【導(dǎo)讀】dies. Abstract. 1.Introduction

　　

【正文】 模具設(shè)計者對模具的 CAD/CAE/CAM 集成系統(tǒng)的越來越多的關(guān)注，體現(xiàn)了現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的 CE 技術(shù)的重要性越來越大。 CAD/CAE/CAM 集成系統(tǒng)在壓鑄模具中的建立 CAD/CAE/CAM 集成系統(tǒng)壓鑄模具的總體方案如圖 1 所示。它包括一個CAD/CAM 軟件 ,一個 CAE 仿真軟件和一個壓鑄專業(yè)軟件系統(tǒng)包。 由于壓鑄件形狀復(fù)雜，需要大型的 CAD/CAM軟件的三維實體造型和制造?，F(xiàn)在廣泛使用的 CAD/CAM 軟件是 PTC 公司的 Pro/ENGINEER 的 CAD/CAM，EDS 公司的 Unigraphics II 的 CAD/CAM，和美國 IDEAS 的 CAD/CAM 的軟件。 鑄件 CAE 模擬技術(shù)原理的解決方法有：有限差分法（ FDM）的流體動力學(xué)和傳熱方程（如連續(xù)性方程， NavierStokes 方程和傅立葉方程等）或有限元法（ FEM）。金屬液在模具型腔里的流動速度和鑄件的溫度分布以及金屬液在模具中的填充和凝固過程可以通過計算得出。然后用 CAE 模擬軟件模擬壓鑄過程中金屬液在模具中的流動和凝固過程。鑄造模擬軟件包現(xiàn)在可用的有 EKK 的 CAP，流體科學(xué)的 FLOW3D，美國 UES 的 PRO/CAST，以及德國的 MAGMASOFT 等[3] 。 本論文使用的是 Pro/ENGINEER 的 CAD/CAM 軟件， MAGMASOFT 仿真軟件，和一個可以為壓鑄工藝設(shè)計建立壓鑄模具 CAD/CAE/CAM 集成系統(tǒng)的專業(yè)系統(tǒng)，這個系統(tǒng)應(yīng)用于鋁合金油泵壓鑄件和鎂合金的外殼蓋 [4,5]。 CAD/CAE/CAM 集成系統(tǒng)在壓鑄模具中的應(yīng)用 、模具的 CAD 建模和設(shè)計的技術(shù)方案 首先新建零件的三維實體造型，然后通過使用 Pro/ENGINEER 的 CAD/CAM軟件進(jìn)行壓鑄件的三維建模，建模的內(nèi)容有鑄件的加工余量，收縮率和錐度的形成（如圖 2 所示）。鑄件的加工余量，收縮率和錐度大小的數(shù)據(jù)是根據(jù)零件的表面精度等級、零件的結(jié)構(gòu)和合金類型從數(shù)據(jù)庫 II 中選擇。 通過由軟件商開發(fā)的一款重要的專業(yè)軟件系統(tǒng)包進(jìn)行壓鑄工藝技術(shù)方案的設(shè)計，可以對壓鑄模的工藝參數(shù)，如注射壓力、柱塞速度、注射速度和充填時間進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇，根據(jù)合金類型的經(jīng)驗計算公式，可以對壓鑄件的壁厚和結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核。該設(shè)計方案還包括澆注系統(tǒng)，溢出和冷卻通道的工藝設(shè)計，以及型腔的內(nèi)表面積和模具的熱平衡的計算和校核。然后選擇 壓鑄機(jī)。在數(shù)據(jù)庫 I 中存儲了各種標(biāo)準(zhǔn)零部件的數(shù)據(jù)和模具設(shè)計的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，如鑲嵌的厚度，型腔內(nèi)表面到模具外表面的距離等一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)，隨著該專業(yè)軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫 I 的使用，該壓鑄模完整的三維實體造型終于全部完成，包括外表面和噴射機(jī)構(gòu)，型芯，澆注系統(tǒng)，溢出和冷卻通道等（如圖 3 所示） 。然后把所有模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)文件。 壓鑄件油泵的形狀是比較復(fù)雜的。它包括一個漸開線輪廓，具有不同高度的槽，彎曲的過渡區(qū)域連接著不同橫截面的球體狀拱，所有這些都給建模造成很大麻煩。 、 CAE 模擬及分析 壓鑄件油泵的生產(chǎn)使用的是 IP 550 臥式壓鑄機(jī)。在這個鑄件生產(chǎn)中常出現(xiàn)的缺陷有兩種類型：氣孔和縮孔。該模具中金屬的流動和凝固的模擬使用的是MAGMASOFT 軟件。然后對幾種技術(shù)方案的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。通過模擬可以清楚地看出金屬流動和凝固過程中出現(xiàn)的問題。在充填金屬液的過程中使用傳統(tǒng)的澆注系統(tǒng)進(jìn)行澆注將會導(dǎo)致金屬液的飛濺和空氣不能及時排出。這將會出現(xiàn)氣孔和氧化夾雜物等缺陷（如圖 4 所示）。