柴油機(jī)缸體模具CAD技術(shù)(1)

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1、 柴油機(jī)缸體模具CAD技術(shù) 用Pro/ENGINEER進(jìn)行柴油機(jī)缸體鑄件模具的設(shè)計(jì)，借助三維實(shí)體復(fù)合建模技術(shù)的可視性、可檢測(cè)性及可分析性，解決了模具設(shè)計(jì)中的疑難問題。本文以513缸體的設(shè)計(jì)為例，具體介紹了應(yīng)用CAD技術(shù)進(jìn)行鑄件建模、合理分配砂芯和設(shè)計(jì)模具的方法和技巧。三維CAD技術(shù)給制造業(yè)帶來的方便令傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)望塵莫及。 隨著時(shí)代的進(jìn)步，科技的發(fā)展和CAD技術(shù)的應(yīng)用。模具行業(yè)由傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)向三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，應(yīng)用CAD技術(shù)進(jìn)行三維模具設(shè)計(jì)，不僅縮短了設(shè)計(jì)周期，而且提高了模具精度，使模具結(jié)構(gòu)更趨合理。同時(shí)應(yīng)用CAD設(shè)計(jì)的模具在以后的鑄件試制生產(chǎn)中，減少了模具修改的次數(shù)

2、，減少了試制費(fèi)用，節(jié)省了新產(chǎn)品的試制時(shí)間。以Pro/ENGINEER軟件為例，我們來比較傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)和三維設(shè)計(jì)所用的時(shí)間。 圖1 使用二維軟件進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì) 圖2 使用Pro/ENGINEER三維軟件進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì) 圖1與圖2 是國(guó)內(nèi)某3C產(chǎn)品制造公司設(shè)計(jì)開發(fā)的流程與花費(fèi)的時(shí)間。很顯然，使用三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)大約節(jié)省一半的時(shí)間。 應(yīng)用傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的缸體模具的鑄件肥大，尺寸精度低，加工后的產(chǎn)品零件外表不美觀且重量較大，模具在試制時(shí)反復(fù)修改，影響模具壽命，無形中增加了新產(chǎn)品的開發(fā)費(fèi)用。另有一些芯盒特別是熱芯盒，用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，須用普通機(jī)床無法加工，如果改用

3、數(shù)控加工，則需要進(jìn)行人工代碼編程，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。 綜上所述，應(yīng)用三維CAD 技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)缸體模具是一種先進(jìn)方法，下面以513缸體為例，具體介紹應(yīng)用CAD技術(shù)進(jìn)行鑄件建模、合理分配砂芯和設(shè)計(jì)模具的方法和技巧。 一、 鑄件模型的建立 分析缸體零件的二維產(chǎn)品圖紙，找出其主體構(gòu)架，運(yùn)用CAD技術(shù)，首先建立零件的主體構(gòu)架模型，然后再建立那些在主體構(gòu)架（主模型）之上的功能小模型，最后，將這些主體模型與功能小模型作布爾運(yùn)算，即可得到缸體零件的三維實(shí)體幾何模型。對(duì)幾何模型進(jìn)行鑄造工藝處理：加工面上添加加工余量，尖銳的棱角作圓角，設(shè)置冷加工使用的定位夾緊工藝凸臺(tái)，對(duì)整個(gè)幾何模型進(jìn)行比例縮放（

4、根據(jù)鑄造環(huán)境和鑄造方法及鑄件材質(zhì)的不同而制定的收縮率），本設(shè)計(jì)是將幾何模型放大1.008倍，如圖3所示。 圖3 用Pro/ENGINEER三維軟件設(shè)計(jì)的BF8L513缸體鑄件模型 二、 鑄件模型的型、芯設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)的鑄造外模模具設(shè)計(jì)和芯盒模具設(shè)計(jì)是大家所熟悉的。這種老方法制作出的外模模具和芯盒模具，由于二維工程圖紙的抽象和型芯模具設(shè)計(jì)制作的分離性，很難使他們組裝后體現(xiàn)出缸體二維工程圖紙所要求的精確效果，繼而影響產(chǎn)品的整體性能。 運(yùn)用三維實(shí)體復(fù)合建模技術(shù)，可以解決傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)難以解決的問題。首先是模具型腔的精度問題，在進(jìn)行鑄件模型的型芯分離時(shí)，需采取以下步驟： (

