冲零件的结构尺寸是否在允许的极限值范围内。
工艺性判断流程举例 （ P83G4-4）
工艺性判断的关键流程：
选择判断对象元素；
判断被选对象元素的性质； （ P83G4-5）
量化被判断对象的结构尺寸，并与极限值进行比较。
(2) 毛坯优化排样利用 CAD进行优化排样的优点：
借助图形变换可以方便地生成和修改各种排样方案；
可以快速计算出各种排样方案下的毛坯材料利用率；
可将优化方案存储下来以备后用。
常用排样方式举例 （ P84G4-6）
材料利用率计算
卷 (带 )料进给步距料的宽度卷带的面积一个步距上所排列零件式中
S
)( H
A
)15( %1 0 0
),(),(
),(
SH
A
板料板料宽度板料长度单个零件的面积个数由板料冲裁得到的零件式中
)25( %1 0 0
),(
),(
1
1
B
L
A
N
LB
AN
最大值的问题。、
是求解目标函数优化排样的问题实际上所以，
其取值范围为
，为排样参数和中的、式
2)-(51)-(5
)}()(,0{
)7485( 2)-(51)-(5
G
GP
实际排样优化方法举例 (P86G4-8)
目的：利用简单的图形变换代替对复杂目标函数的求解。
具体实现：
多边形化 等距放大 图形平移 /旋转 与已储存的方案比较 输出排样结果
5-1-3 冲裁工艺方案设计
(1) 冲裁工艺方案设计的主要内容
选择模具类型
确定冲裁工步和顺序
(2) 模具类型的选择原则
制件的尺寸精度
制件的形状与尺寸
生产批量
模具加工条件模具类型选择流程举例 (P91G4-12)
(3) 连续模的工步设计连续模：在压力机的一次行程内，由若干工位完成多道工序的模具。
工步设计的主要内容：
确定总的工步数
安排各工步动作顺序
设计每个工步的定位装置工步设计时需综合考虑的问题：
材料利用率、尺寸精度、模具结构与强度、冲切废料的处理等。
工步设计的一般原则
为保证模具强度，将间距小于允许值的轮廓安排在不同工步冲出；
有相对位置精度要求的轮廓，应尽量安排在同一工步上冲出；
对于形状复杂的零件，有时通过冲切废料来间接得到工件的轮廓形状；
为保证凹模、卸料板的强度和凸模的安全装置，必要时可增设空工步；
落料安排在最后工步；
为减小模具尺寸，使压力中心与模具中心尽量接近，将较大的轮廓安排在前面的工步上；
设计合理的定位装置，以保证送料精度。
建立位置精度关系模型和干涉关系模型建立两个模型的目的：
为将有位置精度要求的轮廓放在同一工步，而将间距小于一定值的轮廓设置在不同工步上提供依据。
图形组成的一个关系中满足位置精度要求的由集合位置精度个图形元素之间的实际个与第第式中若若置精度关系矩阵由该集合的元素构成位合存在一个图形元素的集所以构成个图形元素冲裁件的轮廓由假设
A
),(
),(0
),(1
)45(
)35( },,,,,{A
)1(
1
1
1
21
11211
1
21
jiKK
KK
KK
a
aaa
aaa
M
KKKK
niKn
ji
ji
ji
ij
nnnn
n
ni
i
位置精度关系 (模型 )矩阵干涉关系 (模型 )矩阵组成的一个关系中产生干涉的图形元素由集合式中若若产生干涉放大后的轮廓之间是否阵来判断等距放大，引入干涉关系矩将工件的实际轮廓等距
A
KK
KK
b
bbb
bbb
M
ji
ji
ij
nnnn
n
),(0
),(1
)55(
2
2
2
21
11211
2
工步设计流程举例 (P93G4-13)
为什么要冲切废料？
避免过长的悬臂和窄槽，保证凸模强度；
某些尺寸小、形状复杂的零件，只有通过冲废料的方式获得。
冲裁废料的方式 (P93G4-14)
工步的自动排序在工步自动排序阶段，应用程序根据位置精度关系矩阵 M1将有位置精度要求的轮廓分配在同一工步上，根据干涉关系矩阵 M2将相互干涉的轮廓分配在不同的工步上。
最后，设计人员再根据经验和现场实际对自动排序的结果进行适当调整。
例：某冲裁件的条料排样图 (P94G4-15)
5-1-4 冲裁模结构设计结构设计的主要内容：
装配 (图 )设计
凹模和凸模的工作零件设计 (P98G4-19~4-22)
5-2 级进模 CAD/CAM系统级进模 (连续模 )是一种在压力机的一次行程中，由若干工位完成多道工序的模具。
5-2-1 级进模的设计内容及特点
(1) 设计内容
工艺性分析
毛坯展开
条料排样
模具结构设计
(2) 设计特点
经验性
不确定性
调试难度较大
5-2-2 级进模工艺设计工艺设计的主要内容：
毛坯展开 (P105G4-25)
利用计算机辅助展开的毛坯样仍需通过试冲进行调整。
毛坯排样 (P106G4-26)
目前仍是自动排样与交互排样并存。
条料宽度计算 (P106G4-27)
条料宽度取决于毛坯样的排列形式、搭边值、侧刃 (通常用于工步定位 )及载体宽度等因素。计算结果需在实际冲裁中调整。
添加工位 (P107G4-28)
废料设计 (P107G4-29)
目前主要通过人机交互的方式完成。
侧刃设计 (P94G4-15)
设计时可将侧刃作为废料的一部分，或利用参数化方法设计。
冲孔设计
弯曲设计 (P107G4-30)
弯曲时，各弯曲边之间的干涉、弯曲后工件的回弹等因素必须加以考虑。目前仍以交互设计为主。
工序操作 (P108G4-31)
目的：方便用户修改和调整工步。
图形显示管理严格说来不属于工艺设计内容，应由计算机图形系统提供。
5-2-3 级进模结构设计和零件设计级进模结构设计主要需解决好模架设计 (选用 )与工作零件设计的关系。模架通常直接从模架库中带参获取，而工作零件 (主要是凸模、凹模和各种镶嵌零件 )的设计一般是利用交互方式完成。
级进模装配好后的动态模拟与干涉检查
5-3 覆盖件模具 CAD/CAM
覆盖件模具的特点
结构尺寸大
型面形状复杂
尺寸精度高、表面粗糙度小
要求有较长的使用寿命
5-3-1 覆盖件 CAD/CAM系统框架 (P116G4-39)
5-3-2 覆盖件冲压工艺 CAPP
(1) 总体结构 (P117G4-40)
(2) 工艺数据库管理系统 (P118G4-41)
(3) 基于成组技术 (GT)的检索式工艺设计成组技术 (Group Technology),按照几何形状的相似性或制造过程的相似性为依据将零件划分成若干族或组，以便利用其相似性特点进行零件设计、工艺设计和生产组织。
GT实施的基础是零件编码、零件分组和标准工艺规程。
检索式工艺设计的原理 (P119G4-42)
5-3-3 基于特征的冲压工序详细设计
(1) 冲压工艺的主要特征分类 (P121G4-45)
主特征：覆盖件的主要结构特征，一般由拉延工序形成。
辅助特征：对主特征的补充和完善。
采用最优化技术确定冲压方向的实质是求解多目标函数
初始接触面积大；
初始接触点的分布均匀；
初始接触点多且分散；
首次拉延深度小。
(2) 拉延工序设计工序设计的关键：选择合适的冲压方向、工艺延伸面和拉延筋。
用参数化方法设计工艺延伸面和拉延筋的实例 (P122G4-46,47)
(3) 修边冲孔工序设计关键在于确定修边位置 (举例,P123G4-48)
5-3-4 覆盖件模具结构设计
(1) 覆盖件模具特征的分层描述冲压工艺特征基本结构特征功能组合特征基元特征模具结构抽象层冲压工艺抽象层?冲压工艺特征由模具结构基本特征实现；
模具的各功能组合特征支撑着模具整体的基本结构特征；
基元特征是构成模具功能组合特征的最小单元。
覆盖件模具基本结构分类 (P124G4-49)
覆盖件模具功能组合特征分类 (P124G4-50)
基元特征
模具 (零件 )基本几何形体
标准件
典型局部结构
(2) 基于特征分层的覆盖件模具设计
模具基本结构特征设计可以通过冲压工艺特征映射获得模具基本结构类型。
模具功能组合特征设计在确定了模具基本结构特征的基础上，按模具各部分的功能进行详细设计。
模具基元特征设计对于基本几何形体，采用几何造型或特征造型方法进行设计；对于标准件和局部典型结构，可采用参数化设计方法进行设计。
5-4 金属板料成形的有限元模拟简介
5-4-1 动力显示算法的基本理论 (略 )
动力显式算法的特点：
可避免净力隐式算法中的迭代收敛问题；
不需要形成总体刚度矩阵。
(2) 板料成形有限元模拟的计算步骤
建立有限元模型 (前处理 )
成形过程模拟 (分析求解 )
回弹分析
模拟 (分析 )结果显示
(3) 板料成形有限元模拟举例第六章 焊接成形 CAD
6-1 概述计算机辅助焊接技术 (Computer Aided Welding,CAW)在焊接工程中的应用
6-2 焊接专家系统
6-2-1 专家系统的特点与组成 (略 )
6-2-2 典型焊接专家系统简介
(1) Weld Selector --- 焊接材料选择专家系统 (美 )
特点,根据用户输入的数据，经专家系统推理，给出满足用户要求的一组焊接材料清单。
(2) Gas Selector --- 焊接保护气体选择专家系统 (英 )
特点,在综合考虑技术及经济等因素的基础上，选择出一组适用的焊接保护气体，并给出推荐流量。
(3) MAGWIN --- 焊接工艺优化及焊接缺陷分析专家系统 (德 )
特点,具有工艺制定、工艺优化和缺陷分析的功能，根据用户提供的数据，给出工艺改进 (优化 )方案。
(4) ESW --- 弧焊工艺制定与咨询专家系统 (清华大学 )
特点,以焊接工艺设计为核心，辅以与焊接工程相关的丰富咨询及计算功能，具有较强的实用性。
(5) 焊接工艺数据库及专家系统 (哈工大 )
特点,在焊接工艺评定数据库和焊接工艺规程数据库的支持下，专家系统可以为用户设计出完整的焊接工艺，供用户进行工艺评定试验。
6-3 焊接成形过程数值模拟
6-3-1 焊接温度场的数值模拟
(1) 热传导本构方程焊接热过程特点：瞬态传热。
假设对于固体材料，在其求解域内任一点处的瞬态温度
T (x,y,z,t)
满足微分方程的温度场。便可求得温度或环境为流体相其中，
处的对流换热第三类边界条件，边界边界上的热流密度第二类边界条件，已知边界温度已知第一类边界条件，给定和边界条件如果知道初始条件强度如，熔化、结晶等材料的内热源式中
)16(
)(
)(
n
),(
n
)( ),(
),,(|
)(
1)-(6 )(
T
0
00
2
2
2
2
2
2
f
f
t
v
vP
T
TTh
T
tSq
T
tSfT
zyxTT
q
q
z
T
y
T
x
T
t
c
(2) 温度场的有限元解法 (以二维传热问题为例 )
因 瞬态传热过程中的结点温度既是空间（用坐标表示）的函数，又是时间的函数。
即：
)26()(),(~
1
en
i
ii tTyxNTT
T~设,近似函数 满足第一类边界条件则 ）可表示为之差（余量与 RTT ~
)
~
(
~~
)36(
~~
)
~
()
~
(
~
3
2
TThn
y
T
n
x
T
R
qn
y
T
n
x
T
R
Q
y
T
yx
T
xt
T
cR
vyyxxS
yyxxS
yxv
应用加权余量原理，令余量的加权积分为零，得
)46(0
3 32 2 321
S SS Sv v dSwRdSwRdVwR
用伽辽金 (Galerkin)法选择权函数
1
)66(
1
0
),(
)56( ),,2,1(
1
j
j
j
j
ej
N
ij
ij
yxN
N
jN
njNw
性质：
个节点的插值函数第式中
代入到平面问题的热传导方程中，得热容矩阵结点温度对时间的导数式中
C
t
T
T
PKTTC
)86(
在边界上
)76(),,2,1(132 ej njNwww?
矩阵 K,C和 P中的元素分别为：
单元对热容矩阵的贡献其中?
e
iii
V
ji
e
ij
e e e
e
H
e
q
e
Qi
e
e
ijij
e e
e
ij
e
ijij
dVNcNC
PPPP
CC
HKK
)96(
经过上述离散处理，将原来求解平面瞬态温度场的偏微分方程转变成了求解常微分方程 (6-7)的初值问题，
即边界上的结点数式中 1
),,2,1(:0
)106(
Sn
niTTt
PKTTC
l
lii?
6-3-2 三维非稳态 GMAW移动电弧熔池数值模拟 (略 )
GMAW 气体保护电弧焊主要模拟熔池形成、熔滴过渡，以及熔池振荡和电磁在熔池上的脉动效应。
应用实例摩托车轮缘 (材料,AlMgSi合金 )在焊接结束时的温度场模拟。
无约束条件下，焊接结束后的摩托车轮缘扭曲变形模拟。
第七章 铸造成型 CAD
7-1 铸造成型工艺 CAD
7-1-1 基于三维造型的 CAD技术
采用三维造型技术的目的：使工艺设计更加接近生产实际，为优化铸件成型工艺提供数据。
铸件结构参数化参数化含义：将铸件结构中的尺寸定义为参数（变量），通过改变部分或全部参数来改变铸件的结构或大小。
例如：铸造齿轮结构的参数化
a） b）
参数化齿轮生成示例
a) 单辐板、三肋、三园孔齿轮
b) 双辐板、无肋、五腰园孔齿轮
三维实体造型的构造组合形体法（ CSG）
仍以齿轮铸件为例：
7-1-2 基于三维参数化造型技术的铸造工艺 CAD
主要研究内容：
分型面的选择分型面：打开铸型取出铸件的面。
冒口的设计冒口的主要作用是在铸件成型过程中提供由于液固体积变化而需补偿的金属液，以防止铸件内部出现收缩类型的缺陷。
冷铁的设计冷铁的作用与冒口类似。合理的使用冷铁能达到控制铸件凝固方向和凝固条件，改善铸件组织，减少冒口个数或减小冒口尺寸之目的。
例如：圆柱形和板形外冷铁的结构设计冷铁结构直径或厚度 长度 L 间距圆柱形
D<25
D=25~45
100~150
100~200
12~20
20~30
板形 B<10
B=10~25
B=25~70
100~150
150~200
200~300
6~10
10~20
20~30
D
L
B L
浇注系统的设计浇注系统是引导金属液进入铸型的一系列通道的总称，由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道构成。
7-2 铸造成型过程数值模拟
7-2-1 铸造成型过程数值模拟研究目的及内容
（ 1）研究目的在计算机虚拟的环境下，通过人机交互方式，制定和优化铸造工艺，以减少现场试验次数，提高一次性产品合格率。
数值模拟：用数学的方法描述和研究对象的行为与过程，
并在计算机上仿真研究结果，分析影响因素，预测进展或趋势。
（ 2）研究内容
温度场模拟
流动场模拟
多物理场模拟（如，流动与传热）
应力场模拟
组织模拟
其他过程模拟
7-2-2 传热凝固分析
(1)数学模型 (Mathematics Model)
傅立叶定律 (Fourier Law)
单位时间内，由热传导而通过单位面积的热量与温度梯度成正比。
d x d y d z
dzdydx
则体积为
，，设：微元边长为如图所示，
d x d ydz
z
T
T
z
dzQ
d z d xdy
y
T
T
y
dyQ
d y d zdx
x
T
T
x
dxQ
d x d y
z
T
Q
d z d x
y
T
Q
d y d z
x
T
Q
F o u r i e r
z
y
x
z
y
x
)(
)24( )(
)(
)14(
＋
＋
＋
而流出的热量为热量为定律，流入此微元体的根据拉普拉斯算子式中有导温系数令得中，代入式和、将式式中
－即
＝流入热量－流出热量微元体内蓄热量的增加源，根据能量守恒定律再假设微元体中无类热出入
)64(
T
)54( )(
T
)33()43()23()13(
)44(
T
Q
)34( QQQ
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
zyx
T
t
c
z
T
y
T
x
T
t
c
d x d y d z
t
c
P
P
P
物体被冷却物体温度恒定物体被加热意义为：拟的数学模型，其物理即为铸件温度场数值模式
0 0
T
0 0
T
0 0
T
)63(
2
2
2
T
t
T
t
T
t
(2) 数值求解常用数值求解方法：
有限差分法，有限元法，直接差分法，边界元法等。
有限差分 (Finite Difference)法求解一维温度场问题举例一维温度场问题
2
2T
x
T
t?
