HXN3機(jī)車軸箱體鑄造工藝及模具CAD／CAM技術(shù)的應(yīng)用

張可剛

（中國(guó)北車集團(tuán) 大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧大連116021）

HXN3機(jī)車軸箱體是HXN3機(jī)車走行部分的關(guān)鍵件之一，由于其獨(dú)特的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的二維工程圖進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)和鑄造模具的設(shè)計(jì)與制造比較困難。考慮到該產(chǎn)品已進(jìn)行了三維實(shí)體設(shè)計(jì)，具有鑄造工藝及模具三維實(shí)體設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)，為此，嘗試采用UG軟件CAD／CAM技術(shù)，對(duì)HXN3機(jī)車軸箱體鑄造工藝及模具進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)和數(shù)控加工自動(dòng)編程，并通過(guò)開發(fā)UG軟件后處理功能，應(yīng)用引進(jìn)的5軸數(shù)控加工機(jī)床，采用數(shù)控加工技術(shù)完成HXN3機(jī)車軸箱體鑄造模具加工制造。

1 HXN3機(jī)車軸箱體三維鑄造工藝設(shè)計(jì)

HXN3機(jī)車軸箱體（見(jiàn)圖1）在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上，由于沒(méi)有明顯的分型面，采用常規(guī)二維圖工藝設(shè)計(jì)難度較大。為此，根據(jù)軸箱體三維實(shí)體模型嘗試采用三維鑄造工藝設(shè)計(jì)。三維鑄造工藝設(shè)計(jì)是在三維實(shí)體設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上完成澆口、冒口、砂芯、分型面等工藝設(shè)計(jì)工作，該設(shè)計(jì)方法具有圖形直觀、便于工藝分析等特點(diǎn)，有利于鑄造工藝的模擬分析和模具設(shè)計(jì)與數(shù)控加工。該工藝設(shè)計(jì)應(yīng)用了UG軟件CAD技術(shù)，對(duì)HXN3機(jī)車軸箱體澆口、冒口及砂芯進(jìn)行了三維工藝設(shè)計(jì)。圖2為澆口、冒口三維工藝設(shè)計(jì)圖，圖3為分型面及砂芯三維工藝設(shè)計(jì)圖。具體設(shè)計(jì)方案如下。

圖1 軸箱體三維設(shè)計(jì)模型圖

圖2 澆口、冒口三維工藝設(shè)計(jì)圖

圖3 砂芯三維工藝設(shè)計(jì)圖

1.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)軸箱體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置二道內(nèi)澆口，并將內(nèi)澆口開在軸瓦加工面上，并考慮到內(nèi)澆口又是鑄件補(bǔ)縮通道，因此，內(nèi)澆口尺寸適當(dāng)放大，其截面尺寸為：50mm×90mm。為了保證鑄件補(bǔ)縮效果，直澆口采用φ160 mm×250mm保溫冒口套，直澆口總高度設(shè)計(jì)為294 mm。

1.2 冒口設(shè)計(jì)

HXN3機(jī)車軸箱體全部采用保溫冒口，在內(nèi)澆口處放置φ160mm×250mm保溫冒口套1個(gè)，在另一側(cè)放置了1個(gè)φ90mm×120mm的保溫冒口，加強(qiáng)鑄件補(bǔ)縮。

1.3 分型面及砂芯設(shè)計(jì)

HXN3機(jī)車軸箱體分上、下型，分型面通過(guò)軸箱體彈簧座圓孔中心上下分型。共有4種砂芯（2＃砂芯為2塊），其中1＃砂芯根據(jù)HXN3機(jī)車軸箱體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，芯頭采用了曲面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

2 HXN3機(jī)車軸箱體模具設(shè)計(jì)及制造

2.1 HXN3機(jī)車軸箱體模具設(shè)計(jì)

在三維鑄造工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對(duì)HXN3機(jī)車軸箱體模具進(jìn)行了三維設(shè)計(jì)，圖4為設(shè)計(jì)的軸箱體上、下模具三維實(shí)體圖。

圖4 上、下模具三維實(shí)體圖

2.2 HXN3機(jī)車軸箱體模具數(shù)控加工編程及制造

CAM技術(shù)是在CAD技術(shù)基礎(chǔ)上，在計(jì)算機(jī)上輸入加工工藝參數(shù)和選擇優(yōu)化加工工藝，并應(yīng)用模擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行加工過(guò)程的模擬，形成刀具位置源文件。最后利用后處理軟件對(duì)其刀具位置源文件進(jìn)行后置處理，形成數(shù)控機(jī)床可識(shí)別的NC代碼文件，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)控編程。

計(jì)算機(jī)數(shù)控編程擺脫了傳統(tǒng)手工編程效率低，程序易出錯(cuò)，尤其對(duì)復(fù)雜曲面手工方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)編程等弊端，極大地提高了加工工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量。通過(guò)對(duì)UG軟件CAM系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，成功的制造出高質(zhì)量的HXN3機(jī)車軸箱體模具。

