【正文】 CAE技術(shù)， CAE技術(shù)的推廣進(jìn)一步推動與輪轂相適應(yīng)的模具制造業(yè)的發(fā)展。通過本次奔馳汽車鋁輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)及模擬仿真， 和傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法所需要的時(shí)間相比，采用計(jì)算機(jī)虛擬輔助模具設(shè)計(jì)可打打縮短開發(fā)周期和生成成本。 aluminum wheels。有資料表明，輪轂質(zhì)量的減輕對于燃油經(jīng)濟(jì)性的提高效果要比減輕汽車其它部件的質(zhì)量要大的多，而且試驗(yàn)表明，汽車輪轂 (輪輛、輪輻部分 )在滿足其使用性能要求的基礎(chǔ)上存在著減輕質(zhì)量的潛力 [2]。輕了 30%— 40%，可節(jié)約油耗 5 %，汽車的振動程度可減輕 12%，加速時(shí)間可縮短 7 % ,明顯提高了整車性能、在摩托車、汽車行業(yè)鋁合金輪轂得到了廣泛的應(yīng)用，其裝車比例逐年上升，尤其是在轎車行業(yè)，整體式鋁合金輪轂幾乎一統(tǒng)天下 [3]。 重量輕：鋁材密度比鋼材小 ,鋁合金輪轂比同尺寸的鋼輪轂輕 ,平均 每只鋁合金輪轂比鋼質(zhì)輪轂要輕 2 公斤左右 ,由于輪轂重量輕 ,轉(zhuǎn)動慣量小 ,汽車的加速性能得到提高 ,剎車性能同樣得到提高 ,提升車子加速能力之余更可降低油耗。 強(qiáng)度大：強(qiáng)度大與重量輕是聯(lián)系在一起的 ,確切地說 ,應(yīng)該是比強(qiáng)度大。這對于安裝了高性能輪胎的車子尤為重要。 造型美，易加工：鋁的工藝性 (包括延展性、切削性能等 )較好 ，便于軋、壓、鑄、鍛加工，容易獲得理想的幾何形狀，可以制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的輪轂，便于成形、易于裝潢，配合機(jī)械加工、表面涂敷及表面處理 (氧化、噴丸、熱處理等 )，使它既提高了耐蝕性，又表現(xiàn)了造型美。然而，鋁的含 里在地殼金屬元素中列第一，并且提煉技術(shù)的進(jìn)步可促使價(jià)格下降，而且采用鋁合金輪轂使汽車的自重顯著下降，其帶來的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的 .因此，采用鋁合金輪轂是合算的。 安全性好：對于高速行駛的汽車來說，因輪胎著地摩擦、制動等發(fā)生的高溫爆胎、制動效能降低等現(xiàn)象不足為奇。 國內(nèi)鋁合金汽車輪轂發(fā)展?fàn)顩r 國內(nèi)于 20 世紀(jì) 80 年代中期開始涉足研制、生產(chǎn)和推廣使用鋁合金汽車輪轂 ,90 年代進(jìn)入發(fā)展期。 2021 年至今 ,由于中國汽車制造業(yè)的快速發(fā)展 ,跨國公司紛紛在中國投資設(shè)廠 ,或加入中國的鋁合金汽車輪轂的采購 ,中國鋁合金汽車輪轂產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了強(qiáng)勁的增長勢頭。已有少數(shù)廠家采用擠壓鑄造工藝 ,在質(zhì)量品質(zhì)上取得了良好的效果。同時(shí)，鋁輪是一個(gè)承受隨機(jī)疲勞載荷的旋轉(zhuǎn)薄殼結(jié)構(gòu)，上面開有孔洞，附有加強(qiáng)筋，形狀復(fù)雜，轎車在行駛中所受到的各種載荷向鋁輪的傳遞也十分復(fù)雜。