求解思路,
将求解问题的时间和空间离散，组成节点有限的等距网格单元；
分别在第 i 个单元的节点上建立时间和空间的泰勒展开式，并忽略高次项；
将该泰勒展开式改写成差分迭代通式；
求解此差分迭代通式。
)(
) 3 2 1( T
T
)84( )2(
T
)(
T
)74( )2(T
)(
tt
k
tt
i
112
tt
i
tt
i11
112
tt
i
略改良欧拉法的联立方程。
，，，
，必须求解涉及数值不能直接求特点：
差分法隐式后推值。之后的已知，即可求得，，只要特点：
差分法显式前进差分通式一维温度场问题的有限按照求解思路整理得到
k
TTT
xt
T
tTTT
TTT
x
t
T
tt
i
tt
i
tt
i
t
i
t
i
t
i
t
i
t
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t
i
t
i
t
i
(3) 初始条件 (Initial Condition)
通常是指起始时间 (t=0)对应的温度值。这里是指液态金属刚浇注完毕那一瞬间的温度值。
),,(|T
),,(|T
0
0
m o l d
0
0
c a s t
zyxf
zyxf
mt
ct
铸型部分铸件部分温度。定义为浇注前铸型实际
，等于或略小于浇注温度取式中：
，
瞬间充型，温度均布特例：
2
1
2
0
1
0
T T
C
C
CC
m o l dc a s t
内浇口处铸型最高温度铸型浇注前的温度的距离铸件最远端到距内浇口铸件最低温度浇注温度式中则方向的温度梯度在一个沿液态金属流动假设在铸件、铸型中存
T
])([
1
m a x_
m i n_
m a x_
0
m i n_0
m o l d
a
c a s t
p
m o l dam o l d
c a sp
pc a s t
T
L
T
T
TxLT
L
T
x
L
TT
TT
动态数值求解法将前一时刻的求解结果作为下一时刻的初始值。
现场试验采集数据
(4) 边界条件 (Boundary Condition)
物体边界上的传热条件。
的边界条件。上式即为一维传热分析方程可以表示为则边界单位面积上传热如果令微元厚度物体边界处存在
0
0
x
T
q
x
QQQ
s
to u ttint
(5) 结晶潜热 (Latent Heat)的处理一维问题的结晶潜热体积固化百分比结晶潜热式中
)94( )(
s
s
p
g
L
t
g
L
x
T
xt
T
c?
潜热的实际处理方法
等价比热 (Equivalent specific heat)法温度场分布。
的进而可求得一维凝固时等价比热，可以测定，式中
)10-(4
)(
pe
SL
L
ppe
c
TT
TTL
cc
温度回复 (Temperature Recovery)法平衡结晶时，液态金属释放的潜热会使固相温度回升，
因此有量，可测。体积固化百分比的增加式中
)114( /
s
ps
g
LTcg
热焓 (Enthalpy)法
)124(
0
T
T
p dTcH
即：用金属结晶前后的自由焓变化来表示潜热。
7-2-3 流动充型分析
(1)数学模型一般情况下,铸造过程中,液态金属的流动属于带自由表面,
粘性,不可压缩,非稳态流动 。 此流动满足动量守恒和质量守恒定理 。 因此有：
动量守恒方程 (Navier-Stoks方程 )
)(
1
)134( )(
1
)(
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
z
u
y
u
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u
g
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p
z
w
w
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w
w
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t
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g
x
p
z
u
w
y
u
v
x
u
u
t
u
z
y
x
质量守恒方程（连续性方程）
上的分量、、重力加速度在、、
流体压强流体运动粘度流体密度上的分量、、流速矢量在、、式中
zyxggg
p
zyxwvu
z
w
y
v
x
u
zyx
)144( 0
单元总体积单元内流体的体积体积函数式中
F
F
z
F
w
y
F
v
x
F
u
t
F
)154( 0
如果采用 SOLA-VOF方法描述流体自由表面的运动，则需考虑求解体积方程：
求解式 (7-13)和 (7-14)可得液态金属流场的速度和压强在时间和空间上的变化情况，而求解 (7-15)可得流场的自由表面运动情况。
(2) 数学模型的数值求解
数值求解思路将描述求解对象 (连续场 )的偏微分方程组在空间和时间上进行分割处理，以形成有限个相对独立的含有空间和时间等物理信息的微元体；然后针对每个微元体建立其物理量的标量表达式并进行求解计算，最后将所有微元体的求解结果按时间序列关联起来作为整个目标对象的求解结果。
数值求解的目的：
将对复杂偏微分方程组的求解转化成对代数方程组 (矩阵 )的求解，
以降低解题难度。
动量方程、质量方程和体积函数的离散 (教材 P65)
数值求解的初始条件初始速度（浇口处熔体的初始速度）
初始压强（浇口处熔体的初始压强。即熔体刚进入型腔的瞬间压强）
数值求解的边界条件速度边界条件压强边界条件熔体前沿自由表面的速度和压强
7-2-4 铸件成型过程流体场与温度场的偶合液态金属的流动状态与温度有关。
(1) 数学模型
)184(
)174( 0
)164(
2
qTvc
t
T
c
v
gpv
Dt
Dv
pp
能量守恒方程程）质量守恒方程（连续方动量守恒方程
q
g
v
c
p
积的热流量）热流密度（流过单位面重力加速度熔体速度定压比热容式中
动量守恒方程反映了温度对熔体密度的影响。
(2) 离散求解（略）
(3) 初始条件和边界条件在速度和压强的初始条件 /边界条件的基础上，增加一个温度初始条件 /边界条件即可。
7-2-5 铸件热裂的数值模拟铸件热裂：铸件在凝固过程中产生裂纹的现象。
热裂产生的主要原因：铸件凝固后期，因补缩受阻，使得枝晶根部残留液膜在应力和应变作用下，与固相分离而引发裂纹。
热裂特征及影响因素
热裂产生于准固相区靠近固相线的一定温度范围内在这个区域内，已结晶的固相强度极低，一旦应力超过某一值，便会引起裂纹。
热裂一般发生在收缩受阻的热节处如图，如果铸件凝固过程中能自由伸缩，则不会形成裂纹。
铸件壁厚不均匀、结构过于复杂，以及浇注系统、铸型、型芯和保温条件等均可影响自由伸缩。
热节铸件在数值模拟的基础上得到的铸件热裂判据
)194(
1/
1/
2/3
mcs
m
W
W
WC
WCW
WCW
LLG
RCT
K
K
K
KK
KK
的能力铸件实际抵抗热裂形成界值铸件抵抗热裂形成的临式中不产生热裂产生热裂胀系数时刻铸件、铸型的线膨，
时刻的温度变化在单元的长度单元线膨胀系数铸件、铸型，
，
，
)(
)(
)(
2
1
11
11
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jl
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i
cc
的形变模量铸型单元在相应温度下铸型单元长度能力铸型对铸件收缩的阻碍铸型柔度铸件热节处的折算厚度梯度凝固结束前的铸件温度
)(
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)(
)(
G
2
1
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TE
l
TE
l
C
C
R
j
j
n
j j
j
m
m
7-2-5 铸件结晶组织分析
(1)确定模型数值方法 (deterministic modeling)
确定模型建立在给定时刻、一定体积熔体内晶粒的形核密度和生长速率是某一函数之确定值基础上的。该函数可以通过试验获得（如，观察各种冷却速度下的凝固试样截面组织，测量其冷却曲线和晶粒密度等）。
确定模型示意图在宏观尺度下，熔体的能量守恒方程为
)224(
)214(
2
t
f
LQ
Q
c
T
c
Q
T
ct
T
s
p
pp
与相变有关的源项熔体定压比热容熔体导热率铸件温度场式中
力学。固过程的形核和生长动的计算主要基于铸件凝和晶粒半径体积结晶密度式中相分数为的条件下，局部平均固及凝固时间在给定微元固相分数结晶潜热
),(),(
),(
),(
)234( ),(),(
3
4
),(
t v
13
txRtxN
txR
txN
vtxRtxNlxf
f
L
s
s
确定模型的局限性
无法模拟晶粒生长的随机性（如，随机形核分布、随机晶粒取向等）；
无法确定柱状晶与等轴晶之间的相互转变过程；
无法预测每个晶粒的具体形貌。
(2) 随机模型数值方法 (stochastic modeling)
随机模型利用概率方法研究晶粒的形核和长大，包括形核位置的随机分布和晶粒晶向的随机取向等。
Monte Carlo法基本思路：给网格中的某个节点 i 赋予一个正整数 Pi，假设初始化时 Pi=0（表示液态）；当凝固温度低于合金液相线时，
分别按式 (7-24)和 (7-25)计算节点 i 的形核概率和长大概率。
。的正整数，表示晶向值到一个从此外，可随机赋予为随机数发生器。其中，
对应的单元凝固。，则节点若核数目时刻内单元体积熔体形到每个网格单元的体积的形核概率时刻内节点到式中
QP
nn
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tttN
V
itttttP
NVttP
i
n
m
n
mn
1
)10(
)(
)(
)244( )(
波尔兹曼常数变化不同界面造成的界面能由能变化由过冷度决定的体积自由能变化熔体凝固过程中总的自式中其长大概率为原则依附长大，单元，按照界面能最小具有不同晶向值的相邻
)254(
0
)(
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F
F
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F
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T
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g
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Cellular Automata法基于 Cellular Automata法的数值模型特点：
非自发形核和生长、新晶核随机取向等问题在 CA模型中均有所体现；
算法上，首先用较粗的网格计算凝固区的温度场；然后，在此网格内进一步细分单元，形成更均匀的节点；最后，在节点上采用 CA模型进行形核和生长计算；
所有节点在凝固前均为液态,Pi=0；如果在一定时间内，过冷度满足形核条件，则单元内的某些节点形核，其对应标志 Pi
设置为正整数（表示新晶核的晶向值）。
(3) 相场模型数值方法 (phase-field modeling)
特点,用微分方程反映扩散、有序化势和热力学驱动力的综合作用。其方程解可以描述铸件凝固过程中液固界面的形态、
曲率及界面移动。
把相场方程与温度场、溶质场、流速场及其他外部场偶合，则可对金属液的凝固过程进行真实的模拟。
铸造成型过程数值模拟举例利用压铸充型过程模拟，优化浇筑系统因轮辐温度较高产生应变，致使铸造的车轮在冷却中变形砂铸中充型过程中热和流动的耦合计算模拟铸件顶出后型腔和铝铸件的温度分布
学习本门课的要求
– 熟悉 CAD/CAM的基本概念和基本组成，了解其发展动向。
– 掌握 CAD/CAM技术的基本原理和基本方法，
以及在材料成型加工领域中的应用实例。
– 基本达到能运用 CAD/CAM软件进行工程设计、
分析与制造加工。
学时安排
–课堂教学 28
–软件实践 12
学习方法课堂教学与实验教学（软件实践）相结合，
辅之以自学。
推荐参考教材
－ 材料加工 CAD/CAM基础，陈立亮，机械工业出版社,2001
–计算机辅助设计技术与应用，殷国富、陈永华，
科学出版社,2000
– CAD/CAM原理与应用，蔡颍等，机械工业出版社，
1998
第一章 计算机辅助设计（ CAD）技术概论
1-1 CAD的涵义及研究内容
计算机辅助设计（ CAD）
是以计算机为主要研究手段来辅助设计者完成某项工作的设计、
计算、分析、评价、优化等信息处理的综合性高新技术。它是 60年代以来迅速发展起来的一门新兴的综合性计算机应用技术，从开始只完成一些计算和绘图以及数控加工，发展到辅助工程设计，模拟加工过程和 CAD/CAE/CAM一体化。
CAD技术带来的革命
（ 1）产品设计的模式
（ 2）产品的生产、制造
（ 3）产品质量
（ 4）市场竞争
主要研究内容
（ 1）图形处理是 CAD技术的基础，用以表达设计方案，从二维到三维。如实体造型、特征造型、
参数化特征造型。
（ 2）优化分析采用数值计算方法（有限差分、有限元、边界元）求解工程设计。如：结构应力应变计算优化（强度计算）；传热和流动分析（模具冷却系统、挤出定型模优化设计、
热流道浇注系统的热平衡计算、运用流动分析优化模具成型方案）；求解系统的动态性能。 e.g.三维造型软件（ PRO/E,UG和 I-DEAS）和专用软件（ HSC,Z-MOLD… ）。
在 CAD系统中引入,并行工程,的思想，已成为发展趋势。
（ 3）综合评价对完成的设计方案进行校核和评价，包括：尺寸校核；外观分析；碰撞（干涉）
试验（ e.g.新型液压系统的设计、装配、运动过程）；内部结构剖析（内应力、温度分析、翘曲）和加工中的缺陷预测（ e.g,熔体充模状态、气穴位置、挤出模中的熔体流速、吹塑加工中的吹破）
（ 4）信息交换
CAD之间,CAD与 CAM之间,CAD与 CAE之间,CAD与 CAPP之间、
CAD与 RPM之间以及通过 internet进行远程、异地的信息沟通与资源共享。
它基于数据交换标准，如 IGES,STEP,SAT等； CAD技术应研究如何更合理、更高效、更准确地交换数据。
1-2 CAD系统的类型及 CAD过程
1.类型
按功能分通用系统：（ PRO/E,UG,Solidworks,Euclid,I-DEAS,CADDS5、
MDT），通常包括线框、实体和曲面造型模块、装配与零件设计模块、有限元分析模块、数据交换与传输等）
专用系统：为特定的应用而开发的系统，通常只能用于一定的专业或用于解决某一类问题。如：冲模 CAD/CAM系统、注塑模 CAD/CAM系统、建筑装饰 CAD软件等）
按运行方式分交互式系统：以交互方式运行、由计算机检索数据、分析计算、绘图等，
用户利用键盘等交互输入参数、选择方案、修改设计、控制运行过程。
自动化系统：上述过程基本上不需要人的干预。
按硬件角度分主机系统、工作站系统、微机系统
按软件的开放性分交钥匙系统（ turn-key system)和可二次开发系统（ programmable system)
2.CAD过程设计中的大多数活动都可以用 CAD技术来实现，但尚有一些活动难以用 CAD技术实现，如设计的需求分析、可行性研究等，下图说明了设计过程与 CAD过程的关系：
市场信息 设计需求分析 可行性研究与分析概念设计设计分析设计优化设计建模和仿真设计评价设计结果
CAM加工
CAD过程
1-3 计算机辅助设计与传统人工设计比较
传统人工设计
计算机辅助设计
1-4 计算机辅助设计的优点人、机设计能力比较项目 人 计算机逻辑思维能力 有很强的设计想像力和判断力，
能凭借经验进行创造设计，学习快已系统化,格式化,一般无学习能力信息的组织和记忆存储能力信息的组织是自觉的，但不正规；
信息的记忆保存时间短，容量小信息的组织是正规的,详细的；存储时间长,容量大工作的适应能力工作时间过长时,效率下降,容易疲劳和出差错特别适合于从事重复性工作,可长期保持高效率,很少出错分析计算能力 直观分析能力强,数值运算能力差,速度慢没有直观分析能力,数值运算能力很强,速度快查错和纠错能力能直观地查找设计错误,并及时予以纠正；在纠错上具有很大的灵活性查错方式已系统化,受系统限制,
适应性差,很难自动纠正各种错误信息的输入输出能通过各种器官进行信息的传递,
形式多样,但速度慢已系统化,格式化,速度快人与计算机在 CAD中的作用人：
（ 1）控制设计过程（输入原始参数、方案选择、修改设计、控制设计进程）；
（ 2）人利用数值分析的结果和经验知识，作出决策判断；
（ 3）修改错误、修改设计；
计算机：
（ 1）数值计算（优化方法、有限元分析等）；
（ 2）数据存储与管理（从数据库中检索数据，免去人工查询手册）；
（ 3）图形绘制（绘图工作占设计总工作量的 60%左右）
（ 4）设计结果以图形或数据形式显示在屏幕上）
CAD的优点：
工作效率高，可以大大缩短设计周期
设计与分析统一，使产品质量在前期就得到保证
有利于设计制造的标准化、系列化和通用化
为后续工作提供必要的数据
1-5 CAD技术在材料加工中的应用
材料加工（成形）技术铸造、连接、塑性成形、热处理及表面改性、粉末冶金等单元或复合加工（成形）技术的总称。
材料加工 CAD技术是传统材料加工技术与计算机技术、控制技术、信息处理技术等相结合的产物。包括,铸造成型 CAD、塑性成形 CAD（包括板成形和体成形）,焊接成形 CAD,注射成型 CAD、型材挤出模 CAD等。
1-6 计算机辅助设计发展历史五个阶段,P8的表 1-2
1-7 计算机辅助设计的发展趋势
（ 1）微型化软硬件平台向微机工作站转移
（ 2） 集成化
CAD/CAE/CAPP/CAM/…… 的有机结合将促使设计和制造观念的更新。
a,与 CAE集成（优化技术的应用）
可以解决产品设计和工艺过程设计中的可靠性差的问题。 e.g 发展成型过程的计算机模拟技术，利用有限元和边界元等方法，分析材料加工成型过程。
b,与 CAM集成将 CAD的设计结果直接用于数控仿真和生成 NC代码，送数控机床进行自动加工。
c.与 RPM集成构成一个闭环快速产品开发系统，在并行工程（ CE）环境下，能够对产品设计进行快速评价、修改，以快速响应市场。
（ 3）网络化资源共享，协同攻关
（ 4） 智能化
Cax已不再是人类技术工作的简单重复
（ 5）柔性 化适应激烈的市场竞争；
（ 6）并行化企业的各项工作均以 PDM为基础展开
（ 7）标准化社会化大生产的要求
(8) 绿色化优化设计方案，减少废品率第二章 计算机辅助设计（ CAD）技术基础
2-1 计算机辅助设计系统的组成与分类
（ 1）基本组成
CAD/CAM系统硬件系统 软件系统计算机外围设备联网设备系统软件支撑软件数据库应用软件
（ 2）硬件要求
A,性能要求较高的图形输入、输出设备
B,较高的运行速度 —CAD软件中大量的复杂的数值计算
C,足够的外部存储空间 ---计算过程中大量的图形、图像、技术文件、优化分析结果、图形库、数据库和配套的应用软件
D,较好的网络性能 —设计网络系统的速度、稳定性、安全性等
（ 3）软件组成
（ A） 操作系统具有下述功能：管理 CPU；管理存储器；管理外部设备；管理文件；网络通信功能；其它为用户开发应用软件服务的特定功能。
（ B） 支撑软件主要功能：图形处理；三维产品建模；有限元建模与分析；机构运动分析；数据信息交换；工程数据管理；
二次开发工具。
（ C）数据库把手册和资料中的数表、线图数据事先存放在数据库中，
要求具有图形和非图形数据处理的能力。
（ D）应用软件面向用户（如某一企业、某一类产品或某一个工程），
如开目 CAD、大恒 CAD、华正 CAD、圆方 CAD、大方 CAD。
搬运机械 NC机床 机器人 自动测试装置
TCP/IP 网络主机扫描仪数字相机操作杆光笔鼠标键盘绘图仪打印机磁盘机
………..
