关于运用Pro/E软件进行机械零件设计的探讨

摘 要: 目前三维软件已被广泛应用于铸件、铸造模具三维设计,以提高铸造模具的设计、制造精度,缩短模具开发周期,同时运用各种虚拟技术,尽早地发现问题和解决问题。结合工作实际经验，本文以某型号连接盘为例,对Pro/ E 软件在零件、铸件到铸造模具设计中的应用作了探讨。可供同行参考。

关键词:壳体零件;铸造模具; 起模斜度; Pro/ E

前言：

传统的机械零件设计是在二维状态进行的,基本依靠经验进行设计,设计中为保证零件质量要求,要加大加工余量,添加各种工艺补正量 ,模具制造中还要根据实际情况及时调整,有时还会有返工情况,使模具制造周期长、费用高、铸件精度不高,甚至装配中发生干涉现象。随着数控加工设备在模具制造业中的广泛使用,使得复杂壳体类零件可以通过加工保证形状,但铸造模具的设计仍普遍停留在二维设计上,加工制造中将二维数据转换成三维数据进行加工,上述各种问题的影响依然存在。

以某型号连接盘为例,研究了使用Pro/ E 软件进行从零件、铸件到铸造模具的设计过程。阐述了产品开发中零件的建模应兼顾制造时的各种工艺建模,其中详述了为使铸件及铸造模具的设计顺利进行, 零件和铸件三维建模过程应遵循的一定顺序及一些技巧。铸造模具建模前先建工艺模型,对型芯头、起模斜度等工艺措施在工艺模型中给予建立,然后用工艺模型将型芯和外模分拆出来,可减少分别建模时可能出现的失误,提高模具的精度,缩短产品的市场化周期。

一、运用Pro/E软件进行零件的三维建模

在零件三维建模时,先对零件的形状特征进行建模。各种螺孔、联接孔等非铸出孔特征,应尽量用拉伸去材料或放置特征在最后建立,如有需要在前期建立的,其他特征的建立尽量不要以其为基准。所有的圆角特征应尽量在最后建立,以方便进行铸件三维建模时,能先去除这些特征,待添加机械加工余量、工艺补正量和起模斜度以及一些工艺装置后,再重新建立相应的圆角特征。外型和内腔有相对齐特征时(主要是一些圆台) ,要分别进行建模,否则建立起模特征时,操作麻烦,同时容易产生失误。

设计中为了方便,零件建模至需建立非铸出孔及圆角特征时,将已完成的零件模型保存一份副本命名为铸件数模,用来进行铸件三维建模,以减轻铸件三维建模中的工作量。

继续添加所有非铸出孔特征及圆角特征,完成零件的最终建模(见图1) 。

二、运用Pro/E软件进行铸件的三维建模

1、对零件三维数模整理

对三维零件的各组成特征及建模过程进行仔细分析,如果零件是按一般方法进行建模的,应去除所有非铸出的孔特征(与其他特征的建立没有关联) ;对于与其他特征建立有关联的非铸出的孔特征,应采用拉伸加材料的方法进行填充。确定分型面和上下型。

按一定间距分别对壳体两个方向壁厚进行检测(见图2a) ,防止局部有壁厚过薄情况出现,同时对厚大部位的尺寸进行工艺分析,采取适当的工艺措施防止缩孔、缩松等铸造缺陷的产生。

对于外模或泥芯中有尖角砂处要及时处理,见图2b ,该处出现仅厚5 mm 的尖角砂块,因该处形状复杂,无法用倒圆角的方法处理,可先将非加工面按要求倒圆角(见图2c) ,再将过渡部分以圆弧根为轨迹,以多段圆弧线组成的截面进行扫描形成实体来解决这一问题(见图2d) 。

2、机械加工余量

对于需铸出的孔,按工艺要求添加相应的机械加工余量。对于需机械加工的面,按工艺要求对位于上型面、下型面和侧面等不同的位置分别添加相应的机械加工余量。对于影响零件形状的已有倒圆角,要先去掉这些特征,再添加机械加工余量,倒圆角特征在完成起模特征建立后再加,不然就无法完成起模斜度的添加。

