模具设计制造——CAD/CAM技术的阀块熔模模具设计

0 引言

    阀块在液压机、航空发动机的液压系统中应用广泛，在整个液压系统的设计和功能实现上起着至关重要的作用，其制造技术和质量直接影响着液压设备的性能和系统运行的平稳性及可靠性。

    本论文所述的阀块结构复杂，制造材料为6061-T6（航空硬铝），价格昂贵，毛坯制造精度要求高，从而对其模具的结构和制造提出了更高要求。通常对这类零件，企业采用熔模精密铸造方式生产其毛坯。本文基于Pro/E和MasterCAM平台，将CAD/CAM技术应用到了阀块的熔模模具设计中，有效提高了阀块模具的设计效率，并有助于保证模具制造精度。

1 阀块毛坯实体造型

    Pro/E是功能强大的三维CAD/CAM软件，在模具设计与制造行业应用广泛。在Pro/E的建模模块中可以快速完成阀块毛坯的实体造型。造型丰要过程为采用拉伸增料命令造型出顶部大孔，并以此顶孔作为基准，采用用拉伸增料、拉伸除料、变截面扫描等命令构造出零件实体、前面孔、背面和侧面；用曲面填充、曲面合并、实体化命令造出零件侧面轮廓；最后建立各处倒角、倒圆。造型后的阀块毛坯实体如图1、图2所示。

图1 阀块前面

图2 阀块后面

2 模具设计

    熔模铸造是一种优异的工艺技术，采用熔模铸造生产阀块的毛坯，可以有效保证毛坯的制造精度，并减少阀块的机械加工量。

    在Pro/E的模具设计模块中，根据阀块毛坯的结构特点采用装配法和分型面法相结合，进行阀块的熔模模具结构设计。

    2.1 蜡模相关数据的确定

    该阀块毛坯表面粗糙度的最大值为3.2，考虑到中温蜡的铸件表面粗糙度可达到2.0左右，充分满足非加工表面粗糙度要求，故选用中温蜡作为蜡模原料。铸件的收缩率由合金收缩率、模料收缩率和型壳膨胀率综合决定，最终确定铸件的综合收缩率为1%。

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    2.2 蜡模的模具CAD

    在Pro/E的模具模块中进行模具设计，最关键的工作是设计合理的分型面。分型面的位置和结构的合理性，不仅对毛坯的制造效率和精度有影响，而且也关系到模具操作的方便性和模具零件的结构工艺性以及经济性。

    本文中阀块模具的分型面方案和结构设计过程是：首先复制阀块毛坯的上顶孔面并延伸到模具顶面形成第一个分型面，构造出模具的型芯；再利用双侧拉伸创建第二个分型面将模具整体一分为二，构造出模具的上下模型腔，如图3所示。分型面设计完成后，在Pro/E中进行开模检测，没有干涉。另外，为方便脱模和便于型腔的加工，下模设计了顶杆，并将型腔中加工难度大的部分设计了活块和型芯，如图4所示。从制造的工艺性和生产率的角度考虑，将下模型芯与顶料机构的顶杆设计为一体，使铸件能够完好的取出。

图3 模具分型

图4 模具完整结构

3 上、下模型腔的CAM刀路设计及仿真

    MasterCAM软件具有强大的曲面粗加工及灵活的曲面精加工功能，易于完成各类表面的数控编程。阀块模具的上、下型腔均具有较多复杂表面需要加工，选用数控铣床即可完成各表面的加工。其数控加工刀路采用MasterCAM 9.0软件进行设计，并在其中完成加工仿真和数控代码牛成；再利用CIMCO Edit软件进行刀具轨迹模拟。

    3.1 文件格式转换

    将Pro/E造型完成的上、下模（如图3、图4所示）实体另存为IGES格式。由于IGES文件是Pro/E和MasterCAM的通用文件，所以在MasterCAM中可以IGES格式的模具零件实体进行仿真加工。在加工中一些小的圆角加工效果不是很理想，所以将切削用量适当调整，并且对刀具参数、加工方式进行改进。加工困难的部位需要多次精铣，以保证加工精度。

    3.2 CAM编程及仿真

    在MasterCAM里建立加工任务，选择以外形环状铣削加工方式，先选择φ10的平铣刀粗铣内型腔，再换φ5的球头铣刀精铣内型腔，调整切削参数丌始加工仿真并牛成数控代码。将牛成的数控代码复制到CIMCO Edit软件中进行刀具轨迹模拟如图5～图8所示。

图5 上模CAM仿真

图6 下模CAM仿真

图7 上模刀路轨迹

图8 下模刀路轨迹

4 结论

    1)本文的阀块零件在液压系统中需求量大，材料昂贵，毛坯制造精度要求高，采用熔模铸造其毛坯可有效保证其批量和精度的要求。采用Pro/E软件的三维造型功能快速准确地建立了阀块的毛坯数模，并在其模具模块中结合熔模铸造工艺设计了阀块毛坯的熔模铸造模具，经丌模检测，模具结构合理。

    2)在MaseterCAM软件中对模具的上、下模型腔进行数控加工刀路设计，经加工仿真显示刀路轨迹合理，导入到CIMCO软件，为传给数控机床进行实际加工做准备。

    3)基于CAD/CAM技术，辅助完成阀块的模具设计，不仅降低了人工劳动强度，加快了模具的开发速度，而且可节约设计成本，提高模具的设计质量和制造质量。对同类产品开发起到积极的借鉴作用。