鋁輪模具設(shè)計(jì)可分兩步 [21]： (1)設(shè)計(jì) 出符合要求的轎車鋁輪三維實(shí)體模型； (2)利用 Pro/E 軟件提供的功能，在鋁輪實(shí)體的基礎(chǔ)上進(jìn)行三維造型，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的鋁輪模具。 加工順序的安排應(yīng)根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)和毛坯狀況，以及定位安裝與夾緊的需要來考慮，重點(diǎn)是工件的剛性不被破壞。通過 Pro/E 生成二維圖形，經(jīng)過處理后形成二維工程圖，并在 MV610 機(jī)床 (SINUMERIK810D 系統(tǒng) )上數(shù)控銑削加工的NC 編程及刀路仿真廣州本田家用 轎車鋁輪轂零件鑄造模具底模。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE 軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域 占據(jù)重要位置。這一功能特性給工程設(shè)計(jì)者提供了在設(shè)計(jì)上從未有過的簡易和靈活。例如，一旦工程詳圖有改變， NC（ 數(shù)控 ）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應(yīng)在整個(gè) 三維模型 上。 輪轂方案的確定 Pro/ENGINEER 提供的設(shè)計(jì)理念將設(shè)計(jì)、制造、裝配以及生產(chǎn)管理融為一體，賦予“設(shè)計(jì)”完整的概念。輪轂?zāi)＞咴O(shè)計(jì)可分為兩步 : ①設(shè)計(jì)出符合要求的輪轂三維實(shí)體模型。汽車輪轂由鋼圈，輪輻，風(fēng)孔等組成。要有合理的鑄件壁厚，其最薄的部分應(yīng)保證液體金屬充滿。 鋁輪轂的設(shè)計(jì) Pro / E 三維實(shí)體建模是利用其強(qiáng)大的三維造型功能中的零件模塊實(shí)體特性， 遵循由線一面一實(shí)體的方式進(jìn)行的，汽車輪轂的外形三維實(shí)體的生成，其關(guān)鍵在于外形尺寸在 Pro/E 中的實(shí)現(xiàn)。 本模具考慮到年產(chǎn)量、工廠的設(shè)備及鑄件的精度要求，選擇一模一腔結(jié)構(gòu)。頂出機(jī)構(gòu)是推桿推出的一次脫出機(jī)構(gòu)。流動性的大小決定合金能否鑄造復(fù)雜的鑄件。 鋁輪轂的壓鑄模具設(shè)計(jì) 鋁輪轂擠壓模具設(shè)計(jì)前的相關(guān)知識 壓力鑄造是目前成型有色金屬鑄件的重要成型工藝方法。 壓鑄的主要優(yōu)點(diǎn)是： (1)鑄件的強(qiáng)度和表面硬度較 高。壓力鑄造的生產(chǎn)周期短 ,一次操作的循環(huán)時(shí)間約 5 s～ 3 min ,這種方法適于大批量生產(chǎn)。這是 由于加熱溫度高時(shí)，氣孔內(nèi)的氣體膨脹，導(dǎo)致壓鑄件表面鼓包，影響質(zhì)量與外觀。而對于鋼鐵材料，由于其熔點(diǎn)高，壓鑄模具使用壽命短，故鋼鐵材料的壓鑄很難適用于實(shí)際生產(chǎn)。 以下介紹的便是壓鑄行業(yè)中出現(xiàn)的新工藝技術(shù)。由于型腔抽氣技術(shù)的圓滿解決，真空壓鑄在 20 世紀(jì) 50 年代曾盛行一時(shí)，但后來應(yīng)用不多?？