CAD技術在BFL513柴油機缸體模具上的應用

2013-06-01 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

用proeNGINEER進行柴油機缸體鑄件模具的設計,借助三維實體復合建模技術的可視性、可檢測性及可分析性,解決了模具設計中的疑難問題。本文以513缸體的設計為例,具體介紹了應用CAD技術進行鑄件建模、合理分配砂芯和設計模具的方法和技巧。三維CAD技術給制造業(yè)帶來的方便令傳統的二維設計望塵莫及。

馮愛輝來源:CAD/CAM與制造業(yè)信息化
關鍵字:三維CAD 砂芯 proeNGINEER

隨著時代的進步,科技的發(fā)展和CAD技術的應用。模具行業(yè)由傳統二維設計向三維設計轉變,應用CAD技術進行三維模具設計,不僅縮短了設計周期,而且提高了模具精度,使模具結構更趨合理。同時應用CAD設計的模具在以后的鑄件試制生產中,減少了模具修改的次數,減少了試制費用,節(jié)省了新產品的試制時間。以proeNGINEER軟件為例,我們來比較傳統二維設計和三維設計所用的時間。

圖1 使用二維軟件進行機械設計

圖2 使用proeNGINEER三維軟件進行機械設計

圖1與圖2 是國內某3C產品制造公司設計開發(fā)的流程與花費的時間。很顯然,使用三維軟件進行設計比傳統設計大約節(jié)省一半的時間。

應用傳統二維設計方法設計的缸體模具的鑄件肥大,尺寸精度低,加工后的產品零件外表不美觀且重量較大,模具在試制時反復修改,影響模具壽命,無形中增加了新產品的開發(fā)費用。另有一些芯盒特別是熱芯盒,用傳統的設計方法設計,須用普通機床無法加工,如果改用數控加工,則需要進行人工代碼編程,費時費力。

綜上所述,應用三維CAD 技術開發(fā)設計缸體模具是一種先進方法,下面以513缸體為例,具體介紹應用CAD技術進行鑄件建模、合理分配砂芯和設計模具的方法和技巧。

一、鑄件模型的建立

分析缸體零件的二維產品圖紙,找出其主體構架,運用CAD技術,首先建立零件的主體構架模型,然后再建立那些在主體構架(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算,即可得到缸體零件的三維實體幾何模型。對幾何模型進行鑄造工藝處理:加工面上添加加工余量,尖銳的棱角作圓角,設置冷加工使用的定位夾緊工藝凸臺,對整個幾何模型進行比例縮放(根據鑄造環(huán)境和鑄造方法及鑄件材質的不同而制定的收縮率),本設計是將幾何模型放大1.008倍,如圖3所示。

圖3 用proeNGINEER三維軟件設計的BF8L513缸體鑄件模型

二、鑄件模型的型、芯設計

傳統的鑄造外模模具設計和芯盒模具設計是大家所熟悉的。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計制作的分離性,很難使他們組裝后體現出缸體二維工程圖紙所要求的精確效果,繼而影響產品的整體性能。

運用三維實體復合建模技術,可以解決傳統模具設計難以解決的問題。首先是模具型腔的精度問題,在進行鑄件模型的型芯分離時,需采取以下步驟:

    (1)建立一個在三維空間能夠完全包容鑄件模型的實體方體;
    (2)用缸體鑄件模型作為工具實體,與目標實體方體作布爾減運算,得到一個初始的型芯組合實體;
    (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實體(無特征參數),即得到了砂芯組合體和鑄型的反模;
    (4)根據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。(見圖4)

圖4 計算機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為傳動箱芯,采用熱芯盒制芯。組裝順序為:依次按標號順序將砂芯放到組芯胎具上,用螺桿穿起來擰緊。

(5)建立一個同(1)中描述的一樣的實體方體,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體,將其對應的一半方體實體作為目標實體,進行布爾減運算,即可得到外型上模型和外型下模型的初始原形(見圖5)。

圖5 上、下模型

三、上、下模板的形成及鑄型模擬檢測

利用布爾運算生成的上、下模型,按照造型設備的規(guī)格和連接方式進行排版,做出工裝連接部分。按造型工藝的要求在模具適當部位安裝數量和大小不等的排氣柱(見圖6),并在與組合砂芯的配合部位添加芯頭成型塊(見圖7)和砂芯排氣柱,這樣即可得到生產中應用的模具模型(見圖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鑄件模型上獲得的,其內部型腔和外部形狀的對應精確度是很高的(可精確到0.001mm以上),這樣就實現了鑄件外部表面及內部型腔在模具上的精確參數轉換,以及內部型腔砂芯的合理分配。

