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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)翻譯） 第 6 頁(yè)
CAD/CAE/CAM系統(tǒng)應(yīng)用軟件在沖模鑄造模具中應(yīng)用
摘要：本文根據(jù)并行工程（CE）的理念，建立了一個(gè)面向沖壓模具設(shè)計(jì)制造的CAD/CAE/CAM集成系統(tǒng)，并對(duì)該集成系統(tǒng)進(jìn)行了初步的應(yīng)用。該集成系統(tǒng)可以利用現(xiàn)成的CAD/CAM集成的軟件平臺(tái)Pro/ENGINEER， MAGMASOFT模擬軟件和用于沖壓模工藝設(shè)計(jì)的初步的專家系統(tǒng)來(lái)建立。本文作者開發(fā)一個(gè)含有一系列的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式和技術(shù)方案及沖模設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的初步的專家系統(tǒng)軟件包。該集成系統(tǒng)已經(jīng)成功地被應(yīng)用于沖壓鋁和鎂鑄件的模具的設(shè)計(jì)和制造，例如生產(chǎn)桑塔納轎車的水泵。使用該集成系統(tǒng)能縮短沖模設(shè)計(jì)和制造周期，而且可以在短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)高質(zhì)量沖模，大大縮短了沖模鑄造的生產(chǎn)時(shí)間。
1.前言
沖模鑄造的軟件正在不斷地發(fā)展。沖模鑄造的產(chǎn)品正在向復(fù)雜的、大型的、生產(chǎn)周期短的方向發(fā)展。該如何在一個(gè)比較短時(shí)期用較低的費(fèi)用生產(chǎn)高質(zhì)量的沖模鑄造已經(jīng)成為沖模鑄造企業(yè)重要和緊急工作。最近協(xié)作工程學(xué) (CE)已經(jīng)進(jìn)入沖模鑄造的產(chǎn)品，和建立完整的投沖模鑄造CAD/CAE/CAM系統(tǒng)。在 CE 程序中，第一個(gè)步驟是為產(chǎn)品的使用創(chuàng)建一個(gè) 3D零件數(shù)據(jù)庫(kù)程序。下一個(gè)步驟是設(shè)計(jì)沖模鑄造程序，包括禁足系統(tǒng)，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、溢出系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和整個(gè)沖模鑄造剛體的設(shè)計(jì)。為了避免鑄造中出現(xiàn)缺點(diǎn)，用鑄造仿真軟件仿真金屬的流動(dòng)和凝固過(guò)程，也就是進(jìn)行CAE。數(shù)據(jù)庫(kù)需要提供CAM在制造沖模的粗加工和最終處理CNC程序的數(shù)據(jù)，而且被連接到測(cè)量機(jī)械測(cè)量坐標(biāo) (CMMs)。由于在整個(gè)過(guò)程使用統(tǒng)一的 3D模型數(shù)據(jù)庫(kù)，所以能同時(shí)完成所有步驟。整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期很大程度上縮短 [2]。因此,整個(gè)模具系統(tǒng)沖模鑄造的重點(diǎn)是CAD/CAE/CAM，它表達(dá)了CE觀念模型的先進(jìn)制造技術(shù)。完整的沖模鑄造CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的計(jì)劃在圖1中顯示。一個(gè)CAD /CAM 軟件包含一個(gè) CAE 模擬
軟件和一個(gè)沖模專用系統(tǒng)。
圖1. 完整的沖模鑄造CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的全部步驟
由于鑄件的復(fù)雜形狀, 3D實(shí)體模型和制造要求大型的CAD/CAM的軟件?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的CAD/CAM軟件是PTC生產(chǎn)的Pro/ENGINEER CAD/CAM軟件，EDS生產(chǎn)的Unigraphics II CAD/CAM軟件，和美國(guó)SDRC生產(chǎn)的IDEAS CAD/CAM軟件。
2.制定完整的沖模鑄造CAD/CAE/CAM系統(tǒng)
完整的沖模鑄造CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的計(jì)劃在圖1中顯示。一個(gè)CAD /CAM 軟件包含一個(gè) CAE 模擬軟件和一個(gè)沖模專用系統(tǒng)。
