并行工程環(huán)境下鐵路貨車鑄鋼件模具的三維設(shè)計

2013-06-03 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

在鐵路貨車提速和新產(chǎn)品多極化的新形勢下,對鐵路貨車走行部分的設(shè)計和制造工藝提出了新的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)市場的需求,我公司承擔了國家“863/CIMS”主題的“并行工程”項目,在有關(guān)專家的指導下,我們開發(fā)了一套“鑄造工藝與模具設(shè)計系統(tǒng)”,并應(yīng)用于工藝設(shè)計之中。
常鳳海來源:中國鑄造裝備技術(shù)
關(guān)鍵字:863/CIMS 并行工程鑄鋼件模具三維設(shè)計

1 引言

搖枕、側(cè)架等鑄鋼件是鐵路貨車轉(zhuǎn)向架中重要的承載件,這些鑄件的質(zhì)量和性能直接影響到整車的運行品質(zhì)。特別是在近年來鐵路貨車提速和新產(chǎn)品多極化的新形勢下,對此類件的設(shè)計、制造工藝提出了新的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)市場做出快速反應(yīng)并且獲得質(zhì)量健全、制造周期短、滿足設(shè)計要求的鑄件,隨著公司的“并行工程”項目的深入和國家“863/CIMS”主題有關(guān)專家的指導下,我們開發(fā)一套“鑄造工藝與模具設(shè)計系統(tǒng)”來迎接這一挑戰(zhàn)。

    2 系統(tǒng)環(huán)境建立

    2.1 軟件選型

經(jīng)過對proeNGINEER、I-deas、UG等著名三維設(shè)計軟件的比選,我們針對proeNGINEER的專用鑄造模具設(shè)計模塊,選擇了該軟件做為三維工藝與模具設(shè)計平臺。

    2.2 硬件、操作系統(tǒng)

根據(jù)軟件對系統(tǒng)環(huán)境的要求我們選擇了HiSense工作站(256MB內(nèi)存、10G硬盤)和Windows NT4.0操作系統(tǒng)。

    3 三維模具設(shè)計流程

以鐵路貨車鑄鋼件搖枕為例(圖1),介紹三維鑄造工藝與模具設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)流程。根據(jù)鑄造工藝的特殊性和proe軟件的自身的特點,在多次實踐中我們總結(jié)出了該鑄鋼件三維模具設(shè)計的一般方法。

并行工程環(huán)境下鐵路貨車鑄鋼件模具的三維設(shè)計+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片1

3.1 系統(tǒng)功能模型

并行工程環(huán)境下鐵路貨車鑄鋼件模具的三維設(shè)計+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片2

參照圖2的功能模型圖,根據(jù)proe軟件的特點和本企業(yè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性,我們在反復實踐中提出幾個關(guān)鍵問題:

(1)因工藝需要,將對三維鑄件產(chǎn)品模型進行工藝尺寸調(diào)整,因此對模型的參數(shù)化要求較高,并且要求工藝調(diào)整后的尺寸鏈應(yīng)按設(shè)計要求的方向變化。

(2)用proe軟件進行三維鑄件產(chǎn)品設(shè)計時,拔模斜度必須在鑄造圓角完成前做出,否則拔模將不能進行。而設(shè)計者不能預(yù)測拔模角中性基準面的位置。

(3)較大的鑄件內(nèi)腔砂芯需要分段處理,每個砂芯具有各自的拔?；鶞?無法在同一個平面上實現(xiàn)具有不同方向和位置的拔模斜度。

針對以上提出的問題我們實踐解決的方案如下:

(1)我們針對不同的產(chǎn)品制定了建模協(xié)議,使模型在設(shè)計階段融入工藝特征,并控制模型按照要求的方向變化,使模型的參數(shù)化方向可控。

(2)設(shè)計部門提交的產(chǎn)品模型必須分兩步進行:①按并行工程的思想預(yù)發(fā)布中間產(chǎn)品(即不包含任何鑄造圓角但結(jié)構(gòu)完整的模型);②最終完整的三維設(shè)計產(chǎn)品(做參考使用)。

