柴油機缸體模具CAD技術(1)

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1、 柴油機缸體模具CAD技術 用Pro/ENGINEER進行柴油機缸體鑄件模具的設計，借助三維實體復合建模技術的可視性、可檢測性及可分析性，解決了模具設計中的疑難問題。本文以513缸體的設計為例，具體介紹了應用CAD技術進行鑄件建模、合理分配砂芯和設計模具的方法和技巧。三維CAD技術給制造業(yè)帶來的方便令傳統(tǒng)的二維設計望塵莫及。 隨著時代的進步，科技的發(fā)展和CAD技術的應用。模具行業(yè)由傳統(tǒng)二維設計向三維設計轉變，應用CAD技術進行三維模具設計，不僅縮短了設計周期，而且提高了模具精度，使模具結構更趨合理。同時應用CAD設計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、，減少了試制費用，節(jié)省了新產(chǎn)品的試制時間。以Pro/ENGINEER軟件為例，我們來比較傳統(tǒng)二維設計和三維設計所用的時間。 圖1 使用二維軟件進行機械設計 圖2 使用Pro/ENGINEER三維軟件進行機械設計 圖1與圖2 是國內(nèi)某3C產(chǎn)品制造公司設計開發(fā)的流程與花費的時間。很顯然，使用三維軟件進行設計比傳統(tǒng)設計大約節(jié)省一半的時間。 應用傳統(tǒng)二維設計方法設計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，模具在試制時反復修改，影響模具壽命，無形中增加了新產(chǎn)品的開發(fā)費用。另有一些芯盒特別是熱芯盒，用傳統(tǒng)的設計方法設計，須用普通機床無法加工，如果改用

3、數(shù)控加工，則需要進行人工代碼編程，費時費力。 綜上所述，應用三維CAD 技術開發(fā)設計缸體模具是一種先進方法，下面以513缸體為例，具體介紹應用CAD技術進行鑄件建模、合理分配砂芯和設計模具的方法和技巧。 一、 鑄件模型的建立 分析缸體零件的二維產(chǎn)品圖紙，找出其主體構架，運用CAD技術，首先建立零件的主體構架模型，然后再建立那些在主體構架（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算，即可得到缸體零件的三維實體幾何模型。對幾何模型進行鑄造工藝處理：加工面上添加加工余量，尖銳的棱角作圓角，設置冷加工使用的定位夾緊工藝凸臺，對整個幾何模型進行比例縮放（

4、根據(jù)鑄造環(huán)境和鑄造方法及鑄件材質的不同而制定的收縮率），本設計是將幾何模型放大1.008倍，如圖3所示。 圖3 用Pro/ENGINEER三維軟件設計的BF8L513缸體鑄件模型 二、 鑄件模型的型、芯設計 傳統(tǒng)的鑄造外模模具設計和芯盒模具設計是大家所熟悉的。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計制作的分離性，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。 運用三維實體復合建模技術，可以解決傳統(tǒng)模具設計難以解決的問題。首先是模具型腔的精度問題，在進行鑄件模型的型芯分離時，需采取以下步驟： (

5、1)建立一個在三維空間能夠完全包容鑄件模型的實體方體； (2)用缸體鑄件模型作為工具實體，與目標實體方體作布爾減運算，得到一個初始的型芯組合實體； (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實體（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 計算機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為傳動箱芯，采用熱芯盒制芯。組裝順序為：依次按標號順序將砂芯放到組芯胎具上，用螺桿穿起來擰緊。 (5)建立一

