【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場(chǎng)，價(jià)格也更便宜。 所以本文中采用 Pro/Engineer 軟件進(jìn)行輪轂的三維設(shè)計(jì)。 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。它提供的強(qiáng)大功能尤其是曲面造型和模具設(shè)計(jì)功能為工程技術(shù)人員和生產(chǎn)管理人員在短期內(nèi)完成高質(zhì)量的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了強(qiáng)有力的工具。本論文以 Pro/ENGINEER 為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以并行工程為思想，最終完成對(duì)擠壓鑄造模具智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)的 自動(dòng)化，智能化，大大縮短了設(shè)計(jì)、數(shù)控編程的時(shí)間，從大大縮短了模具設(shè)計(jì)周期。另外，Pro/ENGINEER 軟件具有的單一數(shù)據(jù)庫(kù)、參數(shù)化實(shí)體特征造型技術(shù)為實(shí)現(xiàn)并行工程提供了可靠的技術(shù)保證。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。 ②根據(jù)輪轂的三維模型設(shè)計(jì)出輪轂?zāi)＞摺? 其中，輪轂實(shí)體設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，直接涉及到模具的結(jié)構(gòu)及尺寸精度。然后利用Pro / E 軟件提供的功能，在實(shí)體的基礎(chǔ)上進(jìn)行二維造型，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的輪轂?zāi)＞?。汽車輪轂由鋼圈，輪輻，風(fēng)孔等組成。 鋁輪轂的設(shè)計(jì) 鋁輪轂的設(shè) 計(jì)原則 起模方便，在起模方向上留有結(jié)構(gòu)斜度。鑄件的壁厚盡可能均勻，減少和消除應(yīng)力防止縮孔和裂紋缺陷的產(chǎn)生。零件的轉(zhuǎn)角處要留有鑄造圓角，以防止裂紋，縮孔。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)原則 鑄件的最小壁厚 :b =57mm，其平均壁厚為 6mm。鑄造內(nèi)外圓角 :R=2mm. 汽車輪轂的受阻收縮率 :0. 5%1%； 鑄造斜度 (拔模斜度 ):a =50176。 30″。 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)。通過(guò)繪制直線，圓弧，自由曲線等基本因素，并做拉伸、旋轉(zhuǎn)、鏡像、等距、剪切等操作最終生成所需的曲線外形，建立輪轂三維模型如下圖 所示。 圖 汽車輪轂正面效果圖 圖 第 3 章：鋁輪轂壓鑄模具的 3D 設(shè)計(jì) 引言 壓鑄是制造業(yè)的一種工藝，能夠成型復(fù)雜的高精度的金屬制品， 多用于汽車制造，機(jī)械制造等。本課題是對(duì)鋁殼體進(jìn)行模具設(shè)計(jì)并分析加工工藝。 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)。以制品的最大端面為分型面 ,使制品順利脫模。制品上還有散熱片，須進(jìn)行側(cè)向抽芯。為了使動(dòng)、定模能夠準(zhǔn)確地動(dòng)作 , 導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)利用導(dǎo)柱與導(dǎo)套的配合。頂出機(jī)構(gòu)是推桿推出的一次脫出機(jī)構(gòu)。考慮到零件的位置關(guān)系 ,冷卻水道采用循環(huán)式分布，以便冷卻均勻、快速。 鋁合金重量輕、強(qiáng)度高、成型性好、價(jià)格適中、回收率高，縣有塑料與鎂合金等無(wú)法比擬的綜合優(yōu)勢(shì)。 壓鑄 的流動(dòng)性 流動(dòng)性是指合金液體 充填鑄型的能力。流動(dòng)性的大小決定合金能否鑄造復(fù)雜的鑄件。在鋁合金中共晶合金的流動(dòng)性 最好。 影響流動(dòng)性的因素很多，主要是成分、溫度以及合金液體中存在金屬氧化物、金屬化合物及其他污染物的固相顆粒，但外在的根本因素為澆注溫度及澆注壓力（俗稱澆注壓頭）的高低。 