摩托車后輪輪轂低壓鑄造模具設計1【含CAD+說明書】

喜歡這套資料就充值下載吧。資源目錄里展示的都可在線預覽哦。下載后都有，請放心下載，文件全都包含在內，有疑問咨詢QQ:1064457796 學士學位論文原創性聲明本人聲明，所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立完成的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含法律意義上已屬于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他學位申請的論文或成果。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期：學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權南昌航空大學科技學院可以將本論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 作者簽名： 日期：導師簽名： 日期：附錄摩托車后輪轂實體圖畢業設計（論文）開題報告題目 摩托車后輪輪轂模具設計 專 業 名 稱 機械設計制造及其自動化班 級 學 號 078105329學 生 姓 名 吳昊指 導 教 師 羅海泉填 表 日 期 2011 年 3 月 18 日說 明開題報告應結合自己課題而作，一般包括：課題依據及課題的意義、國內外研究概況及發展趨勢（含文獻綜述）、研究內容及實驗方案、目標、主要特色及工作進度、參考文獻等內容。以下填寫內容各專業可根據具體情況適當修改。但每個專業填寫內容應保持一致。一、 選題的依據及意義：輪轂是摩托車上極為重要的行駛部件與安全部件，是摩托車與地面之間的傳力元件，起著承載、轉向、驅動、制動等作用。輪轂應具有良好的綜合力學性能，在正常行駛過程中不應發生變形和疲勞失效，并能在意外沖擊中充分吸收能量，以保證駕乘者安全。因此，如何以先進的鑄造工藝來高效率、低成本的生產出高質量的輪轂就成為了一個至關重要的問題。而在鑄造工藝中，鑄造輪轂的模具是更為關鍵的。模具成為輪轂的關鍵工藝裝備，其結構的設計與優化也是輪轂生產的重中之重。同時，摩托車輪轂是一個旋轉薄殼結構零件，它的上面開有孔洞，附有加強筋，形狀復雜。若使用一般的普通加工，則難以加工出相應的輪轂零件。即使加工出來了輪轂零件，也必定很難達到零件的要求。所以，應采用數控加工方式才能保證其幾何形狀和使用要求。數控程序的編制就成為加工合格零件的前提。在鑄造輪轂過程中，應選擇何種鑄造方法，如何設計模具，以及如何避免鑄造缺陷，這些問題都成為了研究的主要對象。這些問題解決的好與壞直接關系到輪轂的質量，所以，選擇這個題目進行設計具有十分重要的意義。二、國內外研究概況及發展趨勢（含文獻綜述）：早期輪轂均為鋼板沖壓加工成型的鋼輪轂，隨著制造技術的進步及摩托車輕量化的逐漸發展，鋼輪轂逐漸被鋁合金輪轂所代替。目前的市場上鑄造鋁合金輪轂占據著主導地位。隨著摩托車輕量化和節能環保要求的逐步提高，現已有鑄造和鍛壓成型的鎂合金輪轂面世。雖然目前已經有鎂合金輪轂應用于摩托車，但主要局限與賽車上，它不像鋁合金輪轂那樣進行大批量生產，其原因主要是由于鎂與氧氣有極大的親和力，在液態下鎂可以劇烈氧化和燃燒，在熔煉和整個鑄造過程中必須在保護性氣體覆蓋下進行，否則會燃燒引起事故。另外，鎂合金還極易發生腐蝕現象。所以，目前在摩托車輪轂鑄造方面廣泛采用的還是鋁合金材料。我國與國外先進車輪制造水平相比還有不小的差距。主要表現在鑄造設備、模具制造、澆注工藝、熔煉和材料等方面。目前，國內外生產輪轂的主要鑄造成型方法有金屬型重力鑄造、低壓鑄造、壓力鑄造和擠壓鑄造。其中，低壓鑄造是摩托車車輪生產的最佳方法之一，具有金屬液純凈、充型平穩不易卷氣、組織致密、金屬液利用率高、自動化程度高等特點。國內外廣泛采用這種鑄造成型工藝生產摩托車輪轂。低壓鑄造最早由英國人E.F.LAKE于1910年提出并申請專利。其目的是解決重力鑄造中澆注系統充型和補縮的矛盾。低壓鑄造真正被推廣應用是在“二戰”以后，當時發現低壓鑄造可解決厚大斷面鋁合金鑄件的壁厚效應，即克服因壁厚增加力學性能急劇下降的缺點。1950年以后由于汽車工業的發展，使低壓鑄造工藝和設備有了一個新的飛躍。汽車輪轂由于質量要求高，本身結構又適于低壓鑄造，而且需求量大，因此極大地推動了低壓鑄造技術的發展。英國在60年代率先發展低壓鑄造汽車輪轂，其后美國、日本、西德相繼發展了此項技術。我國在60年代開始對低壓鑄造進行實驗的，并逐漸用于生產。目前主要用于生產鋁、鎂合金鑄件，如氣缸體、氣缸蓋及活塞等形狀復雜、要求高的鑄件。有的單位還成功的用于鑄造壓氣機鋁合金活塞，其重量達200kg，平均壁厚40mm。此外，低壓鑄造用于鑄造重達30T銅合金船用螺旋槳和大型球墨鑄鐵曲軸。由于低壓鑄造鑄件內沒有氣泡，因而可以用熱處理方法大幅度提高鑄件材質的力學性能，這一基本特點在未來的低壓鑄造設備中將得到充分保證和發展。另外，為了使低壓鑄件在更大壓力下得到補縮和凝固，低壓鑄造已向差壓鑄造方向發展。這種差壓鑄造工藝目前已有采用，但工藝裝備復雜，自動化程度低。尚需進一步簡化工藝裝備和提高自動化程度。日本等國已將低壓鑄造裝置發展成為通惰性保護氣體和采用電腦控制溫度、時間、鍋壓、氣壓的自動化鑄造設備。這種新的鑄造方法被成為1LP法，是一種可以通氬氣等惰性氣體的低壓鑄造機。其工作過程是：先在密閉的空氣中熔化鋁合金，然后抽真空，對合金液進行減壓脫氣精煉處理，以提高合金液的清靜度。接著用氬氣等惰性氣體注入坩鍋和鑄型罩內，然后再向坩鍋內增加氬氣壓力，使合金液沿升液管上行，進入并充滿鑄型型腔保壓一段時間，待鑄件凝固、卸壓。同樣澆口內未凝固的合金液沿升液管反向流入坩鍋內。另外，鑄造生產工藝流程長，工藝過程復雜，影響鑄件質量的因素多。長期以來鑄造工藝多是靠人的經驗、習慣進行，難以做到最佳工藝設計，也無法準確、動態地分析、預示和控制。隨著計算機技術的推廣應用，鑄造行業也引進了這一有效的信息處理手段。鑄造工藝計算機輔助設計（CAD）技術在鑄造行業的應用主要體現在三個方面，即以鑄造凝固過程模擬為重點的鑄造工藝CAD、以鑄造模具設計為重點的鑄造工裝CAD和以鑄造設備的設計制造為重點的鑄造機械工程CAD。三、 研究內容及實驗方案： 一、研究內容設計原始資料: 1摩托車后輪轂零件圖； 2技術參數 車輪規格：MT2.510； 材料牌號：ZL101A； 設計技術要求： 1生產綱領：250000件/年。 2. 要求外文資料翻譯忠實原文； 3. 要求設計的模具結構合理、滿足加工要求； 4. 要求圖紙設計規范，符合制圖標準； 5. 要求畢業論文敘述條理清楚，設計計算正確，論文格式規范本課題主要研究的是利用低壓鑄造成型方法來鑄造鋁合金輪轂，設計其相應的鑄造模具，并對鑄造后輪轂的主要型面進行處理。論文的主要內容有：1零件鑄造工藝分析；2零件毛坯方案選??；3. 繪制輪轂平面和立體圖4設計模具結構；5繪制模具裝配圖；6繪制上模及邊模模具圖；7. 邊模的加工工藝設計二、實驗方案本課題的主要研究內容為設計摩托車后輪轂的模具。