柴油机缸体模具CAD技术(1)

柴油机缸体模具CAD技术用Pro/ENGINEER进行柴油机缸体铸件模具的设计，借助三维实体复合建模技术的可视性、可检测性及可分析性，解决了模具设计中的疑难问题。本文以513缸体的设计为例，具体介绍了应用CAD技术进行铸件建模、合理分配砂芯和设计模具的方法和技巧。三维CAD技术给制造业带来的方便令传统的二维设计望尘莫及。随着时代的进步，科技的发展和CAD技术的应用。模具行业由传统二维设计向三维设计转变，应用CAD技术进行三维模具设计，不仅缩短了设计周期，而且提高了模具精度，使模具结构更趋合理。同时应用CAD设计的模具在以后的铸件试制生产中，减少了模具修改的次数，减少了试制费用，节省了新产品的试制时间。以Pro/ENGINEER软件为例，我们来比较传统二维设计和三维设计所用的时间。图1使用二维软件进行机械设计图2使用Pro/ENGINEER三维软件进行机械设计图1与图2是国内某3C产品制造公司设计开发的流程与花费的时间。很显然，使用三维软件进行设计比传统设计大约节省一半的时间。应用传统二维设计方法设计的缸体模具的铸件肥大，尺寸精度低，加工后的产品零件外表不美观且重量较大，模具在试制时反复修改，影响模具寿命，无形中增加了新产品的开发费用。另有一些芯盒特别是热芯盒，用传统的设计方法设计，须用普通机床无法加工，如果改用数控加工，则需要进行人工代码编程，费时费力。综上所述，应用三维CAD技术开发设计缸体模具是一种先进方法，下面以513缸体为例，具体介绍应用CAD技术进行铸件建模、合理分配砂芯和设计模具的方法和技巧。一、铸件模型的建立分析缸体零件的二维产品图纸，找出其主体构架，运用CAD技术，首先建立零件的主体构架模型，然后再建立那些在主体构架（主模型）之上的功能小模型，最后，将这些主体模型与功能小模型作布尔运算，即可得到缸体零件的三维实体几何模型。对几何模型进行铸造工艺处理：加工面上添加加工余量，尖锐的棱角作圆角，设置冷加工使用的定位夹紧工艺凸台，对整个几何模型进行比例缩放（根据铸造环境和铸造方法及铸件材质的不同而制定的收缩率），本设计是将几何模型放大1.008倍，如图3所示。图3用Pro/ENGINEER三维软件设计的BF8L513缸体铸件模型二、铸件模型的型、芯设计传统的铸造外模模具设计和芯盒模具设计是大家所熟悉的。这种老方法制作出的外模模具和芯盒模具，由于二维工程图纸的抽象和型芯模具设计制作的分离性，很难使他们组装后体现出缸体二维工程图纸所要求的精确效果，继而影响产品的整体性能。运用三维实体复合建模技术，可以解决传统模具设计难以解决的问题。首先是模具型腔的精度问题，在进行铸件模型的型芯分离时，需采取以下步骤：(1)建立一个在三维空间能够完全包容铸件模型的实体方体；(2)用缸体铸件模型作为工具实体，与目标实体方体作布尔减运算，得到一个初始的型芯组合实体；(3)用软件中的剪切功能将芯头与外型相连的部位切成分离的两个实体（无特征参数），即得到了砂芯组合体和铸型的反模；(4)根据砂芯的成型工艺将砂芯的组合体合理分配成若干小砂芯，分别制芯。（见图4）图4计算机三维模拟砂芯组装图其中1为端芯；2为第一缸芯；3为第二缸芯；4为第三缸芯；5为第四缸芯，采用手工树脂砂芯；6为传动箱芯，采用热芯盒制芯。组装顺序为：依次按标号顺序将砂芯放到组芯胎具上，用螺杆穿起来拧紧。(5)建立一个同（1）中描述的一样的实体方体，以上、下模分型面为界限将该方体分割成两部分，以（3）中得到的铸型外模的反模作为工具实体，将其对应的一半方体实体作为目标实体，进行布尔减运算，即可得到外型上模型和外型下模型的初始原形（见图5）。图5上、下模型三、上、下模板的形成及铸型模拟检测利用布尔运算生成的上、下模型，按照造型设备的规格和连接方式进行排版，做出工装连接部分。按造型工艺的要求在模具适当部位安装数量和大小不等的排气柱（见图6），并在与组合砂芯的配合部位添加芯头成型块（见图7）和砂芯排气柱，这样即可得到生产中应用的模具模型（见图6、图7）。