實(shí)際生產(chǎn)中，在合金已確定的情況下，除了強(qiáng)化熔煉工藝（精煉與除渣）外，還必須改善鑄型工藝性（砂模透氣性、金屬型模具排氣及溫度），并在不影響鑄件質(zhì)量的前提下提高澆注溫度，保證合金的流動(dòng)性 鋁制輪轂因具有重量輕、散熱性能好、壽命長(zhǎng)、安全可靠、生產(chǎn)簡(jiǎn)單、外型美現(xiàn)、圖案豐富多彩、尺寸精確、平穩(wěn)性好等優(yōu)點(diǎn)，從而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，發(fā)展?jié)摿艽蟆? 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(shí) 壓力鑄造是目前成型有色金屬鑄件的重要成型工藝方法。壓鑄的工藝特點(diǎn)是鑄件的強(qiáng)度和硬度較高，形狀較為復(fù)雜且鑄件壁較薄，而且生產(chǎn)率極高。壓鑄模具是壓力鑄造生產(chǎn)的關(guān)鍵，壓鑄模具的質(zhì)量決定著壓鑄件的質(zhì)量和精度，而模具 設(shè)計(jì)直接影響著壓鑄模具的質(zhì)量和壽命。 因此，模具設(shè)計(jì)是模具技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵，也是模具發(fā)展的重要因素。 壓鑄的主要優(yōu)點(diǎn)是： (1)鑄件的強(qiáng)度和表面硬度較 高。由于壓鑄模的激冷作用，又在壓力下結(jié)晶，因 此，壓鑄件表面層晶粒極細(xì)，組織致密，所以表面層的硬度和強(qiáng)度都比較高。 壓 鑄件的抗拉強(qiáng)度一般比砂型鑄件高 25%～ 30%，但收縮率較低。 (2)生產(chǎn)率較高。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)。 雖然壓鑄生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)十分突出，但是，它也有一些明顯的缺點(diǎn)： (1)壓鑄件表層常存在氣孔。這是由于液態(tài)合金的充型速度極快，型腔中的氣體很難完全排除，常以氣孔形式存留在鑄件中。因此，一般壓鑄件不能進(jìn)行熱處理，也不宜在高溫條件下工作。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。同樣，也不希望進(jìn)行機(jī)械加工，以免鑄件表面顯露氣孔。 (2)壓鑄的合金類別和牌號(hào)有所限制。目前只適用于鋅、鋁、鎂、銅等合金的壓鑄。而對(duì)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)。至于某一種合金類別，由于壓鑄時(shí)的激冷產(chǎn)生劇烈收縮，因此也僅限于幾種牌號(hào)的壓鑄。 (3)壓鑄的生產(chǎn)準(zhǔn)備費(fèi)用較高。由于壓鑄機(jī)成本高，壓鑄模加工周期長(zhǎng)、成本高，因此壓鑄工藝只適用于大批量生產(chǎn)。 以下介紹的便是壓鑄行業(yè)中出現(xiàn)的新工藝技術(shù)。 (1)真空壓鑄： 真空壓鑄是利用輔助設(shè)備將壓鑄型腔內(nèi)的空氣抽除且形成真空狀態(tài)，并在真空狀態(tài)下將金屬液壓鑄成形的方法。其真空度通常在 380～ 600 毫米汞柱的范圍內(nèi)，可以通過(guò)機(jī)械泵獲得。而對(duì)于薄壁與復(fù)雜的鑄件，真空度應(yīng)該更高。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(lái)應(yīng)用不多。目前，真空壓鑄只用于生產(chǎn)要求耐壓、機(jī)械強(qiáng)度高或要求熱處理的高質(zhì)量零件，其今后的發(fā)展趨向是解決厚壁鑄件和消除熱節(jié)部位的縮孔，從而更有效地應(yīng)用于可熱處理和可焊接的零件。 真空壓鑄的特點(diǎn)是：顯著減少了鑄件中的氣孔，增大 了鑄件的致密度，提高了鑄件的力學(xué)性能，并使其可以進(jìn)行熱處理。消除了氣孔造成的表面缺陷，改善了鑄件的表面質(zhì)量。可減小澆注系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)尺寸。由于現(xiàn)代壓鑄機(jī)可以在幾分之一秒內(nèi)抽成需要的真空度，并且隨著鑄型中反壓力的減小，增大了鑄件的結(jié)晶速度，縮短了鑄件在鑄型中的停留時(shí)間。因此，采用真空壓鑄法可提高生產(chǎn)率 10%～ 20%.采用真空壓鑄時(shí)，鎂合金減少了形成裂紋的可能性（裂紋時(shí)鎂合金壓鑄時(shí)很難克服的缺陷之一，經(jīng)常發(fā)生在型腔通氣困難的部位 ） ，提 高了它的力學(xué)性能，特別是可塑性。 （ 2） 充氧壓鑄 ： 國(guó)外在分析鋁合金壓鑄件的氣泡時(shí) 發(fā)現(xiàn)，其中氣體體積分?jǐn)?shù)的 90%為氮?dú)?，而空氣中的氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)應(yīng)為80%，氧氣的體積分?jǐn)?shù)為 20%。