【正文】 輪的幾何形狀和力學(xué)特征的復(fù)雜性給研究工作帶來(lái)很大的困難。而采用Pro/E對(duì)汽車鋁輪模型實(shí)體設(shè)計(jì)以及模具設(shè)計(jì)將解決這一設(shè)計(jì)難題，使得設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)便、快捷、可靠。 根據(jù)上述設(shè)計(jì)好的鋁合金輪轂?zāi)＞?，采用Pro / E提供了NC加工模塊，設(shè)置好NC加工所需的各種參數(shù)，選擇相應(yīng)的鋁輪頂模的加工工藝流程，制定好相應(yīng)的加工工藝，需要考慮以下幾點(diǎn)[2224]：1).毛坯的加工余量是否充分，批量生產(chǎn)時(shí)的毛坯余量是否穩(wěn)定。不同類型的零件要選用相應(yīng)的數(shù)控機(jī)床加工，以發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)和效率。 本課題主要研究鋁輪轂的模具設(shè)計(jì)與加工，具體內(nèi)容是：廣州本田家用轎車鋁輪轂零件的3D設(shè)計(jì)；廣州本田家用轎車鋁輪轂零件鑄造模具的3D設(shè)計(jì)；廣州本田家用轎車鋁輪轂零件鑄造模具底模零件加工的工藝分析及工藝規(guī)程的編制；廣州本田家用轎車鋁輪轂零件鑄造模具底模的在MV610機(jī)床(S工NUMER工K810D系統(tǒng))上數(shù)控銑削加工的NC編程及刀路仿真。另外，還要學(xué)習(xí)一些設(shè)計(jì)中所用到的其它方面的知識(shí)，如Pro / E和SINUMERIK81 OD系統(tǒng)的熟練運(yùn)用，利用Pro / E強(qiáng)大三維造型功能中制造模塊曲面特性來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車輪轂?zāi)＞叩纳?。?章 鋁輪轂的3D設(shè)計(jì) 引言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)正朝著高度集成化發(fā)展，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助CAD/CAM系統(tǒng)、CAD/CAE/CAM系統(tǒng)等，其中三維實(shí)體模型是重要的基礎(chǔ)，三維實(shí)體模型不僅以其直觀明了的特點(diǎn)充分體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，而且在三維實(shí)件模型基礎(chǔ)上可以進(jìn)行裝配、干涉檢查、有限元分析、運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行鑄模設(shè)計(jì)，模擬加土、模擬裝配等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工作，Pro/Engineer的參數(shù)化設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)上給設(shè)計(jì)者提供了前所未有的簡(jiǎn)易和靈活。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。 基于特征建模 　　Pro/E是基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。 單一數(shù)據(jù)庫(kù)（全相關(guān)） Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫(kù)上，不像一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)上。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的任何一處發(fā)生改動(dòng)，亦可以前后反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)。所以本文中采用Pro/Engineer軟件進(jìn)行輪轂的三維設(shè)計(jì)。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。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。②根據(jù)輪轂的三維模型設(shè)計(jì)出輪轂?zāi)＞?。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)＞摺?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。零件的轉(zhuǎn)角處要留有鑄造圓角，以防止裂紋，縮孔。 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。30″。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。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。以制品的最大端面為分型面,使制品順利脫模。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。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。壓鑄的流動(dòng)性 　　流動(dòng)性是指合金液體充填鑄型的能力。在鋁合金中共晶合金的流動(dòng)性最好。 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?。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。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。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。(2)生產(chǎn)率較高。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。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。同樣，也不希望進(jìn)行機(jī)械加工，以免鑄件表面顯露氣孔。目前只適用于鋅、鋁、鎂、銅等合金的壓鑄。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。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)。