BFL513柴油机缸体模具CAD技术微型减速器

BFL513柴油机缸体模具CAD技术

BFL513柴油机缸体模具CAD技术 2011年12月04日 来源： 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0.4～0.6mm，出口端可扩大到1mm，宽度为10～20mm。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0.2～0.3mm，滑（活）块与芯盒间的配合间隙单边为0.1～0.15mm。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6mm～12mm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500～550℃，保温4～8小时随炉冷却到室温。4． 芯盒射砂孔起模斜度选d≥3°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=G·Q/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/KW·h）。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=15×25.65=384.75（Kg/h），N=G·Q/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。(end)

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