摩托車的輪轂屬于復雜零件，存在壁厚較薄的地方但由于零件的對稱度較好，所以使用低壓鑄造。相比較其它鑄造方式或低壓鑄造其它模具形式而言，其模具總體結構沒有非常復雜的地方。在輪轂的制造過程中，鑄件毛坯質量對于鋁合金輪轂的整體質量有著很大的影響。毛坯鑄造的好壞，直接影響輪轂的加工和其使用性能。而鑄件毛坯的質量又取決于合金的選擇、模具質量、熔煉工藝、合金變質和熱處理等一系列工藝控制過程。在這其中，模具又是成型輪轂的關鍵工藝裝備，其結構的設計與優化是輪轂生產的工藝關鍵圖3-2所示的是輪轂低壓鑄造模具結構圖這種低壓鑄造模具結構也是一種典型的模具結構，是一種適用于常規機臺的低壓鑄造模具，它按系統也分為澆注系統、冷卻系統、頂出系統和成型系統，按模塊功能又可分為結構件、成型件、標準件。成型件是參與制品成型的零件及部件，結構件則為除成型件外的組成一副完整型腔模具的部分，它包含導向部分、頂出部分和模具固定連接部分。而在標準化設計中則將原成型件分解為成型鑲件和成型標準件。成型鑲件由圖3-2中上模鑲塊6、上模芯8、分流錐7、下模塊3及澆口套4等組成。圖3-2 輪轂低壓鑄造模具結構1. 下模板 2. 陶瓷澆口套 3. 下模塊 4. 澆口套 5. 側模 6. 上模鑲塊 7.分流錐 8. 上模芯 9. 模芯壓板 10. 上模體 11. 三角導向塊 12. 上模固定塊 13.推桿固定板 14. 推板 15.上模板另外，該模具的側模為四開模，有三角導向塊，澆注系統采用陶瓷澆口套，使它的硬度大為提高。根據零件的復雜程度，加裝了模芯和模芯壓板。冷卻系統為風冷，而對于不同的生產廠家及設備而言，另有導柱卡裝式模具結構，冷卻系統也有循環水冷卻系統或風、水共用系統四、 目標、主要特色及工作進度1. 主要目標能夠解決一個零件在加工中的定位、夾緊以及工藝路線安排、工藝尺寸確定等問題，保證零件的加工質量。同時能根據被加工零件的加工要求，應用夾具設計的基本原理和方法，學會擬定夾具設計方案，設計出高效、經濟合理而能保證加工質量的夾具，提高結構設計能力。在工藝設計的過程中熟悉并應用有關手冊、圖表等技術資料的能力以及進一步培養識圖、制圖、編寫技術文件等基本技能。2. 主要特色1 能較熟練應用UG軟件及AutoCAD軟件2 有助于提升機械加工工藝規程和夾具設計能力3 與實際聯系緊密為今后走上崗位打下良好基礎3. 工作進度1繪制零件圖，收集、查閱有關資料，外文資料翻譯(6000字符)，撰寫開題報 告； 第1周-第4周2 零件鑄造工藝分析，選取零件毛坯方案；設計輪轂毛坯圖； 第5周-第6周 3 計算確定模具主要零件相關參數，確定模具結構； 第7周-第9周4 設計模具裝配圖，拆繪主要零件圖； 第10周-第13周5. 撰寫畢業論文、畢業設計審查、畢業答辯。 第14周-第17周五、參考文獻1董秀琦. 低壓及差壓鑄造理論領與實踐. 北京：機械工業出版社，2003.12鑄造工程師手冊編寫組.鑄造工程師手冊. 北京：機械工業出版社, 1997.123陳琦，彭兆弟主編.鑄造技術問題對策. 北京：機械工業出版社，2001.34曹瑜強. 鑄造工藝及設備. 北京：機械工業出版社，2003.105何燦東. 汽車鋁合金車輪低壓鑄造模具的標準化設計. 模具工業，2000年第10期6潘曉濤等. 汽車鋁合金輪轂的低壓鑄造模具設計. 機電工程技術，2005年第34卷第9期7. Wilson, F.W.Die design handbook McGraw. 1990.6 8 畢業設計（論文）題目： 摩托車后輪輪轂模具設計 系 別 航空與機械工程系專業名稱 機械設計制造及其自動化班級學號 078105329學生姓名 吳 昊指導教師 羅 海 泉二O一一 年 五 月 畢業設計（外文翻譯）題目： 摩托車后輪輪轂模具設計 系 別 航空與機械工程系專業名稱 機械設計制造及其自動化班級學號 078105329學生姓名 吳 昊指導教師 羅 海 泉二O一一 年 五 月 目 錄1 緒論1.1 摩托車車輪發展概況 11.2 鋁合金輪轂成形方法的選擇與對比 2 1.3 鋁合金輪轂鑄造方法的選擇和對比 31.4 國內外低壓鑄造發展概況 42 低壓鑄造基本知識2.1 低壓鑄造原理 52.2 低壓鑄造工藝流程 62.3 低壓鑄造的特點 72.4 低壓鑄造工藝規范 8 3 模具總體方案設計3.1 鋁合金輪轂低壓鑄造模具一般方案 103.2 模具總體方案設計與對比 123.2.1 零件輪輞的主要形式 123.2.2 輪轂零件的分析 133.2.3 鑄件毛坯的工藝分析 153.2.4 模具總體方案1 163.2.5 模具總體方案2及與方案1的比較 173.3 模具的動作方式 183.3.1 模具的分模動作方式 193.3.2 模具的合模復位動作方式 204 模具設計4.1 鑄件的材料及其性能 224.2 機械加工余量的確定 224.3 鑄件收縮率的確定 224.4 起模斜度的確定 234.5 分型面的確定 234.6 模架的設計 244.7 冒口的設計 254.7.1 冒口設計的基本原則 254.7.2 冒口設置的原因 254.7.3 冒口的設置與原理分析 264.8 推出機構的設計 274.8.1 推出機構的組成及特點 274.8.2 推出距離的計算 284.8.3 推桿截面積的計算 294.9 尺寸公差的確定 314.10 涂料的使用 315 邊模的工藝路線5.1 定位基準的選擇 335.1.1 精基準的選擇原則 335.1.2 粗基準的選擇原則 335.1.3 精基準和粗基準的確定 33 5.2 邊模表面加工工序的確定 345.2.1 加工工序順序的原則 345.2.2 加工階段的劃分 345.2.3 邊模的工藝路線 355.2.4 邊模的工藝規程 356 總結 37參考文獻 38致謝 39附錄 40南昌航空大學科技學院學士學位論文 1 緒論1.1摩托車車輪發展概況隨著工業的飛速發展，摩托車工業也快速的壯大起來，摩托車成為了人們出行所使用的主要交通工具之一。尤其是在發展中國家里，摩托車的擁有數量非常龐大。在我國各大城市里，摩托車已經成為許多家庭的主要交通工具。正是由于摩托車市場的龐大的需求量，從而促使了摩托車企業的快速發展，制造摩托車的工藝也在不斷進步。摩托車車輪是摩托車中極其重要的部件之一，它的質量好壞直接影響著摩托車行駛的安全和可靠。早期的摩托車速度較低，其車輪結構為剛性連接，輪胎為高壓胎。隨著輪胎及車輪技術的發展，低壓輪胎逐漸取代了高壓輪胎。與此同時，低壓輪胎又出現了無內胎輪胎。目前，摩托車車輪主要有三種結構形式：輪圈輻條組合式車輪、輻板式整體車輪和輕合金車輪。輪圈輻條組合式車輪是一種傳統的結構型式，該種車輪與早期剛性連接的車輪相比，減震性能較好。但是，這種車輪受結構的限制，車輪的外形變化比較困難，不能適應摩托車外觀造型日新月異的需要。并且由于這種結構車輪受輪圈沖孔的限制，不能裝配無內胎輪胎，使它的發展大受影響。輻板式整體車輪分為輻板式整體鋼車輪和輻板式整體鋁車輪。輻板式整體鋼車輪主要用于中、低擋小輪徑摩托車。其鋼制輪圈的工藝方法是用鋼板卷制后焊接成型，使用一段時間后，焊接部位易生銹造成無內胎車輪漏氣。輻板式整體鋁車輪有質量小、鋁輻板形狀容易變化等優勢。