圖6 上模板

圖7 下模板

同樣運用布爾減運算對上、下模板進行運算,形成上、下型腔(見圖8、圖9)。

圖8 上型腔

圖9 下型腔

運用proeNGINEER中的裝配模塊,將組合后的整體砂芯調入并裝配到相對應的芯座上,這樣就組合成了一個完整的模擬鑄型(見圖10)。如果你想了解鑄型中各處壁厚的話,可以調用proeNGINEER中的剖切功能在你想看的位置進行剖切。這時,如果某個部位的尺寸形狀與圖紙不符,可以對設計進行檢測修改;而且鑄造工藝參數,通過剖切尺寸檢查認為不合理可以進行修正。而傳統設計依靠澆注鑄件進行鑄件解剖檢測,在合箱時用橡皮泥進行壁厚檢查,其結果會造成生產周期長、試制費用高、尺寸精度差、表面質量差等弊端。

圖10 計算機三維合型模擬圖

四、砂芯模具設計及模具參數的選定(以傳動箱芯為例)

同樣運用proeNGINEER的三維建模技術,建立一個方形實體,完全包住傳動箱芯。以方形實體作為被切割對象,以傳動箱芯實體作為切割參照進行布爾減運算,得到一個中空的實體,內腔形狀同傳動箱芯的外部形狀完全一樣。依照砂芯的分型面分割實體成上、下兩個半模,根據起模方向設置拔模斜度,即可得到上、下芯盒體(見圖11、圖12)。

圖11 上芯盒體

圖12 下芯盒體

1. 芯盒排氣工藝參數的選定

砂芯品質的好壞,在很大程度上取決于芯盒排氣是否合理。因為射砂時,壓縮空氣與砂芯一起進入芯盒,如果芯盒內的氣體不能及時排出,則砂芯不能充分緊實,表面質量差。排氣主要通過3種渠道:排氣槽排氣、間隙排氣和排氣塞排氣。排氣槽一般設在分盒面上,其深度0.4~0.6mm,出口端可擴大到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行排氣。為了使頂芯桿及活塊在高溫下滑動靈活且便于排氣,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置排氣塞,如水套砂芯的定位芯頭及出水孔處均設置有排氣塞,排氣塞的規(guī)格為6mm~12mm不等。

2.芯盒頂芯桿和復位桿工藝參數的選定

為保證頂芯桿和復位桿有足夠的強度和剛度,應選定d頂≥10mm,d復≥18mm,材料為T10(50-55HRC)。

3. 芯盒材質的選定和熱處理要求

HT250,消除應力處理,加熱到500~550℃,保溫4~8小時隨爐冷卻到室溫。

4. 芯盒射砂孔起模斜度

選d≥3°時,砂芯能順利頂出。

5. 電加熱管功率參數的確定

根據每個芯盒成型砂芯的質量和生產率選擇電加熱管功率,所用經驗公式為:

N=G·Q/C

式中: N為熱芯盒加熱管功率KW;G為每小時生產型芯總質量Kg/h;Q為每公斤型芯加熱硬化所需熱量經驗數據,可取251040J/Kg;C為熱功當量常數(每千瓦小時換成焦耳熱量為3598240J/KW·h)。

以傳動箱芯為例,運用proeNGINEER中的分析測量模塊可以方便地知道,砂芯的總質量為25.65Kg,(體積為13.5dm3,砂芯的密度取1.9Kg/ dm3)。根據生產安排,如果每小時需要生產15個砂芯,那么G=15×25.65=384.75(Kg/h),N=G·Q/C=26.843(KW)。以此為依據選定功率為1.5KW、雙頭接線電加熱管18根。

五、結論

(1)運用CAD技術進行模具開發(fā),提高了鑄件精度,縮短了研發(fā)周期;

(2)模具CAD開發(fā)過程中所產生的數據模型(鑄件模型)既是模具所采用的參數實體,又是進行數控加工所采用的參數實體。這就從根本上保證了型、芯對應的一致性和設計與制造的一致性,使CAD/CAM一體化;

(3)proeNGINEER三維軟件的應用極大地促進了模具CAD技術的發(fā)展。

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