這說(shuō)明氣泡中部分氧氣與鋁液發(fā)生了氧化反應(yīng)。因此出現(xiàn)了充氧壓鑄的新工藝 [9]。充氧壓鑄是消除鋁合金壓鑄件氣孔，提高鑄件質(zhì)量的一個(gè)有效途徑。所謂充氧壓鑄是在鋁液充填型腔，用氧氣充填壓室和型腔，以置換其中的空氣和其他氣體，當(dāng)鋁金屬液充填時(shí)，一方面通過(guò)排氣槽排出氧氣，另一方面噴散的鋁液與沒(méi)有排除的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生三氧化二鋁質(zhì)點(diǎn)，分散在壓鑄件內(nèi)部，從而消除不加氧時(shí)鑄件內(nèi)部形成的氣孔。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]。（ 3） 精速密壓：鑄精速密壓鑄是一種精確地、快速的和密實(shí)的壓鑄方法，又稱套筒雙沖頭壓鑄法。國(guó)外在 20世紀(jì) 60 年代中期開(kāi)始在壓鑄生產(chǎn)中應(yīng)用這一方法。精密速壓鑄法在很大程度上消除了氣孔和縮松這兩種壓鑄件的基本缺陷，從而提高了壓鑄件的使用性能，擴(kuò)大了壓鑄件的應(yīng)用范圍。（ 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。半固態(tài) 壓鑄的出現(xiàn)，為解決鋼鐵材料壓鑄模壽命低的問(wèn)題提供了一個(gè)方法，而且對(duì)提高鑄件質(zhì)量、改善壓鑄機(jī)鴨舌系統(tǒng)的工作條件，都有一定的作用，所以是用途的一種新工藝 [11]。 鋁輪轂的壓鑄模具的相關(guān)參數(shù)確定 合理的模具設(shè)計(jì)，是取得高效率和高效益最重要的一環(huán)。低壓模具在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮模具的梯度、模具的壁厚、冷卻系統(tǒng)的分布等因素，還要考慮輪轂的造型特征對(duì)鑄造性能的影響，經(jīng)綜合分析，合理配置后，才能達(dá)到事半功倍的效果。 (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(shì)，這種趨勢(shì)符合順序凝固要求。 基本所有低壓模具的澆冒口均開(kāi)在輪轂的中部，由輪輻向四周補(bǔ)縮，由最遠(yuǎn)端、最薄處向冒口處順序凝固，越向冒口方向厚度越大，可以保證凝固時(shí)有較好的鋁液補(bǔ)縮通道。輪輞型腔尺寸由 , 、 到 逐步增大，即符合梯度要求。輪輞型腔的尺寸，在可以穩(wěn)定成型的基礎(chǔ)上，尺寸越小越好，這樣可以減少加上量，保留更多結(jié)晶組織致密的部分，防止因縮松、縮孔等缺陷而產(chǎn)生的漏氣現(xiàn)象，同時(shí)增加鋁液利用率，減輕毛坯重量。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。 (2) 模具壁厚，模具型腔由底模、頂模及邊模封閉而成，模具壁厚即指此三部分的厚度。在充型過(guò)程的初始階段，鑄件的散熱主要是熱傳導(dǎo)，即由模具本身吸收熱量，而吸熱量的多少，取決于模具的質(zhì)量 (在模具溫升固定的前提下吸熱量與物質(zhì)質(zhì)量成正比 )，模具升溫吸熱，鋁液降溫散熱，兩者達(dá)到熱平衡時(shí)，以傳導(dǎo)散熱為主的散熱方式基本停止。在這個(gè)階段，由于熱傳導(dǎo)散熱很快，而模具與鋁液間有較大溫差，鋁液在凝固時(shí)有激冷效果，此時(shí)在鑄件外表層凝固的組織致密，力學(xué)性能好。按此種狀況推斷，增大模具賠厚可以獲得相對(duì)較長(zhǎng) 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。頂模及邊模成型車輪的輪輞，由于輪輞本身厚度較小，模具壁厚太厚可能會(huì)導(dǎo)致輪輞各處的冷熱不均，產(chǎn)生鑄造缺陷。因此頂、邊模厚度以保證模具強(qiáng)度為主，同時(shí)兼顧輪輞的成型因素，目按一般經(jīng)驗(yàn)，上模取壁厚 25~30mm 為宜，邊模取 30mm 左右為宜。底模與上模成型輪轂的輪輻部分，輪輻的強(qiáng)度對(duì)車輪來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，按照一般經(jīng)驗(yàn)，如果加大底模厚度，應(yīng)該可以獲得較深的激冷層，從而增強(qiáng)輪輻的力學(xué)性能。由此進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。選擇輪輻較寬、較厚的輪型，將底模厚度設(shè)計(jì)為 45mm，共生產(chǎn) 50 件試件，鑄 造過(guò)程成型艱難， x光探傷輪輻與輪姻相接處縮孔較大。在對(duì) 50件進(jìn)行熱處理后，半成品力學(xué)性能米像預(yù)期的增大，與按常規(guī)賠厚生產(chǎn)的相似輪型基本持平。