另外，鋁合金輪圈和鋁輻板通過表面處理后，可以形成車輪所需要的各種顏色，滿足了消費者對多種顏色的需求。輕合金車輪是一種整體式車輪，主要有鋁合金車輪和鎂合金車輪。鎂合金車輪具有比鋁合金車輪更誘人的潛在優勢。雖然目前鎂合金車輪已經開始應用于摩托車，但主要局限于賽車上，它不能像鋁合金車輪那樣進行大批量生產，其主要是因為：1) 鎂與氧氣有極大的親和力，在液態下鎂可以劇烈氧化和燃燒，在熔煉和整個鑄造過程中必須在保護性氣氛的覆蓋下進行，否則會發生燃燒事故。而目前的保護性氣氛都涉及環保問題，不僅會破壞大氣臭氧層，而且對人體危害性較大，且極易損壞設備和建筑物。2) 鎂合金的化學穩定性差，車輪在使用過程中極易發生腐蝕現象。3) 目前，尚無公認的適合大批量生產的成套鎂合金加工設備和工藝。鋁合金的初次登場是在50年代，鋁合金車輪首次被用于追求高性能的賽車中。因為鋁合金車輪質量輕、散熱性能好，并且具有良好的外觀，所以，鋁合金車輪逐步代替了鋼制車輪。鋁合金車輪具有以下特點：1) 散熱快、安全。由于轎車在高速行駛時，輪胎與地面摩擦會產生較高的溫度，制動盤和制動片摩擦會產生較高的溫度，在這樣的高溫作用下，輪胎和制動片均會加速磨損和老化，制動效率下降，輪胎氣壓升高，易造成爆胎和剎車失靈的事故。鋁合金的傳熱系數比鋼材大3倍，可將輪胎和制動盤上產生的熱量迅速傳導到空氣中去，避免了輪子在高速運轉下產生的種種弊病，從而增強了制動效能、提高了輪胎和制動盤的使用壽命、有效的保障了汽車的安全行駛。2) 重量輕、節能。鋁材比重比鋼材小，平均每只鋁合金車圈比鋼質車圈要輕2公斤左右，一輛轎車以5只車輪（包括一只后備車輪）計算可減輕重量10公斤。減輕重量也就意味著節省燃料。 3) 舒適性好。鋁合金車圈是精密的鑄造件，精加工表面達到80到90，失圓度和不平衡很小，特別是鋁合金的彈性模數較小，抗振性好，能減少行駛中的車身振動，提高了整車的舒適性。 4) 外觀漂亮。鋁合金車圈外表是經抗腐蝕處理再靜電粉體涂裝，它可以鑄成各種花式外形，讓人感到有一種美觀、精致和豪華的感覺。有車族往往不惜重金更換自己中意的花式外形。 基于鋁合金材料有眾多的優點，我國摩托車工業也主要是生產鋁合金車輪，本課題也采用應用廣泛的鋁合金材料做為摩托車輪轂的材料。1.2鋁合金輪轂成形方法的選擇與對比生產鋁合金輪轂的方法有鑄造法、鍛造法、沖壓法以及大直徑焊管輥壓輪圈法。熱鍛鋁輪轂的應用較早，多采用加工性、耐腐蝕性、切削性均較好的6061鋁合金。鍛造鋁輪轂的質量好，但成本高，效率低，適于年產10萬件的生產規模，只模鍛輪盤效果較好。沖壓法是將5454合金的板材深沖成圓筒，再去掉下底和上緣，得到無縫大直徑管坯，經輥壓成型制得得輪圈性能好，但材料利用率僅為50，且壁厚不均勻。使用大直徑焊管輥壓輪圈法也能加工出性能高得鋁輪轂，但這種方法主要適合于制造二件式鋁輪轂。鑄造法是目前鋁合金輪轂成型方法中非常成熟的一種成型方法，它擁有成套的制造鋁合金輪轂的設備和工藝，非常適合制造輪轂這種結構復雜、要求較高的重要部件，被廣泛的應用于摩托車鋁合金輪轂的制造當中。根據本課題零件材料為ZL101A，年生產綱領為50000件，應選擇鑄造法來鑄造出該摩托車輪轂。1.3鋁合金輪轂鑄造方法的選擇和對比目前，國內外生產輪轂的主要鑄造成型方法有壓力鑄造、金屬型重力鑄造、擠壓鑄造、和低壓鑄造。下面對現行各種主要輪轂鑄造成型方法進行論述和比較。壓力鑄造的特點是在高壓高速下充型，高壓下結晶。在這一過程中，金屬液容易卷入氣體、夾雜物。高壓射流會破碎氣體，形成彌散的小氣孔留在鑄件中，致使鑄件不能通過熱處理來提高強度。所以壓鑄一般適宜生產不需承受較大沖擊載荷的薄壁類殼體、外罩體，根本不適合制造作為摩托車重要安全部件的輪轂。在輪轂的金屬型重力鑄造中，鑄件的凝固收縮補償只能通過建立順序凝固必需的溫度梯度來保證，因此必須在輪輻輪緣交接的熱結處及中心厚大部位設置冒口，導致金屬熔體工藝收得率較低，只有4060。同時，由于補縮所需得溫度梯度及壓力均較低，該方法得工藝過程必須嚴格控制，否則容易產生縮孔、縮松、夾渣、氣孔等缺陷。相比于其他幾種利用壓力進行充型和凝固的鑄造方法，該方法得到的輪轂鑄件外部和內部質量都較差。由于僅靠重力作用下結晶，所產生的輪轂組織致密度、抗拉強度和硬度低于差壓鑄造、低壓鑄造、擠壓鑄造和壓鑄等。其伸長率也遠不及差壓鑄造和低壓鑄造。擠壓鑄造是借助擠壓鑄機壓頭的機械壓力，把澆入鑄型的合金液擠壓成型，并在壓力下凝固。擠壓鑄造的輪轂，表面粗糙度低，結晶壓力高，組織致密。但是一般普通的油壓機的功能簡單，達不到擠壓鑄機的要求。另外，擠壓鑄造不如重力鑄造有澆注系統，也不如低壓鑄造的升液管進液口在合金液中間有效避渣，其鑄件氧化夾渣嚴重。擠壓鑄造雖然結晶壓力大，但由于摩托車車輪特殊的結構，輪輻處很多窄小的薄壁處凝固后失去補縮通道作用，輪輞局部得不到補縮。低壓鑄造中，金屬液在數倍于大氣壓的壓力下進行充型和保壓凝固，鑄件的致密度較高，縮孔縮松較少，產品內部質量較好。并且由于該方法利用壓力進行充型和補縮，一般不需在輪輻上設置冒口，并簡化了澆注系統，因此大大提高了金屬熔體的工藝收得率。低壓鑄造的“緩慢充型” 、“順序凝固”比壓鑄優越而不易產生氣孔、補縮不足。它的“低壓充型” 、“增壓結晶”也比金屬型鑄造充型、補縮更好。另外，在低壓鑄造的基礎上，又發展出一種差壓鑄造方法。這種方法比低壓鑄造充型更平穩、補縮更充分、結晶壓力更大，因此差壓鑄造產品輪廓更清晰、組織更致密、力學性能提高較大。但是，由于國產差壓鑄造設備奇缺，工藝過程復雜，生產效率低，很少用此方法生產摩托車輪轂。所以，對各種鑄造方法進行比較后，覺得低壓鑄造是制造摩托車鋁合金輪轂的最佳的成型方法。1.4國內外低壓鑄造發展概況 低壓鑄造與我們普遍應用的金屬型鑄造、壓力鑄造、熔模精密鑄造等工藝相比較，它是一種新的特種鑄造。低壓鑄造工藝具有優于其它鑄造工藝的獨特之處。我國是從五十年代開始研究低壓鑄造的。它的發展非常迅速，應用于工業生產僅有三十余年的時間。目前，國內汽車、拖拉機、摩托車等制造廠已經形成專業化的低壓鑄造車間，造船、電機、儀表、輕工和國防工業也廣泛采用了這種工藝，并由生產簡單件發展到了生產復雜件。由于低壓鑄造工藝有著上馬快、投資少、占地小、容易實現機械化、自動化等優點。所以，我國的許多工廠和單位，可以成熟的運用低壓鑄造工藝來生產高要求的鋁合金復雜鑄件。如生產發動機上的鋁合金汽缸體、汽缸頭、曲軸箱、活塞體等復雜鑄件。甚至有些單位已成功的運用低壓鑄造法來澆注大型簿壁葉片復雜鑄件，實現了以鑄代鍛。鋁合金產品由于具有質量輕、導熱率好、吸收沖擊能力強以及不易生銹、外表美觀等優點，近年來廣泛的應用在航空、汽車及輕工業等領域中。低壓鑄造則主要應用于鋁合金鑄件的產品上，隨著對鋁合金鑄件的質量要求和性能要求越來越高，鋁合金低壓鑄造幾乎已成為一項必不可少的工藝，并在一定情況下代替了部分壓鑄鋁合金鑄件。在國外，低壓鑄造的研究開始于二十世紀初期。第二次世界大戰爆發后，隨著航空工業的發展，英國廣泛地采用低壓鑄造生產技術要求較高地航空發動機地汽缸等輕合金鑄件。并采用金屬型低壓鑄造，大量生產北美的汽車工業和電子轉子等重要鑄件。這樣，低壓鑄造工藝迅速擴散到通用機械、紡織機械、儀表和商業產品等領域。