BFL513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。 
 
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。  
 
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。 
 
   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。 

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，并在与组合砂芯的配合部位添加芯头成型块和砂芯排气柱，这样即可得到生产中应用的模具模型。 

   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。 
 
   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。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。 
 
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。 
 
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。