基于CAD／CA M的鑄造金屬型一體化軟件的開發(fā)

成俊秀，晉民杰

（太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

1 模具設(shè)計(jì)

1.1 金屬型設(shè)計(jì)的一般要求

金屬型結(jié)構(gòu)形式的確定取決于：鑄件的形狀、大小和澆注位置；分型面的方向和數(shù)目；澆注系統(tǒng)的形式；生產(chǎn)批量大小和采用的機(jī)械化程度。

對金屬型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求是：①應(yīng)具有合理的強(qiáng)度和剛度，保證金屬型不變形和損壞；②應(yīng)使裝配、拆卸方便可靠，以便于清理；③應(yīng)盡可能地采用典型結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化零部件，這樣可以簡化設(shè)計(jì)和制造工作，縮短生產(chǎn)周期。

金屬型的材料是影響其壽命的重要因素，選擇金屬型材料時，應(yīng)首先從金屬的物理、力學(xué)性能著手，同時還必須考慮到金屬型材料和制造費(fèi)用。金屬型材料在高溫下工作，所以要求具有良好的高溫和室溫綜合性能。鑄鐵價格低廉，易于制造、加工，因此得到廣泛的應(yīng)用，是一種較合適的金屬型材料。

1.2 三維造型

立體圖形曲面較多，繪制造型有一定的難度?？紤]到Pro／E在造型設(shè)計(jì)上的優(yōu)越性，本設(shè)計(jì)中造型的繪制通過Pro／E軟件來完成，主要運(yùn)用了拉伸、旋轉(zhuǎn)、鏡像、伸出等命令，最后生成了如圖1所示的生肖猴造型。在繪制過程中，要考慮到造型對模具分型面位置的影響，要求分型面位置有利于開模，分型面如圖2所示；此外，還要考慮造型的尺寸，確保造型的最小尺寸部位如眼睛、耳朵、尾巴在加工制造的可行范圍之內(nèi)?？傊?，繪制造型時在保證生動、形象和藝術(shù)性的前提下，還要注意制造的可行性及加工成本。［1］

1.3 模具設(shè)計(jì)

金屬型模具設(shè)計(jì)包括定義分型面、設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)和導(dǎo)鎖機(jī)構(gòu)、確定金屬型壁厚。

影響分型面的因素比較多，因此在選擇分型面時須從多方面比較，找到最合理的方案。選擇分型面一般應(yīng)遵循以下原則：①為保證鑄件能順利取出，分型面應(yīng)設(shè)置在鑄件外形最大輪廓處；②分型面選擇應(yīng)考慮鑄件外觀質(zhì)量，分型面數(shù)目應(yīng)盡量少；③選擇分型面應(yīng)保證設(shè)置澆注系統(tǒng)方便，金屬液流動平穩(wěn)，此外，還應(yīng)考慮排氣效果。［2］

由于模具型腔比較單一，為了開型方便和簡化模具制作，所以采用錐型澆道，金屬型模具見圖3。由于金屬型模具型腔尺寸設(shè)計(jì)得比較小，澆注系統(tǒng)尺寸設(shè)計(jì)得相對較大，故沒有再單獨(dú)設(shè)計(jì)冒口。

在鑄件生產(chǎn)中，為了有效地控制鑄件的凝固過程，補(bǔ)充鑄件的收縮，防止鑄件產(chǎn)生縮孔、裂紋和變形等缺陷，所以在澆道口旁邊設(shè)計(jì)一個排氣孔。定模和動模結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。

在確定金屬型壁厚時，要考慮到金屬型的受力和工作條件。如果在設(shè)計(jì)時金屬型壁厚設(shè)計(jì)薄，在工作中勢必就會容易變形，進(jìn)而影響鑄件的質(zhì)量；如果壁厚設(shè)計(jì)過大，金屬型模具就會顯的很笨重，既浪費(fèi)材料又影響手工操作。此外，金屬型壁厚愈薄，則澆注后蓄熱能力愈小，散熱就愈快；型壁厚度愈大，散熱就比較慢。所以金屬型壁厚設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合鑄件材質(zhì)、鑄件外輪廓尺寸及金屬型的材料性能而設(shè)定。生產(chǎn)鋁合金鑄件時，壁厚一般不小于12 mm，而銅及黑色金屬鑄件的金屬型壁厚不小于15 mm。綜合考慮，選鑄鐵做為金屬型模具材料，其壁厚可參考圖6［3］來確定。

作為國家法律規(guī)定允許使用的食品防腐劑，苯甲酸和山梨酸在含量有限的情況下，人食用后不會受到危害。按照國家規(guī)定，果汁果醬等食品中的苯甲酸最大使用量不能超出0.2g/kg，山梨酸不能超出0.5g/kg。但在實(shí)際生活中，為延長果醬等食品的保質(zhì)期，生產(chǎn)商會添加過量的苯甲酸和山梨酸，致使人體健康受到威脅。在測定這些物質(zhì)時，可以采用高效液相色譜法，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的定性和定量分析，從而使食品安全管理得到加強(qiáng)。