CA
D/
CA
M
硬件系统的组成显示器
CAD/CAM系统的硬件布局形式独立式系统以一个主机为中心．可以支持多个终端运行，共享一个 CPU．这种系统的优点是用户共享主机系统的资源。系统可以配置较大的内存和外存，以及高精度、高速度、大幅面的图形输入输出设备；可以装备中心数据库．通过数据库管理系统集中管理和维护全部数据；可以运行规模较大的支撑软件和应用软件，设计、计算、绘图、分析等工作结合起来，进行复杂的作业。当增加新的用户，即增加较多的终端时．平均每个终端的投资相对较少。
主机系统缺点,一方面．当主机出现故障时．整个系统佳处于瘫痪状态．将会中断所有用户的作业；另一方面．当用户数量增加时．每个终端的处理速度及响应时间就会相应的减慢．尤其是在做复杂的分析或大量的数据运算时就更为明显。
工作站系统工作站是介于个人机与小型机之间的一种计算机、
通常具有较高的性能，支持高分辨率彩色图形显示器；
具有良好的人机界面；同时，还可支持高技术指标的外围设备及网络环境。近年来,工作站的性能价格比不断提高，已成为当前 CAD／ CAM的主要硬件环境
个人机系统个人机即通常所说的 PC机。与前述几类相比,PC机成本的，运算的速度和处理能力相对较低，但随着微机硬件技术的提高以及软件开发水平的提高,PC机上的
CAD/CAM系统也逐步显示出其独特的优势．一方面，
硬件配置与工程工作站的差距越来越小；另一方面,PC
机上 CAD系统已从单纯的简单计算、二维图形处理发展为具有三维交互设计、实体建模、有限元分析、优化设计等功能的综合设计系统。
分布式系统所谓分布式系统，是利用计算机技术及通讯技术将分布于各处的计算机 以网络形式联接起来．网络上各个结点可以是微机，也可以是 SUN,HP,SGI等工作站；网络上结点分布形式可以是星型分布、树型分布．也可以是环型分布。分布式系统的特点是系统的软、硬件资源分布在各个结点上。
每个结点有自己的 CPU和外部设备．使用速度不受网络上其它结点的影响。通过网络软件提供的通讯功能．每个结点的用户还可以享用其它结点的资源，例如．大型自动绘图仪、激光打印机等硬件设备，也能够共享某些公共的应用软件及数据文件。这类系统的配置和开发投资可以从小到大进行，易于扩展，有利于逐步提高 CAD／ CAM系统的技术性能：有利于各专业同时进行那些负责的、需要处理大量信息的工程工作。
CAD/CAM系统中，硬件应具有以下几项基本功能：
性能要求较高的图形输入、输出设备
较高的运行速度
足够的外部存储空间
较好的网络性能
CAD/CAM系统的软件计算机是按照程序和数据进行工作的，相对于计算机及其外围设备而言，这些程序、数据及相关的文档就是软件。软件着重研究如何有效地管理和使用硬件，如何实现人们所希望的各种功能要求，因此，软件水平的高低直接影响到 CAD/CAM系统的功能、工作效率及使用的方便程度，软件包含了管理和应用计算机的全部技术。 根据在 CAD/CAM系统中执行的任务和服务的对象的不同，可将软件系统分为三个层次；即系统软件、支撑软件和应用软件
系统软件：工作站为 UNIX，微机为 DOS,WINDOWS等
支撑软件：支撑软件是 CAD/CAM系统的核心，它不针对具体的设计对象，而是为用户提供工具或开发环境，
不同的支撑软件依赖一定的操作系统，又是各类应用软件的基础。一般包括以下几种类型：
绘图软件
几何建模软件
有限元分析软件
优化方法软件
数据库系统软件
系统运动学 /动力学模拟仿真软件
计算机辅助工程软件
应用软件：用户为解决实际问题而自行开发或委托开发的程序系统。应用软件的模块化结构不仅可以方便地调试和管理，而且可以提高使用的柔性、可靠性和经济性 对 CAD而言，按系统运行时设计人员介入的程度，以及系统的工作方式，可以将应用软件分为以下几种类型：
检索型
自动型
交互型
智能型检索型特点：以参数化设计技术为基础。
适用范围：设计已定型的、标准化的和系列化程度很高的产品。
检索型 CAD系统工作流程例如：设计滚动轴承 GB277-89
自动型,设计者预先将待解决的问题，建立数学模型，找到目标函数，将其求解过程编制成程序输入计算机，系统运行时，根据输入的参数自动进行数学模型求解，不需人的介入。 应用范围：事先能够用数学模型描述的一类设计问题
人机交互型特点：人的主导作用贯穿整个设计过程。
适用范围：从产品概念设计到产品最终设计。
输入设计要求建立产品模型分析优化模型细节与结构设计输出图样,
文档等评价数据库图形库程序库
Y
Y
N
到 CAM系统
智能型特点：利用知识库和推理机制完成设计工作。
适用范围：未来的 CAD系统。
智能型 CAD系统工作原理
CAD/CAM系统选择原则
CAD/CAM系统硬件选择不仅要适应 CAD/CAM技术发展水平，而且要满足它服务的对象，应以使用目的和用户所具有的条件（包括经费、人员技术水平等）为前提，
以制造商提供的性能指标为依据，以性能价格比及其适用程度为基本出发点，综合考虑各方面因素加以决策，
具体应考虑以下几个方面,?系统功能
系统的开放性和可移植性
系统升级扩展能力
系统的可靠性、可维护性与服务质量
CAD/CAM系统的软件选择原则软件性能价格比与硬件匹配二次开发环境开放性软件商的综合能力
2-2 几何造型技术几何造型－－利用计算机系统描述物体的几何形状，建立产品几何模型的技术。通过这种方法定义、描述的几何实体必须是完整的、唯一的，而且能够从计算机内部的模型上提取该实体生成过程中的全部信息，或者能够通过系统的计算分析自动生成某些信息几何造型的主要作用：
为图形的显示和输出提供信息；
为各种应用程序,（如，结构设计、受力分析、成型模拟、图形变换、
数控加工等）提供信息。
由于客观事物大多是三维的、连续的，而在计算机内部的数据均为一线的、离散的、有限的，因此，在表达与描述三维实体时，怎样对几何实体进行定义，保证其准确、
完整和唯一几何建模的方法：是将对实体的描述和表达建立在几何信息和拓扑信息处理的基础上。 几何信息：物体在空间的形状、尺寸及位置的描述；
拓扑信息：构成物体的各个分量的数目及相互之间的连接关系按照对这两方面信息的描述及存贮方法不同，三维几何建模系统可划分线框建模、表面建模和实体建模三种主要类型
(1) 线框造型线框造型 是利用基本线素来定义设计目标的棱线部分而构成的立体构架图。在计算机内部，存贮的是该物体的顶点及棱线信息，将实体的几何信息和拓扑信息层次清楚地记录在顶点表及边表中。
线框造型特点,采用线框建模的描述方法所需信息最少．数据运算简单。所占的存贮空间也比较小．另外．这种建模方法对硬件的要求不，容易掌握．处理时间较短。
但是，线框建模也有局限性。一方面．线框建模的数据模型规定了各条边的两个顶点以及各个顶点的坐标．这对于由平面构成的物体来说．轮廓线与棱线一致、能够比较清楚地反映物体的真实形状．但是对于曲面体，仅能表示物体的棱边就不准确了。例如表示圆柱的形状．就必须添加．对有些轮廓就必须描述圆孤的起点、终点、圆心位置、
圆弧的走向等。另一方面，线框建模所构造的实体模型．只有离散的边．而没有边与边的关系．即没有构成面的信息．由于信息表达不完整，在许多情况下．会对物体形状的判断产生多义性。由于建模后生成的物体所有的边都显示在图形中．而大多数的三维线框建模系统尚不具备自动消隐的功能．因此无法判断哪些是不可见边，哪些又是可见边。对同一种线框模型．难以准确地确定实体的真
（ 2）曲面造型
基本曲面能够用初等数学解析式描述的曲面。
例如：
轨迹曲面由二维曲线在三维空间运动的轨迹所构成的曲面。
拉伸表面 Extruded Surface（路径是直线）
旋转表面 Revolved Surface
扫动曲面 Swept Surface
截面曲线沿由任意空间曲线代表的路径移动而构成的曲面。
路径可以有多条（如 6,7），截面曲线也可以有多条（如 1～ 5）。
蒙皮曲面覆盖在一组线条上的曲面称为蒙皮 Skin。
规则表面 Ruled Surface
由 两条互不相交的空间曲线扩展而成的规则表面。
平坦表面 Planar Surface
由封闭的二维线框构成的表面。
其它曲面如：孔斯（ Coons） 曲面,Bezier曲面,B样条曲面,非均匀有理样条
(NURBS)曲面等。
优点：可以描述各种各样的面（如，平面、二次曲面和自由曲面等）；
便于曲面求交线和进行几何体的消隐处理，能够为 CAM提供加工信息。
缺点：对面存在于物体的哪一侧定义不明确；无法判断建立的物体是实心体还是壳体，难以对表面模型进行物性分析。
（ 3）实体造型线框建模和表面建模在完整、准确地表达实体形状方面各有其局限性，要想唯一地构造实体的模型，还需采用实体建模的方法 。
实体建模的原理实体建模的标志，是在计算机内部以实体描述客观事物．利用这样的系统，一方面可以提供实体完整的信息，
另一方面，可以实现对可见边的判断，具有消隐的功能。
实体建模是通过定义基本体素，利用体素的集合运算或基本变形操作实现的，其特点在于覆盖三维立体的表面与其实体同时生成．由于实体建模能够定义三维物体的内部结构形状．因此，能完整地描述物体的所有几何信息，是当前普遍采用的建模方法实体生产的方法按照物体生成的方法不同，实体建模的方法可分为体素法、扫描法等几种．
1．体素法体素法是通过基本体素的集合运算构造几何实体的建模方法。每一基本体素具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维物体．体素法包含两部分内容；一是基本体素的定义与描述，二是体素之间的集合运算．常用的基本体素有长方体、球、圆柱、圆锥、圆环、锥台等．如图所示．
描述体素时，除了定义体素的基本尺寸参数外，例如长方体的长、宽、高，圆柱的直径、高等，为了准确地描述基本体素在空间的位置和方向，还需定义基准点，以便正确地进行集合运算．体素间的集合运算有交、并、差三种．以两个三锥体素为例．运算结果如图所示．
2．扫描法有些物体的表面形状较为复杂．难于通过定义基本体素加以描述．可以定义基体，利用基本的变形操作实现物体的建模．这种构造实体的方法称为扫描法．扫描法又可分为平面轮廓扫描和整体扫描两种。
平面轮廓扫描是一种与二维系统密切结合的方法．由于任一平面轮廓在空间平移一个距离或绕一固定的轴旋转都会扫描出一个实体，
因此，对于具有相同截面的零件实体来说，可预先定义一个封闭的截面轮廓．再定义该轮廓移动的轨迹或旋转的中心线、旋转角度．就可得到所需的实体，如图所示。
所谓整体扫描就是首先定义一个三维实体作为扫描基体，
让此基体在空间运动，运动可以是沿某方向的移动．也可以是绕某一轴线转动．或绕一面的摆动，运动方式不同．生成的实体形状也不同，如图所示．整体扫描法对于生产过程的于涉 验，运动分析等有很大的实用价值．尤其在数控加工中对于刀具轨迹的生成与检验方面更具有二要意义。
概括地说，扫描变换需要两个分量，一个是被移动的基体．另一个是移动的路径。通过扫描变换可以生成某些用体素法难于定义和描述的物体模
优点：对各侧面有明确的定义（与法矢量方向一致为外侧面，相反为内侧面）；能够唯一的表现物体；有利于物性分析和有限元分析。
缺点：数据量大，数据结构复杂，且缺乏明确的工程意义。
（ 4） 特征造型技术
A.传统造型的不足,只含物体的几何信息和拓扑信息。 P20
B.特征造型,
定义：将特征作为产品描述的基本单元，并将产品描述成特征的集合。
每一个特征，通常又用若干属性来描述，以说明形成特征的制造工序类别及特征的形状、长、宽、直径、角度等满足生产的要求。
除几何信息和拓扑信息外，还包含能反映物体特点（属性）的非几何信息等,e.g 尺寸公差、工艺（表面）处理、制造信息。
C.功能要求
# 参数化设计功能
# 基于特征设计思想
# 采用通用数据交换标准特征的含义－－反映产品零件特点、可按一定原则分类的产品描述信息。
例如：
产品特征孔类槽类下陷类凸起类台阶类边过渡通孔盲孔通槽盲槽
－－直通孔、锥通孔、沉头通孔等
－－盲直孔、盲锥孔、盲沉头孔、盲螺纹孔等
－－ T型,V型、燕尾槽、圆弧槽等
－－键槽等
－－矩形凹陷、弧形凹陷、环形凹陷等
－－圆柱凸起、矩形凸起等
－－矩形台阶、内外园台阶、斜台阶等
－－倒角、园角等基体类 －－板、块、柱、锥、环、球等右图零件的特征描述：
特征造型的主要优点：
使造型对象更具工程意义（如，模板、型腔、通孔等）；
将尺寸、公差、表面粗糙度和热处理等属性信息附着在零件的几何特征上，为零件加工提供统一的数学模型。
型腔板模板矩形槽直通孔材料、热处理、尺寸精度、形位公差、表面粗糙度等尺寸精度、形位公差、粗糙度等精度、粗糙度等
2-2-3 参数化造型技术造型对象的几何形状、拓扑结构固定，但尺寸不固定；改变尺寸即改变对象的大小。
通用性较差。适合于标准件、通用件和系列件的设计与绘图。
例如：
2-2-4 约束变量驱动造型技术组成几何对象的各图素之间存在约束（尺寸、形状、位置等）。适合于草图设计、装配设计和方案选型等场合。
x
y
R
② 局部求解边作图边记录约束条件（用特征树维持约束）
例如右图零件：
零件板圆角凸台通孔
③ 几何推理利用专家系统，检查约束的有效性。如上图，判断孔和凸台是否超出板的边缘。
④ 辅助线求解利用辅助线作为约束条件。下图的对称线即为约束条件，两孔中心必须以垂直中心线对称，并与水平中心线共线。
CAD
工程数据库管理系统
CAE
CAM
专家系统技术优化设计方案零件信息改进零件结构
NC指令
CAD/CAE/CAM系统功能模型图设计任务书用户需求产品模型
CAD/CAE/CAM一体化技术
2-3 产品数据交换技术产品数据 不仅包括产品模型的几何图形数据，还包括制造特征、尺寸公差、材料特性、表面处理等非几何数据。
产品几何描述,如线框表示、几何表示、实体表示以及拓扑、成形及展开等,
产品特性,长、宽等体特征；孔槽等面特征；旋转体等车削件特征等；
公差,尺寸公差与形位公差；
表面处理,如喷涂等；
材料,如类型、品种、强度、硬度等；
说明,如总图说明等．
其他,如加工、工艺装配等。
产品数据交换标准 是为实现不同的 CAD系统之间以及 CAD
／ CAM内部信息集成，与硬件设备无关的通用标准化软件产品数据 是指定义某一零部件或构件所需要的几何、拓扑、
公差、关系、性能和属性等数据。
产品数据的内容：
借助统一的产品数据模型和工程数据库管理系统进行交换
CAD/CAM
系统 A
统一的产品模型和数据库管理系统
CAD/CAM
系统 B
2-3-1 产品数据交换途径：
借助专用或标准（中性）文件进行交换（ P25）
CAD/CAM
系统 A
专用或标准文件
CAD/CAM
系统 B
2-3-2 常用产品数据交换标准简介
（ 1）图形数据交换规范 IGES（ Initial Graphics Exchange Specification）
由美国国家标准局 （ NBS） 主持成立的由波音公司和通用电气公司参加的技术委员会于 1980年编制出的初始图形信息交换技术规范。它开创了国际性的 CAD／ CAM技术的数据交换文件格式标准化工作。我国于 1993年 9月将 IGES 3.0作为国家推荐标准。
IGES模型 指用于定义某产品的实体的集合。定义 IGES模型就是通过实体，对产品的形状、尺寸以及某些说明产品特性的信息进行描述。
实体 是基本的信息单位。它可能是单个的几何元素，也可能是若于个实体的集合。实体可分为几何实体和非几何实体。
几何实体 定义与物体形状有关的信息，包括点、各种类型的曲线、曲面、体以及结构相似的实体所组成的集合。
