柴油机缸体模具CAD技术(1)

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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0.40.6mm,出口端可扩大到1mm,宽度为1020mm。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0.20.3mm,滑(活)块与芯盒间的配合间隙单边为0.10.15mm。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6mm12mm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500550,保温48小时随炉冷却到室温。 4 芯盒射砂孔起模斜度 选d3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=GQ/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/KWh)。 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=1525.65=384.75(Kg/h),N=GQ/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+f2sin+f1sinN1cos+N2cos (1) N3+N1sin+f1cos=N2sin+N4 (2) (N1cosf1sin)b+(N1sin+f1cos)(s+btg)+f2(Sh)sin+N4(a/2-s)=Fc+f3 b+N2sin(s-h/2)+N2cos(b-sinh/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=N1,f2=N2,f3=N3,f4=N4,则抽芯 过程中滑块静力平衡方程简化为: N1cos=F+f3=F+N3 (4) N1sin=N3 (5) 联立(4)、(5)式解得 N1=F/(cos-sin) 若cossin为零,则N1为无穷大,此时滑块自锁,即滑块自锁条件为=tan。 为可靠保证滑块工作时不自锁,取值不宜过大,但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,所以取值一般以1525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=N1h1 F/(cos-sin)h/cos =Fh/cos(cos-sin) 而抽芯力的计算由图四可知: 图四 抽芯力计算参考F=F阻cosF包sin F=clp(cossin) 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,表示型芯脱模斜度,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=PA F2=F法F反tan=PA 1tan 即:F锁K(PA+PA1tan) 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、表示楔紧块斜面与合模方向的夹角。 3 模具参数设计 3.1 斜销长度计算 如图六知,斜销总度既与模具结构有关,也同抽芯距有关,即: L=L1+L2+L3+L4+L5 L=D/2tan+H/cos+d/2tan+s/sin 式中s表示抽芯距,H表示斜销固定部分套板厚度,d表示 斜销直径,D表示斜销固定台阶直径。考虑抽芯可靠,实际斜 销长度比计算值大510mm。 图六 斜销长度计算图3.2 斜销直径设计 由斜销受力分析知其所受弯矩为Fh/cos(cossin ),若材料许用抗弯强度为,则Fh/cos(cossin )0.1d3,由此可得: 4 结束语 在分析压铸模抽芯机构受力情况的基础上论述了模具结构 优化措施,从理论上明确了工艺参数设计和选择的原则,对模具设计具有一定的现实指导意义。
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