(3)由于在鑄件產(chǎn)品設(shè)計過程中不能預(yù)測工藝是如何劃分砂芯的,況且即使知道操作起來也及其復雜,會失去模型參數(shù)化的彈性。因此,我們認為解決這一問題最有效的方法是先將內(nèi)腔砂芯抽取后,按工藝需要將其劃分為多段proe的Part零件,然后分別對其進行拔模、圓角等一系列操作直到滿足設(shè)計要求為止(參考設(shè)計發(fā)布的最終產(chǎn)品)。

根據(jù)以上關(guān)鍵問題解決的方案和工藝現(xiàn)狀,我們摸索出一套適合本企業(yè)鑄鋼件模具的設(shè)計流程,圖3。

并行工程環(huán)境下鐵路貨車鑄鋼件模具的三維設(shè)計+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片3

3.2 建模協(xié)議

建模協(xié)議是真正能體現(xiàn)“并行工程”思想的一個理論體系。它是三維數(shù)字化產(chǎn)品上下游之間數(shù)據(jù)繼承與溝通的前提。它的屬性是在產(chǎn)品設(shè)計過程中或產(chǎn)品的整個生命周期中始終貫穿工藝因素于其中。對于鑄造件來講,每種產(chǎn)品都有不同的結(jié)構(gòu)和尺寸鏈分布方式。因此,制訂鑄件的建模協(xié)議很難找到一般性規(guī)律,只能是針對某一產(chǎn)品或相似產(chǎn)品來制訂相應(yīng)的建模協(xié)議。我們在設(shè)計搖枕時先后返工四次,原因是產(chǎn)品模型的建模隨意性較大,利用proe軟件建?？芍^“條條大路通羅馬”,要完成一個模型,使用的手段很多。通過多方法比較,我們終于找到了搖枕產(chǎn)品建模的基本方法。

通過摸索三維產(chǎn)品的建模協(xié)議,我們的體會是產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)向系列化、集成化方向邁進,這樣可使企業(yè)新產(chǎn)品設(shè)計對市場做出敏捷反應(yīng),提高工作效率的同時降低員工的勞動強度。

    3.3 三維“概念工藝模型”

這里提出的“概念工藝模型”不是指真正意義上的工藝模型,只是提供給鑄造CAE軟件需要的形式。它的屬性是針對鑄造工藝的多方案比選。在概念模型上只體現(xiàn)鑄造CAE模擬軟件所需的基本結(jié)構(gòu)、準確的工藝參數(shù)和尺寸而不能體現(xiàn)模具的詳細設(shè)計信息。和傳統(tǒng)的二維工藝與模具設(shè)計比較,三維的工藝與模具設(shè)計是不能只用一個三維模型把整個工藝思想完整體現(xiàn)出來的,而必須貫穿在整個模具設(shè)計的全過程中。

    3.4 模擬報告

開始模具設(shè)計的前提是通過使用鑄造CAE軟件分析、比較多個工藝方案后,拿出一個較合理的模擬結(jié)果。然后以當前的方案做為模具設(shè)計的基準。通過參考模擬結(jié)果在容易出現(xiàn)鑄造缺陷的部位施加工藝措施,圖4是我們設(shè)計搖枕模具時的某一方案的模擬結(jié)果。顯然,容易出現(xiàn)缺陷的部位需要增加相應(yīng)的工藝措施來滿足產(chǎn)品質(zhì)量的要求,概念工藝模型也做相應(yīng)調(diào)整,直到模擬結(jié)果滿意,然后模具設(shè)計工作開始。這樣既保證了模具設(shè)計的有效性,又減少工裝驗證的次數(shù)、降低新產(chǎn)品的開發(fā)成本。

并行工程環(huán)境下鐵路貨車鑄鋼件模具的三維設(shè)計+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片4

3.5 進入模具設(shè)計環(huán)境

proe軟件提供了一個Pro/CASTING模具設(shè)計模塊,利用該模塊可有效的對三維鑄件產(chǎn)品進行增加鑄造收縮率、抽取砂芯、開模、設(shè)計芯頭等許多手段進行模具設(shè)計。圖5是搖枕已經(jīng)裝配在模具設(shè)計環(huán)境中,并設(shè)計出了砂芯、芯頭、分型面等工作。

并行工程環(huán)境下鐵路貨車鑄鋼件模具的三維設(shè)計+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片5