IGES 4.0中包括几何定义、有限元模型和 CSG模型。
非几何实体 提供将有关实体组合成平面视图的手段，并用注释和尺寸标注来丰富此模型。此外。它还可向单个实体或一个实体组合提供特有的属性或特征、组合实体的定义和实例。非几何实体又分为两类；注释 ——提供信息的
IGES 文件结构特征段 Flag Section：表示数据的存储格式；
起始段 Start Section：文件序言；是对文件的介绍，供人阅读全局段 Global Section：为前、后置处理程序提供的接口信息；
实体索引段 Directory Entry Section：检索实体的入口；
参数数据段 Paramenter Data Section：每个实体的记录；
结束段 Terminate Section：归总起始段、全局段、实体索引段和参数数据段中的记录数。
IGES 在交换产品数据中存在的问题
IGES定义的实体主要是几何图形方面的信息，其他信息交换不充分。
交换复杂图形时容易丢失某些信息（部分语法结构不统一造成）；
交换文件占用的存储空间较大，数据处理时间较长。
STEP采用统一的产品数据模型以及统一的数据管理软件来管理产品数据，各系统间可直接进行信息交换，它是新一代面向产品数据定义的数据交换和表达标准，它采用
EXPRESS语言描述信息模型，便于表示复杂实体，表达形式统一；另外 STEP采用应用协议（ Application Protocol）
来保证语义的一致性．应用协议说明了如何用 STEP标准的集成资源来解释产品数据模型以满足工业需求，即根据不同应用领域的实际需要，选定标准的逻辑子集或加上必须补充的信息作为标准强制地要求各应用系统在交换、传输与存储产品数据时符合应用协议的规定。
（ 2）产品模型数据交换标准 STEP
Standard for the Exchange of Product Model Data
STEP技术 提供一种不依赖于具体系统的中性机制，它规定了产品设计、开发、制造，以至于产品全部生命周期中所包含的诸如产品形状、解析模型、材料、加工方法、组装分解顺序、检验测试等必要的信息定义和数据交换的外部描述、
因而 STEP是基于集成的产品信息模型。
STEP的应用范围非常广泛。 STEP的标准内部划分成许多子标准，其内容分别涉及几何、拓扑、外形表示、特征、外形表示接口、公差、材料、产品数据表示、绘图、机械产品结构、建筑工程结构、船舶模型、电子产品、有限元分析以及数据转换等。以后的版本又增加运动机构、标准零件、工艺规模、质量管理、加工制造、测试和产品寿命等内容。
特点,采用统一的产品数据模型和统一的数据库管理系统来定义和管理数据，可以在各 CAD/CAM系统之间直接交换信息。
（ 3） DXF文件交换格式（ 一个事实上的图形文件交换标准）
AutoCAD
DXF out命令 生成 DXF文件 程序读 DXF文件
AutoCAD
DXF in命令 读入 DXF文件 程序生成 DXF文件其他 CAD系统或计算程序
DXF文件结构
标题段 HEADRER
图形文件当前的工作环境设置记录；
表段 TABLES
当前图形编辑的支撑环境记录：视口表 VPORT、线型表 LTYPE、图层表 LAYER、字体表 STYLE、视图表 VIEW、用户坐标系表 UCS、尺寸标注式样表 DIMSTYLE和应用程序标识表 APPID；
块段 BLOCKS
图块记录；
实体段 ENTITIES
实体（类型、几何参数等）及其属性（实体所在图层、线型、颜色等）的记录；
结束段 END OF FILE
一条记录，即 0 EOF。
记录组成,组码＋码值
组码（正整数） 定义记录类型，如,6－线型名,20－ y 坐标初始值，
等等；
码值（实数、字符和字符串） 对应组码所从事的工作，即记录产生当前图形的每一步细节。
如,0 实体
CIRCLE 圆
5 半径
40
100 圆心坐标（ x,y,z）
0
STL 类型文件 是 CAD／ CAM中广泛使用的一类三维空间造型存储文件，它最初来源于快速成型技术及反求工程，
目前几乎所有的三维造型软件都具有输出此类文件的功能。
该类文件主要的优势在于简单、适应性好，即可以输出各种类型空间表面。文件中只包含有相互衔接的三角形面片节点坐标及其外法矢，属于,中性,文件，可以在不同的
CAD／ CAE／ CAM系统进行转换。尽管 IGES,STEP类型文件也具有很好的描述空间造型的能力，但在不断变化的空间表面描述上 (金属塑性成形过程 )，目前只能采用三角形或四边形描述，也就是说只能采用将任意空间表面离散成网格，以三角形网格形式输出、存储。
（ 4） STL文件交换格式利用 STL数据格式表示立体图形的方式较为简单，对于任何一个独立的空间实体，都可借助其表面信息进行描述，而表面信息则是由许许多多空间小三角面片的逼近体现出来，通过记录各小三角面片的顶点和法向矢量信息来间接描述原来的立体图形。
STL数据遵循的规则有：
共顶点规则：每一个三角面片必须与每个相邻的三角面片共用两个顶点，即一个三角面片的顶点不能落在相邻的任何三角面片的边上；
取向规则：单个面片上的法向量满足右旋定则，其正向必须朝着实体外侧，且与相邻面片的法向量协同（即如果将两个相邻面片合并成一个曲面、则两个面片的法向应该指向曲面的同一侧）；
充满规则，三角面片必须布满三维模型的所有表面，不得有任何遗漏；
取值规则，每个顶点的坐标值必须是非负的，即 STL实体应该在第一象限。
2-4 计算机辅助工艺规程设计 （ CAPP）
1 工艺规程设计的任务工艺规程设计是工厂工艺部门的一项经常性技术工作是生产技术准备工作的第一步，也是连接产品设计和产品制造的桥梁。以文件形式确定下来的工艺规程是进行工艺装备制造和零件加工的主要依据，它对组织生产、
保证产品质量、提高生产率、降低成本、缩短生产周期、
改善劳动条件都有着直接的影响 是生产中的关键性工作。
工艺规程设计的主要任务 是为被加工零件选择合理的加工方法、加工顺序、工、夹、量具，以及切削条件的计算等，使能按设计要求生产出合格的成品零件 。
主要内容有：
选择加工方法和采用的机床、刀具、夹具及其它工装设备
安排合理的加工顺序
选择基准，确定加工余量和毛坯，计算工序尺寸和公差。
选用合理的切削用量。
计算时间定额和加工成本。
编制包含上述所有资料的工艺文件。
其核心内容是选择加工方法和安排合理的加工顺序。
传统的工艺规程设计方法工艺规程设计处于产品设计和制造的接口处，需要分析和处理大量信息。既要考虑产品设计图样上有关零件结构形状、尺寸公差、材料、批量等方面的信息，又要了解制造中有关加工方法、加工设备、生产条件、加工成本、工时定额，甚至传统习惯等方面的信息、各种信息之间的关系又极为错综复杂，设计工艺规程时必须全面而周密地对这些信息加以分析和处理。
传统的工艺规程设计缺点：
耗时长期以来，传统的工艺规程设计方法一直是由工艺人员根据他们多年从事工厂生产活动而积累起来的经验，以手工方式进行的。这包括查阅资料和手册，进行工艺计算，绘制工序图，填写工艺卡片和表格文件等工作、其中，花费在书写工艺文件上的时间占 30％，工艺规程的设计质量完全取决于工艺人员的技术水平和经验。质量不易保证经验是一种宝贵的知识，但经验需要较长时期的积累，
而且，由于每个工艺人员的经验有限，习惯不同，技术水平也不一样，因而用手工编制的工艺规程缺乏一致性，
很难得到最佳的制造方案。对同样的零件由不同的工艺人员设计，会得出多种不同的工艺方案。因此，依靠个人经验。用手工方式设计的工艺规程一致性差，质量不稳定，难以达到优化的目标。
重复性劳动多 当工厂生产一个产品时，每个零件都要设计一个工艺规程，当产品更换时，原有的工艺规程便不再使用，必须重新设计一套新产品的工艺规程,当产品更换时，原有的工艺规程便不再使用，必须重新设计一套新产品的工艺规程，即使新产品中的某些零件与过去生产的零件相似或相同 也必须重新设计。其主要原因是工艺部门的管理问题 工艺人员不能充分利用过去设计的工艺规程。
根据成组技术原理，各种机械产品中的许多零件都在一定程度上具有相似性，所以它们的工艺规程也具有一定的相似性，而不是每一个零件都必须设计一个工艺规程。
实 例
某机床厂原来用 377个工艺规程制造 425种齿轮零件 应用成组技术对齿轮和工艺规程进行仔细分析后，发现可以只用 71种标准工艺规程就可以生产出 425种齿轮。
某工厂，要在 10个星期内投产制造 2100种零件，是否需要设计 2100个工艺规程呢？后经统计发现，虽然投入生产的零件品种数不断增加，但很多零件有相似性，真正不同的工艺规程的增长率在下降、实际上最后可归纳为
1200个工艺规程。从上述两个例子可以看到，生产的零件品种数和工艺规程数并不存一一对应的关系。目前工艺规程设计中存在的重复性和多样性，不仅本身是一种浪费，而巨还影响到工装设备的制造和使用，并直接影响产品的投产速度、交货日期、成本核算和企业的竞争能力。
综上所述，传统的工艺规程设计方法已不适应当前产品品种多样化、更新换代日益频繁的生产形势、现今在机械制造领域中，由于新工艺新技术的飞速发展，社会需求趋向于多样化，产品更新周期日益缩短，多品种小批量生产的企业大量增加。
设计部门 （ CAD） 和制造部门 (CAM)都普遍采用了高度自动化的技术，只有工艺设计工作仍然处于手工操作。
凭经验办事，效率低下的状态，再加上熟练的工艺人员正日益短缺 工艺设计已成为机械制造系统中的瓶颈，不能适应当今生产发展和经济改革的需要。为此 必须寻找新的工艺规程设计方法，代替原来的手工劳动，以提高工艺设计的工作效率，缩短生产准备周期，降低工艺设计费用。
3 利用计算机实现 CAPP (Computer Aided Process Planning)
随着电子计算机技术的发展和在机械制造领域中的广泛应用，为工艺规程设计提供了理想的工具、工艺规程设计主要是在分析和处理大量信息的基础上进行选择（加工方法、
机床。刀具、加工顺序等）、计算（加工余量、工序尺寸、
公差、切削参数、工时定额等）、绘图（工序图）以及编制文件等工作，而计算机能有效地管理大量的数据，进行快速、
准确的计算和各种形式的比较、选择，能自动绘图和编制表格文件。这些功能恰恰适应工艺规程设计的需要，于是出现了计算机辅助工艺规程设计（ Computer Aided Process
Planning ），简称 CAPP。这样一种新技术。
CAPP不仅能实现工艺设计自动化，还能把生产实践中行之有效的若干工艺设计原则与方法，转换成工艺设计决策模型，建立科学的决策逻辑。把长期从事工艺设计工作的人的经验传授给初参加工作的人，编制出最优的制造方案。
派生法 （ Variant）
根据成组技术的原理将零件划分为相似零件组，按零件组编制出标准工艺规程，并以文件的形式贮存在计算机中。当要为新零件设计工艺规程时，输入该零件的成组技术代码，由计算机判别零件属于哪一个零件组，检索出该零件组的标准工艺规程，再根据零件的结构形状特点、尺寸公差，进行编辑修改，获得适合于该零件的工艺规程。
通常调用 标准工艺文件，确定加工顺序，计算切削参数、
加工时间或加工费用 都是由计算机自动进行的。
创成法 （ Generative）
不以原有的工艺规程为基础，在计算机软件系统中收集了大量的工艺数据和加工知识，并在此基础上建立了一系列的决策逻辑，形成了工艺数据库和加工知识库。当输入新零件的有关信息后，系统可以模仿工艺人员，应用各种
CAPP系统的工作原理
2-4 专家系统与有限元优化技术
2-4-1 专家系统的基本概念人工智能 ---研究的是怎样利用机器模仿人脑从事推理、规划、设计、思考、
学习等思维活动，解决迄今认为需由专家才能处理好的复杂问题。即由计算机来表示和执行人类的智能活动。可以从 3个方面来理解人工智能系统（ 1）
从完成的主要功能看，分为视觉系统、听觉系统、专家系统、自动程序设计系统等；（ 2）从系统完成思维活动的抽象过程看，是一个广义问题求解系统；
（ 3）从处理对象看，是一个知识信息的处理系统。
专家系统 （ Expert System） ---是 人工智能的一个分支，是指在某个领域内能够起到人类专家作用，具有大量知识和经验的智能系统。是一种问题求解的智能软件系统。
专家系统的实质,知识＋推理专家系统结构：
人机接口解释系统 推理机 中间数据库知识库知识库开发系统用户 知识应用专家知识获取
知识库 (Knowledge Base)
存放专家知识和经验的特殊数据库。
推理机 (Inference Machine)
控制、协调专家系统工作的一组程序。
正向推理和反向推理
解释系统 (Explanation System)
解释系统的推理结果，回答用户问题。
知识获取系统 (Knowledge Acquisition)
将存储在人类专家头脑中的知识和经验提取出来，经验证后转存于系统的知识库中。
人机接口 (Interface)
人、机对话界面。
中间数据库 (Temporary Database)
用于存放推理过程的中间结果或论据的临时数据库。
例如,
零件加工回转件 非回转件孔 外圆表面螺纹孔 光孔钻,(镗 )
车内螺纹钻 钻、铰 钻、镗、
磨精密铸造车
>0.1 >0.01 <0.01
铣削
2-4-2 知识工程
1,产品设计 ---从信息处理的观点来看，是建立一个满足要求的模型结构和形状表示，记叙设计和制造对象所应具有的性质、动作和功能等。为此，必须有某种描述性语言可用来描述。此外，对于结构、形状的表示，除了可用于提取制造信息外，还应该包括可查明其外观和质感的显示信息，并以此为依据进行评价，确认模型是否满足要求。由此可见，产品设计实际上是一个围绕产品模型的反复评价和多次修改的动态过程。
2,知识库 +演绎取代传统的,数据库 +检索,的功能用于设计。其实现大致有 2种方法,（ 1）
一是按要求条件提供模型的部分结构，直接参与建造模型；（ 2）积蓄各种技术信息及使用方法，从候选的结构组中尽快去掉实现可能性较小的结构形式。
3,当前建造智能化 CAD系统的基本条件,P31
2-4-3 知识表示知识表示 ---是人工智能研究中的重要领域，是一个知识获取并应用知识的过程。而知识必须要有适当的表示形式才能在计算机中存储、
检索、使用和修改。亦即：研究如何存储信息的数据结构和智能地管理这些数据结构以进行推理的过程。
(1) 谓词逻辑表示法主要是运用命题演算和谓词演算等知识来描述事实。
例如：盐是咸的 海水中溶有大量的盐 所以海水是咸的
(2) 语义网络表示法由结点 (事实或结论 )和表示结点间关系 (推理 )的有向线段构成的知识描述方法。
例如：
(3) 框架表示法由结点 (槽 Slot)和无向线段组成的一种分层次的知识结构表示法，其最上层结点代表给定情况下总是成立的事实，而下层结点存放特定的参数、文字、数据或其它框架的内容。
例如：
AFO,A Feature Of
内孔 H1框架的 PROLOG语言描述：
Frame( ―内孔 H1‖,/*框架名（特征名）
[slot( ―AFO‖,[value[ ―内倒角” ]]),/*定义子框架（子特征）
slot( ―特征编码”,[default[ ―hole‖ ]]),
slot( ―孔径”,[value[ ―70‖ ]]),
slot( ―开始位置”,[value[ ―0‖ ]]),
slot( ―结束位置”,[value[ ―25‖ ]]),/*孔深＝开始位置－
结束位置