5、1)建立一個(gè)在三維空間能夠完全包容鑄件模型的實(shí)體方體； (2)用缸體鑄件模型作為工具實(shí)體，與目標(biāo)實(shí)體方體作布爾減運(yùn)算，得到一個(gè)初始的型芯組合實(shí)體； (3)用軟件中的剪切功能將芯頭與外型相連的部位切成分離的兩個(gè)實(shí)體（無特征參數(shù)），即得到了砂芯組合體和鑄型的反模； (4)根據(jù)砂芯的成型工藝將砂芯的組合體合理分配成若干小砂芯，分別制芯。（見圖4） 圖4 計(jì)算機(jī)三維模擬砂芯組裝圖 其中1為端芯；2為第一缸芯；3為第二缸芯；4為第三缸芯；5為第四缸芯，采用手工樹脂砂芯；6為傳動(dòng)箱芯，采用熱芯盒制芯。組裝順序?yàn)椋阂来伟礃?biāo)號(hào)順序?qū)⑸靶痉诺浇M芯胎具上，用螺桿穿起來擰緊。 (5)建立一

6、個(gè)同（1）中描述的一樣的實(shí)體方體，以上、下模分型面為界限將該方體分割成兩部分，以（3）中得到的鑄型外模的反模作為工具實(shí)體，將其對(duì)應(yīng)的一半方體實(shí)體作為目標(biāo)實(shí)體，進(jìn)行布爾減運(yùn)算，即可得到外型上模型和外型下模型的初始原形（見圖5）。 圖5 上、下模型 三、 上、下模板的形成及鑄型模擬檢測(cè) 利用布爾運(yùn)算生成的上、下模型，按照造型設(shè)備的規(guī)格和連接方式進(jìn)行排版，做出工裝連接部分。按造型工藝的要求在模具適當(dāng)部位安裝數(shù)量和大小不等的排氣柱（見圖6），并在與組合砂芯的配合部位添加芯頭成型塊（見圖7）和砂芯排氣柱，這樣即可得到生產(chǎn)中應(yīng)用的模具模型（見圖6、圖7）。 圖6 上模板 圖

7、7 下模板 從以上介紹可以看出，造型模具和砂芯模具都是從同一個(gè)鑄件模型上獲得的，其內(nèi)部型腔和外部形狀的對(duì)應(yīng)精確度是很高的（可精確到0.001mm以上），這樣就實(shí)現(xiàn)了鑄件外部表面及內(nèi)部型腔在模具上的精確參數(shù)轉(zhuǎn)換，以及內(nèi)部型腔砂芯的合理分配。 同樣運(yùn)用布爾減運(yùn)算對(duì)上、下模板進(jìn)行運(yùn)算，形成上、下型腔（見圖8、圖9）。 圖8 上型腔 圖9 下型腔 運(yùn)用Pro/ENGINEER中的裝配模塊，將組合后的整體砂芯調(diào)入并裝配到相對(duì)應(yīng)的芯座上，這樣就組合成了一個(gè)完整的模擬鑄型（見圖10）。如果你想了解鑄型中各處壁厚的話，可以調(diào)用Pro/ENGINEER中的剖切功能在你想看的位置進(jìn)行剖切