2.2.1 HXN3機(jī)車軸箱體數(shù)控加工編程

采用UG軟件CAM技術(shù)對(duì)HXN3機(jī)車軸箱體上、下型模具及芯盒進(jìn)行了數(shù)控加工編程，其主要步驟有：

（1）打開文件，取出模具工件和毛坯（Workpiece）組裝圖，將坐標(biāo)系（WCS）移至機(jī)床加工坐標(biāo)原點(diǎn)（Z軸朝上）。

（2）進(jìn)入加工模塊，根據(jù)加工工件創(chuàng)建刀具庫(kù)。

（3）創(chuàng)建加工坐標(biāo)系（MCS），然后對(duì)工件和毛坯進(jìn)行指定。

（4）創(chuàng)建加工操作方法，進(jìn)入加工設(shè)置界面，選擇加工類型（輪廓銑、平面銑等）。

（5）進(jìn)入加工設(shè)置界面，進(jìn)行部件及加工參數(shù)（刀具、切削模式、步距、加工余量、主軸轉(zhuǎn)速、走刀速度、進(jìn)退刀方式等）的選擇確定。

（6）生成刀具位置源文件。

（7）模擬仿真加工刀軌。

按上述步驟完成的HXN3機(jī)車軸箱體上、下型模具加工模擬仿真結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 上、下模具加工模擬仿真

2.2.2 后置處理文件的開發(fā)

由于采用UG CAM進(jìn)行自動(dòng)數(shù)控編程，生成的刀具位置源文件，其數(shù)控機(jī)床的特定數(shù)控系統(tǒng)并不能自動(dòng)識(shí)別，因此，需要把UG CAM生成的刀具位置源文件轉(zhuǎn)換為特定數(shù)控系統(tǒng)能夠識(shí)別的數(shù)控NC程序，該轉(zhuǎn)換過(guò)程稱之為后置處理。由于不同的數(shù)控機(jī)床有著不同的數(shù)控系統(tǒng)，需要采用不同的后置處理文件對(duì)刀具位置源文件進(jìn)行處理。因此，針對(duì)我公司引進(jìn)的5軸數(shù)控鑄造模具加工中心數(shù)控系統(tǒng)，采用UG／PostBuilder進(jìn)行了UG后置處理文件的開發(fā)。

UG／PostBuilder是一個(gè)圖形化界面編輯工具，可靈活定義NC程序輸出的格式和順序，以及程序頭尾、操作頭尾、換刀等。UG／PostBuilder后處理開發(fā)流程見(jiàn)圖6。

2.2.3 后置處理

應(yīng)用開發(fā)的后置處理文件，對(duì)生成的HXN3機(jī)車軸箱體模具數(shù)控加工刀具位置源文件進(jìn)行后置處理，圖7為HXN3機(jī)車軸箱體下型模具粗加工后置處理形成NC文件的圖形界面。

圖6 UG／PostBuilder后處理開發(fā)流程圖

圖7 后置處理圖形界面

2.2.4 HXN3機(jī)車軸箱體模具加工

通過(guò)UG CAM進(jìn)行自動(dòng)數(shù)控編程形成的NC程序文件，并應(yīng)用我公司引進(jìn)的5軸數(shù)控鑄造模具加工中心對(duì)HXN3機(jī)車軸箱體模具進(jìn)行了數(shù)控加工。成功的加工出HXN3機(jī)車軸箱體上、下模及芯盒，極大地提高了模具尺寸精度和制作效率，確保HXN3機(jī)車軸箱體試制一次成功。在此基礎(chǔ)上制作了HXN3機(jī)車軸箱體金屬模具，圖8為HXN3機(jī)車軸箱體上、下型金屬模具圖。

圖8 上、下型金屬模具圖

3 結(jié)論

（1）采用UG軟件CAD／CAM技術(shù)成功的實(shí)現(xiàn)了HXN3機(jī)車軸箱體三維鑄造工藝和模具設(shè)計(jì)，并通過(guò)對(duì)UG數(shù)控編程和后置處理的開發(fā)，完成了HXN3機(jī)車軸箱體的模具數(shù)控加工編程和制造。

（2）HXN3機(jī)車軸箱體模具的數(shù)控加工，解決了傳統(tǒng)手工制作模具，制作工期長(zhǎng)、精度低的問(wèn)題。同時(shí)，為公司鑄造模具制作提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。

（3）HXN3機(jī)車軸箱體的試制和生產(chǎn)應(yīng)用證明，該技術(shù)完全可滿足HXN3機(jī)車軸箱體尺寸精度要求，同時(shí)，縮短了試制周期，為HXN3機(jī)車軸箱體國(guó)產(chǎn)化提供了有力保證。

［1］沈春根，江 洪，朱長(zhǎng)順，等.UG NX 4.0CAM 實(shí)例解析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.