slot( ―Ra‖,[if_needed( ―solve_Ra‖ )]),/*表面粗糙度由规则 solve_Ra确定 */
slot( ―加工方法”,[if_needed( ―solve_Hole‖ )]),/*加工工艺由规
(4) 产生式表示法该法用,IF……THEN……‖ 的形式表述知识。
例如,IF
注射时给定树脂的塑料熔体不能充满型腔
THEN
适当提高熔体温度，或加大注射压力，或 ……
（ 5） 面向对象的知识表示法面向对象含义,知识（数据）和处理方法（功能）的统一体。知识 是对象的内部状态、事实的静态特征属性描述；知识处理方法表现为动态智能行为，即获取知识、
推理、消息传递和更新知识等。
面向对象方法的特点：
抽象性
封装性
继承性
多态性利用面向对象方法表述知识和知识处理方法举例
Class Rule{
public:
Rule(); // 建立规则
~Rule(); // 取消规则
void far load(); // 读取规则
void far save(); // 将规则存入知识库
private:
char *ID; // 规则编码
char *premise(); // 前提
char *conclusion(); // 结论
double certainty; // 置信度
static int num; // 使用频率
……
}
2-4-4 设计型专家系统框架 P33
1 适合专家系统的领域,（ 1）解决问题的方式 —经验 +判断推理； （ 2）
解决问题的过程 ---涉及数值计算、符号推理，使用“启发”、“规则”、
“策略”；（ 3）专家经验。
2 设计型专家系统的开发：
2-4-5 有限元分析优化技术
(1) 问题的提出（以结构设计为例）
结构设计通常要解决的两类问题
强度 经典分析法（如材料力学）：
刚度 经典分析法（如弹性力学）：
][max
,f
例如：深筒拉伸当 d 很小时，凸模（成型杆）
的强度和刚度能否满足要求？
经典分析法的弱点：
（ 1）靠经验类比（公式中的各种系数）与较大的安全系数来确定结构尺寸和用材；
（ 2）对结构动特性和耦合特性的分析基本无能为力；
（ 3）对设计结果难以把握，一般要通过实验来验证。
(2) 有限元分析 (Finite Element Analysis,FEA)的基本思想将一个连续体的求解区域离散（剖分）成有限个形状简单的子区域（单元），各子区域相互连接在有限个节点上，承受等效节点载荷（应力载荷、温度载荷、流动载荷、磁载荷等）；根据“平衡,条件分析并建立各节点的载荷场方程，然后将它们组合起来进行综合求解，以获得对复杂工程问题的近似数值解。
(3) 有限元分析过程（以结构分析为例）
几何参数 载荷 边界条件 材料性能前置处理求解后置处理节点位移清单应力值清单位移图形显示等值线图形显示单元颜色变化图动态图形显示建立有限元模型有限元分析分析结果的判定
(4) 有限元分析的前后处理
A,两种类型,P36
B,前处理
1）生成有限元网格；
2）节点的优化排序；
3）生成有限元属性数据；
4）生成输入数据文件。
C,后处理
1）对计算结果的加工处理；
2）计算结果的图形显示；（有：结构变形图、等值线图、主应力迹线图、等色图）
颜色表示应力分布，形状改变表示弹性形变情况：
例如：分析一端固定，一端受静力的零件上应力和应变分布情况还可以用动画表示应力和形变的传播：
2-4-6 仿真模拟技术
(1) 基本概念
1）仿真的必要性,P37
2）计算机仿真 (Simulation)：利用计算机进行产品的概念设计、结构设计和模拟仿真，并优化此结果。 Or:
CAE技术。
3）仿真的优缺点,P38
4） 计算机仿真的关键技术：
建立仿真对象的数学模型
求解数学模型，并将结果显示出来
(2) CAD/CAM系统中仿真技术的应用
产品外形与装配关系仿真
机构运动仿真
加工过程和试验过程仿真
生产过程仿真
热加工过程仿真产品外形仿真装配关系仿真铸件在砂型中冷却时的温度变化仿真冲压模具工作过程仿真零件数控铣仿真
(3) 数字仿真基本方法
建立数学模型定量描述仿真对象固有特性，及其在外界作用下动态响应。
建立仿真模型在给定数学模型的基础上，设计出求解数学模型的算法。
编写相应的仿真程序根据仿真模型编写计算机程序。
设置时间间隔设置当前状态和下一个状态的时间间隔，计算每一个状态下的结果，最终形成时间序列对应的整体过程。
动态显示仿真结果
2-4-7 虚拟现实技术 (Virtual Reality)
(1) 含义一种高逼真地模拟人在自然环境中视觉、听觉、触觉和动感等行为的人机界面技术。
(2) VR典型结构
(3) VR基本特征
o 多感知性 (Multi-Sensory)
o 存在性 (Presence)
o 交互性 (Interaction)
o 自主性 (Autonomy)
(4) VR的关键技术和研究内容
动态环境建模技术
实时三维图形技术
立体显示和传感技术
应用系统开发工具
系统集成技术第三章 计算机辅助制造（ CAM）技术基础工业化国家经济总产值的 50%（日本）至 68%（美国）是由制造业创造的，制造业对发展国家经济有决定性的影响，而发展机床业是发展制造业的根本。
数控机床是典型的机电一体化产品，是现代制造业的主流设备，是体现现代机床技术水平、现代机械制造业工艺水平的重要标志，是关系国计民生、国防尖端建设的战略物资。
2002年，我国机床市场消费额达 59亿美元，成为世界第一。我国数控机床总量供给能力不凡，产品品种无重要缺门空白，数控机床进入成熟期。但与先进国家相比尚有 30-50年的差距。
机床数控化率 <10%，数控机床应用水平较低。
3.1 数控加工及数控技术基础知识
（一）数控加工的基本概念
（ 1）数控（ NC）的含义数控：是数字控制（ Numerical control ）的简称，通常称为 NC，是用数字信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种控制方法。
数控系统中的译码、处理、计算公式和控制的步骤一般都是通过预先设计好的，是专门用于数控的专用微型计算机来实现的，所以 NC也称为硬件控制，反之采用小型通用计算机或微型计算机来实现控制的称为软件控制，简称为 CNC (Computer Numerical Control)
要求高效、稳定、可靠、开放类型电子管晶体管集成电路小型计算机微处理器工控 PC机硬件连接数控系统（ NC系统）
软件数控系统
（ CNC系统）
（ 2）数控系统要求、类型及性能评价指标
（ 3） 数控技术发展
1949
1955
1959
1960
麻省理工学院开始研制,1952
研制成功美国空军，两年后数控机床商品化晶体管元器件,APT
德国，日本开始研究
1965 小规模集成电路
NC机床
1970 美国 INTEL公司开发和使用了微处理器数控加工的优点：
加工精度高，质量稳定可靠；
自动化生产，效率高，周期短；
可直接从 CAD系统中提取数据，保证数据处理的一致性；
减轻劳动强度
改善劳动条件
有利于生产管理
（ 4）数控加工的含义一种在数控机床上加工零件的工艺方法。
实质：用数控装置（系统）代替 人 操作机床进行零件加工的一种自动化加工方法。
1.批量小而又多次重复生产的零件；
2.几何形状复杂的零件；
3.贵重零件加工；
4.需要全部检验的零件；
5.试制件。
（ 5）数控加工的适用范围
（ 6）数控加工工作流程（ P204）
零件图的加工工艺设计数控程序编制数控系统处理信息伺服系统转换放大信号执行部件动作位置检测提取加工信息将程序读入系统脉冲指令 驱动工作台实际位移量的信息反馈
（ 1）组成输入装置数控系统伺服系统机床执行部件指令 驱动位置、速度反馈温度反馈
2 数控机床的组成与分类输入介质
控制介质数控加工时，所需的各种控制信息要靠某种中间载体携带和传输，这种载体称为控制介质。在控制介质上保存着加工零件所必需的全部操作信息和刀具及工件移动的信息，它记载着零件的加工程序。
控制介质有：穿孔纸带、磁带或磁盘?数控装置
伺服系统
机床主机主机是数控机床的主体，包括车身、箱体、导轨、主轴、进给机构等机械部件人造大理石床身（混凝土聚合物）
天然大理石床身数控机床应有更小的热变形控制热变形的措施：对机床热源进行强制冷却，采用热对称结构。
对机床热源进行强制冷却对机床热源进行强制冷却热对称结构立柱机床排屑系统数控机床运动件之间的摩擦要小，要消除传动系统的间隙，达到低速时无爬行，高速时快速响应。
MOV2 进给运动,wmv
数控机床应有更好的宜人性（人机关系及环保）
便于操作的机床结构
（ 2）分类点位控制数控机床按加工功能 直线控制数控机床轮廓控制数控机床按工艺用途分类数控铣床加工中心线切割机床点火花机床立式数控车床卧式数控车床立式数控铣床卧式数控铣床快走丝电火花线切割机床工作台移动式电火花机床工作台固定式电火花机床固定立柱立式加工中心滑枕立式加工中心
O形整体床身立式加工中心
MOV3 五坐标高速加工中心
3 数控机床工作过程加工准备阶段机床调整阶段程序调试阶段试切加工阶段正式加工阶段检测
4 工件轮廓生成法工件的真实轮廓由机床执行部件的运动轨迹插补生成。
y
x0
y
x0
插补类型（按脉冲当量的分配形式）：
直线插补－－沿直线分配脉冲。
圆弧插补－－沿圆弧分配脉冲。
其它插补类型（如，抛物线插补、高次曲线插补，
等等）
插补运算－－求解逼近轨迹上各点 ( x,y ) 坐标的数学运算。
脉冲当量－－机床执行部件单位位移量，用于控制插补精度。
通常，脉冲当量值由数控机床的加工精度决定。
自动插补运算直线插补：只输入执行的起点和终点坐标。
圆弧插补：输入圆弧起点、终点和圆心坐标（或半径值）
由事先规定的圆弧角正负值来确定半径位于弧的哪一边常见数控系统
SIEMENS FANUC
立式数控铣床
（一） 数控加工程序编制的内容与步骤
编制程序的目的：
用程序去实现数控加工的全部工艺规范。
内容与步骤分析零件几何形状、尺寸和精度要求分析零件图 选择工夹具、
确定装夹方式、
加工路线和切削用量等确定工艺过程 根据零件图和加工路线计算基点和节点等数控关键数据数值计算按数控系统要求的格式编写程序编写程序单 制备信息载体校对检查信息载体试加工修改
3.2 数控（铣床）编程方法
（二） 编程方法
手工编程熟悉数控代码及编程规则对编程人员的要求 具备机械加工工艺知识（一切 CAM人员必备！）
具备数值计算能力
自动编程（ 2种模式）
（ 1）以自动编程语言为基础编程人员依据所用数控语言的编程手册和零件图样，以语言的形式表达出加工的全部内容（ 加工原始数据和加工指令），输入计算机中进行处理，得到可以直接用于数控机床的 NC代码。
（ 2）以计算机绘图为基础在对话方式下，完成零件图定义、走刀路线的确定、加工参数的选择。 P236
自动 编程的信息处理过程
（ 1）语言式 自动 编程（ P237）
借助数控“高级语言”编程（ 例如,APT等 ）。
（ 2）图形 交互式自动编程 （ 238）
在几何造型的基础上，给出加工参数，由编程软件自动生成相应的加工轨迹和加工指令。常与 CAD系统集成。
（ a）几何造型
（ b）刀具路径的产生
（ c）后置处理
（三）几个重要术语
数控机床的坐标轴及运动方向规定：
①,工件不动”，刀具相对工件运动；
② 直角坐标系满足右手定则和右旋定则；
③ 机床坐标轴和运动方向；? 数控机床的坐标轴数与联动轴数坐标轴数－－可以用数字控制的执行部件进给运动数。
联动轴数－－能够同时控制的坐标轴数。
机床坐标系与工件坐标系机床坐标系－－机床固有坐标系。
机床坐标系原点的确定方法。
工件坐标系－－建立在工件上的坐标系。
工件坐标系原点的确定由编程人员按加工工艺要求自定。
工件原点偏置：工件原点偏离机床原点的距离。
工件上各点坐标的表示绝对坐标表示相对（增量）坐标表示绝对尺寸指机床运动部件的坐标尺寸值相对于坐标原点给出,如图所示。 增量尺寸指机床运动部件的坐标尺寸值相对于前一位置给出绝对尺寸 增量尺寸数控机床坐标系的确定方法
1.假定刀具相对于固定的工件运动
2.采用右手笛卡儿坐标系直线坐标 X Y Z
旋转坐标 A B C
附加坐标 U V W
3 确定顺序,Z-X-Y
（ P216—P218）
4 增大工件和刀具之间距离的方向为运动的正方向数控机床坐标系原点在数控车床上，机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处，见左图。同时，通过设置参数的方法，也可将机床原点设定在 X,Z坐标的正方向极限位置上。
数控铣床的原点在数控铣床上，机床原点一般取在 X,Y、
Z坐标的正方向极限位置上，见右图车床的机床原点 铣床的机床原点
1、程序格式（编程规则）
以人工编程 G代码为例? 程序组成程序－－若干程序段（行）的集合；
程序段（行）－－完成某个或某些特定动作的指令
（代码字）集合；
指令（代码字）－－由操作（地址）符和操作内容
（数据）构成。
例如,N001 G91 G00 X2700 X3000 Z15000 M03 LF
N002 ……
…………
N017 X-5000 Y-4000 Z14800 M02 LF
（四）编程方法
程序行内指令（代码字）的顺序及其含义模态（续）代码与一次性代码
N G X Y Z? F S T M D H LF
程序行号准备功能尺寸 进给速度主轴转速刀具编号辅助功能半径补偿长度补偿程序行结束代码 功 能 代码 功 能
G00
G01
G02
G03
G04
G06
G08
G09
G17
G18
G19
G33
G34
点位控制直线插补顺时针圆弧插补逆时针圆弧插补暂停抛物线插补加速减速
XY平面选择
ZX平面选择
YZ平面选择螺纹切削 (等螺距 )
螺纹切削 (增螺距 )
G35
G36~39
G40
G41
G42
G43
G44
G60
G65~79
G80
G81~89
G90
G91
螺纹切削 (减螺距 )
内部保留取消刀具补偿刀具径向左补偿刀具径向右补偿刀具轴向正补偿刀具轴向负补偿准确定位保留用于点位控制取消固定循环固定循环 #1 ~ #9
绝对坐标编程增量坐标编程常用 G功能代码摘要代码 功 能 代码 功 能
M00
M01
M02
M03
M04
M05
M06
M07
M08
M09
M10
M11
M13
程序停机任选停机程序结束主轴顺时针方向旋转主轴逆时针方向旋转主轴停转换刀开 2号切削液开 1号切削液关闭切削液夹紧松开主轴顺转并开切削液
M14
M15
M16
M19
M30
M31
M32~35
M40~45
M50
M51
M60
M68
M69
主轴逆转并开切削液正向 (＋ )运动反向 (－ )运动主轴定向停止纸带结束旁路互锁固定切削速度保留开 3号切削液开 4号切削液换工件工件夹紧工件松开常用 M功能代码摘要加工程序的一般格式举例：
% // 开始符
O1000 // 程序名
N10 G00 G54 X50 Y30 M03 S3000
N20 G01 X88.1 Y30.2 F500 T02 M08
N30 X90
……
N300 M30 // 结束符
%
// 程序主体
2、点位、直线控制系统的程序编制以点位控制系统为例
编程原则：定位准确，进给路径短。
刀具到达孔位后的钻孔行程计算为刀尖高度）超出量（对于沉孔，－－刀具引入
）通孔为板厚，沉孔见图－－钻孔的有效深度（式中：
bba
d
bda
ZZZ
Z
ZZZh
//
dZ?
bZ?
