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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部型腔在模具上的精確參數(shù)轉換,以及內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。考慮抽芯可靠,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。