蓽p小澆注系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)尺寸。這說明氣泡中部分氧氣與鋁液發(fā)生了氧化反應(yīng)。這種三氧化二鋁質(zhì)點(diǎn)顆粒細(xì)小，約在 1μ m 以下，其重量占鑄件總重量的 %～ %,不影響力學(xué)性能，并可使鑄件進(jìn)行熱處理 [10]。（ 4）半固態(tài)壓鑄： 半固態(tài)壓鑄是當(dāng)金屬液在凝固時(shí)，進(jìn)行強(qiáng)烈的攪拌，并在一定的冷卻速率下獲得 50%左右甚至更高的固體組分漿料，并將這種漿料進(jìn)行壓鑄的方法。 (1) 模具梯度的確定，梯度是指模具輪輞型腔部分自上而下由薄增厚的趨勢，這種趨勢符合順序凝固要求。在確定輪輞厚度及梯度時(shí)，輪輞寬度是另一個(gè)需要考慮的因素，輪輞寬度大，則與冒口距離愈遠(yuǎn)，可 考慮適當(dāng)增加輪輞壁厚與梯度。按此種狀況推斷，增大模具賠厚可以獲得相對較長 時(shí)間的激冷效應(yīng)，囚而獲得較大厚度的優(yōu)質(zhì)組織層。由此進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)分析，過大的模具賠厚使筋條整體冷卻速度加快 (底模吸熱量較大 )，致使冒口向輪輞的補(bǔ)縮通道過早被阻塞，由于補(bǔ)縮不足而發(fā)生輪輻與輪姻相接處有較大縮孔，以及產(chǎn)生輪姻縮松缺陷而引發(fā)氣密性報(bào)廢嚴(yán)重的現(xiàn)象。在選擇底模賠厚時(shí)，以考慮利于外界冷卻條件對內(nèi)部溫度場的控制為主，因此取底模賠厚一般在 20~25mm 為宜。水冷方式冷卻速度快，可在一定程度上提高輪轂的力學(xué)性能，但需要解決冷卻管路由于頻繁的熱脹冷縮而產(chǎn)生的開裂問題，因此在管路焊接上藝上要求較高；風(fēng)冷是較為常用的冷卻方式。這對保證順序冷卻起著至關(guān)重要的作用，也是現(xiàn)場上藝調(diào)整的最大任務(wù)。從模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上克服筋條出現(xiàn)鑄造缺陷如縮松，縮孔，凝固時(shí)間較長，導(dǎo)致結(jié)晶粗大，偏析嚴(yán)重，在熱處理后力學(xué)性能，特別是延伸率較低。 (3) 在【布局】對話框中選著【坐標(biāo)系類型】菜單管理器，然后再【動態(tài)】命 令， 設(shè)置好【參照模型方向】對話框，單擊【確認(rèn)】按鈕。 (8)在【所有尺寸】項(xiàng)后設(shè)置各個(gè)方向的收縮率值為 。 (2) 選著剛創(chuàng)建的拉伸特征，選擇【編輯】和【鏡像】 命令，選著鏡像平面，單擊【確定】按鈕，其結(jié)果如圖 所示。 直澆道內(nèi)的金屬液經(jīng)分流錐導(dǎo)入型腔，流程最短，易于形成薄壁件鑄件，并避免了金屬液對型芯的直接沖擊?？梢缘玫椒至麇F如圖 所示： 圖 分流錐 (4) 在模型中單擊 分流錐右鍵，在彈出快捷菜單中選著【編輯定義】命令，在【元件放置】添加三個(gè)約束，單擊確定，其裝配效果圖如圖 所示： 圖 (5)最后對型腔元件進(jìn)行處理，添加溢流槽，對溢流槽進(jìn)行整列處理， 就可以得到由本次模具設(shè)計(jì)得到輪轂的效果圖如圖 所示： 圖 第 4 章 鋁輪轂頂模加工工藝和數(shù)控編程 引言 鋁合金輪轂的主要生產(chǎn)上藝有兩種：鑄造和鍛造。另外，也有個(gè)別廠家使用旋壓法和焊接組裝法成形。鋁輪頂?？