CAD技術(shù)在BFL513柴油機(jī)缸體模具上的應(yīng)用

2013-06-01 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

用proeNGINEER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(wèn)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(lái)的方便令傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)望塵莫及。

馮愛(ài)輝來(lái)源:CAD/CAM與制造業(yè)信息化
關(guān)鍵字:三維CAD 砂芯 proeNGINEER

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),減少了試制費(fèi)用,節(jié)省了新產(chǎn)品的試制時(shí)間。以proeNGINEER軟件為例,我們來(lái)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proeNGINEER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(wú)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(wú)法加工,如果改用數(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(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proeNGINEER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(wèn)題。首先是模具型腔的精度問(wèn)題,在進(jìn)行鑄件模型的型芯分離時(shí),需采取以下步驟:

    (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(wú)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(jiàn)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)?依次按標(biāo)號(hào)順序?qū)⑸靶痉诺浇M芯胎具上,用螺桿穿起來(lái)擰緊。

(5)建立一個(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(jiàn)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(jiàn)圖6),并在與組合砂芯的配合部位添加芯頭成型塊(見(jiàn)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(jiàn)圖6、圖7)。

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。

圖6 上模板

圖7 下模板

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(jiàn)圖8、圖9)。

圖8 上型腔

圖9 下型腔

運(yùn)用proeNGINEER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(jiàn)圖10)。如果你想了解鑄型中各處壁厚的話,可以調(diào)用proeNGINEER中的剖切功能在你想看的位置進(jìn)行剖切。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(guò)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proeNGINEER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(jiàn)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(guò)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proeNGINEER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/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(guò)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)proeNGINEER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。

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