葉輪（102TVS1） 模具及工藝工裝

張學鵬

摘 要：設計內容涉及到零件的模具設計、鑄件加工工藝規程的制定。制定工藝規程，針對所制定的工藝規程進行裝夾機構仿真。

關鍵詞：模具設計；工藝工裝設計；裝夾機構仿真

1 熔模模具設計及制造

用蠟料做模樣時，熔模鑄造又稱"失蠟鑄造"。熔模鑄造通常是指在易熔材料制成模樣，在模樣表面包覆若干層耐火材料制成型殼，再將模樣熔化排出型殼，從而獲得無分型面的鑄型，經高溫焙燒后即可填砂澆注的鑄造方案。由于模樣廣泛采用蠟質材料來制造，故常將熔模鑄造稱為“失蠟鑄造”。熔模鑄造工藝過程較復雜，且不易控制，使用和消耗的材料較貴，故它適用于生產形狀復雜、精度要求高、或很難進行其它加工的小型零件，如渦輪發動機的葉片等。

模具設計常分為制件工藝分析與設計、模具總體方案設計、總體結構設計、施工圖設計四個階段。CAD/CAE，計算機輔助設計和輔助工程，它包括概念設計、優化設計、有限元分析、計算機仿真、計算機輔助繪圖和計算機輔助設計過程管理等。應用CAD技術可以設計出產品的大體結構，再通過CAE技術進行結構分析、可行性評估和優化設計。模具結構設計時，盡量結構緊湊、操作方便，還要保證模具零件有足夠的強度和剛度。

2 蠟模原料

精密鑄造所用的模型原料有低溫蠟，是通過去除皂化物的反應制出，外表看上去是黃顏色的，鑄入模具時需要59℃，蠟型出模后可以看出，表面比較光滑。中溫蠟，通過脫水提純處理，原料呈綠色，工作時溫度需要保持在70～90℃，蠟型出模后，與低溫蠟相比可明顯看出表面質量要好于低溫蠟模，而且強度要高于低溫蠟，適用于航空航天類零件。由于葉輪的形狀復雜，開模的時候必須使用人工開模，而且可以在低溫蠟中添加各種添加劑以提高蠟的強度以及表面光潔度，而且低溫蠟較中溫蠟價格比較便宜，所以綜合各個方面考慮，本次設計采用的是低溫蠟。

3 蠟模收縮率

鑄件在凝固過程中，它的各部分尺寸一般都要縮小，鑄件尺寸縮小的百分率，叫做鑄造線收縮率或鑄造收縮率。制造鑄模（包括芯盒）時，要按確定的鑄造收縮率，將鑄模放大一些，以 保證冷卻后鑄件的尺寸符合要求。鑄件冷卻時各個尺寸的收縮量可由下式求得： 收縮量 = 鑄件尺寸×鑄造收縮率

影響鑄件收縮率的因素主要的有：（1）鑄件的材料鑄件的材料不同，鑄造收縮率也不同；（2）鑄件的結構復雜收縮困難，鑄件的收縮率減小；（3）鑄型的退讓性鑄型的退讓性好，鑄件的收縮率增大。

所以鑄造收縮率要結合實際情況來選擇。尺寸要求精確的鑄件，鑄造收縮率要根據試澆的鑄件進行修正。

同一個鑄件，由于結構上的原因，其軸向與徑向或長、寬、高三個方向的收縮率可能不一致。對于尺寸要求較精確的鑄件，各個方向應給以不同的收縮率。由于實際經驗不夠，因此選擇手冊推薦值，綜合收縮率值設置為0.5%。

G&M代碼是一個面向底層數據模型計算機數控（CNC），如不完整的數據，缺乏準確性。這就限制阻礙真正的仿真系統的發展。然而，標準產品的數據兼容數控（STEP-NC）是一種新的數控和高級數據模型。它為數控機床提供了豐富的信息，它創造了一個豐富和真實的模擬條件。因此，本文提出了基于STEP-NC高級數控加工仿真解決方案集成了計算機輔助設計/ 計算機輔助工藝設計/計算機輔助制造（CAD / CAPP / CAM）。事實證明，這項研究提供了一個更完善的模擬環境，促進現代制造業的發展。

3.1 基本的幾何仿真

基本的造型提供普遍性，3 D的準確性和完整性的部分表示。這些都是有用的幾何仿真進程內的加工過程工件、刀具和切屑幾何圖形需要準確地代表。例如，邢和趙發達ACIS-based加工仿真系統，該系統可以實現NC程序驗證和碰撞檢查。

3.2 基于幾何的空間圖像仿真

在空間圖像中基于模型的數控加工仿真，部分是由深度像素（dexel是深度和像素總稱）的混合模型，因為dexel模型及其一維布爾運算，在所有的模擬是仿真速度最快的。VERICUT模擬器使用早期研究等方法。

3.3 基于幾何模型空間仿真

在基于幾何模型空間仿真的數控加工仿真中，部分是由離散點的集合（表示向量），或與載體表面，或某些體積元素。因為對象是離散的，對象之間的布爾操作簡化。ISO標準通常被稱為STEP-NC正在開發提供一個數據模型的新一代智能數控控制器。STEP-NC提供CAD/CAM系統之間的數據交換模型和數控機器。面向對象的使用“步進”的概念，這對應于高層和相關工藝參數，加工特性，實現STEP-NC可以意識到從任務級別的數據轉換方法級的數據，并把所有的加工信息，比如幾何特性，寬容、機床和刀具。使用STEP-NC數控加工仿真的好處如下：

（1）STEP-NC告訴“該做什么”信息的一部分，如鉆井、粗，精加工，所以程序提供了數控加工仿真的高級信息。

（2）它支持設計和制造之間的雙向信息流動，這樣的變化在數控仿真分析可以反饋給設計人員。

（3）它提供完整的數控仿真加工過程信息，做一個真正的模擬容易。STEP-NC數據文件包含兩個部分。第一部分頭部分，其中包含一些一般信息和評論如文件名、作者、日期、和組織。數據部分是第二部分，包含所有的生產任務和幾何信息。此外，部分包含一個項目實體的數據，比如，一個顯式引用的起點制造任務。項目實體引用其他實體提供工作計劃信息，可執行文件、技術描述和幾何描述。

如今，數控加工仿真在現代制造業方面發揮了重要作用。然而，現有研究限制實際仿真系統的發展。促進進步的數控加工仿真和滿足現代制造業的發展，本文提出了基于STEP-NC高級加工仿真與CAD/CAPP/CAM集成的解決方案。

提出的解決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程序處理器和模擬器。它有許多高級功能：它可以提供一個信息和實際模擬，和它可以使CAD / CAPP / CAM集成仿真分析。在高級加工仿真系統，一些模塊如STEP-NC程序處理器和模擬器已經實現。因此，其他模塊將被添加，整個系統將在不久的將來完成。此外，因為功能塊技術可用于模塊化流程規劃、加工仿真和執行，這將是應用在未來的數控加工仿真中。