8、。這時(shí)，如果某個(gè)部位的尺寸形狀與圖紙不符，可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢測(cè)修改；而且鑄造工藝參數(shù)，通過剖切尺寸檢查認(rèn)為不合理可以進(jìn)行修正。而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)依靠澆注鑄件進(jìn)行鑄件解剖檢測(cè)，在合箱時(shí)用橡皮泥進(jìn)行壁厚檢查，其結(jié)果會(huì)造成生產(chǎn)周期長(zhǎng)、試制費(fèi)用高、尺寸精度差、表面質(zhì)量差等弊端。 圖10 計(jì)算機(jī)三維合型模擬圖 四、 砂芯模具設(shè)計(jì)及模具參數(shù)的選定（以傳動(dòng)箱芯為例） 同樣運(yùn)用Pro/ENGINEER的三維建模技術(shù)，建立一個(gè)方形實(shí)體，完全包住傳動(dòng)箱芯。以方形實(shí)體作為被切割對(duì)象，以傳動(dòng)箱芯實(shí)體作為切割參照進(jìn)行布爾減運(yùn)算，得到一個(gè)中空的實(shí)體，內(nèi)腔形狀同傳動(dòng)箱芯的外部形狀完全一樣。依照砂芯的分型面分割實(shí)體成

9、上、下兩個(gè)半模，根據(jù)起模方向設(shè)置拔模斜度，即可得到上、下芯盒體（見圖11、圖12）。 圖11 上芯盒體 圖12 下芯盒體 1． 芯盒排氣工藝參數(shù)的選定 砂芯品質(zhì)的好壞，在很大程度上取決于芯盒排氣是否合理。因?yàn)樯渖皶r(shí)，壓縮空氣與砂芯一起進(jìn)入芯盒，如果芯盒內(nèi)的氣體不能及時(shí)排出，則砂芯不能充分緊實(shí)，表面質(zhì)量差。排氣主要通過3種渠道：排氣槽排氣、間隙排氣和排氣塞排氣。排氣槽一般設(shè)在分盒面上，其深度0.4～0.6mm，出口端可擴(kuò)大到1mm，寬度為10～20mm。間隙排氣是利用芯盒與頂芯桿及活塊間的間隙進(jìn)行排氣。為了使頂芯桿及活塊在高溫下滑動(dòng)靈活且便于排氣，芯盒與頂芯桿間的配合間隙

10、一般為0.2～0.3mm，滑（活）塊與芯盒間的配合間隙單邊為0.1～0.15mm。排氣塞排氣是在芯盒的深凹處設(shè)置排氣塞，如水套砂芯的定位芯頭及出水孔處均設(shè)置有排氣塞，排氣塞的規(guī)格為6mm～12mm不等。 2． 芯盒頂芯桿和復(fù)位桿工藝參數(shù)的選定 為保證頂芯桿和復(fù)位桿有足夠的強(qiáng)度和剛度，應(yīng)選定d頂≥10mm， d復(fù)≥18mm，材料為T10（50-55HRC）。 3． 芯盒材質(zhì)的選定和熱處理要求 HT250，消除應(yīng)力處理，加熱到500～550℃，保溫4～8小時(shí)隨爐冷卻到室溫。 4． 芯盒射砂孔起模斜度 選d≥3°時(shí)，砂芯能順利頂出。 5． 電加

11、熱管功率參數(shù)的確定 根據(jù)每個(gè)芯盒成型砂芯的質(zhì)量和生產(chǎn)率選擇電加熱管功率，所用經(jīng)驗(yàn)公式為： N=G·Q/C 式中： N為熱芯盒加熱管功率KW；G為每小時(shí)生產(chǎn)型芯總質(zhì)量Kg/h；Q為每公斤型芯加熱硬化所需熱量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可取251040J/Kg；C為熱功當(dāng)量常數(shù)（每千瓦小時(shí)換成焦耳熱量為3598240J/KW·h）。 以傳動(dòng)箱芯為例，運(yùn)用Pro/ENGINEER中的分析測(cè)量模塊可以方便地知道，砂芯的總質(zhì)量為25.65Kg，（體積為13.5dm3，砂芯的密度取1.9Kg/ dm3）。根據(jù)生產(chǎn)安排，如果每小時(shí)需要生產(chǎn)15個(gè)砂芯，那么G=15×25.65=384.75（Kg

