用Pro/ENGINEER進(jìn)行柴油機(jī)缸體鑄件模具的設(shè)計(jì)，借助三維實(shí)體復(fù)合建模技術(shù)的可視性、可檢測(cè)性及可分析性，解決了模具設(shè)計(jì)中的疑難問(wèn)題。本文以513缸體的設(shè)計(jì)為例，具體介紹了應(yīng)用CAD技術(shù)進(jìn)行鑄件建模、合理分配砂芯和設(shè)計(jì)模具的方法和技巧。三維CAD技術(shù)給制造業(yè)帶來(lái)的方便令傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)望塵莫及。 

   隨著時(shí)代的進(jìn)步，科技的發(fā)展和CAD技術(shù)的應(yīng)用。模具行業(yè)由傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)向三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，應(yīng)用CAD技術(shù)進(jìn)行三維模具設(shè)計(jì)，不僅縮短了設(shè)計(jì)周期，而且提高了模具精度，使模具結(jié)構(gòu)更趨合理。同時(shí)應(yīng)用CAD設(shè)計(jì)的模具在以后的鑄件試制生產(chǎn)中，減少了模具修改的次數(shù)，減少了試制費(fèi)用，節(jié)省了新產(chǎn)品的試制時(shí)間。以Pro/ENGINEER軟件為例，我們來(lái)比較傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)和三維設(shè)計(jì)所用的時(shí)間。 
 
很顯然，使用三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)大約節(jié)省一半的時(shí)間。 

   應(yīng)用傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的缸體模具的鑄件肥大，尺寸精度低，加工后的產(chǎn)品零件外表不美觀且重量較大，模具在試制時(shí)反復(fù)修改，影響模具壽命，無(wú)形中增加了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)費(fèi)用。另有一些芯盒特別是熱芯盒，用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，須用普通機(jī)床無(wú)法加工，如果改用數(shù)控加工，則需要進(jìn)行人工代碼編程，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。 

   綜上所述，應(yīng)用三維CAD 技術(shù)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)缸體模具是一種先進(jìn)方法，下面以513缸體為例，具體介紹應(yīng)用CAD技術(shù)進(jìn)行鑄件建模、合理分配砂芯和設(shè)計(jì)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(chǎn)品圖紙，找出其主體構(gòu)架，運(yùn)用CAD技術(shù)，首先建立零件的主體構(gòu)架模型，然后再建立那些在主體構(gòu)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(yùn)算，即可得到缸體零件的三維實(shí)體幾何模型。對(duì)幾何模型進(jìn)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(shè)置冷加工使用的定位夾緊工藝凸臺(tái)，對(duì)整個(gè)幾何模型進(jìn)行比例縮放（根據(jù)鑄造環(huán)境和鑄造方法及鑄件材質(zhì)的不同而制定的收縮率），本設(shè)計(jì)是將幾何模型放大1.008倍。  
 
二、 鑄件模型的型、芯設(shè)計(jì) 

   傳統(tǒng)的鑄造外模模具設(shè)計(jì)和芯盒模具設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)制作的分離性，很難使他們組裝后體現(xiàn)出缸體二維工程圖紙所要求的精確效果，繼而影響產(chǎn)品的整體性能。 

   運(yùn)用三維實(shí)體復(fù)合建模技術(shù)，可以解決傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)難以解決的問(wèn)題。首先是模具型腔的精度問(wèn)題，在進(jìn)行鑄件模型的型芯分離時(shí)，需采取以下步驟： 

(1)建立一個(gè)在三維空間能夠完全包容鑄件模型的實(shí)體方體； 
(2)用缸體鑄件模型作為工具實(shí)體，與目標(biāo)實(shí)體方體作布爾減運(yùn)算，得到一個(gè)初始的型芯組合實(shí)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(gè)實(shí)體（無(wú)特征參數(shù)），即得到了砂芯組合體和鑄型的反模； 
(4)根據(jù)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。 
 
   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(shù)脂砂芯；6為傳動(dòng)箱芯，采用熱芯盒制芯。組裝順序?yàn)椋阂来伟礃?biāo)號(hào)順序?qū)⑸靶痉诺浇M芯胎具上，用螺桿穿起來(lái)擰緊。 
(5)建立一個(gè)同（1）中描述的一樣的實(shí)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(shí)體，將其對(duì)應(yīng)的一半方體實(shí)體作為目標(biāo)實(shí)體，進(jìn)行布爾減運(yùn)算，即可得到外型上模型和外型下模型的初始原形。 

三、 上、下模板的形成及鑄型模擬檢測(cè) 

   利用布爾運(yùn)算生成的上、下模型，按照造型設(shè)備的規(guī)格和連接方式進(jìn)行排版，做出工裝連接部分。按造型工藝的要求在模具適當(dāng)部位安裝數(shù)量和大小不等的排氣柱，并在與組合砂芯的配合部位添加芯頭成型塊和砂芯排氣柱，這樣即可得到生產(chǎn)中應(yīng)用的模具模型。 