图6上模板图7下模板从以上介绍可以看出，造型模具和砂芯模具都是从同一个铸件模型上获得的，其内部型腔和外部形状的对应精确度是很高的（可精确到0.001mm以上），这样就实现了铸件外部表面及内部型腔在模具上的精确参数转换，以及内部型腔砂芯的合理分配。同样运用布尔减运算对上、下模板进行运算，形成上、下型腔（见图8、图9）。图8上型腔图9下型腔运用Pro/ENGINEER中的装配模块，将组合后的整体砂芯调入并装配到相对应的芯座上，这样就组合成了一个完整的模拟铸型（见图10）。如果你想了解铸型中各处壁厚的话，可以调用Pro/ENGINEER中的剖切功能在你想看的位置进行剖切。这时，如果某个部位的尺寸形状与图纸不符，可以对设计进行检测修改；而且铸造工艺参数，通过剖切尺寸检查认为不合理可以进行修正。而传统设计依靠浇注铸件进行铸件解剖检测，在合箱时用橡皮泥进行壁厚检查，其结果会造成生产周期长、试制费用高、尺寸精度差、表面质量差等弊端。图10计算机三维合型模拟图四、砂芯模具设计及模具参数的选定（以传动箱芯为例）同样运用Pro/ENGINEER的三维建模技术，建立一个方形实体，完全包住传动箱芯。以方形实体作为被切割对象，以传动箱芯实体作为切割参照进行布尔减运算，得到一个中空的实体，内腔形状同传动箱芯的外部形状完全一样。依照砂芯的分型面分割实体成上、下两个半模，根据起模方向设置拔模斜度，即可得到上、下芯盒体（见图11、图12）。图11上芯盒体图12下芯盒体1．芯盒排气工艺参数的选定砂芯品质的好坏，在很大程度上取决于芯盒排气是否合理。因为射砂时，压缩空气与砂芯一起进入芯盒，如果芯盒内的气体不能及时排出，则砂芯不能充分紧实，表面质量差。排气主要通过3种渠道：排气槽排气、间隙排气和排气塞排气。排气槽一般设在分盒面上，其深度0.4～0.6mm，出口端可扩大到1mm，宽度为10～20mm。间隙排气是利用芯盒与顶芯杆及活块间的间隙进行排气。为了使顶芯杆及活块在高温下滑动灵活且便于排气，芯盒与顶芯杆间的配合间隙一般为0.2～0.3mm，滑（活）块与芯盒间的配合间隙单边为0.1～0.15mm。排气塞排气是在芯盒的深凹处设置排气塞，如水套砂芯的定位芯头及出水孔处均设置有排气塞，排气塞的规格为6mm～12mm不等。2．芯盒顶芯杆和复位杆工艺参数的选定为保证顶芯杆和复位杆有足够的强度和刚度，应选定d顶≥10mm，d复≥18mm，材料为T10（50-55HRC）。3．芯盒材质的选定和热处理要求HT250，消除应力处理，加热到500～550℃，保温4～8小时随炉冷却到室温。4．芯盒射砂孔起模斜度选d≥3°时，砂芯能顺利顶出。5．电加热管功率参数的确定根据每个芯盒成型砂芯的质量和生产率选择电加热管功率，所用经验公式为：N=G·Q/C式中：N为热芯盒加热管功率KW；G为每小时生产型芯总质量Kg/h；Q为每公斤型芯加热硬化所需热量经验数据，可取251040J/Kg；C为热功当量常数（每千瓦小时换成焦耳热量为3598240J/KW·h）。以传动箱芯为例，运用Pro/ENGINEER中的分析测量模块可以方便地知道，砂芯的总质量为25.65Kg，（体积为13.5dm3，砂芯的密度取1.9Kg/dm3）。根据生产安排，如果每小时需要生产15个砂芯，那么G=15×25.65=384.75（Kg/h），N=G·Q/C=26.843(KW)。以此为依据选定功率为1.5KW、双头接线电加热管18根。五、结论(1)运用CAD技术进行模具开发，提高了铸件精度，缩短了研发周期；(2)模具CAD开发过程中所产生的数据模型（铸件模型）既是模具所采用的参数实体，又是进行数控加工所采用的参数实体。这就从根本上保证了型、芯对应的一致性和设计与制造的一致性，使CAD/CAM一体化；(3)Pro/ENGINEER三维软件的应用极大地促进了模具CAD技术的发展。