傮w結(jié)構(gòu)不算復(fù)雜，主體為回轉(zhuǎn)體，上部有形狀基本規(guī)則的加強(qiáng)筋，并有四個(gè)固定 用孔。針對上述要求，不難看出該零件的加工難點(diǎn)主要為 :： (1)工件為回轉(zhuǎn)體，而加強(qiáng)筋為異形結(jié)構(gòu)，它在圓柱體上的均布性要求，采用一般方法很難達(dá)到加工要求，而采用數(shù)控加工的方法能保證加工質(zhì)量。 因此，為保證 鋁輪低壓鑄造模具上模的加工質(zhì)量，在實(shí)際生產(chǎn)中須采取特殊的工藝措施。這保證端部與圓柱體的光滑過渡，鋁輪低壓鑄造模具頂模的外圓留精加工余量，以便完成加強(qiáng)筋銑后再用輪廓銑走刀一次。 、余量分析 常用毛坯的種類有鑄件、鍛件壓制件、沖壓件、焊接件、型材和板材等。尺寸大的零件因受設(shè)備限制，故一般用自由鍛；中、小型零件可選用模鍛；形狀復(fù)雜的零件不宜用自由鍛。但焊接后變形大，需經(jīng)時(shí)效處理。 加工余量大小，直接影響零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率。其確定的方法有 ：經(jīng)驗(yàn)估算法、查表修正法、分析計(jì)算法。 該零件的加工余量如下：粗加工 余量為 ，半精加工內(nèi)輪廓單邊留 余量，半精加工外輪廓單邊留 余量。調(diào)質(zhì)處理后，使用陶瓷刀具進(jìn)行數(shù)控車削加工。 模具毛坯按照設(shè)計(jì)圖紙尺寸及技術(shù)要求，選擇 4Cr5MoSiV1 熱擠壓模具鋼作模坯。一般留有 的加工余量，表面粗 糙度為 。 鉆孔，按鉗工劃線位置，鉆定位銷釘孔、螺釘孔并攻絲。銑削加工的輪廓應(yīng)光滑，形位公差應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。 平磨，模坯的磨削加工主要是對底模的兩端面進(jìn)行平磨，以及對模芯進(jìn)行外表面磨削。 1試模、修模和氮化 在擠壓機(jī)上進(jìn)行熱擠壓試模，觀察出料及料頭端形狀，并按產(chǎn)品尺寸與技術(shù)條件要求，檢查擠壓制 品性能；對試模不符合要求的模具，應(yīng)按模具的試擠壓情況進(jìn)行修理后再試壓，直至擠壓出合格的輪轂為止；對熱擠壓試擠壓合格以及修模后合格的擠壓模具，在生產(chǎn)前應(yīng)進(jìn)行氮化處理，以延長模具的使用壽命。加工一個(gè)零件，用戶可 以創(chuàng)建多個(gè)加工坐標(biāo)系，但一次走刀只能使用一個(gè)坐標(biāo)系。各強(qiáng)筋板的尺寸計(jì)算和加工節(jié)點(diǎn)計(jì)算均比較困難，所以必須使用 Pro/E 軟件進(jìn)行編程。銑削加工時(shí)，由十多個(gè)均布加強(qiáng)筋的存在，要使用循環(huán)切削。而按專門化程度劃分來說，該零件使用的是立式數(shù)控銑床。刀具選擇總的原則是：安裝調(diào)整方便，剛性好，耐用度和精度高。且切削速度比高速鋼高4~10 倍，但其沖擊韌性與抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)比高速鋼差。精銑時(shí)，銑刀直徑要選大些，盡量包容工件整個(gè)加工寬度，以提高加工精度和效率，并減小相鄰兩次進(jìn)給之間的接刀痕跡。立銑刀的有關(guān)尺寸參數(shù)，推薦用下述經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選?。? ①刀具半徑 R應(yīng)小于零件內(nèi)輪廓面的最小曲率半徑， R一般取 R=(~)R。 