目前，國外的低壓鑄造設備，已由專業生產廠家生產，使低壓鑄造生產逐步向專業化生產發展。專用的低壓鑄造設備的商品化，把低壓鑄造工藝技術提高到了一個較高的水平。2 低壓鑄造基本知識2.1低壓鑄造原理 低壓鑄造是液體金屬在壓力的作用下，完成充型及凝固過程而獲得鑄件的一種鑄造方法。它屬于一種特種鑄造工藝，由于低壓鑄造壓力較低（一般為2060kPa），故稱之為低壓鑄造。就低壓鑄造的工藝氣壓而言，它是介于壓力鑄造和重力鑄造之間的一種新的澆注工藝。圖21低壓鑄造工藝示意圖1 保溫爐 2.液態金屬 3.升液管 4.下型 5.滑套 6.導柱 7.頂板 8. 頂桿 9.上型 10.型腔 11.澆口 12.密封墊 13.坩鍋低壓鑄造的裝置簡圖如圖21所示。鑄型由下型4和上型9組成，并安放在密封的保溫坩鍋13的上方，當給密閉的容器坩鍋中通入干燥的壓縮空氣或惰性氣體時，氣體通過在金屬液面2上的壓力作用，使液態金屬沿升液管3自下而上上升，經鑄型下方的澆口11緩慢而平穩地充填型腔10，隨后在壓力作用下凝固。待型腔中的合金液體凝固成形后，即可解除坩鍋內合金液體2表面的氣體壓力，使升液管3和澆口11中尚未凝固的合金液體靠自重流回坩鍋內，完成一次澆注過程，經脫模后便得到了所需的鑄件。低壓鑄造的實質是物理學中的帕斯卡原理在鑄造方面的具體運用，根據帕斯卡原理有PFH = PFH式中：P金屬液面上的壓力；F金屬液面上的受壓面積；H坩鍋內液面下降的距離；P升液管中使金屬液上升的壓力；F升液管的內截面積；H金屬液在升液管中上升的距離。圖22 低壓鑄造原理示意圖1.密封容器 2. 金屬液 3. 升液管 4.密封蓋 5.澆口 6. 鑄件7. 鑄型 8.緊固件 9.通氣管由圖22可知：由于F遠遠大于 F，因此，當坩鍋中液面下降高度H 時，只要在坩鍋中金屬液面上施加一個很小的壓力，升液管中的金屬液就能上升一個相當的高度H。這也就是“低壓”的來源。低壓鑄造所用的鑄型可以是金屬型、干砂型、濕砂型、石膏型、石墨型、熔模型殼和陶瓷型等。2.2 低壓鑄造工藝流程通常低壓鑄造的工藝流程為：1) 金屬的熔煉及模具的準備；2) 澆注前的準備:包括坩鍋密封（裝配密封蓋），升液管中的扒渣，測量液面高度，密封性試驗，配模，緊固模具等；3) 澆注：包括升液，充型，結晶凝固，放氣解壓等四個過程；4) 脫模：包括松型脫模和取件。升液管上涂料升液管的加熱和裝配密封蓋準備熔化除氣精煉爐前檢驗金屬的熔煉砂模造型造芯金屬型準備：表面清理噴刷涂料排氣道檢查裝配檢查模具預熱調節開合型速度和開合型的順序控制（并調節控制鑄件凝固后的靜止時間）開關型控制臺坩鍋的密封（裝配密封蓋）扒去升液管中的浮渣測量液面高度做密封性試驗并澆注試棒配模 合型澆注升液 充型 保壓 放氣脫模取件清理工作臺面和升液管內浮渣鑄件清理通過氣動元件來調節澆注各階段的壓力參數，以控制其澆注工藝氣動控制臺成品圖23 低壓鑄造工藝操作過程通過圖23可以了解低壓鑄造的工藝流程的操作過程。這些工藝中不同工序之間的相互作用，直接影響鑄件的質量和生產效率。有些工序若操作不慎，會增加不必要的時間浪費，降低勞動生產效率，例如坩鍋密封不好，會使氣體泄漏，影響進氣壓力參數的正?？刂?，泄漏嚴重的需要反工。模具裝配不當，澆注時會漏箱跑火，不僅使鑄件報廢，嚴重的還會使整天的生產受到影響。2.3低壓鑄造的特點由于液態金屬是在壓力推動下進入型腔，并在壓力作用下結晶凝固進行補縮，其充型過程既與重力鑄造法不同，也不同于高壓高速充型的壓力鑄造。低壓鑄造形成了某些獨特的優點。其主要特點如下：1) 液態金屬充型比較平穩。由于低壓鑄造采用底注式充型，且充型速度容易控制，相對減少了液態金屬澆注時的飛濺、對型壁和型芯的沖刷及氧化夾雜等鑄造缺陷。同時，型腔內液流與氣流方向一致，減小了產生氣孔缺陷的可能性。2) 鑄件成形性好。低壓鑄造時液態金屬是在外界壓力作用下強迫流動的，提高了液態金屬的充填性，有利于形成輪廓清晰、表面光潔的鑄件，這對于薄壁葉片和大型復雜薄壁鑄件的成形更為有利。3) 鑄件組織致密、力學性能高。因為鑄件是在壓力作用下結晶凝固，大幅度提高了補縮效果，從而提高了鑄件的力學性能。如鑄件的抗拉強度和硬度比重力鑄造提高約10左右。由于鑄件組織致密，鑄件的氣密性、耐壓性都得到提高，這對于要求耐壓和防滲漏的鑄件具有明顯效果。4) 提高了液態金屬的工藝出品率。由于低壓鑄造利用壓力充型和補縮，簡化了澆冒口系統的結構，使工藝出品率可提高到90左右。5) 生產效率高，加工余量小，機械加工工時少。6) 低壓鑄造對鑄型材料沒有特殊的要求，凡可作為鑄型的各種材料，都可以用作為低壓鑄造的鑄型材料。7) 設備簡單、便于制造、投資少、占地面積小、易于實現機械化、自動化生產。8) 改善了澆注時的勞動條件。在低壓鑄造的澆注過程中，操作人員只要控制氣閥或按動電鈕就可以進行了。同時，澆包置于密封的壓力罐中，也減少了高溫合金液對人體的熱輻射，有利于工人的健康。同時，低壓鑄造的缺點是坩鍋和升液管長時間被液態金屬侵蝕，使用壽命較短。另外，鋁合金液容易增鐵。2.4 低壓鑄造工藝規范低壓鑄造的工藝規范包括預壓、充型、增壓、保壓、模具預熱溫度、澆注溫度，以及模具的涂料等內容。1) 預壓和預壓速度預壓壓力是指當金屬液面上升到澆口附近所需要的壓力。金屬液在升液管內的上升速度應盡可能快，同時也需要避免金屬液在進入澆口時不致產生噴濺。2) 充型壓力和充型速度充型壓力是指使金屬液充型上升到鑄型頂部所需的壓力。在充型階段，金屬液面上的升壓速度就是充型速度。3) 增壓和增壓速度金屬液充滿型腔后，再繼續增壓，使鑄件的結晶凝固在一定大小的壓力作用下進行，這時的壓力叫結晶壓力。結晶壓力越大，補縮效果越好，最后獲得的鑄件組織也愈致密。但通過結晶增大壓力來提高鑄件質量，不是任何情況下都能采用的。4) 保壓時間保壓時間是指型腔壓力增至結晶壓力后，并在結晶壓力下保持一段時間，直到鑄件完全凝固所需要的時間。如果保壓時間不夠，鑄件未完全凝固就卸壓，型腔中的金屬液將會全部或部分的回流，造成鑄件報廢。如果保壓時間過久，則澆口殘留過長，這不僅降低了工藝收得率，而且還會造成澆口被堵死，使鑄件出型困難，故生產中必須選擇適宜的保壓時間。5) 鑄型溫度及澆注溫度低壓鑄造時，因為金屬液體的填充條件得到改善，且金屬液體直接自密封保溫坩鍋進入鑄型，故澆注溫度一般比重力鑄造澆注溫度低1020。當采用金屬型鑄造鋁合金鑄件時，鑄型的工作溫度為200250。鑄造復雜的薄壁鑄件時，鑄型的工作溫度可以提高到300350。6) 涂料在金屬型低壓鑄造時，為了提高其壽命及鑄件質量，必須刷涂料。涂料應均勻，涂料厚度要根據鑄件表面光潔度、鑄件結構及鑄件的冷卻方向來確定。此外，保溫坩鍋也應噴涂涂料。因升液管長期浸在液體金屬中，增加了鋁合金溶液中的含鐵量，降低了鑄件的力學性能。所以，應先將升液管的內、外表面預熱至200左右，再涂刷一層較厚的涂料。3 模具總體方案設計3.1 鋁合金輪轂低壓鑄造模具一般方案在輪轂的制造過程中，鑄件毛坯質量對于鋁合金輪轂的整體質量有著很大的影響。毛坯鑄造的好壞，直接影響輪轂的加工和其使用性能。而鑄件毛坯的質量又取決于合金的選擇、模具質量、熔煉工藝、合金變質和熱處理等一系列工藝控制過程。