压力铸造以金属铸造为基础，将熔融合金在高压、高速条件下成型，从根本上解决了金属流动性问题。要充分发挥压力铸造制备组织致密、具有良好力学性能铸件的特点，除了正确实施压铸合金冶炼工艺、选择合适的压铸机外，更重要的在于设计、制造满足工艺要求的压铸模。压铸模是保证正确实施压铸工艺必不可少的装备，其设计质量的好坏直接关系到制件质量的优劣和生产效率的高低。带斜销抽芯机构的压铸模是一种常见的压铸成型模具，该类模具利用开闭模动力抽芯复位，结构简单。但其结构参数的设计对模具的工作状况和工作质量影响很大，如何在对该类模具进行可靠力学分析的基础上，优化其结构参数的设计，具有十分重要的应用价值。1带斜销抽芯机构压铸模工作原理图一为带斜销抽芯机构压铸模结构简图。合模状态时斜销2与分型面成一定角度固定在定模座板3内并穿过定模套板4进入滑块6，滑块由楔紧块5锁紧。开模时滑块由斜销带动在导滑槽内运动，抽出型芯。抽芯结束后滑块由限位块7挡住，不离开导滑槽。闭模后斜销滑块复位。图一带斜销抽芯机构压铸模结构简图1-定模镶块2-斜销3-定模座板4-定模套板5-楔紧块6-滑块7-限位块8-动模套板9-动模座板2带斜销抽芯机构压铸模力学分析2.1滑块力学分析模具中斜销抽芯机构滑块能否正常工作与其受力情况有关，而滑块受力情况与其设计参数直接关联，所以分析滑块受力情况和自锁条件是合理设计斜销抽芯机构的基础。图二为滑块受力情况。a、b、c、h、s为滑块结构尺寸，F为抽芯力，N1为斜销对滑块的正压力，f1为斜销对滑块的摩擦力，N2、N3、N4分别指楔紧块、定模套板、动模套板对滑块的正压力，f2、f3、f4分别表示N2、N3、N4所对应的摩擦力。图二滑块受力分析考虑到滑块不受弯矩作用，则开模瞬间滑块的静力平衡方程表示为: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)+f2(S－h)·sinβ+N4(a/2-s)=Fc+f3·b+N2sinβ(s-h/2)+N2cosβ(b-sinβh/2)+N3(a/2-s)(3)因此，开模时滑块的受力情况既与抽芯力有关，同时与滑块及斜销的结构尺寸相关。考虑到楔紧块和定模套板只在合模状态及开模瞬间起作用。同时f1=μN1，f2=μN2，f3=μN3，f4=μN4，则抽芯过程中滑块静力平衡方程简化为:N1·cosα=F+f3=F+μN3(4)N1·sinα=N3(5)联立(4)、(5)式解得N1=F/(cosα-μsinα)若cosα－μsinα为零，则N1为无穷大，此时滑块自锁，即滑块自锁条件为μ=tanα。为可靠保证滑块工作时不自锁，α取值不宜过大，但α值减少时将导致滑块和斜销长度必须相应增加才能保证抽芯距，所以α取值一般以15°~25°为宜。2.2斜销力学分析从滑块受力分析，斜销受力情况如图三所示。图三斜销受力分析把斜销看成支点为A的悬壁梁，设斜销固定伸出端点，B为抽芯力作用点，则弯矩为:M=N1·h1＝[F/(cosα-μsinα)]·h/cosα=Fh/[cosα(cosα-μsinα)]而抽芯力的计算由图四可知:图四抽芯力计算参考F=F阻·cosθ－F包·sinθF=clp(μcosθ－sinθ)式中c表示型芯断面周长，l表示被铸件包紧的型芯长度，p表示单位包紧力，θ表示型芯脱模斜度，μ摩擦系数。2.3锁模力计算锁模力必须大于胀型力在合模方向上的合力。由图五知，胀型力在合模方向上的合力包括铸件熔融合金冲满型腔后对动、定模产生的沿锁模方向的压力F1、型芯成型部分沿抽芯方向垂直方向压力作用在楔紧块上的分力F2之和。图五锁模力计算F1=PAF2=F法＝F反·tanβ=PA1·tanβ即:F锁≥K(PA+PA1·tanβ)式中K表示安全系数，P表示压射比压、A表示铸件在合模方向垂直面上的投影面积，A1表示型芯在抽芯方向垂直方向投影面积、β表示楔紧块斜面与合模方向的夹角。3模具参数设计3.1斜