選 擇的刀具如下： φ 80 盤銑刀 ，用于 外輪廓粗、精加工。 φ 鉆頭，用于φ 10H7 鉆孔。與之相對應(yīng)的是試切法加工，即試切一測量一調(diào)整一再試切，循環(huán)反復(fù)直到零件達(dá)到尺寸要求為止。典型的基準(zhǔn)統(tǒng)一原則是軸類零件、盤類零件和箱體類零件。 （ 5） 裝夾方便原則所選定位基準(zhǔn)應(yīng)能使工件定位穩(wěn)定，夾緊可靠，操作方便，夾具結(jié)構(gòu)簡單。這類基準(zhǔn)稱為輔助基準(zhǔn)。 切削用量及切削液的選擇 在一定切削條件下，合理選擇切削用量是提高切削效率、保證刀具耐用度和加工質(zhì)量的主要手段。側(cè)吃刀量 ca為垂直于銑刀軸線測量的切削層尺寸，單位為 mm，端銑時(shí) ca 為被加工表面寬度，圓周銑削時(shí) ca 為切削層深度。半精銑時(shí)端銑背吃刀量或圓周銑削側(cè)吃刀量取 ～ 2mm，精銑時(shí)圓周銑側(cè)吃刀量取 ～ ，端銑背吃刀量取 ～ 1mm。它與銑刀轉(zhuǎn)速 n、銑刀齒數(shù) Z 及每齒進(jìn)給量 zf (單位為 mm/z)有關(guān)。其原因是 zf 、 pa 、 ea 、 Z增大時(shí)，使同時(shí)工作齒數(shù)增多，刀刃負(fù)荷和切削熱增加，加快刀具磨損，因此刀具耐用度限制了切削速度的提高。根據(jù)公式（ 41）、（ 42）可得： 主軸轉(zhuǎn)速： n=1000 cV /d? =1000x100/=1990r/min 進(jìn)給速度： fv = zf Z n ==796mm/min 選用的參數(shù)如表 。 切 削該工件時(shí)使用的是硬質(zhì)合金刀具，由于它的耐熱性好，所以一般不使用切削液。因此程序編制中的工藝分析是一工 序 工序內(nèi)容 切削用量 工藝裝備及編號 吃刀量 主軸轉(zhuǎn)速 進(jìn)給速 度 刀具 量具 夾具 1 銑表 面 粗 2 560 120 ? 150的盤銑刀 游標(biāo)卡尺 機(jī)用平口虎鉗 精 1 980 80 2 外輪 廓 粗 2 2021 800 ? 10的立銑刀 精 1 3184 1273 精 1 1990 796 3 鉆中心孔 2 870 60 A2的中心鉆 4 攻螺紋 1 80 60 M10的絲錐 5 銑曲面 1000 30 R5的球頭銑刀 7 鉆 4 個(gè)通孔 8 1315 60 ? 8 對孔進(jìn)行精加 工 50 10 ? 10H7的鉸刀 項(xiàng)十分重要的工作。這是由于數(shù)控機(jī)床比普通機(jī)床價(jià)格貴，若只加工簡單工序在經(jīng)濟(jì)上不合算，所以在數(shù)控機(jī)床上通常安排較復(fù)雜的工序，甚至在普通機(jī)床上難以完成的工序。 表 鋁輪轂加工工藝流程 序 號 工序 名稱 工序內(nèi)容 機(jī)床 刀具 10 壓鑄 毛坯模型的壓鑄形成 模具 20 粗車外圓 車各段圓柱，鉆中間空，車端面，留加工余量 1mm 普通 車床 車刀 30 熱處理 去應(yīng)力退火 熱處理爐 40 半精車圓 車各段圓柱、中間孔及過渡圓弧，留精車余量 數(shù)控車床 陶瓷刀具 50 精車圓柱輪廓 各段圓柱、中間空以及過渡圓弧尺寸保留打磨余量 數(shù)控車床 陶瓷刀具 60 粗銑上端表面 用固定軸輪廓銑加工 4個(gè)加強(qiáng)板表面輪廓，留精銑余量 三軸數(shù)控銑 立銑刀 70 鉆孔 點(diǎn)位加工 3個(gè)孔 三軸數(shù)控銑