12、/h），N=G·Q/C=26.843(KW)。以此為依據(jù)選定功率為1.5KW、雙頭接線電加熱管18根。 五、 結(jié)論 (1)運(yùn)用CAD技術(shù)進(jìn)行模具開發(fā)，提高了鑄件精度，縮短了研發(fā)周期； (2)模具CAD開發(fā)過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)模型（鑄件模型）既是模具所采用的參數(shù)實(shí)體，又是進(jìn)行數(shù)控加工所采用的參數(shù)實(shí)體。這就從根本上保證了型、芯對(duì)應(yīng)的一致性和設(shè)計(jì)與制造的一致性，使CAD/CAM一體化； (3)Pro/ENGINEER三維軟件的應(yīng)用極大地促進(jìn)了模具CAD技術(shù)的發(fā)展。 壓力鑄造以金屬鑄造為基礎(chǔ)，將熔融合金在高壓、高速條件下成型，從根本上解決了金屬流動(dòng)性問 題。要充分發(fā)揮壓力鑄造制

13、備組織致密、具有良好力學(xué)性能鑄件的特點(diǎn)，除了正確實(shí)施壓鑄合金冶煉工 藝、選擇合適的壓鑄機(jī)外，更重要的在于設(shè)計(jì)、制造滿足工藝要求的壓鑄模。壓鑄模是保證正確實(shí)施壓鑄 工藝必不可少的裝備，其設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到制件質(zhì)量的優(yōu)劣和生產(chǎn)效率的高低。 帶斜銷抽芯機(jī)構(gòu)的壓鑄模是一種常見的壓鑄成型模具，該類模具利用開閉模動(dòng)力抽芯復(fù)位，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 但其結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)模具的工作狀況和工作質(zhì)量影響很大，如何在對(duì)該類模具進(jìn)行可靠力學(xué)分析的基礎(chǔ) 上，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。 1 帶斜銷抽芯機(jī)構(gòu)壓鑄模工作原理 圖一為帶斜銷抽芯機(jī)構(gòu)壓鑄模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。合模狀態(tài)時(shí)斜銷2與分型面成

14、一定角度固定在定模座板 3內(nèi)并穿過定模套板4進(jìn)入滑塊6，滑塊由楔緊塊5鎖緊。開模時(shí)滑塊由斜銷帶動(dòng)在導(dǎo)滑槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)，抽出型芯。抽芯結(jié)束后 滑塊由限位塊7擋住，不離開導(dǎo)滑槽。閉模后斜銷滑塊復(fù)位。 圖一 帶斜銷抽芯機(jī)構(gòu)壓鑄模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1-定模鑲塊 2-斜銷 3-定模座板 4-定模套板 5-楔緊塊 6-滑塊 7-限位塊 8-動(dòng)模套板 9-動(dòng)模座板 2 帶斜銷抽芯機(jī)構(gòu)壓鑄模力學(xué)分析 2.1 滑塊力學(xué)分析 模具中斜銷抽芯機(jī)構(gòu)滑塊能否正常工作與其受力情況有 關(guān)，而滑塊受力情況與其設(shè)計(jì)參數(shù)直接關(guān)聯(lián)，所以分析滑塊 受力情況和自鎖條件是合理設(shè)計(jì)斜銷抽芯機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。 圖二為滑

15、塊受力情況。a、b、c、h、s為滑塊結(jié)構(gòu)尺寸， F為抽芯力，N1為斜銷對(duì)滑塊的正壓力，f1為斜銷對(duì)滑塊的 摩擦力，N2、N3、N4分別指楔緊塊、定模套板、動(dòng)模套板對(duì)滑塊的正壓力，f2、f3、f4分別表示N2、N3、N4所對(duì)應(yīng) 的摩擦力。 圖二 滑塊受力分析 考慮到滑塊不受彎矩作用，則開模瞬間滑塊的靜力平衡方程表示為: F+f3+f4+f2·sinβ+f1·sinα＝N1·cosα+N2·cosβ (1) N3+N1·sinα+f1·cosα=N2·sinβ+N4 (2) (N1·cosα－f1·sinα)b+(N1·sinα+f1·cosα)·(s+btgα)

