簡析柴油機缸蓋氣道CAD設(shè)計
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［摘要］：氣缸蓋是柴油機中一個十分重要的部件，其中進、排氣道性能的好壞直接關(guān)系到油氣進入的方向及混合情況，直接影響發(fā)動機功率、起動速度、排放乃至整機性能；本文介紹了UG在柴油機氣道設(shè)計及相關(guān)模具CAD設(shè)計中的應(yīng)用。
論文關(guān)鍵詞：氣道,氣道型芯,分型面
柴油發(fā)動機缸蓋氣道是一個典型的三維型腔，其型腔表面是由一系列復(fù)雜空間曲面組合而成，各空間曲面曲率不同，但又要求相互連接、光滑過渡、自然流暢，才能保證氣流的暢通，因此，對于柴油機生產(chǎn)廠家來說氣道設(shè)計一向是很棘手的工作。傳統(tǒng)的設(shè)計方法一般是用手工方法制作芯盒，芯盒內(nèi)腔即為氣道。具體步驟如下：先用硅橡膠做氣道型芯實體模型，然后初步設(shè)計，用環(huán)氧樹脂制作芯盒模型，再進行抽氣試驗，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)修補芯盒，最后再來修改設(shè)計及定型。
經(jīng)過多次反復(fù)修改，但由于氣道本身的復(fù)雜性，數(shù)學(xué)描述不方便，加之三維模型測量難、測量誤差大，二維圖紙不能準確地表達三維氣道的真實形狀和尺寸。再以此氣道圖為依據(jù)設(shè)計、制造模具，模具氣道型腔的設(shè)計、加工必然要重復(fù)試驗芯盒大量的重復(fù)勞動及時間和精力的消耗，卻仍不能保證模具達到試驗芯盒的尺寸和精度，再加上加工誤差，就更難保證所生產(chǎn)出來的發(fā)動機缸蓋產(chǎn)品的性能指標能夠達到要求。
2、基于UG的柴油機缸蓋氣道的CAD設(shè)計
2．1 設(shè)計軟件的確定
UG是一個集CAD/CAM/CAE一體化的三維參數(shù)化軟件，它提供了功能強大的造型功能尤其是曲面造型功能和加工功能，因此，我們選擇在UG這樣大型的軟件平臺上進行氣道設(shè)計，并采用數(shù)控加工手段來保證試驗芯盒及模具的加工質(zhì)量和加工精度。
2．2 利用UG軟件進行柴油機缸蓋氣道設(shè)計的思路
先進行實體建模，生成一個全三維的氣道型芯實體模型；再作一個矩形實體芯盒，使其包容氣道型芯實體模型，將兩者作布爾運算，形成一個中空的實體，其空腔部分即為所設(shè)計的氣道；最后設(shè)計三維分型面，該分型面也是以后模具的分模面，用分型面將帶空腔的芯盒一分為二，形成上、下兩芯盒。具體設(shè)計步驟如下：
�。�1）氣道型芯實體建模
a. 掃描氣道模型取得點云數(shù)據(jù)
以某一原有的試驗效果較為理想的手工模型作為原始模型，利用三維激光掃描儀對此模型進行三維掃描取得氣道的點云數(shù)據(jù)。（圖1）
圖1 氣道的點云數(shù)據(jù)
b.將點云數(shù)據(jù)處理成曲面數(shù)據(jù)（圖2）
運用西門子公司的imageware軟件對氣道點云數(shù)據(jù)進行處理，建立曲面數(shù)字模型。imageware軟件對點及曲面的處理具有其獨特的功能，它可以很方便的對點云放大、縮小或局部移動等，也可以很方便的對曲面進行修改、光順等工作。
圖2 氣道的曲面數(shù)據(jù)
c.建立氣道模型
運用UG軟件對曲面模型操作建立實體模型.如圖3所示分別為用UG軟件處理的兩個進、排氣道模型
圖3 進、排氣道的三維模型
�。�2） 對氣道模型進行分析
選用UG公司CAE軟件，針對某一型號的柴油機氣道，模擬氣道穩(wěn)流試驗臺的工作原理，就此氣道模型的流場進行計算分析。（圖4-）
圖4 流場流線分布圖
根據(jù)CAE軟件分析及計算的結(jié)果，修改氣道的CAD模型重新投入CAE軟件進行計算，直至優(yōu)化出一個理想的氣道模型。
（3）分型面的設(shè)計
該氣道的分型線是一條不對稱的復(fù)雜的空間樣條線，芯盒分型面就是以后設(shè)計模具的分模面，所以分型面的設(shè)計宗旨是必須有利于模具拔模。理想的分型面設(shè)計是：分型線上的各點沿法線方向向外延伸形成分型面，但由于形成的三維型面各點法線相互交錯，生成的曲面嚴重扭曲。我們在此基礎(chǔ)上進行了簡化處理，采用分型線各點沿某一坐標軸方向向外延伸形成分型面的作法，效果很好。用分型面剖切氣道芯盒實體，將其一分為二，形成上、下芯盒。例如圖5為某一進、排氣道的芯盒。
圖5 某一進氣道芯盒模具的上、下模
（4）加工氣道芯盒模具
考慮到氣道形狀復(fù)雜，曲面光滑度要求高，三維分型面合型間隙要求高，鉗工研配、打磨困難等因素，更重要的是為了真實、準確地反映氣道設(shè)計，我們采用UG軟件CAM系統(tǒng)進行數(shù)控加工，由于UG是CAD/CAM/CAE一體化集成軟件，CAM數(shù)據(jù)完全來自CAD建模，有效地保證了加工質(zhì)量和加工精度。此模具用來制作氣道的砂芯。
3、效益分析
�。�1）氣道的CAD設(shè)計，使大量的修改、調(diào)整工作全在計算機內(nèi)完成，從而避免了艱辛、乏味的手工重復(fù)勞動及試驗材料的耗費，而且計算機對氣道內(nèi)腔表面的處理，其光順程度遠遠超過了手工所能及的程度，有效地保證了設(shè)計質(zhì)量，縮短了設(shè)計周期。
�。�2）由于我們采用CAD/CAM集成化軟件設(shè)計、加工氣道試驗芯盒，數(shù)學(xué)模型的CAD計算誤差很小，并且不存在數(shù)據(jù)傳遞的誤差，以該模型作為CAM制造依據(jù)，保證了制造結(jié)果的準確性和一致性，再由NC加工成倍地降低了制造誤差，實現(xiàn)了設(shè)計、加工的完美結(jié)合，極大地方便了氣道模型及試驗芯盒的設(shè)計、加工，同時，縮短了模具的設(shè)計、制造周期。
4、 結(jié)束語
通過對柴油機缸蓋氣道的CAD/CAM設(shè)計，充分體現(xiàn)了CAD/CAM/CAE技術(shù)的可行性、實用性、先進性和高效性，同時也證明了UG軟件在現(xiàn)代機械設(shè)計與制造中的重要作用。
參考文獻：
［1］ 張云杰主編, 《UG NX4.0中文版基礎(chǔ)教程》， 清華大學(xué)出版社，2007；
［2］ 袁兆成主編，《內(nèi)燃機設(shè)計》， 機械工業(yè)出版社，2008;
［3］ 許發(fā)越主編, 模具標準應(yīng)用手冊.北京: 機械工業(yè)出版社，1994；
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