基于CAD／CA M的铸造金属型一体化软件的开发

成俊秀，晋民杰

（太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

1 模具设计

1.1 金属型设计的一般要求

金属型结构形式的确定取决于：铸件的形状、大小和浇注位置；分型面的方向和数目；浇注系统的形式；生产批量大小和采用的机械化程度。

对金属型结构设计的要求是：①应具有合理的强度和刚度，保证金属型不变形和损坏；②应使装配、拆卸方便可靠，以便于清理；③应尽可能地采用典型结构和标准化零部件，这样可以简化设计和制造工作，缩短生产周期。

金属型的材料是影响其寿命的重要因素，选择金属型材料时，应首先从金属的物理、力学性能着手，同时还必须考虑到金属型材料和制造费用。金属型材料在高温下工作，所以要求具有良好的高温和室温综合性能。铸铁价格低廉，易于制造、加工，因此得到广泛的应用，是一种较合适的金属型材料。

1.2 三维造型

立体图形曲面较多，绘制造型有一定的难度。考虑到Pro／E在造型设计上的优越性，本设计中造型的绘制通过Pro／E软件来完成，主要运用了拉伸、旋转、镜像、伸出等命令，最后生成了如图1所示的生肖猴造型。在绘制过程中，要考虑到造型对模具分型面位置的影响，要求分型面位置有利于开模，分型面如图2所示；此外，还要考虑造型的尺寸，确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围之内。总之，绘制造型时在保证生动、形象和艺术性的前提下，还要注意制造的可行性及加工成本。［1］

1.3 模具设计

金属型模具设计包括定义分型面、设计浇注系统和导锁机构、确定金属型壁厚。

影响分型面的因素比较多，因此在选择分型面时须从多方面比较，找到最合理的方案。选择分型面一般应遵循以下原则：①为保证铸件能顺利取出，分型面应设置在铸件外形最大轮廓处；②分型面选择应考虑铸件外观质量，分型面数目应尽量少；③选择分型面应保证设置浇注系统方便，金属液流动平稳，此外，还应考虑排气效果。［2］

由于模具型腔比较单一，为了开型方便和简化模具制作，所以采用锥型浇道，金属型模具见图3。由于金属型模具型腔尺寸设计得比较小，浇注系统尺寸设计得相对较大，故没有再单独设计冒口。

在铸件生产中，为了有效地控制铸件的凝固过程，补充铸件的收缩，防止铸件产生缩孔、裂纹和变形等缺陷，所以在浇道口旁边设计一个排气孔。定模和动模结构如图4、图5所示。

在确定金属型壁厚时，要考虑到金属型的受力和工作条件。如果在设计时金属型壁厚设计薄，在工作中势必就会容易变形，进而影响铸件的质量；如果壁厚设计过大，金属型模具就会显的很笨重，既浪费材料又影响手工操作。此外，金属型壁厚愈薄，则浇注后蓄热能力愈小，散热就愈快；型壁厚度愈大，散热就比较慢。所以金属型壁厚设计应结合铸件材质、铸件外轮廓尺寸及金属型的材料性能而设定。生产铝合金铸件时，壁厚一般不小于12 mm，而铜及黑色金属铸件的金属型壁厚不小于15 mm。综合考虑，选铸铁做为金属型模具材料，其壁厚可参考图6［3］来确定。

作为国家法律规定允许使用的食品防腐剂，苯甲酸和山梨酸在含量有限的情况下，人食用后不会受到危害。按照国家规定，果汁果酱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。但在实际生活中，为延长果酱等食品的保质期，生产商会添加过量的苯甲酸和山梨酸，致使人体健康受到威胁。在测定这些物质时，可以采用高效液相色谱法，实现物质的定性和定量分析，从而使食品安全管理得到加强。

