叶轮（102TVS1） 模具及工艺工装

张学鹏

摘 要：设计内容涉及到零件的模具设计、铸件加工工艺规程的制定。制定工艺规程，针对所制定的工艺规程进行装夹机构仿真。

关键词：模具设计；工艺工装设计；装夹机构仿真

1 熔模模具设计及制造

用蜡料做模样时，熔模铸造又称"失蜡铸造"。熔模铸造通常是指在易熔材料制成模样，在模样表面包覆若干层耐火材料制成型壳，再将模样熔化排出型壳，从而获得无分型面的铸型，经高温焙烧后即可填砂浇注的铸造方案。由于模样广泛采用蜡质材料来制造，故常将熔模铸造称为“失蜡铸造”。熔模铸造工艺过程较复杂，且不易控制，使用和消耗的材料较贵，故它适用于生产形状复杂、精度要求高、或很难进行其它加工的小型零件，如涡轮发动机的叶片等。

模具设计常分为制件工艺分析与设计、模具总体方案设计、总体结构设计、施工图设计四个阶段。CAD/CAE，计算机辅助设计和辅助工程，它包括概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图和计算机辅助设计过程管理等。应用CAD技术可以设计出产品的大体结构，再通过CAE技术进行结构分析、可行性评估和优化设计。模具结构设计时，尽量结构紧凑、操作方便，还要保证模具零件有足够的强度和刚度。

2 蜡模原料

精密铸造所用的模型原料有低温蜡，是通过去除皂化物的反应制出，外表看上去是黄颜色的，铸入模具时需要59℃，蜡型出模后可以看出，表面比较光滑。中温蜡，通过脱水提纯处理，原料呈绿色，工作时温度需要保持在70～90℃，蜡型出模后，与低温蜡相比可明显看出表面质量要好于低温蜡模，而且强度要高于低温蜡，适用于航空航天类零件。由于叶轮的形状复杂，开模的时候必须使用人工开模，而且可以在低温蜡中添加各种添加剂以提高蜡的强度以及表面光洁度，而且低温蜡较中温蜡价格比较便宜，所以综合各个方面考虑，本次设计采用的是低温蜡。

3 蜡模收缩率

铸件在凝固过程中，它的各部分尺寸一般都要缩小，铸件尺寸缩小的百分率，叫做铸造线收缩率或铸造收缩率。制造铸模（包括芯盒）时，要按确定的铸造收缩率，将铸模放大一些，以 保证冷却后铸件的尺寸符合要求。铸件冷却时各个尺寸的收缩量可由下式求得： 收缩量 = 铸件尺寸×铸造收缩率

影响铸件收缩率的因素主要的有：（1）铸件的材料铸件的材料不同，铸造收缩率也不同；（2）铸件的结构复杂收缩困难，铸件的收缩率减小；（3）铸型的退让性铸型的退让性好，铸件的收缩率增大。

所以铸造收缩率要结合实际情况来选择。尺寸要求精确的铸件，铸造收缩率要根据试浇的铸件进行修正。

同一个铸件，由于结构上的原因，其轴向与径向或长、宽、高三个方向的收缩率可能不一致。对于尺寸要求较精确的铸件，各个方向应给以不同的收缩率。由于实际经验不够，因此选择手册推荐值，综合收缩率值设置为0.5%。

G&M代码是一个面向底层数据模型计算机数控（CNC），如不完整的数据，缺乏准确性。这就限制阻碍真正的仿真系统的发展。然而，标准产品的数据兼容数控（STEP-NC）是一种新的数控和高级数据模型。它为数控机床提供了丰富的信息，它创造了一个丰富和真实的模拟条件。因此，本文提出了基于STEP-NC高级数控加工仿真解决方案集成了计算机辅助设计/ 计算机辅助工艺设计/计算机辅助制造（CAD / CAPP / CAM）。事实证明，这项研究提供了一个更完善的模拟环境，促进现代制造业的发展。

3.1 基本的几何仿真

基本的造型提供普遍性，3 D的准确性和完整性的部分表示。这些都是有用的几何仿真进程内的加工过程工件、刀具和切屑几何图形需要准确地代表。例如，邢和赵发达ACIS-based加工仿真系统，该系统可以实现NC程序验证和碰撞检查。

3.2 基于几何的空间图像仿真

在空间图像中基于模型的数控加工仿真，部分是由深度像素（dexel是深度和像素总称）的混合模型，因为dexel模型及其一维布尔运算，在所有的模拟是仿真速度最快的。VERICUT模拟器使用早期研究等方法。

3.3 基于几何模型空间仿真

在基于几何模型空间仿真的数控加工仿真中，部分是由离散点的集合（表示向量），或与载体表面，或某些体积元素。因为对象是离散的，对象之间的布尔操作简化。ISO标准通常被称为STEP-NC正在开发提供一个数据模型的新一代智能数控控制器。STEP-NC提供CAD/CAM系统之间的数据交换模型和数控机器。面向对象的使用“步进”的概念，这对应于高层和相关工艺参数，加工特性，实现STEP-NC可以意识到从任务级别的数据转换方法级的数据，并把所有的加工信息，比如几何特性，宽容、机床和刀具。使用STEP-NC数控加工仿真的好处如下：

（1）STEP-NC告诉“该做什么”信息的一部分，如钻井、粗，精加工，所以程序提供了数控加工仿真的高级信息。

（2）它支持设计和制造之间的双向信息流动，这样的变化在数控仿真分析可以反馈给设计人员。

（3）它提供完整的数控仿真加工过程信息，做一个真正的模拟容易。STEP-NC数据文件包含两个部分。第一部分头部分，其中包含一些一般信息和评论如文件名、作者、日期、和组织。数据部分是第二部分，包含所有的生产任务和几何信息。此外，部分包含一个项目实体的数据，比如，一个显式引用的起点制造任务。项目实体引用其他实体提供工作计划信息，可执行文件、技术描述和几何描述。

如今，数控加工仿真在现代制造业方面发挥了重要作用。然而，现有研究限制实际仿真系统的发展。促进进步的数控加工仿真和满足现代制造业的发展，本文提出了基于STEP-NC高级加工仿真与CAD/CAPP/CAM集成的解决方案。

提出的解决方案的功能包括通用STEP-NC程序生成器，特定STEP-NC程序生成器，STEP-NC程序处理器和模拟器。它有许多高级功能：它可以提供一个信息和实际模拟，和它可以使CAD / CAPP / CAM集成仿真分析。在高级加工仿真系统，一些模块如STEP-NC程序处理器和模拟器已经实现。因此，其他模块将被添加，整个系统将在不久的将来完成。此外，因为功能块技术可用于模块化流程规划、加工仿真和执行，这将是应用在未来的数控加工仿真中。