圖1 生肖猴造型

圖2 分型面

圖3 金屬型模具

圖4 定模

圖5 動模

圖6 鑄鐵金屬型壁厚與鑄件壁厚的關(guān)系

金屬型鑄造時，產(chǎn)量一般都很大，對鑄件的質(zhì)量要求很穩(wěn)定，也就是說同一副金屬型中鑄造出來的產(chǎn)品，質(zhì)量應(yīng)該是一樣的。欲達(dá)到上述目的，必須要求金屬型的工藝規(guī)范保持穩(wěn)定。

澆注溫度一般可以很方便地由保溫爐控制，因此，金屬型的工作溫度就成了影響熱規(guī)范穩(wěn)定的主要因素。要求在每次澆注時，金屬型溫度能穩(wěn)定在我們所選擇的溫度范圍內(nèi)，這樣才能夠保證鑄造出來的鑄件內(nèi)、外部質(zhì)量穩(wěn)定。

2 數(shù)控加工程序生成

設(shè)計(jì)階段主要是通過Pro／E軟件進(jìn)行造型的繪制和金屬型模具的生成，由于用Pro／E生成的程序（G代碼）后置處理過于麻煩，故采用CAXA制造工程師功能生成數(shù)控加工G代碼。用CAXA制造工程師生成G代碼的過程如下：①設(shè)置好機(jī)床；②調(diào)出三維圖形，注意在Pro／E里以igs格式保存，在CAXA制造工程師里打開；③根據(jù)工件圖紙形狀，選擇合適的加工工序，生成刀位點(diǎn)軌跡；④軌跡仿真，檢查是否有干涉、過切等現(xiàn)象，圖7為動模粗加工刀具路徑，圖8為動模精加工刀具路徑；⑤后置處理，生成G代碼。

后置處理就是結(jié)合特定機(jī)床系統(tǒng)把軟件生成的刀具軌跡轉(zhuǎn)化成數(shù)控機(jī)床指令代碼。后置處理完成后，按照當(dāng)前機(jī)床類型的配置要求，把已經(jīng)生成的刀具軌跡轉(zhuǎn)化生成G代碼數(shù)據(jù)文件（也就是CNC數(shù)控程序），把數(shù)控程序輸入機(jī)床，就可以進(jìn)行實(shí)體加工。［4］

圖7 動模粗加工刀具路徑

圖8 動模精加工刀具路徑

3 金屬型的NC加工

3.1 數(shù)控加工工藝要求

數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)主要包括：①選擇并決定零件的數(shù)控加工內(nèi)容；②對加工零件進(jìn)行數(shù)控加工工藝分析，如確認(rèn)幾何尺寸、精度要求、定位基準(zhǔn)，考慮是否有必要在毛坯上增設(shè)工藝凸耳等；③數(shù)控加工的工藝路線設(shè)計(jì)，主要考慮工藝的編排、工序的劃分安排以及和后續(xù)加工的銜接等問題。

3.2 編制加工工藝

因?yàn)槊鞒叽邕^大，虎鉗不能夠夾緊毛坯兩凸臺，所以不能夠以底面為基準(zhǔn)銑削上表面，必須先銑凸臺，工藝過程見表1。首先在普通銑床上以互為基準(zhǔn)原則粗、精銑毛坯凸臺兩側(cè)面，再以精銑過的兩側(cè)面為基準(zhǔn)銑毛坯的上、下表面，然后以精銑過的上、下面為基準(zhǔn)銑削左、右面。

表1 零件數(shù)控加工工藝方案

金屬型主要由型腔組成，因此選擇加工中心是最有效的，工序?yàn)槿剑菏紫扔忙?2的鍵槽刀粗銑分型面和模具型腔；然后用Φ8的球頭銑刀進(jìn)行半精銑；最后仍用Φ8的球頭銑刀進(jìn)行精銑。這樣可以減少換刀次數(shù)，保證加工精度。

3.3 加工過程

加工工藝編制完成后，下一步是加工。把G代碼輸入到加工中心，通過機(jī)床空運(yùn)行功能來驗(yàn)證代碼是否輸入有誤，所有這些操作完成后開始加工。加工過程中注意清理鐵屑，圖9為在加工中心上對金屬型動模進(jìn)行精加工，圖10為加工成型后的生肖猴金屬型動模。

圖9 精加工動模

圖10 加工成型后的金屬型動模

清理完動模和定模毛刺后，把兩半模合起來，觀察導(dǎo)鎖機(jī)構(gòu)是否配合準(zhǔn)確，分型面是否有錯位等現(xiàn)象，進(jìn)行必要的修補(bǔ)，完成金屬型模具的加工。圖11為金屬型模具兩半模合模的實(shí)物圖。

4 結(jié)束語

本文充分利用CAD／CA M無縫結(jié)合的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)金屬型模具NC程序的生成，通過軟件仿真實(shí)現(xiàn)刀具路徑檢驗(yàn)，大大提高實(shí)際加工效率，縮短了生產(chǎn)周期。

圖11 金屬型模具實(shí)物圖

［1］ 齊從謙.Pro／Engineer Wildfire 2.0特征與三維實(shí)體建模［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］ 張榮清.模具設(shè)計(jì)與制造［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［3］ 曲衛(wèi)濤.鑄造工藝學(xué)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1996.

［4］ 楊國平.CAXA制造工程師2000使用教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.