在這其中，模具又是成型輪轂的關鍵工藝裝備，其結構的設計與優化是輪轂生產的工藝關鍵。根據輪轂零件的不同，鑄造輪轂的方法也不盡相同，其模具的總體方案也要根據零件的實際情況而定。如果輪轂結構復雜，則需要模具增加相應的成型鑲塊，其頂出裝置也要根據零件的復雜程度來設計。在冷卻系統方面，也要根據實際情況，可采用有循環水冷卻系統或風、水共用系統以及風冷等方式。在排氣系統方面，由于模具結構的差異，其排氣方式也有很多不同之處。下面是鋁合金輪轂低壓鑄造的兩種模具結構：例如，圖3-1所示的是200整體式鋁合金輪轂低壓鑄造模具結構。圖中可以看出，在這個模具中采用了上下模冷卻環組件的設計，使鑄型的冷卻充分。設計了分流錐，使金屬液充型速度加快。上模連接環使上模與上模座很好的連接。圖3-1 整體式鋁合金輪轂低壓鑄造模具結構圖1.下模冷卻環組件 2.下模 3.側模 4.鐵澆口套5.上模冷卻環組件 6.上模 7.分流錐 8.上模連接環該模具屬于典型的金屬型型腔模具。模具包括成型系統、鑄型排氣系統、澆注系統、冷卻系統和頂出系統五大組成部分。在澆口與分流錐之間，設置有過濾網，分流錐設計為（平）圓頂，以頂住過濾網，過濾網一模一件以濾渣，還可避免紊流。本模具冷卻位置在輪轂的熱節處，模具外圍設置保溫棉，以均衡冷卻過程，模具采用水冷卻方式。冷卻部位主要集中在車輪輪輻、中心澆口處，而輪輞部位則無須冷卻系統。在模具的上方設置有吊耳機構，便于將模具吊裝到鑄造機上。在頂出系統的設置中，設置了相應的頂桿系統，將鑄件在模具分模時頂出鑄型。另外，圖3-2所示的是輪轂低壓鑄造模具結構圖這種低壓鑄造模具結構也是一種典型的模具結構，是一種適用于常規機臺的低壓鑄造模具，它按系統也分為澆注系統、冷卻系統、頂出系統和成型系統，按模塊功能又可分為結構件、成型件、標準件。成型件是參與制品成型的零件及部件，結構件則為除成型件外的組成一副完整型腔模具的部分，它包含導向部分、頂出部分和模具固定連接部分。而在標準化設計中則將原成型件分解為成型鑲件和成型標準件。成型鑲件由圖3-2中上模鑲塊6、上模芯8、分流錐7、下模塊3及澆口套4等組成。圖3-2 輪轂低壓鑄造模具結構1. 下模板 2. 陶瓷澆口套 3. 下模塊 4. 澆口套 5. 側模 6. 上模鑲塊 7.分流錐 8. 上模芯 9. 模芯壓板 10. 上模體 11. 三角導向塊 12. 上模固定塊 13.推桿固定板 14. 推板 15.上模板另外，該模具的側模為四開模，有三角導向塊，澆注系統采用陶瓷澆口套，使它的硬度大為提高。根據零件的復雜程度，加裝了模芯和模芯壓板。冷卻系統為風冷，而對于不同的生產廠家及設備而言，另有導柱卡裝式模具結構，冷卻系統也有循環水冷卻系統或風、水共用系統。3.2 模具總體方案設計與對比3.2.1 零件輪輞的主要形式輪輞是摩托車輪轂與外輪胎直接接觸的部件，它的幾何形狀較為復雜，并且已經形成了統一的標準。根據國家標準，摩托車輪輞系列GB1320291，輪輞的類型分很多種，主要有圓柱型（WM型）、5斜底式（MT型）、斜底式（直邊式）、對開槽式以及深（槽）式。圖3-3 所示的是5斜底式圈座輪輞（MT型），這種型號的輪輞適用于代號標志系列和公制80、90和100系列的摩托車輪胎。它的特點是，輪輞的外形是由一些半徑較小的圓弧組成，并且在輪輞上有凸峰（R5.5處）和斜度（51）。這些特點可以使輪輞與外輪胎的連接有很好的穩定性。圖3-3 5斜底式圈座輪輞（MT型）圖3-4 所示的是圓柱型圈座輪輞（WM型），這種輪輞適用于代號標志系列，也適用于公制80、90和100系列的摩托車輪胎。這種型號的輪輞底部由弧形代替了MT型底部平底的形式，但沒有凸峰和外形線傾斜的設計，在與外部輪胎相連接時，穩定性沒有那么好。圖3-4 圓柱型圈座輪輞（WM型）3.2.2 輪轂零件的分析輪轂零件圖如圖3-5所示。由零件圖可以看出，該輪轂雖然結構較為復雜，但它的對稱度很好，輪輞采用5度斜底式圈座輪輞（MT型）。輪轂有三個成120度的加強筋，輪轂中部設有花鍵連接，整體壁厚沒有非常薄的地方，鑄造性良好，且容易出模。該輪轂的輪輞與輪盤整體成型，是一件式鋁輪轂。圖3-5 鋁合金輪轂零件圖 圖3-6 鋁合金輪轂零件實體圖 3.2.3 鑄件毛坯的工藝分析鑄件毛坯的工藝性，是指鑄件毛坯對鑄造工藝的適應性，即鑄件毛坯的形狀結構等是否符合鑄造工藝的要求。鑄件毛坯的工藝性好壞，直接影響鑄件的質量、材料利用率、生產率、模具制造難易、模具壽命、操作方式及鑄造設備的選用。鑄件毛坯的形狀結構要適合于模具的脫模，在鑄件的脫模方向上不能有阻礙鑄件脫開的凸臺、斜度等結構。若存在少部分這種情況，則要求模具能夠采用鑲塊，來輔助鑄件的脫模。只有滿足了脫模這個基本條件，才可以說鑄件毛坯的結構形狀基本上合理。但即使鑄件模具通過鑲塊的輔助能夠脫模，但這種鑄件毛坯的工藝結構還是不夠合理。實際中應盡量避免鑄件毛坯出現這種有阻礙鑄件脫模的結構，盡量使鑄件毛坯的形狀結構簡單，甚至要求鑄件毛坯在脫模方向上的結構形狀有一定的傾斜度，這樣就更有利于鑄件毛坯的脫模。另外，在鑄件毛坯的形狀結構中，不同型面的連接處要有一定的圓弧過渡，這個工藝要求是為了模具制造的方便以及脫模的方便。圖3-7 鑄件毛坯圖圖3-7所示的是輪轂鑄件的毛坯圖，與輪轂零件圖（圖3-5）相比，該毛坯中將一些不利于鑄造成型的地方增加了余量。如不鑄造處花鍵處的臺階，制動襯套處的臺階和凹槽也不易直接鑄造出來。另外，輪輞與輪轂中部相連的加強筋處，一些地方都有圓弧過渡。輪轂鑄件毛坯圖中的其它地方的結構形狀還是比較合理的，沒有影響鑄件脫模的地方，毛坯的鑄造工藝性良好。3.2.4 模具總體方案1摩托車輪轂屬于復雜零件，存在壁厚較薄的地方。但由于零件的對稱度較好，又是使用低壓鑄造，所以，相比較其它鑄造方式或低壓鑄造其它模具形式而言，其模具總體結構沒有非常復雜的地方，如復雜的冷卻系統和澆注系統。根據低壓鑄造的特點，并結合本零件的結構，在模具中不需設置結構復雜的冒口，澆注系統也大為簡化。澆注系統有很多種形式，按金屬液導入方式分為切向澆注、徑向澆注；按澆口位置分為中心澆注、頂澆注和側澆口；按澆口形狀分為環形澆口、縫隙澆口和點澆口；按橫澆道過渡區形式分為扇形澆道系統和錐形切線澆道系統。圖3-7 所示的是方案1的模具裝配圖，該方案采用中心澆注方式，鋁液通過模具底部的澆注口進入型腔。橫澆道由輪轂自身的三個加強筋來代替，由于鑄件中輪輞部分沒有特別細小的型腔，所以也沒有設置直澆道和內澆道。澆口形式非常簡單，只設置了澆注過道和過道外環。通過鑄型本身的形狀，即可使鋁合金液體充分充滿鑄型，液體也不會產生紊流。圖3-8 模具裝配圖（方案1）在模具中使鑄件從模具的成型零件中脫出的機構，稱為推出機構。推出機構一般由推出元件（如推桿、推管、卸料板、成型推塊、斜滑塊等）、復位元件、限位元件、導向元件、結構元件等組成。推出機構的基本傳動形式分為：機動推出、液壓推出器推出和手動推出三種。本方案中，由于鑄件形狀對稱，強度適中，便于推出，所以采用了機動推出方式。推出機構的結構形式，按動作分為直線推出、旋轉推出、擺動推出；按機構形式分為推桿推出、推管與推叉推出、卸料板推出、斜滑塊推出及其他推出機構。