Z =0
Z
o
Z
r
Z
s?ZaZd
Z
b
例如右图其中：
－－刀尖到工件距离
－－刀具装夹后的长度
s
r
Z
Z
注意,对于点位加工，孔径的精度由刀具自己保证（如，刀径、刀与主轴的同轴度、
直线度、刚度、耐磨性等）；
孔距和孔位精度由机床控制系统、机械系统和编程保证。
点位加工举例：
N005 G91G00 X2700 Y3000 Z15000 M03;
N010 Z-14800;
N015 G01 Z-1700 F200;
N020 G00 Z1700;
N025 X1300 Y2000;
N030 G01 Z-1700;
N035 G00 Z1700;
N040 X2000;
N045 G01 Z-1700;
N050 G00 Z1700;
N055 X100 Y-1500;
N060 G01 Z-1700;
3 · 轮廓控制系统的程序编制（ 以铣削平面为例）
（ 1）基点和节点计算基点－－构成零件轮廓各相邻几何元素的交点和切点。
节点－－逼近线段的交点，用于处理非标准曲线或曲面（对于标准圆弧、直线和二次曲面，节点的计算可以省去）。 交点 切点 节点节点由于刀具中心轨迹是零件轮廓的等距线，所以，只要在基点或节点计算的基础上，参照刀具半径和加工余量，便可计算出中心轨迹的全部坐标值。
工件轮廓加工余量刀位点移动轨迹
（ 2）刀具中心轨迹（即刀位点移动轨迹）计算
（ 3）辅助程序段计算主要对刀点到切入点、切出点到刀具停止点的路径计算。
（ 4）增量坐标计算 （选项）
增量相当于平移变换中的平移量。
规定：
插补类型 计算对象直线插补 终点相对起点的增量圆弧插补 ① 以起点为参考点，计算圆心相对起点的增量；
② 以圆心为参考点，计算起点相对圆心的增量；
注意：无论是增量编程或是绝对编程，圆弧插补均应采用增量方式。
（ 5）脉冲数计算（选项）
脉冲当量距离两个基点或节点之间的脉冲数＝
要求分别计算 X方向和 Y方向上的脉冲数。
程序段举例：
绝对坐标编程
N001 G00G17G90 X30 Y0;
N002 G02 X30 Y0 I-30 F100;
N003 G00 X0 Y0 M02;
增量坐标编程
N001 G00G17G91 X30 Y0;
N002 G02 X0 Y0 I-30 F100;
N003 G00 X-30 Y0 M02;
Y
X
A
0
R3
0
（ 6）刀具补偿
① 径向补偿（刀具偏置）
含义－－刀位点径向偏离工件轮廓。
补偿值 D = R + △
式中,R－－ 刀具半径
△ －－ 加工余量工件轮廓加工余量刀位点移动轨迹
径向补偿指令：
右补偿（刀具右偏） G42－－顺着刀具前进方向看，刀具在轮廓右侧
左补偿（刀具左偏） G41－－ 顺着刀具前进方向看，刀具在轮廓左侧。
取消径向补偿 G40
右补偿左补偿右补偿 左补偿
采用刀具径向补偿编程的优越性：
– 不考虑刀具半径，直接按工件轮廓尺寸编程；
– 适当 改变半径补偿量，以实现同一刀具，同一程序完成轮廓从粗到精的全部加工。
② 长度补偿
含义－－在 Z 轴方向上实现对刀具移动距离的补偿。
a － 工件坐标系的 Z 轴设定值,b － 刀尖到刀柄校准面的距离，
c － 指令动作,d － 实际移动量,e － 补偿量注：事先将测定的 a,b 值存入刀补表中。
Z 轴机械原点工件坐标系的 Z 轴零点
abc
d
e
+
Z
-
Z
长度补偿指令：
G43－ 正补偿（如前图,e = c - d）
G44－负补偿（如右图,e = d - c）
G49－取消长度补偿
dc
e
采用刀具长度补偿的优越性：
可实现在一次加工中使用多把长度不同的刀具，特别适合于加工中心的自动换刀系统。
N005 G90G17G00G42 X10Y10; //绝对坐标编程，快速移动到 1点，右补偿
N010 G01 X30 F100; //直线插补到 2点，主轴转速为 100/mm
N015 G03 X40Y20 I0J10; //逆时针圆弧插补
N020 G02 X30Y30 I0J10; //顺时针圆弧插补
N025 G01 X10Y20; //直线插补
N030 Y10;
（ 7）轮廓加工举例先计算各点的坐标。
3.3 数控编程的工艺处理
1 · 工序、工步的划分与顺序安排（ P224）
基本原则：先粗后精，先面后孔；尽量减少换刀次数和空刀路程。
特殊情况：对同轴度要求很高的孔系，应一次定位，顺序换刀，依次完成该孔系的全部孔加工。 2 · 零件装夹方法的确定和夹具选择装夹原则：
尽量减少装夹次数和时间
工件坐标系与机床坐标系之间应有确定的关系
夹具的选择：尽量采用组合夹具。
3 · 对刀点、刀位点和换刀点对刀点－－刀具相对于工件的运动起点。
刀位点－－刀具运动轨迹的基准点。
平头立铣刀 球头铣刀 车刀 钻头 线切割电极丝例如（图中红色表示基准点）：
换刀点－－换刀位置。
原则：换刀时不得碰伤工件、夹具和机床。
4 ·走刀路线刀具相对于工件的运动轨迹（走刀路线）。
路径选择原则：
（ 1） 保证良好的加工精度和表面质量；
（ 2） 数值计算简单；
（ 3）进给路径尽可能短。其它应考虑的问题：
– 辅助路径（引入距离）
– 切入点和切出点主要指铣削轮廓时的进刀和出刀（ 切向或圆弧进出刀,）
>=
d
铣刀工件
– 轮廓加工时尽量避免进给停顿；
– 为提高表面质量、降低粗糙度，采用多次小余量进给；
– 加工孔系时，安排镗孔的路线应注意各孔的定位方向一致，避免反向间隙的产生。
5 · 刀具选择选择原则：
刀具精度高，刚性好；
尺寸稳定，耐磨性好；
调整方便。
目的：
提高生产率，降低台时费用。
6 · 切削用量的确定切削深度 a
切削用量 进给量 f
切削速度 v a
fs
图中,S 为主轴转速（ r / min）,由切削深度 a,进给量 f 和刀具耐用度计算公式或查手册得到的切削速度 v 或主轴转速 n。
此外，选择进给量 f 时，还应注意工件轮廓拐角处的“超程”和“欠程”问题。
7 · 编程误差及其控制数控加工的误差来源：
逼近误差
插补误差
尺寸园整误差
其它：机床控制和伺服系统误差、零件定位误差、对刀误差、刀具磨损误差、
刀具或工件受力（受热）变形误差，等等。
编程误差控制：
逼近误差（选择合适的数学近似方程）
插补误差（增加插补点，合理分配插补点）
尺寸园整误差（采用合理的数据处理方法）
原则：编程误差应控制在零件公差的 10～ 20%之内。
8 · 数控加工工艺文件（ P232）
3.4 数控线切割编程
1 · 编程中的工艺处理
（ 1）偏移量 f
f －－ 切割丝半径（ r ） 与单边放电间隙（ z） 之和。
（ 2）取件位置、切割路线和起点引丝孔不好 好 最好
（ 3）切割轨迹
直接加工：切割丝轨迹通过公差带中心切割孔钼丝切割轨迹 Da=D+T/2－ f
孔的公称尺寸 D
D＋ T/2
钼丝切割轨迹 da=d－ t/2＋ f
件的公称尺寸 d
d－ t/2
落料
为延长模具寿命冲孔凸模－－轨迹偏向工件（孔）的正差，即凸模直径略大；
落料凹模－－轨迹偏向工件（轴）的负差，即凹模直径略小。
工件工件孔 D[+T]
钼丝凸模轴 D+(0.75~1)T
切割轨迹
dA= D+(0.75~1)T+f
工件 d[-T] 凹模孔 d－ (0.75~1)T
切割轨迹
Da= d－ (0.75~1)T－ f
钼丝
非一次性切割：
f ＝ r + z +?
－－切割余量
（ 4）零件定位与夹具选择定位原则,方便装夹，简化编程最好选择组合夹具。
（ 5）辅助程序规则
引入程序段 原则：引入点尽量靠近切入点；
切出程序段
超切 / 回退程序段 因钼丝是柔性体，钼丝工作部分前进滞后于线架。
2 · 数控线切割机床的程序编制
（ 1）基本规则
① 编程格式以国内常用的 3B格式为例 B X B Y B J G Z
分隔符 X 坐标值 分隔符 Y 坐标值 分隔符 计数长度 计数方向 加工指令
② 坐标原点和起点 / 终点的确定规定：
切割水平线和垂直线，原点在线的起点上，
程序行中的 x,y就代表起点；
切割斜线，原点在斜线起点，程序行中的 x,y
代表终点；
切割圆弧，原点在圆心，程序行中的 x,y代表圆弧起点。
③ 脉冲计数及 其 方向数控线切割一般按脉冲数控制切割过程。
切割斜线和圆弧时,X方向脉冲 计数 Gx与 Y方向脉冲计数 Gy的选择通常只取 Gx,Gy其中之一即可，因为计数方向主要用于确定计数长度。 ④ 计数长度 J（ 在指定计数方向上拖板走动的距离和）
Jx = P * Gx Jy = P * Gy
例如：
ni iiyni iix yyPGxxPG 1 11 1 )(1)(1
式中,n －－ 斜线和圆弧上的切点或交点数；
xi,yi －－ 切点或交点的 x,y 坐标；
( x0,y0 ) －－ 起 点坐标（斜线切割）或圆心坐标（圆弧切割）
P －－ 脉冲当量通式：
⑥ Z 指令（加工指令，共 12条）
P243
（ 2） 3B格式编程举例
切割右图样板完整程序：
B0 B0 B015000 GX L3
B0 B12000 B006000 GX NR2
B14000 B8080 B014000 GX L3
B3000 B5190 B005190 GY NR2
B0 B0 B003000 GY L4
B0 B0 B006000 GX L3
D
⑤ X,Y,J 的单位（?m）
其中,J应取足 6位数，如,J = 15000?m,写作
015000。
第四章 注射成型 CAD
4-1 注射模结构 CAD
4-1-1 注射模结构 CAD的内容
注射制品的几何造型
模腔工作面的自动生成
模具结构方案设计
标准模架的选择
二维工程图的生成
结构计算与校核
4-1-2 注射模结构 CAD应具备的基本功能
强大且完善的几何造型能力
标准化设计
设计数据的处理和管理
拥有充分的柔性和适应性
4-1-3 注射模结构设计软件实例
软件总体结构 (P174G6-5)
标准模架选择及编码原电子工业部颁布的标准模架 (SJ2528-84)：
10类基本模架,44种派生系列,31150种具体规格。
Z 系列：单分型面模架系列
T 系列：双分型面模架系列标准模架选择流程 (P175G6-6)
利用编码存储和管理模架数据。
顶杆零件的编码示例 (P176G6-7)。
利用数据库存储和管理模架数据
成型零件设计成型零件设计中的难点之一：镶拼式结构设计。
由于镶拼结构的多样性和复杂性，故目前仍以交互方式为主进行设计。
镶块件的标准化、参数化解决是镶拼式结构设计的重要途径之一。 (P178G6-8,G6-9)
参数化图库的应用参数图形－－图形的结构固定 (即几何约束固定 )，但尺寸可变 (即尺寸约束可变 )。改变尺寸便可得到同类图形的变种 (实例 )。
Φ
Φ5
参数化图库－－参数图形的集合。
参数化图库主要用于标准零件和通用零件的设计、管理与应用。
图形数据库结构 (P181G6-11)
图形数据库结构中“终点坐标”和“标注点位置坐标”
的确定：
)17( 2
1
1
221
111
1
1
0
2
1
nnmn
m
m
nn L
L
L
KK
KK
KK
x
x
x
x
x
x
)27( 2
1
1
221
111
1
1
0
2
1
mnmn
m
m
nn L
L
L
KK
KK
KK
y
y
y
y
y
y
个尺寸模式个坐标点所用到的第求解第求解坐标点的总数总数图形中完整标注的尺寸寸值或变量点坐标用到的尺由已知点坐标求解未知的坐标值点也可是参数化图形的基已知结点，
值图形中待求结点的坐标，方程左边式中
K
n 1,2,
)( )(
n 1,2,i )(
ij
00
ji
n
m
iL
yx
yx
i
ii
参数化图形库的建立思路
建立参数化基本图元 (元件 )子库；
在基本图元子库的基础上，通过图形变换和布尔运算，
生成复合图元或零部件几何结构图；
为零部件几何结构图标注参数尺寸。
参数化图形库的使用 (P182G6-12)
4-2 注射成型过程数值模拟
4-2-1 塑料熔体流动过程模拟目的：预测熔体充模过程的流动行为，尽早发现设计中存在的问题。
(1) 一维流动分析一维流动的三种基本形式圆管流动 矩形板流动 径向流动
)107(
)97(
)87(
)77(
)67(
2
)57( )(
)47(
)37( 0
2
0
2
2
2
n
dyu
y
dy
y
S
S
Q
Qu d yx
y
T
z
T
w
t
T
c
z
P
y
v
y
b
y
b
b
b
p
熔体流动率压力梯度，
型腔形状函数粘性热设定的熔体注射流量剪切速率模腔压力剪切粘度模腔厚度方向坐标方向流速式中
)(
S
z
P
x
Q
P
z
yv
率时的粘度和温度描述熔体处于零剪切速减小的特性粘度随剪切应力增加而表述热塑性塑料熔体的，
与塑料性质有关的参数，
初始剪切速度粘度式中公式求得熔体的粘度采用
,
,,
)127( )/e x p ()(
)117(
) (1
)(
),(
*
*
0
0
1*
0
0
b
b
b
n
TB
BT
TTBT
T
T
C r o s s
可以利用有限差分法求解上述 (4-3)～ (4-10) 。
具体解法思路,
已知某一时刻的温度场 T,利用上一时刻的粘度?和式 (4-7)求得流动率 S；
利用式 (4-6)求得压力梯度，便可知该时刻压力场 P；
利用 (4-11)求得该时刻的粘度?；
利用 (4-8)求得?；
利用 (4-10) 求得粘性热?；
利用 (4-9)求得熔体流速场 u；
再利用 (4-4)求解下一时刻的温度场 T；
…… 。
如此循环，直到整个一维模腔被熔体充满为止。
(2) 二维流动分析经过适当划分，将二维流动转化成一维流动单元的串联，然后利用一维流动分析模型求解熔体的二维流动过程。
常用一维流动单元举例圆形管 具有中心浇口的圆板 具有边缘浇口的平板 具有中心浇口的圆环板下图是某个二维模腔经适当划分后形成的九个流动单元，
由这九个流动单元构成了五条流动路径：
1-2-9,1-3-4,1-3-5-6,1-3-5-7,1-3-5-8
二维流动分析思路：
以一维流动分析诸方程为基础；
在一个时间步长内只考虑一个单元的熔体流动过程；
因每条路径的入口压力近似，且沿每条流动路径的总压力降应相等，所以，利用迭代法求解基于一维流动分析的塑料熔体流动诸方程时，应分别沿每条路径更新其体积流量 Q；
只要流动单元内的熔体流动尚未停止，则在每个时间步长内，都需要更新单元的温度场；
根据更新后的体积流量，计算熔体在每个未充满单元内的前沿位置；
根据一维流动分析中所介绍的步骤，计算单元内的压力场、
速度场和温度场等；
重复上述一维计算步骤，直到全部流动路径上的单元均被熔体充满为止。
(3) 三维流动分析通常将三维流动问题分解成流动平面 (x-z平面 )的二维分析和壁厚 (y)方向的一维分析。流动平面内的未知量 (如，温度、压力等 )用有限元法求解，而型腔壁厚方向上的未知量 (如，时间等 )则用有限差分法求解。
在求解过程中，有限元法与有限差分法交替进行，相互依赖。
(4) 数值求解过程 (P191G6-23)
4-2-2 注射冷却过程模拟影响塑料制品冷却的主要因素：
制品结构、冷却管道类型和尺寸及位置、冷却介质流速与温度、制品与模具之间的非稳态热交换等。
(1) 一维冷却分析
管边距与管间距计算一维冷却系统的管道布置举例 (P192G6-24)
用迭代公式求解一维冷却系统的管道布置管边距与管间距冷却水应带走的热量冷却水的平均温度型腔壁的平均温度模具材料的热导率热系数冷却水与管壁之间的传冷却管道直径动率冷却管中允许的温度波式中
,
)147(
)](13.0[876.0
)(87.0
)137( ln4.2
8.2
22.0
ba
Q
T
T
h
d
J
bdahd
hdTT
Q
a
b
a
bhd
J
c
c
w
w
w
wcw
c
w
具体解法：
设初值 d0,b0/a0和 j?代入 (4-13)中求得 J?比较 J 与 j?