6、個同（1）中描述的一樣的實體方體，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體，將其對應的一半方體實體作為目標實體，進行布爾減運算，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 利用布爾運算生成的上、下模型，按照造型設備的規(guī)格和連接方式進行排版，做出工裝連接部分。按造型工藝的要求在模具適當部位安裝數(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鑄件模型上獲得的，其內(nèi)部型腔和外部形狀的對應精確度是很高的（可精確到0.001mm以上），這樣就實現(xiàn)了鑄件外部表面及內(nèi)部型腔在模具上的精確參數(shù)轉換，以及內(nèi)部型腔砂芯的合理分配。 同樣運用布爾減運算對上、下模板進行運算，形成上、下型腔（見圖8、圖9）。 圖8 上型腔 圖9 下型腔 運用Pro/ENGINEER中的裝配模塊，將組合后的整體砂芯調(diào)入并裝配到相對應的芯座上，這樣就組合成了一個完整的模擬鑄型（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行剖切

8、。這時，如果某個部位的尺寸形狀與圖紙不符，可以對設計進行檢測修改；而且鑄造工藝參數(shù)，通過剖切尺寸檢查認為不合理可以進行修正。而傳統(tǒng)設計依靠澆注鑄件進行鑄件解剖檢測，在合箱時用橡皮泥進行壁厚檢查，其結果會造成生產(chǎn)周期長、試制費用高、尺寸精度差、表面質量差等弊端。 圖10 計算機三維合型模擬圖 四、 砂芯模具設計及模具參數(shù)的選定（以傳動箱芯為例） 同樣運用Pro/ENGINEER的三維建模技術，建立一個方形實體，完全包住傳動箱芯。以方形實體作為被切割對象，以傳動箱芯實體作為切割參照進行布爾減運算，得到一個中空的實體，內(nèi)腔形狀同傳動箱芯的外部形狀完全一樣。依照砂芯的分型面分割實體成

9、上、下兩個半模，根據(jù)起模方向設置拔模斜度，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 砂芯品質的好壞，在很大程度上取決于芯盒排氣是否合理。因為射砂時，壓縮空氣與砂芯一起進入芯盒，如果芯盒內(nèi)的氣體不能及時排出，則砂芯不能充分緊實，表面質量差。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。排氣槽一般設在分盒面上，其深度0.4～0.6mm，出口端可擴大到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行排氣。為了使頂芯桿及活塊在高溫下滑動靈活且便于排氣，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置排氣塞，如水套砂芯的定位芯頭及出水孔處均設置有排氣塞，排氣塞的規(guī)格為6mm～12mm不等。 2． 芯盒頂芯桿和復位桿工藝參數(shù)的選定 為保證頂芯桿和復位桿有足夠的強度和剛度，應選定d頂≥10mm， d復≥18mm，材料為T10（50-55HRC）。 3． 芯盒材質的選定和熱處理要求 HT250，消除應力處理，加熱到500～550℃，保溫4～8小時隨爐冷卻到室溫。 4． 芯盒射砂孔起模斜度 選d≥3°時，砂芯能順利頂出。 5． 電加