在本鑄型中沒有管狀的部件，也沒有較大的平面，所以不易采用推管、推叉推出機構和卸料板推出機構。由于鑄型有圓環狀型面，利于推桿進行推出和布置推桿的位置。所以推桿推出機構是本方案最佳的選擇，其他機構基本都不適宜。另外，鑄件的外形比較規則，沒有比較復雜的幾何形狀，主要以直線型線型為主，所以動作方式采用直線推出方式。壓鑄模的動模與定模的結合表面通常稱為分型面。模具一般只有一個分型面，但有時由于鑄件結構的特殊性，或者為滿足壓鑄生產的工藝要求，往往需要再增加一個或兩個輔助分型面。分型面一般分為單分型面和多分型面，單分型面又分為直線、傾斜、折線和曲面分型面。多分型面則分為雙分型面、三分型面以及組合分型面。分析本課題的輪轂零件后，認為零件形狀對稱，故采用直線型單分型面。另外，由于在該輪轂鑄件的輪輞結構中，輪輞中部的直徑尺寸比外圍的直徑尺寸要小。所以在模具的設計中就不能只采用上下模合模方式，如果采用這種方式，則當在鑄件凝固后開模的過程中，鑄件無法和模具脫開，顯然是不合理的設計。介于這種情況，在方案1中除了使用了上、下模，還采用了邊模的設計。將邊模設計成輪輞的外型形狀，這樣在開模的過程中就不會產生鑄件無法脫開模具的情況，解決了設計不合理的問題。在本方案中，輪轂的形狀不很復雜，鑄造工藝性好，其鑄件對模具溫度控制的要求不高，模具溫度在較大范圍內變動仍能生產出合格的鑄件。另外，該模具中沒有特別容易過熱的部位，如沒有直澆道、型芯、凸出部位等需要考慮快速冷卻的地方。再加上模具的散熱性比較好。所以，本方案中的冷卻方式不必采用水冷等方式，采用風冷就能滿足模具散熱的要求。模具內不必采用冷卻裝置，結構簡單。3.2.5 模具總體方案2及與方案1的比較圖3-8所示的是模具總體方案2，方案2與方案1的主要不同之處是在鑄件的型腔位置方面。方案1中，鑄型中部有待充型的空間較大，澆口澆注的面積較大，有利于鋁合金液體迅速的充型，輪輞外圈部分也能較快的充滿鋁合金液。這種設置比較合理。而在方案2中，型腔的形狀與方案1相比是對稱放置，在澆注口附近只有很小的一個圓環面積可供鋁合金液體壓入型腔中，這樣則在充型結束后，輪輞中有些地方可能充型不足，或者產生液體的紊流。這些都會在很大程度上影響輪轂的質量。另外，在方案2中的澆注系統與下模接合的部分，澆注過道固定環與下模無法很好的連接。若用螺釘在圖示位置與下模連接，則下模的形狀就不夠合理，甚至難以加工出下模。圖3-8 模具裝配圖（方案2）方案2中的其它設計與方案1基本相同。澆注系統仍然采用中心澆注，從鑄型的底部開始充型；推出系統仍采用推桿推出系統，進行直線式推出；分型面也為直線型分型面，分型面在鑄型的中部；模具方式采用上模、下模和邊模的方式。在將兩種方案進行對比后，認為方案1在澆注系統的設計方面比方案2更為合理。所以，本設計采用方案1。3.3 模具的動作方式為了便于看清楚模具的分模和合模是如何動作的，是如何達到將鑄件推出和模具復位的作用。下面根據幾幅模具的動作示意圖來分析模具的基本動作方式。在示意圖中，整個模具的各個部分都采用了簡化的畫法，一些細節的部分均為畫出。頂桿和螺紋連接等地方都用一條直線表示，鑄件輪廓用虛線表示，其形狀也采用了簡化畫法。圖中箭頭表示模具的移動方向。3.3.1 模具的分模動作方式如圖3-9所示，模具整體是放置在低壓鑄造機（圖中未畫出）中的，其中下模3連接在下模座2上，而下模座2又固定在低壓鑄造機的工作臺1上。這樣在分模時，下模3則是固定在鑄造機的工作臺1上，不會向上移動。圖3-9 上模分模示意圖1. 工作臺 2. 下模座 3. 下模 4. 邊模 5. 導桿 6. 拉桿7.復位桿 8. 夾板 9.頂桿 10. 上模座 11.上模 在上模部分，模具上模11與上模座10相連，而上模座10與低壓鑄造機的拉桿6相連。模具在進行分模時，上模與上模座一起在鑄造機拉桿6的作用下向上移動，這其中，導桿5起到導向作用。與此同時，頂桿9和復位桿7在夾板8的作用下固定不動。這樣，頂桿9與上模的向上移動相比較就產生了向下的相對運動，從而將鑄件從上模中頂出。在上模向上移動的過程中，上模也會帶動邊模向上移動，從而帶動了鑄件的向上移動，使鑄件從下模中脫出。 另外，如圖3-10所示的是邊模脫開的過程。當上模隨低壓鑄造機向上移動，鑄件從上下模具中脫開的同時，邊模也分為四塊向外脫開。至此，則完成了鑄件從模具中脫模的全過程。圖3-10 邊模分模示意圖1. 工作臺 2. 下模座 3. 下模 4. 邊模 5. 導桿 6. 拉桿7.復位桿 8. 夾板 9.頂桿 10. 上模座 11.上模 3.3.2 模具的合模復位動作方式當鑄件從模具中脫出后，模具在完全冷卻后，將進行合模。合模的運動方式基本和分模的運動相反，在這個過程中，起主要作用的是復位桿。如圖3-11所示，在合模的過程中，上模11與上模座10在低壓鑄造機的拉桿6的作用下向下運動。此時，由于夾板8、頂桿9以及復位桿7等部件均固定在固定板（圖中未畫出）上，所以它們的相對位置在整個合模過程中不變，沒有產生任何運動。其中，復位桿7的下端一直頂在下模的上表面，這樣在上模11和上模座10向下運動時，由于復位桿7頂在下模3的上表面上不動，從而產生了向上的相對運動，使夾板8、固定板以及頂桿9等部件復位。圖3-11 合模示意圖1. 工作臺 2. 下模座 3. 下模 4. 邊模 5. 導桿 6. 拉桿7.復位桿 8. 夾板 9.頂桿 10. 上模座 11.上模 4 模具設計4.1 鑄件的材料及其性能本課題中鑄件的材料牌號為：ZL101A。其合金牌號為：ZALSi7MgA(鑄造工程師手冊第一版342頁 表4-54)。鑄造鋁合金對各種鑄造工藝的適應性都很好，可以用于砂型鑄造、金屬型鑄造、熔模鑄造、殼型鑄造、低壓鑄造、壓鑄、連續鑄造、觸變鑄造等。同一牌號的合金，用不同工藝鑄造，其力學性能有所不同。ZL101A屬于鋁硅合金，鋁硅合金有良好的鑄造性能，經變質處理和熱處理后，有良好的力學性能和耐蝕性能，是應用最廣的鋁合金。4.2 機械加工余量的確定機械加工余量是為了保證鑄件機械加工面尺寸和零件加工精度，在設計鑄件和鑄造工藝時，預先增加并在機械加工時應予以切除的金屬層厚度。鑄件的加工余量數值按照有加工要求的表面上最大基本尺寸和該表面距它的加工基準間尺寸兩者中較大的尺寸所在尺寸范圍，從鑄件加工余量表中選取。另外，鑄件的不同加工表面，可以采用相同的加工余量數值。在本輪轂鑄件中，有加工要求表面中基本尺寸最大的為直徑281.2。根據鑄造工程師手冊，選取加工余量等級為DF，則根據直徑281.2查表，選取本鑄件的機械加工余量為單邊2.5mm 。在鑄件的個別地方有些余量比2.5mm大，這種情況根據實際情況而定，具體見毛坯圖。4.3 鑄件收縮率的確定鑄件在凝固和冷卻過程中，體積一般要發生收縮，即體收縮。固態下的收縮量常以長度表示，稱為線收縮，以模樣與鑄件的長度差除以模樣長度的百分數表示，即： (%)式中 K 鑄造收縮率； L模樣尺寸； L鑄件尺寸；鑄造收縮率不僅與鑄造合金的種類及成分有關，而且還與鑄件結構的復雜程度和尺寸大小、鑄型種類、澆冒口系統結構等因素有關。對于大量生產的鑄件，應通過試生產測量鑄件的實際尺寸，求出鑄件各部位、各方向的實際收縮率，修正模樣。