16、+f2(S－h(huán))·sinβ+N4(a/2-s)=Fc+f3· b+N2sinβ(s-h/2)+N2cosβ(b-sinβh/2)+N3(a/2-s) (3) 因此，開模時(shí)滑塊的受力情況既與抽芯力有關(guān)，同時(shí)與滑塊及斜銷的結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)?？紤]到楔緊塊 和定模套板只在合模狀態(tài)及開模瞬間起作用。同時(shí)f1=μN(yùn)1，f2=μN(yùn)2，f3=μN(yùn)3，f4=μN(yùn)4，則抽芯 過程中滑塊靜力平衡方程簡(jiǎn)化為: N1·cosα=F+f3=F+μN(yùn)3 (4) N1·sinα=N3 (5) 聯(lián)立(4)、(5)式解得 N1=F/(cosα-μsinα) 若cosα－μsin

17、α為零，則N1為無窮大，此時(shí)滑塊自鎖，即滑塊自鎖條件為μ=tanα。 為可靠保證滑塊工作時(shí)不自鎖，α取值不宜過大，但α值減少時(shí)將導(dǎo)致滑塊和斜銷長(zhǎng)度必須相應(yīng)增加才能 保證抽芯距，所以α取值一般以15°~25°為宜。 2.2 斜銷力學(xué)分析 從滑塊受力分析，斜銷受力情況如圖三所示。 圖三 斜銷受力分析 把斜銷看成支點(diǎn)為A的懸壁梁，設(shè)斜銷固定伸出端點(diǎn)，B為 抽芯力作用點(diǎn)，則彎矩為: M=N1·h1 ＝[F/(cosα-μsinα)]·h/cosα =Fh/[cosα(cosα-μsinα)] 而抽芯力的計(jì)算由圖四可知: 圖四 抽

18、芯力計(jì)算參考 F=F阻·cosθ－F包·sinθ F=clp(μcosθ－sinθ) 式中c表示型芯斷面周長(zhǎng)，l表示被鑄件包緊的型芯長(zhǎng)度，p表示單位包緊力，θ表示型芯脫模斜度，μ摩擦系數(shù)。 2.3 鎖模力計(jì)算 鎖模力必須大于脹型力在合模方向上的合力。 由圖五知，脹型力在合模方向上的合力包括鑄件熔融合金沖滿型腔后對(duì)動(dòng)、定模產(chǎn)生的沿鎖模方向的壓力 F1、型芯成型部分沿抽芯方向垂直方向壓力作用在楔緊塊上的分力F2之和。 圖五 鎖模力計(jì)算 F1=PA F2=F法＝F反·tanβ=PA 1·tanβ 即:F鎖≥K(PA+PA1·tanβ

19、) 式中K表示安全系數(shù)，P表示壓射比壓、A表示鑄件在合模方向垂直面上的投影面積，A1表示型芯在抽芯方 向垂直方向投影面積、β表示楔緊塊斜面與合模方向的夾角。 3 模具參數(shù)設(shè)計(jì) 3.1 斜銷長(zhǎng)度計(jì)算 如圖六知，斜銷總度既與模具結(jié)構(gòu)有關(guān)，也同抽芯距有關(guān)，即: L=L1+L2+L3+L4+L5 L=D/2·tanα+H/cosα+d/2·tanα+s/sinα 式中s表示抽芯距，H表示斜銷固定部分套板厚度，d表示 斜銷直徑，D表示斜銷固定臺(tái)階直徑。考慮抽芯可靠，實(shí)際斜 銷長(zhǎng)度比計(jì)算值大5～10mm。 圖六 斜銷長(zhǎng)度計(jì)算圖 3.2 斜銷直徑設(shè)計(jì) 由斜銷受力分析知其所受彎矩為Fh/[cosα(cosα－μsin α)]，若材料許用抗彎強(qiáng)度為[σ]ω，則Fh/[cosα(cosα－μsin α)0.1d3]≤[σ]ω，由此可得: 4 結(jié)束語 在分析壓鑄模抽芯機(jī)構(gòu)受力情況的基礎(chǔ)上論述了模具結(jié)構(gòu) 優(yōu)化措施，從理論上明確了工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇的原則，對(duì)模具設(shè)計(jì)具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。