3、工艺补正量

由于铸铁件的熔炼,每一炉次化学成分都有一定的波动,每一个铸件的浇注温度都不同,使得铸件的收缩率在一定的范围内变化,造成铸件的尺寸存在一定的误差,同时分箱造型的铸件都存在大小不一的错箱,因此为了保证各螺孔以及法兰的强度,对于部分圆台、法兰采用加材料的方法添加相应的工艺补正量。

添加分型面处各侧面机械加工余量时,一般此处起模特征以分型面为起模枢轴进行双侧起模建模,相当于负起模斜度。如果工艺要求为正起模斜度或正负起模斜度时,机械加工余量要增加相对应的值;同时为保证法兰的强度,法兰的非加工侧,也应增加相应的工艺补正量(见图3) 。

4、起模特征

因需建立起模的面较多,工作量较大,为防止遗漏,将所有需要起模的面着色(见图4) ,逐个进行起模操作。

由Pro/ E 的起模操作可知,起模只能在平面、圆柱面和样条曲线上形成一个起模斜面,当曲面上具有圆角特征时,不能生成起模特征,此时必须先去除与需进行起模相关的所有圆角特征,加入起模特征,然后再加入圆角特征。

对于与平面相交的曲面上有较大的圆角特征且无法去除的,以及圆弧面在分型面处局部的0 度角区(造型时易产生扒砂现象) ,可通过拉伸的方法建立起模特征,见图4 中A 所示。各圆台的起模特征建立时,以圆台顶面为起模枢轴,以实现正起模斜度的建立。

对于与斜面相交的侧面的起模,如按前面的方法,以分型面为起模枢轴和拖动方向进行起模,会造成上下端的尺寸不一致。合理的方法是以斜面为起模枢轴,分型面法向为拖动方向进行起模(见上图5) 。

创建完所有起模特征后,还应对已建立的起模特征进行检测(见图6) ,对遗漏的部分再进行起模特征的建立,以避免对部分起模特征建立的遗漏,增加模具调试修理的工作量。起模特征建立完后,添加所有圆角特征,得到图7所示的铸件模型。

三、运用Pro/E软件进行模具的三维建模

1、型芯头结构的建立

外模与型芯之间要留一定的间隙,以外模与型芯的间隙尺寸为壁厚,进行薄壳拉伸和起模,形成型芯头特征,见图8 中A 处所示。

用扫描的方法建立防压砂环特征,见图8 中B 处所示。

所有不需用型芯头成型的孔如观察窗,按外模与型芯的间隙尺寸为壁厚,进行薄壳拉伸以使模型封闭,见上图8 中C 处所示。

压砂环结构在外模建模的最后阶段建立。

2、外模及型芯的建模

利用已建立的工艺模型,分拆出上、下外模及上、下型芯的模型,结果见图9 和图10 。

四、结束语

综上所述，用分型曲面进行模具体积块的分割,所有元件体积之和等于该工件原体积的100 %,因此不会发生因忘记型腔内的某一小体积块而使模具体积出现不精确的情况。

同时所有外模、型芯盒建模过程都是在统一的模型基础上建模和分拆的,所以不会产生配合误差及尺寸转换误差,尺寸精确,且设计后可以直接进行加工,这样可以在模具的精度得到提高的同时,缩短模具设计及制造周期。

参考文献：

[1]雷卫强. Pro/ Engineer 产品造型设计[M] . 北京: 清华大学出版社,2007.

[2]邱会朋,杜贵明. Pro/ E 产品现代设计方法与实例精解[M].

北京:清华大学出版社,2009.

[3]吕建强. 用Pro/ E 进行箱体类铸件模具设计[J].铸造技术,2009.

[4]陈婵娟. Pro/ E 软件在模具分模中的应用[J].电脑知识与技术,2009.

[5]孙铁波. 基于Pro/ E 的排种盒三维造型的设计[J].农业装备与车辆工程,2009.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文