單件、小批量生產的鑄件，一般根據生產中長期積累的經驗來選取鑄造收縮率，形狀復雜的鑄件，可以考慮采用工藝補正量，適當加大機械加工余量等措施，保證鑄件的尺寸合格。根據鑄造工程師手冊，表6-24，可知鋁硅合金的自由收縮率為1.01.2，受阻收縮率為0.81.0 。4.4 起模斜度的確定為了在鑄型凝固后，便于鑄件從模具中取出而不損壞模具或鑄件，應該在模具的相映位置設置一定的傾斜角度，即起模斜度。起模斜度的設置可以根據鑄件的實際情況來定。在鑄件本身有結構斜度的地方，則不必設置起模斜度。當鑄件的結構斜度不足或者鑄件的結構影響了鑄件的脫模時，則必須設置一定斜度的起模斜度或者增加模具鑲塊，來解決鑄件脫模困難的問題。在本鑄件中，鑄件的幾何形狀大部分不會影響鑄件的脫模，但也有一些地方的幾何形狀與模具脫模方向平行，不利于鑄件脫模。所以，在設計上下模具時，這些地方在脫模方向上都增加了一定起模斜度。根據經驗和鑄件的實際情況，將起模斜度定為3，具體見模具裝配圖，其中未注起模斜度為23。4.5 分型面的確定選擇鑄件的分型面涉及鑄件的形狀和技術要求、澆注系統和溢流系統的布置、鑄造工藝條件、鑄造模具的結構和制造成本、模具的熱平衡等因素，這些因素難以兼顧，故應綜合這些因素來考慮分型面的確定。選擇分型面應注意如下要點：1) 開模時保持鑄件隨動模移動方向脫出定模；2) 有利于澆注系統、溢流系統和排氣系統的布置；3) 要求不影響鑄件的尺寸精度；4) 簡化模具結構；5) 避免鑄造機承受臨界負荷，并要考慮鑄造合金的性能；在選擇鑄件的分型面時要綜合考慮以上要點，從而確定分型面。另外，分型面有如下分類。1) 在單分型面類別中又分為直線型、傾斜型、折線型以及曲線型分型面。2) 在多分型面中又分為雙分型面、三分型面以及組合分型面根據以上選擇分型面的方法，選擇鋁合金鑄件的分型面如圖4-1所示圖4-1 分型面示意圖圖 4-3所示的是鑄件模具的分型面示意圖。圖中黑色粗線代表了分型面，這種設計對本鑄件來說比較合適。上、下模具在分模時均不會影響鑄件，且分型面在鑄件斷面輪廓較大的地方，屬于直線型單分型面。另外，分型面在上、下模內的深度也不深，有利于鋁合金液體順暢的進入型腔，這樣設置模具結構簡單。4.6 模架的設計模架是固定和設置成型鑲塊、澆道鑲塊、澆口套以及導向零件等的基體。雖然在低壓鑄造中，一般沒有成型鑲塊以及澆道鑲塊，但模架在這里也是不可缺少的。它是模具和鑄造機連接所必須的基本“骨架”，其主要構件有夾板、上下模座、支撐板以及定位銷、導向塊、緊固零件等。在圖3-7中所示的方案中，該模架有足夠的剛性，在承受鑄造機鎖模力的情況下，不易發生變形。這種設計不過于笨重，便于裝卸、修理和搬運，并減輕了鑄造機的負荷。4.7 冒口的設計4.7.1 冒口設計的基本原則冒口是鑄型內用以儲存金屬液的空腔，其功能是多方面的。功能不同的冒口，其形式、大小和開設位置均不同。所以冒口的設計要充分考慮鑄造合金的性質和鑄件的特點。1) 對于凝固溫度范圍寬，不產生集中縮孔的合金（如錫青銅），冒口的作用主要是排氣和收集液流前沿混有夾雜物或氧化膜的金屬液。這種冒口多置于內澆道的對面，其尺寸也不必太大。2) 對于要求控制顯微組織的鑄件，冒口可以收集液流前沿的過冷金屬液，避免鑄件上出現過冷組織。典型的例子是單位鑄造活塞環時所用的冒口。有些鑄件易出現白口組織的部位，也可開設這樣的冒口。3) 對于凝固期間體積收縮量大，日趨向于形成集中縮孔的合金（如鑄鋼、錳黃銅和鋁青銅等），冒口的主要作用是補償鑄件的液態收縮和凝固收縮，以得到致密的鑄件。4.7.2 冒口設置的原因由于在輪輞上容易產生縮松與裂紋，所以在相應的部位必須設置合適的冒口，以解決這些缺陷的產生。圖4-4所示的是輪輞示意圖，可以看出，輪輻起到了內澆道的作用，金屬液連續沖刷側型，使A處過熱，輪輻截面較薄先于輪輞凝固，A處就產生了縮松或裂紋。上、下型三角形芯塊溫度高、散熱慢，且B處離輻條內澆道較遠，輻條先凝固，B處也會因得不到補縮而產生縮松或裂紋。在A、B處將涂料刮薄雖有利于散熱、加快金屬液凝固，但不能根本消除縮松、裂紋等缺陷。采用冒口設置可以有效的解決縮松、裂紋等缺陷。圖4-4 輪輞示意圖4.7.3 冒口的設置與原理分析在輪輻與輪輞的交接處、輪輞上部（澆注位置方向）設置冒口，冒口既能延緩交接處凝固以加長輪輻補縮通道作用時間，又能對輪輞（包括上圖A、B兩處）進行補縮。具體方法是在上型相應位置開設暗冒口，其上部設置有保溫材料，且限定通氣塞的排氣量。這樣在低壓鑄造中，保溫暗冒口的作用優于同等尺寸普通明冒口：1) 保溫暗冒口使冒口內的金屬液與補縮區域金屬液溫度梯度增大；2) 暗冒口既能在充型時蓄藏大量的氣體，又能在冒口內金屬液面上形成壓力（反彈壓力），使冒口變成加壓冒口。如圖4-5所示，壓力冒口原理分析如下：根據氣體狀態方程 若是等溫狀態則 式中 P充型前冒口型腔中氣體壓力 V冒口型腔體積 P充型后冒口型腔中的氣體 V冒口型腔中儲藏空氣部分的體積圖4-5 金屬型冒口型腔示意圖若冒口型腔V儲藏的不僅是充型前V所容氣體，還有金屬型型腔其余部位的氣體，以及考慮到氣體在冒口V中被鋁鎂合金液加熱膨脹的因素，氣體壓力P實際上更大。保溫暗冒口補縮效果明顯，圖4-4中A、B處縮松、裂紋消除。而且，幾個冒口的總重對輪轂鑄件的重量影響不大。4.8 推出機構的設計4.8.1 推出機構的組成及特點在本課題中推出機構采用了推桿推出機構，該機構中心頂桿、邊頂桿、復位桿、夾板以及頂板等部分組成。如圖4-6所示圖中的這種推桿系統的設計，分布較為合理，有如下好處:中心頂桿和邊頂桿都布置在輪轂的圓環表面上，使鑄件各部位的受推壓力均衡；鑄件有深腔和包緊力大的部位，選擇了一定數量的推桿，使推桿兼有排氣作用；沒有在鑄件的重要表面和基準表面設置推桿；推桿的推出位置沒有與其它部件相干涉。圖4-6推出系統示意圖4.8.2 推出距離的計算參考壓鑄模設計手冊表8-2，可以計算推桿推出的距離是否合適。圖4-7 推出距離的計算如圖4-7所示：1) 時，；2) 時，；3) 使用斜鉤推桿時 式中 滯留鑄件的最大成型長度（mm）。當凸出成型部分為階梯形時，值以各 階梯中最長一段計算 S直線推出距離（mm）。當出模斜度小或成型長度較大時，S取偏大值 K 安全值 （一般取35mm）由于本鑄件的模具中H值約為30.5mm ，大于了20mm ，所以選用公式2。即，時，所以經計算得 實際中S30mm 滿足要求4.8.3 推桿截面積的計算推桿直徑是按推桿斷面在鑄件上允許承受的受推力p決定的。推桿在推出鑄件的過程中，受到軸向壓力，因此必須計算推桿直徑，同時校核推桿的穩定性。推桿截面積的計算公式參考壓鑄模設計手冊公式（8-2），即式中 A 推桿前端截面積（mm）； 推桿承受的總推力（N）； n 推桿數量； 許用受推力，參考壓鑄模設計手冊表8-3 選取50MPa 當n1時，可以繪制出圖4-8所示的推桿直徑與推出力關系圖。1) 中心頂桿截面積的計算根據設計方案及裝配圖，共使用6個中心頂桿，則n6結合生產實際，在考察車間鑄造機后，取F24000N，則，每一根中心頂桿的受力為，F4000N。則查看下圖知，縱坐標4000N向上交于鋁合金曲線，得推桿直徑為9.6mm, 取d =10mm則 A=78.5 mm (取頂桿截面為圓形)2) 邊頂桿截面積的計算根據設計方案及裝配圖，邊頂桿共使用6個，則n6因為F24000N，則每一根中心頂桿的受力為，F4000N。