并行工程環境下鐵路貨車鑄鋼件模具的三維設計

2013-06-03  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

在鐵路貨車提速和新產品多極化的新形勢下,對鐵路貨車走行部分的設計和制造工藝提出了新的挑戰。為適應市場的需求,我公司承擔了國家“863/CIMS”主題的“并行工程”項目,在有關專家的指導下,我們開發了一套“鑄造工藝與模具設計系統”,并應用于工藝設計之中。
常鳳海 來源:中國鑄造裝備技術
關鍵字:863/CIMS 并行工程 鑄鋼件模具 三維設計

 1 引言
   
搖枕、側架等鑄鋼件是鐵路貨車轉向架中重要的承載件,這些鑄件的質量和性能直接影響到整車的運行品質。特別是在近年來鐵路貨車提速和新產品多極化的新形勢下,對此類件的設計、制造工藝提出了新的挑戰。為適應市場做出快速反應并且獲得質量健全、制造周期短、滿足設計要求的鑄件,隨著公司的“并行工程”項目的深入和國家“863/CIMS”主題有關專家的指導下,我們開發一套“鑄造工藝與模具設計系統”來迎接這一挑戰。
   
    2 系統環境建立
   
    2.1 軟件選型
   
經過對proeNGINEER、I-deas、UG等著名三維設計軟件的比選,我們針對proeNGINEER的專用鑄造模具設計模塊,選擇了該軟件做為三維工藝與模具設計平臺。
   
    2.2 硬件、操作系統
   
根據軟件對系統環境的要求我們選擇了HiSense工作站(256MB內存、10G硬盤)和Windows NT4.0操作系統。
   
    3 三維模具設計流程
   
以鐵路貨車鑄鋼件搖枕為例(圖1),介紹三維鑄造工藝與模具設計系統的開發流程。根據鑄造工藝的特殊性和proe軟件的自身的特點,在多次實踐中我們總結出了該鑄鋼件三維模具設計的一般方法。

    3.1 系統功能模型

參照圖2的功能模型圖,根據proe軟件的特點和本企業產品的結構特性,我們在反復實踐中提出幾個關鍵問題:

    (1)因工藝需要,將對三維鑄件產品模型進行工藝尺寸調整,因此對模型的參數化要求較高,并且要求工藝調整后的尺寸鏈應按設計要求的方向變化。

    (2)用proe軟件進行三維鑄件產品設計時,拔模斜度必須在鑄造圓角完成前做出,否則拔模將不能進行。而設計者不能預測拔模角中性基準面的位置。

    (3)較大的鑄件內腔砂芯需要分段處理,每個砂芯具有各自的拔模基準,無法在同一個平面上實現具有不同方向和位置的拔模斜度。

針對以上提出的問題我們實踐解決的方案如下:

    (1)我們針對不同的產品制定了建模協議,使模型在設計階段融入工藝特征,并控制模型按照要求的方向變化,使模型的參數化方向可控。

    (2)設計部門提交的產品模型必須分兩步進行:①按并行工程的思想預發布中間產品(即不包含任何鑄造圓角但結構完整的模型);②最終完整的三維設計產品(做參考使用)。

    (3)由于在鑄件產品設計過程中不能預測工藝是如何劃分砂芯的,況且即使知道操作起來也及其復雜,會失去模型參數化的彈性。因此,我們認為解決這一問題最有效的方法是先將內腔砂芯抽取后,按工藝需要將其劃分為多段proe的Part零件,然后分別對其進行拔模、圓角等一系列操作直到滿足設計要求為止(參考設計發布的最終產品)。

根據以上關鍵問題解決的方案和工藝現狀,我們摸索出一套適合本企業鑄鋼件模具的設計流程,圖3。

3.2 建模協議

建模協議是真正能體現“并行工程”思想的一個理論體系。它是三維數字化產品上下游之間數據繼承與溝通的前提。它的屬性是在產品設計過程中或產品的整個生命周期中始終貫穿工藝因素于其中。對于鑄造件來講,每種產品都有不同的結構和尺寸鏈分布方式。因此,制訂鑄件的建模協議很難找到一般性規律,只能是針對某一產品或相似產品來制訂相應的建模協議。我們在設計搖枕時先后返工四次,原因是產品模型的建模隨意性較大,利用proe軟件建模可謂“條條大路通羅馬”,要完成一個模型,使用的手段很多。通過多方法比較,我們終于找到了搖枕產品建模的基本方法。

通過摸索三維產品的建模協議,我們的體會是產品設計應向系列化、集成化方向邁進,這樣可使企業新產品設計對市場做出敏捷反應,提高工作效率的同時降低員工的勞動強度。

    3.3 三維“概念工藝模型” 
   
這里提出的“概念工藝模型”不是指真正意義上的工藝模型,只是提供給鑄造CAE軟件需要的形式。它的屬性是針對鑄造工藝的多方案比選。在概念模型上只體現鑄造CAE模擬軟件所需的基本結構、準確的工藝參數和尺寸而不能體現模具的詳細設計信息。和傳統的二維工藝與模具設計比較,三維的工藝與模具設計是不能只用一個三維模型把整個工藝思想完整體現出來的,而必須貫穿在整個模具設計的全過程中。
   
    3.4 模擬報告
   
開始模具設計的前提是通過使用鑄造CAE軟件分析、比較多個工藝方案后,拿出一個較合理的模擬結果。然后以當前的方案做為模具設計的基準。通過參考模擬結果在容易出現鑄造缺陷的部位施加工藝措施,圖4是我們設計搖枕模具時的某一方案的模擬結果。顯然,容易出現缺陷的部位需要增加相應的工藝措施來滿足產品質量的要求,概念工藝模型也做相應調整,直到模擬結果滿意,然后模具設計工作開始。這樣既保證了模具設計的有效性,又減少工裝驗證的次數、降低新產品的開發成本。

    3.5 進入模具設計環境

proe軟件提供了一個Pro/CASTING模具設計模塊,利用該模塊可有效的對三維鑄件產品進行增加鑄造收縮率、抽取砂芯、開模、設計芯頭等許多手段進行模具設計。圖5是搖枕已經裝配在模具設計環境中,并設計出了砂芯、芯頭、分型面等工作。

圖5

圖6是搖枕在模具設計環境中經過多次劃分形成一個鑄型裝配關系。包括上下砂型、內腔砂芯、斜楔擋砂芯等。

圖7是上砂型經過重新進入模具設計環境后再次抽取,得到的上模樣,然后進行拔模、圓角、澆鑄系統、冒口和其它工裝附件設計,直到滿足現場工藝要求為止。

圖7 上模板設計流程

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