由于鑄件的復(fù)雜形狀，3D實(shí)體模型和制造要求大型的CAD/CAM的軟件?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的CAD/CAM軟件是PTC生產(chǎn)的Pro/ENGINEER CAD/CAM軟件，EDS生產(chǎn)的Unigraphics II CAD/CAM軟件，和美國(guó)SDRC生產(chǎn)的IDEAS CAD/CAM軟件。
鑄件CAE模擬的基礎(chǔ)原則是通過(guò)用有限微分(FDM)和有限元分析(FEM)解決流動(dòng)平衡和熱轉(zhuǎn)換(像是連續(xù)性相等，Navier–Stokes相等和傅立葉相等) 。通過(guò)計(jì)算可以獲得鋼模在注射和凝固過(guò)程中金屬流動(dòng)的速度和鋼模溫度的散發(fā)。用CAE模擬系統(tǒng)模擬沖模鑄造的金屬流動(dòng)和鋼模鑄件的凝結(jié)。經(jīng)常用到的鑄件模擬軟件有EKK的CAP，流體自然學(xué)的流體3D，美國(guó)UES的Pro/CAST，和巖漿，德國(guó)Magmad 的MAGMASOFT， 等等 [3]。
在這篇文章中，用Pro/ENGINEER CAD/CAM軟件、MAGMASOFT模擬軟件平臺(tái)和設(shè)計(jì)沖模鑄造的專家系統(tǒng)建立完整的沖模鑄造的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用在鋁合金的水泵和鎂合金的屋子蓋子的沖模鑄件。
3.應(yīng)用完整的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)建立沖模鑄件零件的3D實(shí)體模型
3.1模具和工藝表的CAD模型和設(shè)計(jì)
用Pro/ENGINEER CAD/CAM軟件建立的沖模鑄件3D模型包含了機(jī)械加工量、收縮率、加工斜度的消息（在圖2描述）。在數(shù)據(jù)庫(kù)2選擇加工的厚度、收縮率和錐度的數(shù)據(jù)應(yīng)該和合金的類型、零件的結(jié)構(gòu)零件的精度和零件的表面積精度等級(jí)。
圖2.水泵的3D實(shí)體模型
用一個(gè)主要的專家系統(tǒng)包設(shè)計(jì)鋼模鑄造的科學(xué)的計(jì)劃程序，那由創(chuàng)建者揭露的程序參數(shù)，合適選擇合適的注射壓力，注射速度，注射的頻率和注射時(shí)間等等，和根據(jù)經(jīng)驗(yàn)
圖3.在開模狀態(tài)下水泵模具3D實(shí)體模型
考慮相等鑄件的厚度和鑄件的結(jié)構(gòu)與合金的類型的一致性。沖模鑄件的科學(xué)的計(jì)劃程序包括控制系統(tǒng)、溢出系統(tǒng)和冷卻通道的設(shè)計(jì)、形腔面積的計(jì)算和熱平衡計(jì)算。然后確定沖模鑄造的計(jì)劃。在數(shù)據(jù)庫(kù)1中儲(chǔ)存各種鋼模標(biāo)準(zhǔn)成份零件的數(shù)據(jù)，而且一些鋼模設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)，如鑲嵌物的厚度,和形腔到模具外表面距離。在專門系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)1包括，最后整個(gè)鑄件3D立體實(shí)體，模具的合模和開模機(jī)構(gòu)，抽心機(jī)構(gòu)，注射系統(tǒng)，溢出系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等等(在圖 3 中顯示)。然后所有的這些模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)文件。
水泵的鋼模的形狀是比較復(fù)雜的合成物。包括復(fù)雜的外形，不同的高度凹槽，扭曲的轉(zhuǎn)變區(qū)域連接像球體一樣的彎曲橫截面，這些對(duì)實(shí)體來(lái)說(shuō)是困難的。
3.2 CAE的模擬和分析
用IP 550標(biāo)準(zhǔn)模具機(jī)械生產(chǎn)水泵鋼模鑄件。在這個(gè)模具中有二種類型的缺點(diǎn)：通氣
圖4.水泵在最初的工藝方案金屬澆注的模擬(50% 注射)
孔和多孔性。用 MAGMASOFT 軟件模仿鋼模的金屬的澆注和凝固過(guò)程。分析幾個(gè)理
圖 5.水泵在修訂的工藝方案金屬澆注的模擬(50% 注射)
論計(jì)劃的仿真結(jié)果。通過(guò)模擬能直接觀察到金屬的澆注和凝固過(guò)程。在最初的水泵設(shè)計(jì)計(jì)劃中水泵的澆注系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致在澆注的時(shí)候金屬液體溢出和氣體泄露 (在圖4中顯示)。