11、熱管功率參數(shù)的確定 根據(jù)每個芯盒成型砂芯的質量和生產(chǎn)率選擇電加熱管功率，所用經(jīng)驗公式為： N=G·Q/C 式中： N為熱芯盒加熱管功率KW；G為每小時生產(chǎn)型芯總質量Kg/h；Q為每公斤型芯加熱硬化所需熱量經(jīng)驗數(shù)據(jù)，可取251040J/Kg；C為熱功當量常數(shù)（每千瓦小時換成焦耳熱量為3598240J/KW·h）。 以傳動箱芯為例，運用Pro/ENGINEER中的分析測量模塊可以方便地知道，砂芯的總質量為25.65Kg，（體積為13.5dm3，砂芯的密度取1.9Kg/ dm3）。根據(jù)生產(chǎn)安排，如果每小時需要生產(chǎn)15個砂芯，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、 結論 (1)運用CAD技術進行模具開發(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)實體，又是進行數(shù)控加工所采用的參數(shù)實體。這就從根本上保證了型、芯對應的一致性和設計與制造的一致性，使CAD/CAM一體化； (3)Pro/ENGINEER三維軟件的應用極大地促進了模具CAD技術的發(fā)展。 壓力鑄造以金屬鑄造為基礎，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、具有良好力學性能鑄件的特點，除了正確實施壓鑄合金冶煉工 藝、選擇合適的壓鑄機外，更重要的在于設計、制造滿足工藝要求的壓鑄模。壓鑄模是保證正確實施壓鑄 工藝必不可少的裝備，其設計質量的好壞直接關系到制件質量的優(yōu)劣和生產(chǎn)效率的高低。 帶斜銷抽芯機構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力抽芯復位，結構簡單。 但其結構參數(shù)的設計對模具的工作狀況和工作質量影響很大，如何在對該類模具進行可靠力學分析的基礎 上，優(yōu)化其結構參數(shù)的設計，具有十分重要的應用價值。 1 帶斜銷抽芯機構壓鑄模工作原理 圖一為帶斜銷抽芯機構壓鑄模結構簡圖。合模狀態(tài)時斜銷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進入滑塊6，滑塊由楔緊塊5鎖緊。開模時滑塊由斜銷帶動在導滑槽內(nèi)運動，抽出型芯。抽芯結束后 滑塊由限位塊7擋住，不離開導滑槽。閉模后斜銷滑塊復位。 圖一 帶斜銷抽芯機構壓鑄模結構簡圖 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-動模套板 9-動模座板 2 帶斜銷抽芯機構壓鑄模力學分析 2.1 滑塊力學分析 模具中斜銷抽芯機構滑塊能否正常工作與其受力情況有 關，而滑塊受力情況與其設計參數(shù)直接關聯(lián)，所以分析滑塊 受力情況和自鎖條件是合理設計斜銷抽芯機構的基礎。 圖二為滑

15、塊受力情況。a、b、c、h、s為滑塊結構尺寸， F為抽芯力，N1為斜銷對滑塊的正壓力，f1為斜銷對滑塊的 摩擦力，N2、N3、N4分別指楔緊塊、定模套板、動模套板對滑塊的正壓力，f2、f3、f4分別表示N2、N3、N4所對應 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，開模時滑塊的受力情況既與抽芯力有關，同時與滑塊及斜銷的結構尺寸相關?？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f1=μN1，f2=μN2，f3=μN3，f4=μN4，則抽芯 過程中滑塊靜力平衡方程簡化為: N1·cosα=F+f3=F+μN3 (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，此時滑塊自鎖，即滑塊自鎖條件為μ=tanα。 為可靠保證滑塊工作時不自鎖，α取值不宜過大，但α值減少時將導致滑塊和斜銷長度必須相應增加才能 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 把斜銷看成支點為A的懸壁梁，設斜銷固定伸出端點，B為 抽芯力作用點，則彎矩為: M=N1·h1 ＝[F/(cosα-μsinα)]·h/cosα =Fh/[cosα(cosα-μsinα)] 而抽芯力的計算由圖四可知: 圖四 抽

18、芯力計算參考 F=F阻·cosθ－F包·sinθ F=clp(μcosθ－sinθ) 式中c表示型芯斷面周長，l表示被鑄件包緊的型芯長度，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動、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)設計 3.1 斜銷長度計算 如圖六知，斜銷總度既與模具結構有關，也同抽芯距有關，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表示斜銷固定臺階直徑?？紤]抽芯可靠，實際斜 銷長度比計算值大5～10mm。 圖六 斜銷長度計算圖 3.2 斜銷直徑設計 由斜銷受力分析知其所受彎矩為Fh/[cosα(cosα－μsin α)]，若材料許用抗彎強度為[σ]ω，則Fh/[cosα(cosα－μsin α)0.1d3]≤[σ]ω，由此可得: 4 結束語 在分析壓鑄模抽芯機構受力情況的基礎上論述了模具結構 優(yōu)化措施，從理論上明確了工藝參數(shù)設計和選擇的原則，對模具設計具有一定的現(xiàn)實指導意義。