為了減輕這種缺陷，需要對澆注系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行修改，工藝參數(shù)也要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，（如圖 5 所示）。另外，這種傳統(tǒng)的澆注方案往往會在鑄件的熱節(jié)處出現(xiàn)縮孔缺陷（如 圖 6 所示）。所以，在修改設(shè)計方案時，需要控制柱塞的加速度以調(diào)節(jié)合適的注射速度，充填的時間也要短，因為充填后的增壓可以使?jié)部谔幬磥淼眉澳痰慕饘僖簩峁?jié)出的縮孔進(jìn)行補(bǔ)縮。這樣，縮孔缺陷就基本消除了。由于油泵復(fù)雜的外形和不均勻的壁厚，導(dǎo)致縮孔和氣孔等缺陷很容易出現(xiàn)。而且油泵壓鑄件的密封要求非常高，所以鑄件需要通過高水壓測試，且要求無任何泄漏。借助于 CAE 軟件的模擬和分析來優(yōu)化壓鑄件的設(shè)計，可以使壓鑄產(chǎn)品的合格率在較短時間內(nèi)得到大大提高。 、 CAM 的應(yīng)用 首先運用 Pro/ENGINEER 的 CAD/CAM 軟件的 Pro/MANUFACTURING 模塊，在壓鑄模具型腔三維實體造型的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，新建一個三維實體造型鑲嵌加工空白頁。然后，制作一個加工工藝表，包括加工余量，刀具，刀具路徑等，同時還要創(chuàng)建一個 NC（數(shù)控）切割程序和 CL（銑刀）數(shù)據(jù)文件。此外由于 NC 檢查模塊的使用，可以對加工刀具路徑進(jìn)行檢查和觀察瞬時加工工藝過程。數(shù)控切割過程中的各 CL 數(shù)據(jù)文件可以進(jìn)行修改，直到達(dá)到一個滿意的結(jié)果。這時 CAM軟件將及時對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并傳送到數(shù)控機(jī)床代碼庫。壓鑄模具外殼蓋的鑲嵌加工刀具路徑如圖 7 所示。 集成系統(tǒng)的應(yīng)用總結(jié) 綜上所述，借助于 Pro/ENGINEER 的 CAD/CAM 軟件和主要專業(yè)軟件系統(tǒng)包的幫助，建立壓鑄模的三維實體造型和設(shè)計壓鑄工藝的技術(shù)方案。然后使用MAGMASOFT 軟件對模具中金屬液的流動和凝固進(jìn)行模擬和分析，對壓鑄的技術(shù)方案和工藝參數(shù)進(jìn)行修改和優(yōu)化。這樣就完成了模具完整的三維實體造型。最后創(chuàng)建模具和型芯復(fù)雜表面的 CAM 加工數(shù)據(jù)，所有 CAM 加工數(shù)據(jù)都在數(shù)控機(jī)床上完成。由于在整個過程中使用的是同一三維模型的數(shù)據(jù)庫，一些步驟可以同時進(jìn)行，可以明顯縮短模具的設(shè)計和制造周期。 通過 CAE 模擬軟件對壓鑄工藝的技術(shù)方案和工藝參數(shù)進(jìn)行修改和進(jìn)一步的優(yōu)化，壓鑄件的質(zhì)量在較短的時間里得到很大提高。例如，由于使用 CAE 進(jìn)行模擬，上面提到的壓鑄件油泵的產(chǎn)品合格率在較短的時間里從 60%提高到 90%。 另一個例子是汽車變速箱殼體的鎂合金壓鑄件。 CAE 模擬結(jié)果表明，模具型腔內(nèi)的溫度分布不均勻。通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，如注射速度，冷卻介質(zhì)的流速，可以改善熱平衡和溫度分布，也減小裂縫出現(xiàn)的可能性。由于壓鑄件的產(chǎn)品合格率在較短的時間里得到很大提高，整個壓鑄件的交貨時間也就大大縮短。 結(jié)論 壓鑄模的 CAD/CAE/CAM 集成系統(tǒng)目前已成功地應(yīng)用在汽車壓鑄件的設(shè)計和制造中，如油泵，變速箱殼體等壓鑄零件。壓鑄件的壓鑄模具的設(shè)計和制造周期明顯縮短。借助 CAE 模擬技術(shù)可以優(yōu)化壓鑄件的工藝參數(shù)和技術(shù)方案。它的作用是可以在較短的時間里是生產(chǎn)出高質(zhì)量的壓鑄件，交貨時間也大大縮短。然而，該集成系統(tǒng)還需要進(jìn)一步研究和開發(fā)，特別是專業(yè)軟件系統(tǒng)部分。同時需要對更多成功地應(yīng)用在實際生產(chǎn)中的壓鑄件資料，包括專業(yè)軟件系統(tǒng)中壓鑄件的資料進(jìn)行分析。這些將有助于完善該專業(yè)軟件系統(tǒng)包。 參考文獻(xiàn) [1] K. Chipley, S. Viswanathan, . Cooper, Die Cast. Eng. 40 (2) (1996) 18–26. [2] . Bralower, Die Cast. Eng. 42 (5) (1998) 16–20. [3] . Midson, Die Cast. Eng. 38 (5) (1994) 42–46. [4] S. Yue, G. Dai, Foundry Mater. 22 (1–2) (1998) 8–13. [5] Shuhua, Yue, J. Yu, H. Sun, et al., Foundry 46 (1) (1997) 14–18.