柴油机缸体模具CAD技术(1)

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。