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摘要: 詳細(xì)地介紹了消失模鑄造模具CAD/CAM的設(shè)計思路和制造工藝流程；采用該技術(shù)，有效地改善了模具的結(jié)構(gòu)，明顯地縮短產(chǎn)品模具的開發(fā)周期，成功地完成了柴油機(jī)氣缸蓋消失模模型的生產(chǎn)制作任務(wù)；實現(xiàn)了消失模鑄造模具的國產(chǎn)化。

1　消失模鑄造模具CAD

1.1　單缸小型柴油機(jī)氣缸蓋產(chǎn)品模型的建立

　　熟悉產(chǎn)品二維零件圖紙，建構(gòu)出零件的立體形狀，找出零件圖紙的設(shè)計基準(zhǔn)和加工工藝基準(zhǔn)。

　　(1)設(shè)計建模思路　以零件圖紙的設(shè)計基準(zhǔn)為產(chǎn)品模型的基準(zhǔn)，采用分塊建模，整體組裝(布爾運(yùn)算)的技法。首先選準(zhǔn)主模型，即產(chǎn)品模型的主體框架，即將氣缸蓋的主殼體作為主模型；其次，將主模型以外的各個實體部分作為搭配小模塊分別建模，即將氣缸蓋的底面、頂面、噴油器、進(jìn)氣道、排氣道和進(jìn)、排氣道的支承座、各螺栓凸臺實體作為搭配小模塊。主模型和搭配小模塊在空間位置上的關(guān)系統(tǒng)一于零件圖紙的設(shè)計基準(zhǔn)。

　　(2)工作坐標(biāo)系的應(yīng)用　工作坐標(biāo)系是指當(dāng)前繪制圖形有效的右手法則--笛卡爾坐標(biāo)系。它在配合有效、快捷地繪圖時，可以移動、旋轉(zhuǎn)和存貯，以使所畫線條始終位于X-Y坐標(biāo)系平面內(nèi)，特征實體的拉伸、旋轉(zhuǎn)始終沿著Z軸方向，并實現(xiàn)工作坐標(biāo)系的快速定位功能。

　　(3)工作層的管理　工作層是指當(dāng)前繪圖有效的畫面空間，共計256層。有效地靈活使用工作層的管理，可使建模思路更加清晰，編輯線條和實體模塊有條不紊。具體操作是：將繪制各搭配小模塊和主模型的原始線條按順序分別放在不同的工作層上，并用易讀易記憶的語言給各層起一個形象的層名，將用各層的原始線條制做出的各實體模塊也分別存放到不同的工作層上，并起對應(yīng)的層名。這樣就可以在最后組裝(布爾運(yùn)算)數(shù)學(xué)模型時有的放矢地調(diào)用、編輯各個組成部分。

　　(4)建模精度的設(shè)定　在組成數(shù)學(xué)模型的各個子模塊中間，既有特征造型模塊，又有自由曲面(非特征)造型模塊。如果在建模時，不進(jìn)行有針對性地設(shè)置建模精度，往往會導(dǎo)致特征造型的模塊與自由曲面造型的模塊進(jìn)行布爾運(yùn)算時出錯，致使建模失敗。為此應(yīng)將自由曲面建模精度高于特征建模精度1～2個數(shù)量級。

　　(5)產(chǎn)品模型的建立　以零件圖紙為依據(jù)，以建模思路為導(dǎo)向，以工作坐標(biāo)系的應(yīng)用、工作層的管理和建模精度的設(shè)定作為技術(shù)手段，即可建立氣缸蓋產(chǎn)品模型。

1.2　鑄件模型的設(shè)計和模片的切取

　　(1)鑄件模型的設(shè)計　對氣缸蓋產(chǎn)品模型進(jìn)行比例縮放，將產(chǎn)品模型放大1.013倍，在放大后的模型上設(shè)置加工余量，用建模的技法對各加工面建出加工余量(這里定為2mm)的實體，并與模型相疊加。最后，對鑄造圓角進(jìn)行建模。這樣就建立了鑄件泡沫模型。

　　(2)模片的切取　根據(jù)制模機(jī)的起模方式(我公司用的是水平分型，上、下起模的方式)和模型結(jié)構(gòu)，以利于起模，利于膠合和整體美觀為原則，將氣缸蓋鑄件泡沫模型切成4片，見圖1。



圖1　鑄件模型(1次分配模片切取分布圖)
Fig.1　CastingPattern(firstdistributionillustrationofsplittingthecastingpattern)

1.3　設(shè)計模具型腔和模板結(jié)構(gòu)