   從以上介紹可以看出，造型模具和砂芯模具都是從同一個(gè)鑄件模型上獲得的，其內(nèi)部型腔和外部形狀的對(duì)應(yīng)精確度是很高的（可精確到0.001mm以上），這樣就實(shí)現(xiàn)了鑄件外部表面及內(nèi)部型腔在模具上的精確參數(shù)轉(zhuǎn)換，以及內(nèi)部型腔砂芯的合理分配。 
同樣運(yùn)用布爾減運(yùn)算對(duì)上、下模板進(jìn)行運(yùn)算，形成上、下型腔。 
 
   運(yùn)用Pro/ENGINEER中的裝配模塊，將組合后的整體砂芯調(diào)入并裝配到相對(duì)應(yīng)的芯座上，這樣就組合成了一個(gè)完整的模擬鑄型。如果你想了解鑄型中各處壁厚的話(huà)，可以調(diào)用Pro/ENGINEER中的剖切功能在你想看的位置進(jìn)行剖切。這時(shí)，如果某個(gè)部位的尺寸形狀與圖紙不符，可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢測(cè)修改；而且鑄造工藝參數(shù)，通過(guò)剖切尺寸檢查認(rèn)為不合理可以進(jìn)行修正。而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)依靠澆注鑄件進(jìn)行鑄件解剖檢測(cè)，在合箱時(shí)用橡皮泥進(jìn)行壁厚檢查，其結(jié)果會(huì)造成生產(chǎn)周期長(zhǎng)、試制費(fèi)用高、尺寸精度差、表面質(zhì)量差等弊端。 
 
四、 砂芯模具設(shè)計(jì)及模具參數(shù)的選定（以傳動(dòng)箱芯為例） 

   同樣運(yùn)用Pro/ENGINEER的三維建模技術(shù)，建立一個(gè)方形實(shí)體，完全包住傳動(dòng)箱芯。以方形實(shí)體作為被切割對(duì)象，以傳動(dòng)箱芯實(shí)體作為切割參照進(jìn)行布爾減運(yùn)算，得到一個(gè)中空的實(shí)體，內(nèi)腔形狀同傳動(dòng)箱芯的外部形狀完全一樣。依照砂芯的分型面分割實(shí)體成上、下兩個(gè)半模，根據(jù)起模方向設(shè)置拔模斜度，即可得到上、下芯盒體。 
 
1． 芯盒排氣工藝參數(shù)的選定 

   砂芯品質(zhì)的好壞，在很大程度上取決于芯盒排氣是否合理。因?yàn)樯渖皶r(shí)，壓縮空氣與砂芯一起進(jìn)入芯盒，如果芯盒內(nèi)的氣體不能及時(shí)排出，則砂芯不能充分緊實(shí)，表面質(zhì)量差。排氣主要通過(guò)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(shè)在分盒面上，其深度0.4～0.6mm，出口端可擴(kuò)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(jìn)行排氣。為了使頂芯桿及活塊在高溫下滑動(dòng)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(shè)置排氣塞，如水套砂芯的定位芯頭及出水孔處均設(shè)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(fù)位桿工藝參數(shù)的選定 

   為保證頂芯桿和復(fù)位桿有足夠的強(qiáng)度和剛度，應(yīng)選定d頂≥10mm， d復(fù)≥18mm，材料為T(mén)10（50-55HRC）。 

3． 芯盒材質(zhì)的選定和熱處理要求 

HT250，消除應(yīng)力處理，加熱到500～550℃，保溫4～8小時(shí)隨爐冷卻到室溫。 

4． 芯盒射砂孔起模斜度 

選d≥3°時(shí)，砂芯能順利頂出。 

5． 電加熱管功率參數(shù)的確定 

根據(jù)每個(gè)芯盒成型砂芯的質(zhì)量和生產(chǎn)率選擇電加熱管功率，所用經(jīng)驗(yàn)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(shí)生產(chǎn)型芯總質(zhì)量Kg/h；Q為每公斤型芯加熱硬化所需熱量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可取251040J/Kg；C為熱功當(dāng)量常數(shù)（每千瓦小時(shí)換成焦耳熱量為3598240J/KW·h）。 

以傳動(dòng)箱芯為例，運(yùn)用Pro/ENGINEER中的分析測(cè)量模塊可以方便地知道，砂芯的總質(zhì)量為25.65Kg，（體積為13.5dm3，砂芯的密度取1.9Kg/ dm3）。根據(jù)生產(chǎn)安排，如果每小時(shí)需要生產(chǎn)15個(gè)砂芯，那么G=15×25.65=384.75（Kg/h），N=G·Q/C=26.843(KW)。以此為依據(jù)選定功率為1.5KW、雙頭接線(xiàn)電加熱管18根。 

五、 結(jié)論 

(1)運(yùn)用CAD技術(shù)進(jìn)行模具開(kāi)發(fā)，提高了鑄件精度，縮短了研發(fā)周期； 
(2)模具CAD開(kāi)發(fā)過(guò)程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)模型（鑄件模型）既是模具所采用的參數(shù)實(shí)體，又是進(jìn)行數(shù)控加工所采用的參數(shù)實(shí)體。這就從根本上保證了型、芯對(duì)應(yīng)的一致性和設(shè)計(jì)與制造的一致性，使CAD/CAM一體化； 
(3)Pro/ENGINEER三維軟件的應(yīng)用極大地促進(jìn)了模具CAD技術(shù)的發(fā)展。