图1 生肖猴造型

图2 分型面

图3 金属型模具

图4 定模

图5 动模

图6 铸铁金属型壁厚与铸件壁厚的关系

金属型铸造时，产量一般都很大，对铸件的质量要求很稳定，也就是说同一副金属型中铸造出来的产品，质量应该是一样的。欲达到上述目的，必须要求金属型的工艺规范保持稳定。

浇注温度一般可以很方便地由保温炉控制，因此，金属型的工作温度就成了影响热规范稳定的主要因素。要求在每次浇注时，金属型温度能稳定在我们所选择的温度范围内，这样才能够保证铸造出来的铸件内、外部质量稳定。

2 数控加工程序生成

设计阶段主要是通过Pro／E软件进行造型的绘制和金属型模具的生成，由于用Pro／E生成的程序（G代码）后置处理过于麻烦，故采用CAXA制造工程师功能生成数控加工G代码。用CAXA制造工程师生成G代码的过程如下：①设置好机床；②调出三维图形，注意在Pro／E里以igs格式保存，在CAXA制造工程师里打开；③根据工件图纸形状，选择合适的加工工序，生成刀位点轨迹；④轨迹仿真，检查是否有干涉、过切等现象，图7为动模粗加工刀具路径，图8为动模精加工刀具路径；⑤后置处理，生成G代码。

后置处理就是结合特定机床系统把软件生成的刀具轨迹转化成数控机床指令代码。后置处理完成后，按照当前机床类型的配置要求，把已经生成的刀具轨迹转化生成G代码数据文件（也就是CNC数控程序），把数控程序输入机床，就可以进行实体加工。［4］

图7 动模粗加工刀具路径

图8 动模精加工刀具路径

3 金属型的NC加工

3.1 数控加工工艺要求

数控加工工艺设计主要包括：①选择并决定零件的数控加工内容；②对加工零件进行数控加工工艺分析，如确认几何尺寸、精度要求、定位基准，考虑是否有必要在毛坯上增设工艺凸耳等；③数控加工的工艺路线设计，主要考虑工艺的编排、工序的划分安排以及和后续加工的衔接等问题。

3.2 编制加工工艺

因为毛坯尺寸过大，虎钳不能够夹紧毛坯两凸台，所以不能够以底面为基准铣削上表面，必须先铣凸台，工艺过程见表1。首先在普通铣床上以互为基准原则粗、精铣毛坯凸台两侧面，再以精铣过的两侧面为基准铣毛坯的上、下表面，然后以精铣过的上、下面为基准铣削左、右面。

表1 零件数控加工工艺方案

金属型主要由型腔组成，因此选择加工中心是最有效的，工序为三步：首先用Φ12的键槽刀粗铣分型面和模具型腔；然后用Φ8的球头铣刀进行半精铣；最后仍用Φ8的球头铣刀进行精铣。这样可以减少换刀次数，保证加工精度。

3.3 加工过程

加工工艺编制完成后，下一步是加工。把G代码输入到加工中心，通过机床空运行功能来验证代码是否输入有误，所有这些操作完成后开始加工。加工过程中注意清理铁屑，图9为在加工中心上对金属型动模进行精加工，图10为加工成型后的生肖猴金属型动模。

图9 精加工动模

图10 加工成型后的金属型动模

清理完动模和定模毛刺后，把两半模合起来，观察导锁机构是否配合准确，分型面是否有错位等现象，进行必要的修补，完成金属型模具的加工。图11为金属型模具两半模合模的实物图。

4 结束语

本文充分利用CAD／CA M无缝结合的特点，实现金属型模具NC程序的生成，通过软件仿真实现刀具路径检验，大大提高实际加工效率，缩短了生产周期。

图11 金属型模具实物图

［1］ 齐从谦.Pro／Engineer Wildfire 2.0特征与三维实体建模［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［2］ 张荣清.模具设计与制造［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［3］ 曲卫涛.铸造工艺学［M］.西安：西北工业大学出版社，1996.

［4］ 杨国平.CAXA制造工程师2000使用教程［M］.北京：机械工业出版社，2001.