　　(1)設(shè)計模具型腔　對從鑄件泡沫模型上切取的模片進(jìn)行2次分配，使之分別成為上、下模板型腔的1部分。首先，運(yùn)用CAD做出2次分配的切割分型面，具體做法是：對于模片上能夠完全向上或完全向下起模的部分，可以直接切取該部位的模片，并可得到切取時用的局部切割分型面；對于模片上沿單1方向無法取模的部分，必須找出這1部分模片的最大輪廓線，按此輪廓線做出切割分型面，以使用此切割分型面切出的模片可分別能在上、下兩方向起模；最后根據(jù)加工特性，設(shè)計出連接各局部切割分型面的過渡分型面和模板分型面平面，將局部切割分型面、過渡分型面和分型面平面縫合起來，就得到2次分配模片的切割分型面。其次，將模片與1個大小適中的實體方坯作減，再用2次分配切割分型面將作減后的方坯切開，即可得到對應(yīng)的上、下模板型腔結(jié)構(gòu)。

　　(2)設(shè)計模板結(jié)構(gòu)　根據(jù)制模機(jī)上、下蒸氣柜上的模具安裝型板的規(guī)格，規(guī)范上、下模板的外圍尺寸。在上模板上設(shè)計出噴槍支承結(jié)構(gòu)、氣塞安裝孔、溢氣槽、溢氣孔，模板安裝螺栓孔和模板定位套、導(dǎo)向套安裝孔。在下模板上設(shè)計出氣塞安裝孔、溢氣槽、溢氣孔和模板定位銷、導(dǎo)向銷安裝孔。

1.4　設(shè)計膠合模板

　　膠合模板是用于模片膠合的。進(jìn)行設(shè)計時，可先從模片結(jié)合面上抽取表面鈑金，對該表面鈑金進(jìn)行剪裁，使模片的周邊膠合寬度為2.5mm，切掉多余的粘膠面。這樣既能節(jié)約用膠，又能防止多余的膠擠出時造成澆出的鑄件披縫過大。然后拉伸剪裁后的膠合面成一實體，在實體底部相應(yīng)地設(shè)計出與膠合機(jī)安裝板相吻合的支承板，見圖2。(這里用于拉伸的剪裁面要縮小1.012/1.013倍)



圖2　模片膠合板
Fig.2　GluePlate

1.5　設(shè)計靠模板

　　靠模板是用于支撐并吸附模片以利于模片結(jié)合面浸膠。設(shè)計靠模板時，可將模片的對應(yīng)制作模模板縮小1.012/1.013倍，模板的周邊按照膠合機(jī)上靠模支架的規(guī)格修整，并將模具型腔內(nèi)的分型面高度銑掉2mm，以使模片的結(jié)合面凸出，防止靠模粘附多余的膠液。最后設(shè)計出真空吸附噴嘴的安裝孔。

2　消失模鑄造模具CAM

　　CAM提供了1種交互式編程產(chǎn)生精確加工軌跡的方法，通過模塊可以建立1種稱之為刀具位置源文件的刀具軌跡文件。還可以通過觀察刀具運(yùn)動來圖形化地編輯刀軌，并進(jìn)行圖形化地修改；刀具位置源文件也可相應(yīng)地發(fā)生改變。最終的刀具位置源文件經(jīng)過后置處理即可被加工中心接受，用于加工。

　　1個刀具位置源文件的生成主要有以下幾個步驟：①選定合適的加工坐標(biāo)系；②選定合適的刀具；③選定合適的加工模塊及相應(yīng)的加工參數(shù)，這是整個工作的難點(diǎn)和關(guān)鍵。

　　以圖1作為CAM的范例，來闡述CAM在消失模鑄造模具加工制造過程中的應(yīng)用。圖3是加工制造流程。



圖3　消失模鑄造模具加工制造流程圖
Fig.3　Mouldmanufacturingflowingchartforfullmoldcasting

2.1　粗加工模板型腔

　　采用容差型型腔銑加工方法。它可以規(guī)定多個切削深度范圍，每1個范圍又劃分為等深度的多個切削層。對每1個切削層，它能在復(fù)雜的型腔表面上自動產(chǎn)生可視化的跟蹤和切削軌跡，在1個平面切削方式下完成每1層的二維加工。它可同步加工多個內(nèi)腔或按定義順序加工。它還能自動處理型腔內(nèi)部多個島狀凸臺。刀具可以沿1個進(jìn)刀矢量斜向、直插或螺旋下刀到各新的深度層。圖4為選取的2個有代表性刀具軌跡橫斷面頂視圖。