查看下圖知，縱坐標4000N向上交于鋁合金曲線，得推桿直徑為9.6mm,取d =10mm則 A=78.5 mm (取頂桿截面為圓形)圖4-8 推桿直徑與推出力關系圖4. 9 尺寸公差的確定根據鑄造工程師手冊表6-25和表6-27，可以知道鑄造中鑄件的公差等級一般為IT7IT9級。結合本課題輪轂零件的實際情況，選取公差等級為IT9級。根據此公差等級，毛坯圖中線性尺寸58.5的公差根據查表6-25和表6-27后為T=2，則，確定該尺寸的公差為。直徑尺寸處，T3.2，則其公差為。在模具圖中，上下模合模處的徑向尺寸都需要標志偏差值，以保證制造出的模具能夠滿足零件的要求。在上下模需配合的地方，輪轂型面處的徑向尺寸的上偏差基本采用0，如上模圖中的、等處。其余的徑向尺寸基本采用對稱公差，如下模圖中的、等處。另外，在上下模中的孔或螺紋需要互相配合的地方，在模具圖中都標注了配作的方式。如下模具圖中（與上模配鉆）、（與下模座配鉆）等。以上公差和配合的標注具體見圖紙所示。4. 10 涂料的使用低壓鑄造方法由于金屬液的上升速度和結晶壓力都可以根據鑄件的大小、結構和性能要求來選擇，所以可適用于各種鑄型，但基本仍以金屬型和砂型用得最多。為了達到提高鑄件表面質量等一系列目的，在低壓鑄造中使用涂料是十分重要的手段。使用鑄造涂料的一個重要目的，就是降低鑄件表面粗糙度。通過改善鑄型工作表面的質量，還可以減少粘砂、砂眼、麻點等鑄造缺陷。另外，涂料還有其它重要作用。1）涂料中的有機物和其他易分解成分受熱分解，為型腔創造特定的、恰當的氣氛，以防止鑄件表層增碳或被氧化。2）調整鑄件的表面成分和表面結構。3）為某些剛性較強的鑄型提供一個變形層，以削弱鑄件的內應力，減少開裂，并可以改善鑄型的排氣條件。4）為金屬型提供保護層，從而提高鑄型使用壽命。5）改變鑄型各部分的熱導率，從而便于實現鑄件的順序凝固。6）作為分模劑和潤滑劑，便于金屬型的開合模和鑄件的取出。由于本模具為金屬型模具且屬于厚大件，所以涂料粒度不宜過細，且粒度分布集中。選用石墨基的涂料。5 邊模的加工工藝設計5.1 定位基準的選擇定位基準的選擇在工藝規程制定中直接影響工序數目、各表面的加工順序、夾具結構及零件的精度。 定位基準分粗基準和精基準，用毛胚上未加工的表面作為定位基準稱為粗基準，使用經過加工的表面作為定位基準稱為精基準。在制定工藝規程時，應先進行精基準的選擇，保證各加工表面按圖紙要求加工出來，再考慮用什么樣的粗基準來加工精基準。5.1.1 精基準的選擇原則1) “基準重合”原則：盡量選擇加工表面的設計基準作為定位精基準。2) “基準統一”原則：若工件以某一組表面作為精基準定位，可以比較方便地在各工序中加工出大多數或所有其他表面，則應盡早把這一組基準表面加工出來，并達到一定精度，在后續工序中均以其作為精基準加工其他表面。3) “互為基準”原則：對某些位置精度要求高的表面，可以采用互為基準，反復加工的方法來保證其位置精度，這就是“互為基準”的原則。4) “自為基準”原則：對一些精度要求很高的表面，在精密加工時，為了保證加工精度，要求加工余量小而且均勻，這時可以已經精加工過的表面自身作為定位基準，這就是“自為基準”的原則。5) 便于裝夾的原則5.1.2 粗基準的選擇原則1) 保證相互位置要求原則：如果必須保證工件上加工表面與不加工表面的相互位置要求，則應以不加工表面作為粗基準。2) 余量均勻分配原則：如果首先要求保證工件某重要表面加工余量均勻時，應選擇該表面的毛胚面作為粗基準。3) 便于工件裝夾原則：選擇粗基準應使定位準確、夾緊可靠、夾具結構簡單、操作方便。4) 粗基準在一個定位方向上只允許使用一次原則：在兩次工件裝夾重復使用同一粗基準，會出現較大的位置誤差5.1.3 精基準和粗基準的確定1) 精基準：A表面如圖示零件許多加工面與A表面有形位公差要求，并且A面要比較光滑和平整，所以以其為精基準可以保證零件的加工要求。2) 粗基準：外面四個端面5-1輪轂邊模圖5.2 邊模表面加工工序確定5.2.1 加工工序順序的原則1) “先基面后其他”原則：前工序為后面工序準備好定位基準，故先盡量把精基準加工出來。2) “先主后次” 原則：先安排只要表面（指裝配基面、工作表面等），后安排次要表面（指鍵槽、螺釘孔等），但要放在最終的精加工和光整加工之前。3) “先粗后精”原則：主要表面的粗、精加工要分開，按照粗加工半精加工精加工光整加工順序安排工序。4) “先面后孔”原則：由于平面定位比較穩定，裝夾方便，一般零件多選用平面為精基準，因此總是先加工平面后加工孔。但有些零件平面小，不方便定位，則應先加工孔。5.2.2 加工階段的劃分 按加工性質和目的不同，工藝過程一般可劃分為粗加工、半精加工、精加工和光整加工四個階段。劃分原因是：1) 保證加工質量、粗精分開，有利于減少力和熱對精加工的影響；2) 及早發現毛胚缺陷；3) 便于安排熱處理工序；4) 合理安排使用機床。下列情況可不劃分加工階段：1) 加工精度要求不高、剛性足夠；2) 加工余量不大的工件；3) 裝夾、運輸不便的重型零件。5.2.3 邊模的工藝路線邊模是輪轂模具中的重要的組成部分，結構復雜，受力情況明顯，精度要求又比較高，邊模的加工精度直接影響到整個模具的精度和零件的成型，因此邊模加工工藝有著重要意義。 為了加工適合的邊模，采用了兩各方案進行對比篩選。方案一為組合加工，工藝為：領料退火檢驗粗加工各面精加工基準面半精加工各要求面劃線鉆孔攻螺紋淬火、低溫回火去毛刺加工精研磨線切割。方案二為單個加工，工藝為：領料退火檢驗粗加工各面半精加工各面劃線鉆孔攻螺紋淬火低溫回火去毛刺精加工各面研磨。方案二與方案一對比，方案二單個加工很難保證每塊的精度一至，組裝時會有很大偏差；加工繁瑣，很多工序可以一道完成，而方案二卻要一個一個來，嚴重降低生產效率，成本也增加，所以邊模的加工工藝選擇方案一。5.2.4 邊模的工藝規程工序00 領取鍛造毛坯工序05 調度，退火處理 工序10 調度，檢驗毛坯尺寸，和強度工序15 銑削，銑外表面，保證其粗糙度為Ra3.2工序20 銑削，粗銑粗基準面工序25 銑削，銑精基準面，保證其粗糙度為Ra1.6工序30 銑削，銑個要求面，保證垂直度，平行度和尺寸要求工序35 銑削，銑削表面凹槽，粗糙度為Ra1.6和尺寸要求工序40 車工，車內輪廓面，保證尺寸要求工序45 銑削，銑削內輪廓臺階面，保證粗糙度為Ra1.6，平行度和尺寸要求工序50 車工，鉆孔，攻螺紋工序55 鉗工，去毛刺，挫修孔，留研磨量工序60 熱處理，淬火、低溫回火，硬度4448HRC工序65 平磨，精磨上、下平面工序70 鉗工，去毛刺，研磨內孔工序75 檢驗工序80 線切割，將其分成四塊工序85 檢驗工序90 油封入庫6 總結1) 摩托車輪轂屬于生產工藝成熟的零件，在實際生活中有很多生產汽車或摩托車輪轂的工廠。但在設計中沒有進行實地考察，留下很大遺憾，對摩托車輪轂的生產過程，以及模具的認識都是通過指導老師的講解、查閱書籍、網上搜索資料等了解。為了對零件盒鑄造模具設計中的一些基本結構的有所了解，在這次