切削加上后進(jìn)行氣密性試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)大量報(bào)廢，共漏氣 27 只，漏氣位置分布在輪姻的各部分，輪輻與輪姻相接處有較大渣孔。經(jīng)分析，過(guò)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(guò)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。在經(jīng)歷完以傳導(dǎo)散熱為主的散熱方式后，冷卻方式轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)流和輻射。由于底 模過(guò)厚，對(duì)鋁液熱量向外散失不利，底模冷卻系統(tǒng)對(duì)鋁液的冷卻影響也相應(yīng)減弱，也就是說(shuō)，在后來(lái)的冷卻過(guò)程，外界冷卻囚素囚對(duì)輪轂內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響減弱，從而對(duì)輪轂合理成型的控制相應(yīng)減弱，筋條部分在后來(lái)的冷卻過(guò)程中結(jié)晶出現(xiàn)粗大和偏析增大的趨勢(shì)，反而削弱了筋條的強(qiáng)度。因此，過(guò)大的底模厚度是不可取的，模具底模賠厚減到 25mm 之內(nèi)，上述就問(wèn)題基本可以解決。在選擇底模賠厚時(shí)，以考慮利于外界冷卻條件對(duì)內(nèi)部溫度場(chǎng)的控制為主，因此取底模賠厚一般在 20~25mm 為宜。 (3)冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)在模具設(shè)計(jì)中占有相當(dāng)重要的位置，通過(guò)附加冷 卻影響模具的溫度場(chǎng)，是后期控制達(dá)到順序凝固的關(guān)鍵因素。 一般冷卻分為風(fēng)冷、水冷及風(fēng)水混冷三種方式。而無(wú)論哪種冷卻方式，都可 以達(dá)到較好的冷卻目的。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(kāi)裂問(wèn)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。冷卻風(fēng)管分為上模風(fēng)管、下模風(fēng)管及邊模風(fēng)管，在個(gè)別需要強(qiáng)冷卻的部位，可以鉆出風(fēng)管孔，將風(fēng)管通入到模具里，更為接近型腔，以便有更好的冷卻效果；冷卻的關(guān)鍵是確定合適的冷卻位置、冷卻順序和冷卻強(qiáng)度。對(duì)冷卻風(fēng)管的布 置方位，底模冷卻風(fēng)管的布置原則是：正對(duì)筋條，集中冷卻輪轂法蘭盤及輪輻與輪姻相接處的熱節(jié)部位；上模風(fēng)管的布置與底模類似，而邊模則一般正對(duì)輪輻與輪姻相接處加風(fēng)管即可。冷卻順序和強(qiáng)度的控制即是對(duì)冷卻開(kāi)啟先后和單位時(shí)間內(nèi)冷卻風(fēng)管的空氣流量的控制，決定著冷卻順序和單位時(shí)間內(nèi)帶走熱量程度的強(qiáng)弱。這對(duì)保證順序冷卻起著至關(guān)重要的作用，也是現(xiàn)場(chǎng)上藝調(diào)整的最大任務(wù)。對(duì)于如今較先進(jìn)的輪轂鑄造機(jī)械，可以對(duì)風(fēng)冷流量進(jìn)行精確的自動(dòng)控制，因而可以保證上藝的穩(wěn)定性以保證產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性。 (4) 不同正面造型輪轂的模具設(shè)計(jì)概要，不同的輪轂 正面造型，會(huì)使輪輻的多少、寬窄、粗細(xì)等差別較大，因而整個(gè)鑄造過(guò)程的溫度場(chǎng)會(huì)有相當(dāng)大的差異，相應(yīng)在由澆冒口向輪姻及耳部補(bǔ)縮時(shí)也會(huì)有不同的效果。在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)具體情況具體分析。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(zhǎng)，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。解決的方法主要是調(diào)整后期的冷卻上藝，即通過(guò)對(duì)筋條的冷卻時(shí)間和強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，為適應(yīng)這種調(diào)整，需將底模設(shè)計(jì)的厚度減小，一般不高于 22mm，以利于外界冷卻因素對(duì)內(nèi)部溫度場(chǎng)