結(jié)果會(huì)形成氣泡和氧化物。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的修改和參數(shù)的處理能減少這些缺點(diǎn)。(在圖5)除此之外，最初的方案時(shí)常在鋼模鑄件熱不平衡的地方生產(chǎn)多個(gè)氣泡(在圖 6 中顯示)。因此，在修改計(jì)劃合適地調(diào)整注射從慢到快速的轉(zhuǎn)換，和縮短壓力上升時(shí)間，保證液體在凝固之前熱不平衡區(qū)的壓力達(dá)到需要。因此，氣孔的缺點(diǎn)基本上除去。水泵復(fù)雜的形狀模具圖 4.而且它的壁厚不相等產(chǎn)生氣孔和氣泡的缺點(diǎn)，水泵模具密封要求比較高，和鑄件必須通過(guò)一個(gè)水壓測(cè)試而且沒(méi)有一點(diǎn)泄露。用CAE的模擬和分析設(shè)計(jì)出最佳的鋼模鑄造程序，和鋼模產(chǎn)品的合格率在短時(shí)間內(nèi)得到很大程度上的提高。
圖6.由最初的科技方案水泵模具的熱不穩(wěn)地區(qū).(80% 凝固)
3.3計(jì)算機(jī)輔助教育的實(shí)現(xiàn)
根據(jù)模具鑄件的形腔3D立體固體的數(shù)據(jù)，用Pro/ENGINEER CAD/CAM 軟件的
創(chuàng)建加工操作表列出的內(nèi)容有：加工參數(shù)，裁刀具，切割路徑等等，和數(shù)控切割程序(數(shù)字的控制)和 CL(刀具定位) 數(shù)據(jù)文件的創(chuàng)建。由于使用數(shù)控檢查模數(shù)，檢查加工的刀具路徑和顯示當(dāng)時(shí)加工的過(guò)程。修改每個(gè)數(shù)控割切程序的CL數(shù)據(jù)文件，直到達(dá)到滿意的結(jié)果。能很快識(shí)別這些數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)送和轉(zhuǎn)換輸入數(shù)控機(jī)床CAM能很快地被識(shí)別。機(jī)架蓋子模具鑲嵌物的加工刀具路徑在圖7中顯示。
圖7.機(jī)架頂蓋模具鑲嵌在機(jī)械中的加工路徑
4.整合系統(tǒng)應(yīng)用的成效
依照上面提到的，通過(guò)使用Pro/ENGINEER CAD/CAM軟件和主要的專家系統(tǒng)，創(chuàng)建模具的3D實(shí)體模型和設(shè)計(jì)科技的方案。使用MAGMASOFT 軟件完成模具金屬的注射和凝固的分析與仿真；修正和優(yōu)化模具的科技方案和加工參數(shù)。然后整個(gè)模具的3D實(shí)體模型完成。
最后產(chǎn)生模具的復(fù)雜表面的CAM加工數(shù)據(jù)和型心，和在CNC機(jī)械上完成全部過(guò)程。在整個(gè)過(guò)程由于使用單一的3D立體模型的數(shù)據(jù)庫(kù)，一些步驟可能同時(shí)運(yùn)行，和模具的設(shè)計(jì)和制造的周期明顯地縮短。
通過(guò)CAE模擬修正和優(yōu)化模具科技方案和加工參數(shù)投，能在非常短時(shí)間的內(nèi)提高模具的質(zhì)量。舉例來(lái)說(shuō)，由于使用CAE 模擬，上述的水泵鑄件產(chǎn)品合格率在短時(shí)間內(nèi)從60提高到90%。
CAE 模擬結(jié)果表示鋼模流道散發(fā)熱量不平衡。鋼模熱的平衡和熱散發(fā)通過(guò)調(diào)節(jié)澆道大小，澆注速度，冷卻速度率等等，和發(fā)生裂縫的頻率在很大程度上減少，度上縮短。因?yàn)殇撃ｈT件的合格率能在短時(shí)間內(nèi)得到很大程度上提高，并縮短了整個(gè)鋼模鑄件的制造時(shí)間。
5.結(jié)論
證明的完整的模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)已成功的應(yīng)用轎車的設(shè)計(jì)和制造，比如水泵和變速箱。明顯縮短模具的設(shè)計(jì)和制造時(shí)間。用CAE 模擬能優(yōu)化加工參數(shù)和技術(shù)方案。能在短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)高質(zhì)量模具，使得整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程得到縮短。然而，這個(gè)綜合系統(tǒng)正向更深的研究和體系發(fā)展，尤其是那些專門的系統(tǒng)。這將會(huì)使專業(yè)系統(tǒng)更完美。更多鋼模鑄件的情形是成功地在制造中分析產(chǎn)品，而且他們的數(shù)據(jù)也將會(huì)存在專門的系統(tǒng)中。
參考文獻(xiàn)
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