CAD技术在BFL513柴油机缸体模具上的应用

2013-06-01 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

用proeNGINEER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。

冯爱辉来源:CAD/CAM与制造业信息化
关键字:三维CAD 砂芯 proeNGINEER

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proeNGINEER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proeNGINEER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proeNGINEER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)。

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。

图6 上模板

图7 下模板

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proeNGINEER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proeNGINEER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proeNGINEER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proeNGINEER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)proeNGINEER三维软件的应用极大地促进了模具CAD技术的发展。

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