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

張可剛

（中國北車集團 大連機車車輛有限公司，遼寧大連116021）

HXN3機車軸箱體是HXN3機車走行部分的關(guān)鍵件之一，由于其獨特的設(shè)計結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的二維工程圖進行鑄造工藝設(shè)計和鑄造模具的設(shè)計與制造比較困難?？紤]到該產(chǎn)品已進行了三維實體設(shè)計，具有鑄造工藝及模具三維實體設(shè)計制造的基礎(chǔ)，為此，嘗試采用UG軟件CAD／CAM技術(shù)，對HXN3機車軸箱體鑄造工藝及模具進行三維實體設(shè)計和數(shù)控加工自動編程，并通過開發(fā)UG軟件后處理功能，應(yīng)用引進的5軸數(shù)控加工機床，采用數(shù)控加工技術(shù)完成HXN3機車軸箱體鑄造模具加工制造。

1 HXN3機車軸箱體三維鑄造工藝設(shè)計

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

圖1 軸箱體三維設(shè)計模型圖

圖2 澆口、冒口三維工藝設(shè)計圖

圖3 砂芯三維工藝設(shè)計圖

1.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)軸箱體結(jié)構(gòu)特點，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)計為294 mm。

1.2 冒口設(shè)計

HXN3機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，在另一側(cè)放置了1個φ90mm×120mm的保溫冒口，加強鑄件補縮。

1.3 分型面及砂芯設(shè)計

HXN3機車軸箱體分上、下型，分型面通過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機車軸箱體結(jié)構(gòu)特點，芯頭采用了曲面設(shè)計結(jié)構(gòu)。

2 HXN3機車軸箱體模具設(shè)計及制造

2.1 HXN3機車軸箱體模具設(shè)計

在三維鑄造工藝設(shè)計基礎(chǔ)上，對HXN3機車軸箱體模具進行了三維設(shè)計，圖4為設(shè)計的軸箱體上、下模具三維實體圖。

圖4 上、下模具三維實體圖

2.2 HXN3機車軸箱體模具數(shù)控加工編程及制造

CAM技術(shù)是在CAD技術(shù)基礎(chǔ)上，在計算機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)進行加工過程的模擬，形成刀具位置源文件。最后利用后處理軟件對其刀具位置源文件進行后置處理，形成數(shù)控機床可識別的NC代碼文件，實現(xiàn)計算機數(shù)控編程。

計算機數(shù)控編程擺脫了傳統(tǒng)手工編程效率低，程序易出錯，尤其對復(fù)雜曲面手工方法無法實現(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。通過對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機車軸箱體模具。

2.2.1 HXN3機車軸箱體數(shù)控加工編程

采用UG軟件CAM技術(shù)對HXN3機車軸箱體上、下型模具及芯盒進行了數(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）移至機床加工坐標(biāo)原點（Z軸朝上）。

（2）進入加工模塊，根據(jù)加工工件創(chuàng)建刀具庫。

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

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

（5）進入加工設(shè)置界面，進行部件及加工參數(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機車軸箱體上、下型模具加工模擬仿真結(jié)果見圖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進行自動數(shù)控編程，生成的刀具位置源文件，其數(shù)控機床的特定數(shù)控系統(tǒng)并不能自動識別，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)能夠識別的數(shù)控NC程序，該轉(zhuǎn)換過程稱之為后置處理。由于不同的數(shù)控機床有著不同的數(shù)控系統(tǒng)，需要采用不同的后置處理文件對刀具位置源文件進行處理。因此，針對我公司引進的5軸數(shù)控鑄造模具加工中心數(shù)控系統(tǒng)，采用UG／PostBuilder進行了UG后置處理文件的開發(fā)。

UG／PostBuilder是一個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)流程見圖6。

2.2.3 后置處理

應(yīng)用開發(fā)的后置處理文件，對生成的HXN3機車軸箱體模具數(shù)控加工刀具位置源文件進行后置處理，圖7為HXN3機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機車軸箱體模具加工

通過UG CAM進行自動數(shù)控編程形成的NC程序文件，并應(yīng)用我公司引進的5軸數(shù)控鑄造模具加工中心對HXN3機車軸箱體模具進行了數(shù)控加工。成功的加工出HXN3機車軸箱體上、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機車軸箱體試制一次成功。在此基礎(chǔ)上制作了HXN3機車軸箱體金屬模具，圖8為HXN3機車軸箱體上、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)成功的實現(xiàn)了HXN3機車軸箱體三維鑄造工藝和模具設(shè)計，并通過對UG數(shù)控編程和后置處理的開發(fā)，完成了HXN3機車軸箱體的模具數(shù)控加工編程和制造。

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

（3）HXN3機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機車軸箱體尺寸精度要求，同時，縮短了試制周期，為HXN3機車軸箱體國產(chǎn)化提供了有力保證。

［1］沈春根，江 洪，朱長順，等.UG NX 4.0CAM 實例解析［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.