若 J 与 j 的差值在允许范围外?减小比值 b/a(或增大 d)，继续迭代?…… 。
利用热平衡方程求解出初值 q’? 设初值 a=d?将初值代入 (4-14)求得 Qc?比较 q’与 Qc?若比值超过允许值?增大 a
继续计算 Qc?…… 。
上述两个迭代相辅相成 (由 b/a关联 )，以最终得到 a和 b。
冷却时间计算模腔的最低温度制件的脱模温度熔体的注射温度塑料的热扩散系数制品的半个厚度间塑料制品的最小冷却时式中
)157(
)(
)(4
ln
4
m i n2
m i n1
m a x1
1
m i n2m i n1
m i n2m a x1
1
2
2
T
T
T
a
h
t
TT
TT
a
h
t
c
c
热阻计算 (略 )
热阻：模壁同冷却水道之间的传热阻力，与模具材料、
模壁和水道之间距离有关。
冷却水道总长度计算冷却水道总长度取决于冷却水道总面积 A：
冷却水道带走的总热量式中
)167(
)(
243
Q
aTT
Q
A
mm
的流速冷却水处于湍流状态时直径管水道的传热系数水道壁与冷却水界面处冷却水平均温度总热阻腔壁与冷却水道之间的模腔壁平均温度水道壁平均温度
)(
)187( )0 1 5.01(3 4 8.7
)177(
13.0
87.0
42
2
4
2
23
3
v
d
d
v
Ta
a
T
R
T
QRTT
T
m
m
v
m
vmm
m
预测制品的实际脱模温度制品与模壁之间的温差可表示为针对制品的一个冷却循环
t
)197( )(
c
21
m i n2m a x121
最小冷却时间度制件和模腔壁的平均温，
式中
TT
eTTTTT c
kt
系数制品与模具之间的传热环中应带走的热量冷却系统在一个冷却循式中
＝
根据牛顿冷却定律，有可得的初值条件的平均值，并利用进行积分，取对
)217( )(
)207(
)(
)(
ln
)()(
)(
0 )197(
3
3
21
m a x2m i n1
m i n2m a x1
m a x2m i n1m i n2m a x1
21
a
Q
fa
Q
TT
TT
TT
TTTT
TT
tt
m
m
cc
联立解 (4-20),(4-21)，采用迭代算法，便可得到给定冷却条件下制品脱模温度的预测值 T1min。
(2) 二维和三维冷却分析 (略 )
塑料注射成型数值模拟举例第五章 冲压成型 CAD
5-1 冲裁模 CAD/CAM系统
5-1-1 冲裁件工艺性判断与毛坯优化排样
(1)冲裁件工艺性判断冲裁件工艺性 是指冲裁件对冲裁工艺的适应性，包括冲裁件的结构、尺寸及其偏差、外轮廓与孔 (槽 )和孔 (槽 )与孔 (槽 )之间的距离等因素的适应性。
工艺性判断的主要内容 是检查被冲零件的结构尺寸是否在允许的极限值范围内。
工艺性判断流程举例 （ P83G4-4）
工艺性判断的关键流程：
选择判断对象元素；
判断被选对象元素的性质； （ P83G4-5）
量化被判断对象的结构尺寸，并与极限值进行比较。
(2) 毛坯优化排样利用 CAD进行优化排样的优点：
借助图形变换可以方便地生成和修改各种排样方案；
可以快速计算出各种排样方案下的毛坯材料利用率；
可将优化方案存储下来以备后用。
常用排样方式举例 （ P84G4-6）
材料利用率计算
卷 (带 )料进给步距料的宽度卷带的面积一个步距上所排列零件式中
S
)( H
A
)15( %1 0 0
),(),(
),(
SH
A
板料板料宽度板料长度单个零件的面积个数由板料冲裁得到的零件式中
)25( %1 0 0
),(
),(
1
1
B
L
A
N
LB
AN
最大值的问题。、
是求解目标函数优化排样的问题实际上所以，
其取值范围为
，为排样参数和中的、式
2)-(51)-(5
)}()(,0{
)7485( 2)-(51)-(5
G
GP
实际排样优化方法举例 (P86G4-8)
目的：利用简单的图形变换代替对复杂目标函数的求解。
具体实现：
多边形化 等距放大 图形平移 /旋转 与已储存的方案比较 输出排样结果
5-1-3 冲裁工艺方案设计
(1) 冲裁工艺方案设计的主要内容
选择模具类型
确定冲裁工步和顺序
(2) 模具类型的选择原则
制件的尺寸精度
制件的形状与尺寸
生产批量
模具加工条件模具类型选择流程举例 (P91G4-12)
(3) 连续模的工步设计连续模：在压力机的一次行程内，由若干工位完成多道工序的模具。
工步设计的主要内容：
确定总的工步数
安排各工步动作顺序
设计每个工步的定位装置工步设计时需综合考虑的问题：
材料利用率、尺寸精度、模具结构与强度、冲切废料的处理等。
工步设计的一般原则
为保证模具强度，将间距小于允许值的轮廓安排在不同工步冲出；
有相对位置精度要求的轮廓，应尽量安排在同一工步上冲出；
对于形状复杂的零件，有时通过冲切废料来间接得到工件的轮廓形状；
为保证凹模、卸料板的强度和凸模的安全装置，必要时可增设空工步；
落料安排在最后工步；
为减小模具尺寸，使压力中心与模具中心尽量接近，将较大的轮廓安排在前面的工步上；
设计合理的定位装置，以保证送料精度。
建立位置精度关系模型和干涉关系模型建立两个模型的目的：
为将有位置精度要求的轮廓放在同一工步，而将间距小于一定值的轮廓设置在不同工步上提供依据。
图形组成的一个关系中满足位置精度要求的由集合位置精度个图形元素之间的实际个与第第式中若若置精度关系矩阵由该集合的元素构成位合存在一个图形元素的集所以构成个图形元素冲裁件的轮廓由假设
A
),(
),(0
),(1
)45(
)35( },,,,,{A
)1(
1
1
1
21
11211
1
21
jiKK
KK
KK
a
aaa
aaa
M
KKKK
niKn
ji
ji
ji
ij
nnnn
n
ni
i
位置精度关系 (模型 )矩阵干涉关系 (模型 )矩阵组成的一个关系中产生干涉的图形元素由集合式中若若产生干涉放大后的轮廓之间是否阵来判断等距放大，引入干涉关系矩将工件的实际轮廓等距
A
KK
KK
b
bbb
bbb
M
ji
ji
ij
nnnn
n
),(0
),(1
)55(
2
2
2
21
11211
2
工步设计流程举例 (P93G4-13)
为什么要冲切废料？
避免过长的悬臂和窄槽，保证凸模强度；
某些尺寸小、形状复杂的零件，只有通过冲废料的方式获得。
冲裁废料的方式 (P93G4-14)
工步的自动排序在工步自动排序阶段，应用程序根据位置精度关系矩阵 M1将有位置精度要求的轮廓分配在同一工步上，根据干涉关系矩阵 M2将相互干涉的轮廓分配在不同的工步上。
最后，设计人员再根据经验和现场实际对自动排序的结果进行适当调整。
例：某冲裁件的条料排样图 (P94G4-15)
5-1-4 冲裁模结构设计结构设计的主要内容：
装配 (图 )设计
凹模和凸模的工作零件设计 (P98G4-19~4-22)
5-2 级进模 CAD/CAM系统级进模 (连续模 )是一种在压力机的一次行程中，由若干工位完成多道工序的模具。
5-2-1 级进模的设计内容及特点
(1) 设计内容
工艺性分析
毛坯展开
条料排样
模具结构设计
(2) 设计特点
经验性
不确定性
调试难度较大
5-2-2 级进模工艺设计工艺设计的主要内容：
毛坯展开 (P105G4-25)
利用计算机辅助展开的毛坯样仍需通过试冲进行调整。
毛坯排样 (P106G4-26)
目前仍是自动排样与交互排样并存。
条料宽度计算 (P106G4-27)
条料宽度取决于毛坯样的排列形式、搭边值、侧刃 (通常用于工步定位 )及载体宽度等因素。计算结果需在实际冲裁中调整。
添加工位 (P107G4-28)
废料设计 (P107G4-29)
目前主要通过人机交互的方式完成。
侧刃设计 (P94G4-15)
设计时可将侧刃作为废料的一部分，或利用参数化方法设计。
冲孔设计
弯曲设计 (P107G4-30)
弯曲时，各弯曲边之间的干涉、弯曲后工件的回弹等因素必须加以考虑。目前仍以交互设计为主。
工序操作 (P108G4-31)
目的：方便用户修改和调整工步。
图形显示管理严格说来不属于工艺设计内容，应由计算机图形系统提供。
5-2-3 级进模结构设计和零件设计级进模结构设计主要需解决好模架设计 (选用 )与工作零件设计的关系。模架通常直接从模架库中带参获取，而工作零件 (主要是凸模、凹模和各种镶嵌零件 )的设计一般是利用交互方式完成。
级进模装配好后的动态模拟与干涉检查
5-3 覆盖件模具 CAD/CAM
覆盖件模具的特点
结构尺寸大
型面形状复杂
尺寸精度高、表面粗糙度小
要求有较长的使用寿命
5-3-1 覆盖件 CAD/CAM系统框架 (P116G4-39)
5-3-2 覆盖件冲压工艺 CAPP
(1) 总体结构 (P117G4-40)
(2) 工艺数据库管理系统 (P118G4-41)
(3) 基于成组技术 (GT)的检索式工艺设计成组技术 (Group Technology),按照几何形状的相似性或制造过程的相似性为依据将零件划分成若干族或组，以便利用其相似性特点进行零件设计、工艺设计和生产组织。
GT实施的基础是零件编码、零件分组和标准工艺规程。
检索式工艺设计的原理 (P119G4-42)
5-3-3 基于特征的冲压工序详细设计
(1) 冲压工艺的主要特征分类 (P121G4-45)
主特征：覆盖件的主要结构特征，一般由拉延工序形成。
辅助特征：对主特征的补充和完善。
采用最优化技术确定冲压方向的实质是求解多目标函数
初始接触面积大；
初始接触点的分布均匀；
初始接触点多且分散；
首次拉延深度小。
(2) 拉延工序设计工序设计的关键：选择合适的冲压方向、工艺延伸面和拉延筋。
用参数化方法设计工艺延伸面和拉延筋的实例 (P122G4-46,47)
(3) 修边冲孔工序设计关键在于确定修边位置 (举例,P123G4-48)
5-3-4 覆盖件模具结构设计
(1) 覆盖件模具特征的分层描述冲压工艺特征基本结构特征功能组合特征基元特征模具结构抽象层冲压工艺抽象层?冲压工艺特征由模具结构基本特征实现；
模具的各功能组合特征支撑着模具整体的基本结构特征；
基元特征是构成模具功能组合特征的最小单元。
覆盖件模具基本结构分类 (P124G4-49)
覆盖件模具功能组合特征分类 (P124G4-50)
基元特征
模具 (零件 )基本几何形体
标准件
典型局部结构
(2) 基于特征分层的覆盖件模具设计
模具基本结构特征设计可以通过冲压工艺特征映射获得模具基本结构类型。
模具功能组合特征设计在确定了模具基本结构特征的基础上，按模具各部分的功能进行详细设计。
模具基元特征设计对于基本几何形体，采用几何造型或特征造型方法进行设计；对于标准件和局部典型结构，可采用参数化设计方法进行设计。
5-4 金属板料成形的有限元模拟简介
5-4-1 动力显示算法的基本理论 (略 )
动力显式算法的特点：
可避免净力隐式算法中的迭代收敛问题；
不需要形成总体刚度矩阵。
(2) 板料成形有限元模拟的计算步骤
建立有限元模型 (前处理 )
成形过程模拟 (分析求解 )
回弹分析
模拟 (分析 )结果显示
(3) 板料成形有限元模拟举例第六章 焊接成形 CAD
6-1 概述计算机辅助焊接技术 (Computer Aided Welding,CAW)在焊接工程中的应用
6-2 焊接专家系统
6-2-1 专家系统的特点与组成 (略 )
6-2-2 典型焊接专家系统简介
(1) Weld Selector --- 焊接材料选择专家系统 (美 )
特点,根据用户输入的数据，经专家系统推理，给出满足用户要求的一组焊接材料清单。
(2) Gas Selector --- 焊接保护气体选择专家系统 (英 )
特点,在综合考虑技术及经济等因素的基础上，选择出一组适用的焊接保护气体，并给出推荐流量。
(3) MAGWIN --- 焊接工艺优化及焊接缺陷分析专家系统 (德 )
特点,具有工艺制定、工艺优化和缺陷分析的功能，根据用户提供的数据，给出工艺改进 (优化 )方案。
(4) ESW --- 弧焊工艺制定与咨询专家系统 (清华大学 )
特点,以焊接工艺设计为核心，辅以与焊接工程相关的丰富咨询及计算功能，具有较强的实用性。
(5) 焊接工艺数据库及专家系统 (哈工大 )
特点,在焊接工艺评定数据库和焊接工艺规程数据库的支持下，专家系统可以为用户设计出完整的焊接工艺，供用户进行工艺评定试验。
6-3 焊接成形过程数值模拟
6-3-1 焊接温度场的数值模拟
(1) 热传导本构方程焊接热过程特点：瞬态传热。
假设对于固体材料，在其求解域内任一点处的瞬态温度
T (x,y,z,t)
满足微分方程的温度场。便可求得温度或环境为流体相其中，
处的对流换热第三类边界条件，边界边界上的热流密度第二类边界条件，已知边界温度已知第一类边界条件，给定和边界条件如果知道初始条件强度如，熔化、结晶等材料的内热源式中
)16(
)(
)(
n
),(
n
)( ),(
),,(|
)(
1)-(6 )(
T
0
00
2
2
2
2
2
2
f
f
t
v
vP
T
TTh
T
tSq
T
tSfT
zyxTT
q
q
z
T
y
T
x
T
t
c
(2) 温度场的有限元解法 (以二维传热问题为例 )
因 瞬态传热过程中的结点温度既是空间（用坐标表示）的函数，又是时间的函数。
即：
)26()(),(~
1
en
i
ii tTyxNTT
T~设,近似函数 满足第一类边界条件则 ）可表示为之差（余量与 RTT ~
)
~
(
~~
)36(
~~
)
~
()
~
(
~
3
2
TThn
y
T
n
x
T
R
qn
y
T
n
x
T
R
Q
y
T
yx
T
xt
T
cR
vyyxxS
yyxxS
yxv
应用加权余量原理，令余量的加权积分为零，得
)46(0
3 32 2 321
S SS Sv v dSwRdSwRdVwR
用伽辽金 (Galerkin)法选择权函数
1
)66(
1
0
),(
)56( ),,2,1(
1
j
j
j
j
ej
N
ij
ij
yxN
N
jN
njNw
性质：
个节点的插值函数第式中
代入到平面问题的热传导方程中，得热容矩阵结点温度对时间的导数式中
C
t
T
T
PKTTC
)86(
在边界上
)76(),,2,1(132 ej njNwww?