實線--刀具軌跡實際工作路線　　虛線--進(jìn)刀、抬刀或中間換刀路線

圖4　刀具軌跡橫斷面頂視圖
Fig.4　Swordtooltracksection

2.2　半精加工模板型腔

　　選用固定軸輪廓銑加工方式。它是利用驅(qū)動點(diǎn)生成刀具軌跡，驅(qū)動點(diǎn)由驅(qū)動幾何體生成。一旦生成了驅(qū)動點(diǎn)，即可通過這些點(diǎn)到零件幾何體生成投影矢量。刀具沿著這個投影矢量移動直到接觸零件體。這個最終的刀具位置稱為輸出的刀位，所有驅(qū)動點(diǎn)處的刀位坐標(biāo)組成CLSF，即刀具定位源文件。具體操作步驟是：①加工坐標(biāo)系選定在模板的對稱中心處的分型面上。②刀具選定為�J6mm直徑的高速鋼球刀。③加工模塊選定為固定軸輪廓銑，走刀方式選定為Z字形式。刀具步距選定為0.05mm。刀具進(jìn)給速率設(shè)定為430mm/min。刀具走刀方向選擇了順沿氣道流體方向，加工出的模具表面光潔。

2.3　倒圓加工

　　選用徑向加工的方式。徑向加工模塊是1項功能強(qiáng)大的倒圓加工技術(shù)，它使加工工件的倒圓部分能最大程度地反映設(shè)計原型，而且操作簡便。具體使用該模塊時，要將與倒圓鈑金相鄰接的其余鈑金面也選做為加工零件面，然后再用定義的邊界參數(shù)確認(rèn)刀具的有效加工范圍。這樣做可以有效地防止過切現(xiàn)象的發(fā)生。

2.4　安裝氣塞

　　氣塞是蒸氣進(jìn)入模具型腔的通道。其規(guī)格依據(jù)產(chǎn)品類型而定，對小型單缸柴油機(jī)氣缸蓋模具而言，選�J4mm和�J5mm直徑大小的規(guī)格，每道氣隙寬約0.18～0.22mm，氣隙的加工選用線切割。氣塞的材質(zhì)為LD10，氣塞安裝孔的加工選用從點(diǎn)到點(diǎn)加工方法。氣塞安裝前，要進(jìn)行預(yù)處理：將熔融的松香灌入氣塞氣隙縫內(nèi)，冷卻、固化。這樣做可以防止在加工過程中出現(xiàn)的氣隙擠壓變形和鋁屑堵塞氣隙的現(xiàn)象。待模板加工完成后，把模板浸入丙酮液池中，全部清除掉里面的松香。

2.5　模板穩(wěn)定化處理

　　加工引起模板發(fā)生不同程度地形變是很難避免的。因此，在對模板進(jìn)行精加工之前必須進(jìn)行形變矯正和尺寸的穩(wěn)定化處理。具體操作是：做一塊反變形墊板，其反變形量是模板實際變形量的1.9倍，將形變模板按對應(yīng)關(guān)系放置于反變形墊板上，用壓板緊緊地將模板與墊板壓合在一起，進(jìn)行熱處理。采用穩(wěn)定化回火處理工藝，加熱溫度280℃，保溫3h，隨爐冷卻至室溫。

2.6　精加工模板分型面和模板型腔

　　選用平面銑加工方式加工分型面。用選定的邊界作為輪廓產(chǎn)生二維的刀具軌跡。參照半精加工模板型腔的方式進(jìn)行精加工。刀具選定為�J4mm直徑的硬質(zhì)合金鍵槽刀，走刀步距設(shè)定為0.01mm，切削進(jìn)給速率750mm/min。

2.7　起模斜度的加工

　　選用型腔銑模塊中的輪廓加工方式。在編輯生成刀具位置源文件時，定義的刀具是帶有錐度的，其錐度大小與起模斜度相同。在加工中心上實際運(yùn)行程序加工模板時，將刀具換成同樣大小直徑的鍵槽刀。

3　消失模鑄造模具CAD/CAM綜合應(yīng)用

　　消失模鑄造模具的平均壁厚為9mm。如果按照常規(guī)的CAD進(jìn)行建模時，模具的正面型腔和背面形狀都要完整無缺地建構(gòu)出來。這樣要花費(fèi)很長的建模時間。如果綜合應(yīng)用CAD/CAM，就會省去很多不必要的建模工作量。比如說，已經(jīng)利用CAD建起了上模板的正面型腔，上模板的背面型腔就不必再作建模工作了。這時就可以借用CAM加工模板留余量的方式，以上模板的正面型腔為加工零件面，零件面留下余量9mm，從上模板的背面運(yùn)用CAM中的型腔銑加工模塊，就能設(shè)計出模板背面形狀的加工軌跡。這樣做，既縮短了模具開發(fā)周期，又節(jié)約了計算機(jī)的存貯空間。