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,對整個(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為傳動箱芯,采用熱芯盒制芯。組裝順序?yàn)椋阂来伟礃?biāo)號順序?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 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,可以對設(shè)計(jì)進(jìn)行檢測修改;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,在合箱時(shí)用橡皮泥進(jìn)行壁厚檢查,其結(jié)果會造成生產(chǎn)周期長、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,完全包住傳動箱芯。以方形實(shí)體作為被切割對象,以傳動箱芯實(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)。 以傳動箱芯為例,運(yùn)用Pro/ENGINEER中的分析測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力抽芯復(fù)位,結(jié)構(gòu)簡單。 但其結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)對模具的工作狀況和工作質(zhì)量影響很大,如何在對該類模具進(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)滑塊由斜銷帶動在導(dǎo)滑槽內(nèi)運(yùn)動,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(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(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,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(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(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表示斜銷固定臺階直徑??紤]抽芯可靠,實(shí)際斜 銷長度比計(jì)算值大5~10mm。 圖六 斜銷長度計(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,對模具設(shè)計(jì)具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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