矩阵 K,C和 P中的元素分别为：
单元对热容矩阵的贡献其中?
e
iii
V
ji
e
ij
e e e
e
H
e
q
e
Qi
e
e
ijij
e e
e
ij
e
ijij
dVNcNC
PPPP
CC
HKK
)96(
经过上述离散处理，将原来求解平面瞬态温度场的偏微分方程转变成了求解常微分方程 (6-7)的初值问题，
即边界上的结点数式中 1
),,2,1(:0
)106(
Sn
niTTt
PKTTC
l
lii?
6-3-2 三维非稳态 GMAW移动电弧熔池数值模拟 (略 )
GMAW 气体保护电弧焊主要模拟熔池形成、熔滴过渡，以及熔池振荡和电磁在熔池上的脉动效应。
应用实例摩托车轮缘 (材料,AlMgSi合金 )在焊接结束时的温度场模拟。
无约束条件下，焊接结束后的摩托车轮缘扭曲变形模拟。
第七章 铸造成型 CAD
7-1 铸造成型工艺 CAD
7-1-1 基于三维造型的 CAD技术
采用三维造型技术的目的：使工艺设计更加接近生产实际，为优化铸件成型工艺提供数据。
铸件结构参数化参数化含义：将铸件结构中的尺寸定义为参数（变量），通过改变部分或全部参数来改变铸件的结构或大小。
例如：铸造齿轮结构的参数化
a） b）
参数化齿轮生成示例
a) 单辐板、三肋、三园孔齿轮
b) 双辐板、无肋、五腰园孔齿轮
三维实体造型的构造组合形体法（ CSG）
仍以齿轮铸件为例：
7-1-2 基于三维参数化造型技术的铸造工艺 CAD
主要研究内容：
分型面的选择分型面：打开铸型取出铸件的面。
冒口的设计冒口的主要作用是在铸件成型过程中提供由于液固体积变化而需补偿的金属液，以防止铸件内部出现收缩类型的缺陷。
冷铁的设计冷铁的作用与冒口类似。合理的使用冷铁能达到控制铸件凝固方向和凝固条件，改善铸件组织，减少冒口个数或减小冒口尺寸之目的。
例如：圆柱形和板形外冷铁的结构设计冷铁结构直径或厚度 长度 L 间距圆柱形
D<25
D=25~45
100~150
100~200
12~20
20~30
板形 B<10
B=10~25
B=25~70
100~150
150~200
200~300
6~10
10~20
20~30
D
L
B L
浇注系统的设计浇注系统是引导金属液进入铸型的一系列通道的总称，由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道构成。
7-2 铸造成型过程数值模拟
7-2-1 铸造成型过程数值模拟研究目的及内容
（ 1）研究目的在计算机虚拟的环境下，通过人机交互方式，制定和优化铸造工艺，以减少现场试验次数，提高一次性产品合格率。
数值模拟：用数学的方法描述和研究对象的行为与过程，
并在计算机上仿真研究结果，分析影响因素，预测进展或趋势。
（ 2）研究内容
温度场模拟
流动场模拟
多物理场模拟（如，流动与传热）
应力场模拟
组织模拟
其他过程模拟
7-2-2 传热凝固分析
(1)数学模型 (Mathematics Model)
傅立叶定律 (Fourier Law)
单位时间内，由热传导而通过单位面积的热量与温度梯度成正比。
d x d y d z
dzdydx
则体积为
，，设：微元边长为如图所示，
d x d ydz
z
T
T
z
dzQ
d z d xdy
y
T
T
y
dyQ
d y d zdx
x
T
T
x
dxQ
d x d y
z
T
Q
d z d x
y
T
Q
d y d z
x
T
Q
F o u r i e r
z
y
x
z
y
x
)(
)24( )(
)(
)14(
＋
＋
＋
而流出的热量为热量为定律，流入此微元体的根据拉普拉斯算子式中有导温系数令得中，代入式和、将式式中
－即
＝流入热量－流出热量微元体内蓄热量的增加源，根据能量守恒定律再假设微元体中无类热出入
)64(
T
)54( )(
T
)33()43()23()13(
)44(
T
Q
)34( QQQ
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
zyx
T
t
c
z
T
y
T
x
T
t
c
d x d y d z
t
c
P
P
P
物体被冷却物体温度恒定物体被加热意义为：拟的数学模型，其物理即为铸件温度场数值模式
0 0
T
0 0
T
0 0
T
)63(
2
2
2
T
t
T
t
T
t
(2) 数值求解常用数值求解方法：
有限差分法，有限元法，直接差分法，边界元法等。
有限差分 (Finite Difference)法求解一维温度场问题举例一维温度场问题
2
2T
x
T
t?
求解思路,
将求解问题的时间和空间离散，组成节点有限的等距网格单元；
分别在第 i 个单元的节点上建立时间和空间的泰勒展开式，并忽略高次项；
将该泰勒展开式改写成差分迭代通式；
求解此差分迭代通式。
)(
) 3 2 1( T
T
)84( )2(
T
)(
T
)74( )2(T
)(
tt
k
tt
i
112
tt
i
tt
i11
112
tt
i
略改良欧拉法的联立方程。
，，，
，必须求解涉及数值不能直接求特点：
差分法隐式后推值。之后的已知，即可求得，，只要特点：
差分法显式前进差分通式一维温度场问题的有限按照求解思路整理得到
k
TTT
xt
T
tTTT
TTT
x
t
T
tt
i
tt
i
tt
i
t
i
t
i
t
i
t
i
t
i
t
i
t
i
t
i
(3) 初始条件 (Initial Condition)
通常是指起始时间 (t=0)对应的温度值。这里是指液态金属刚浇注完毕那一瞬间的温度值。
),,(|T
),,(|T
0
0
m o l d
0
0
c a s t
zyxf
zyxf
mt
ct
铸型部分铸件部分温度。定义为浇注前铸型实际
，等于或略小于浇注温度取式中：
，
瞬间充型，温度均布特例：
2
1
2
0
1
0
T T
C
C
CC
m o l dc a s t
内浇口处铸型最高温度铸型浇注前的温度的距离铸件最远端到距内浇口铸件最低温度浇注温度式中则方向的温度梯度在一个沿液态金属流动假设在铸件、铸型中存
T
])([
1
m a x_
m i n_
m a x_
0
m i n_0
m o l d
a
c a s t
p
m o l dam o l d
c a sp
pc a s t
T
L
T
T
TxLT
L
T
x
L
TT
TT
动态数值求解法将前一时刻的求解结果作为下一时刻的初始值。
现场试验采集数据
(4) 边界条件 (Boundary Condition)
物体边界上的传热条件。
的边界条件。上式即为一维传热分析方程可以表示为则边界单位面积上传热如果令微元厚度物体边界处存在
0
0
x
T
q
x
QQQ
s
to u ttint
(5) 结晶潜热 (Latent Heat)的处理一维问题的结晶潜热体积固化百分比结晶潜热式中
)94( )(
s
s
p
g
L
t
g
L
x
T
xt
T
c?
潜热的实际处理方法
等价比热 (Equivalent specific heat)法温度场分布。
的进而可求得一维凝固时等价比热，可以测定，式中
)10-(4
)(
pe
SL
L
ppe
c
TT
TTL
cc
温度回复 (Temperature Recovery)法平衡结晶时，液态金属释放的潜热会使固相温度回升，
因此有量，可测。体积固化百分比的增加式中
)114( /
s
ps
g
LTcg
热焓 (Enthalpy)法
)124(
0
T
T
p dTcH
即：用金属结晶前后的自由焓变化来表示潜热。
7-2-3 流动充型分析
(1)数学模型一般情况下,铸造过程中,液态金属的流动属于带自由表面,
粘性,不可压缩,非稳态流动 。 此流动满足动量守恒和质量守恒定理 。 因此有：
动量守恒方程 (Navier-Stoks方程 )
)(
1
)134( )(
1
)(
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
z
u
y
u
x
u
g
z
p
z
w
w
y
w
w
x
w
u
t
w
z
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y
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y
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z
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w
y
v
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t
v
z
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y
u
x
u
g
x
p
z
u
w
y
u
v
x
u
u
t
u
z
y
x
质量守恒方程（连续性方程）
上的分量、、重力加速度在、、
流体压强流体运动粘度流体密度上的分量、、流速矢量在、、式中
zyxggg
p
zyxwvu
z
w
y
v
x
u
zyx
)144( 0
单元总体积单元内流体的体积体积函数式中
F
F
z
F
w
y
F
v
x
F
u
t
F
)154( 0
如果采用 SOLA-VOF方法描述流体自由表面的运动，则需考虑求解体积方程：
求解式 (7-13)和 (7-14)可得液态金属流场的速度和压强在时间和空间上的变化情况，而求解 (7-15)可得流场的自由表面运动情况。
(2) 数学模型的数值求解
数值求解思路将描述求解对象 (连续场 )的偏微分方程组在空间和时间上进行分割处理，以形成有限个相对独立的含有空间和时间等物理信息的微元体；然后针对每个微元体建立其物理量的标量表达式并进行求解计算，最后将所有微元体的求解结果按时间序列关联起来作为整个目标对象的求解结果。
数值求解的目的：
将对复杂偏微分方程组的求解转化成对代数方程组 (矩阵 )的求解，
以降低解题难度。
动量方程、质量方程和体积函数的离散 (教材 P65)
数值求解的初始条件初始速度（浇口处熔体的初始速度）
初始压强（浇口处熔体的初始压强。即熔体刚进入型腔的瞬间压强）
数值求解的边界条件速度边界条件压强边界条件熔体前沿自由表面的速度和压强
7-2-4 铸件成型过程流体场与温度场的偶合液态金属的流动状态与温度有关。
(1) 数学模型
)184(
)174( 0
)164(
2
qTvc
t
T
c
v
gpv
Dt
Dv
pp
能量守恒方程程）质量守恒方程（连续方动量守恒方程
q
g
v
c
p
积的热流量）热流密度（流过单位面重力加速度熔体速度定压比热容式中
动量守恒方程反映了温度对熔体密度的影响。
(2) 离散求解（略）
(3) 初始条件和边界条件在速度和压强的初始条件 /边界条件的基础上，增加一个温度初始条件 /边界条件即可。
7-2-5 铸件热裂的数值模拟铸件热裂：铸件在凝固过程中产生裂纹的现象。
热裂产生的主要原因：铸件凝固后期，因补缩受阻，使得枝晶根部残留液膜在应力和应变作用下，与固相分离而引发裂纹。
热裂特征及影响因素
热裂产生于准固相区靠近固相线的一定温度范围内在这个区域内，已结晶的固相强度极低，一旦应力超过某一值，便会引起裂纹。
热裂一般发生在收缩受阻的热节处如图，如果铸件凝固过程中能自由伸缩，则不会形成裂纹。
铸件壁厚不均匀、结构过于复杂，以及浇注系统、铸型、型芯和保温条件等均可影响自由伸缩。
热节铸件在数值模拟的基础上得到的铸件热裂判据
)194(
1/
1/
2/3
mcs
m
W
W
WC
WCW
WCW
LLG
RCT
K
K
K
KK
KK
的能力铸件实际抵抗热裂形成界值铸件抵抗热裂形成的临式中不产生热裂产生热裂胀系数时刻铸件、铸型的线膨，
时刻的温度变化在单元的长度单元线膨胀系数铸件、铸型，
，
，
)(
)(
)(
2
1
11
11
ill
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jl
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lTTallL
i
m
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c
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j
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i
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m
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i
cc
的形变模量铸型单元在相应温度下铸型单元长度能力铸型对铸件收缩的阻碍铸型柔度铸件热节处的折算厚度梯度凝固结束前的铸件温度
)(
)204(
)(
)(
G
2
1
s
TE
l
TE
l
C
C
R
j
j
n
j j
j
m
m
7-2-5 铸件结晶组织分析
(1)确定模型数值方法 (deterministic modeling)
确定模型建立在给定时刻、一定体积熔体内晶粒的形核密度和生长速率是某一函数之确定值基础上的。该函数可以通过试验获得（如，观察各种冷却速度下的凝固试样截面组织，测量其冷却曲线和晶粒密度等）。
确定模型示意图在宏观尺度下，熔体的能量守恒方程为
)224(
)214(
2
t
f
LQ
Q
c
T
c
Q
T
ct
T
s
p
pp
与相变有关的源项熔体定压比热容熔体导热率铸件温度场式中
力学。固过程的形核和生长动的计算主要基于铸件凝和晶粒半径体积结晶密度式中相分数为的条件下，局部平均固及凝固时间在给定微元固相分数结晶潜热
),(),(
),(
),(
)234( ),(),(
3
4
),(
t v
13
txRtxN
txR
txN
vtxRtxNlxf
f
L
s
s
确定模型的局限性
无法模拟晶粒生长的随机性（如，随机形核分布、随机晶粒取向等）；
无法确定柱状晶与等轴晶之间的相互转变过程；
无法预测每个晶粒的具体形貌。
(2) 随机模型数值方法 (stochastic modeling)
随机模型利用概率方法研究晶粒的形核和长大，包括形核位置的随机分布和晶粒晶向的随机取向等。
Monte Carlo法基本思路：给网格中的某个节点 i 赋予一个正整数 Pi，假设初始化时 Pi=0（表示液态）；当凝固温度低于合金液相线时，
分别按式 (7-24)和 (7-25)计算节点 i 的形核概率和长大概率。
。的正整数，表示晶向值到一个从此外，可随机赋予为随机数发生器。其中，
对应的单元凝固。，则节点若核数目时刻内单元体积熔体形到每个网格单元的体积的形核概率时刻内节点到式中
QP
nn
inttP
tttN
V
itttttP
NVttP
i
n
m
n
mn
1
)10(
)(
)(
)244( )(
波尔兹曼常数变化不同界面造成的界面能由能变化由过冷度决定的体积自由能变化熔体凝固过程中总的自式中其长大概率为原则依附长大，单元，按照界面能最小具有不同晶向值的相邻
)254(
0
)(
e x p
0 0
)(
k
F
F
FFF
F
T
kT
ttF
T
ttP
s
v
svg
g
g
g
Cellular Automata法基于 Cellular Automata法的数值模型特点：
非自发形核和生长、新晶核随机取向等问题在 CA模型中均有所体现；
算法上，首先用较粗的网格计算凝固区的温度场；然后，在此网格内进一步细分单元，形成更均匀的节点；最后，在节点上采用 CA模型进行形核和生长计算；
所有节点在凝固前均为液态,Pi=0；如果在一定时间内，过冷度满足形核条件，则单元内的某些节点形核，其对应标志 Pi
设置为正整数（表示新晶核的晶向值）。
(3) 相场模型数值方法 (phase-field modeling)
特点,用微分方程反映扩散、有序化势和热力学驱动力的综合作用。其方程解可以描述铸件凝固过程中液固界面的形态、
曲率及界面移动。
把相场方程与温度场、溶质场、流速场及其他外部场偶合，则可对金属液的凝固过程进行真实的模拟。
铸造成型过程数值模拟举例利用压铸充型过程模拟，优化浇筑系统因轮辐温度较高产生应变，致使铸造的车轮在冷却中变形砂铸中充型过程中热和流动的耦合计算模拟铸件顶出后型腔和铝铸件的温度分布