(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。而對(duì)于薄壁與復(fù)雜的鑄件，真空度應(yīng)該更高。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。消除了氣孔造成的表面缺陷，改善了鑄件的表面質(zhì)量。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。（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)猓諝庵械牡獨(dú)怏w積分?jǐn)?shù)應(yīng)為80%，氧氣的體積分?jǐn)?shù)為20%。因此出現(xiàn)了充氧壓鑄的新工藝[9]。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。（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。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。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]。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?；舅械蛪耗＞叩臐裁翱诰_(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。(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。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。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。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。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。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。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。(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。而無(wú)論哪種冷卻方式，都可以達(dá)到較好的冷卻目的。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。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。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。在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)具體情況具體分析。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)的影響。(2) 在【新文件選項(xiàng)】對(duì)話框中選著公制模板，單擊【確定】，單擊【添加參照模型】按鈕，選著第二章中建立的輪轂?zāi)Ｐ停趶棾龅摹緞?chuàng)建參照模型】對(duì)話框中單擊【確定】按鈕。(4) 在系統(tǒng)提示組件的絕對(duì)精度值時(shí)候單擊【確定】按鈕，然后選著【完成/返回】命令添加參照模型，工作區(qū)域內(nèi)將加載參照模型。(6) 在【偏移】選項(xiàng)組中設(shè)置各方向的偏移值，并按輸入鍵確定，單擊【確定】按鈕完成工件的創(chuàng)建，： 創(chuàng)建毛坯工件(7)在【鑄造】菜單中選著【收縮】中的【按尺寸】命令，再選著任一參照模型，則系統(tǒng)彈出【按尺寸收縮】對(duì)話框，在對(duì)對(duì)話框中選著收縮公式為1+S。單擊【確定】按鈕，完成收縮特征的設(shè)置。設(shè)置草圖平面為參照模型的DTM2平面，草繪方向參照為(MAIN_PARTING_PLN)繪制草圖，： 繪制草圖(2)對(duì)所建立的模型進(jìn)行鏡像處理，繼續(xù)對(duì)分型面進(jìn)行鏡像操作，然后對(duì)單個(gè)輪轂進(jìn)行內(nèi)部曲面操作，進(jìn)行復(fù)制，黏貼和填充，再選著分型面邊連，在選著【編輯】和【延伸】命令，在【延伸】操控板中單擊【到平面】選著工件底面為延伸截止面，最后在【曲面選項(xiàng)】菜單管理中選著【拉伸】和【完成】命令，單擊確定，可以得到拉伸分型面步驟3—添加澆注系統(tǒng)(1) 在【模具】菜單中選擇【特征】中的【型腔組件】，然后再選著【實(shí)體】中【切減材料】命令，在彈出的菜單中選著【拉伸】中【實(shí)體】的【完成命令】，設(shè)置草繪參照方向，選著深度方式為【盲孔】，單擊【確認(rèn)】。 澆注系統(tǒng)步驟4—?jiǎng)?chuàng)建模具型腔(1) 單擊【分割工件】按鈕，選著【兩個(gè)體積塊】中【所有模塊】，單擊【完成】命令，單擊【分割】對(duì)話框，繼續(xù)對(duì)較大的模具體積進(jìn)行分割，直至分割完成，最后在【模具】菜單中選著【鑄造模具】中【高級(jí)實(shí)用工具】中的【切除】命令，然后選著切除對(duì)象，單擊【確定】按鈕，： 模具型腔圖步驟五—模具單元后處理由前面的操作完成了模具型腔的創(chuàng)建，得到了模具的凹凸模。其中分流錐有如下作用：以分流錐導(dǎo)入的金屬液，能夠均勻地流向分型面，氣體及金屬液前面冷污金屬幾乎可以同時(shí)達(dá)到分型面，并排到溢流槽中，確保鑄件質(zhì)量。壓鑄模的熱量分布均勻，有利于鑄件的凝固，鑄件收縮均勻，不易翹曲和變形。： 澆口套(2) 在模型中單擊澆口套右鍵，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，： 澆口套的裝配圖(3) 對(duì)分流錐元件進(jìn)行創(chuàng)建，其過(guò)程與澆口套一樣如下，在【模具】菜單中選擇【模具軟件】中的【創(chuàng)建】，彈出【元件創(chuàng)建】，然后在子類型中選著【實(shí)體】單選按鈕，進(jìn)行一系列操作，進(jìn)入模型樹(shù)中選著【打開(kāi)】命令，繪制澆口套草圖，單擊【確定】，并在【圓角工具】工具中得到開(kāi)口邊緣，在【設(shè)置】上滑板中設(shè)置圓角類型，單擊確定按鈕。鍛造輪轂與鑄造輪轂相比，其金相組織是破碎晶粒與鍛態(tài)組織，而后者是枝晶狀晶粒與鑄態(tài)組織。從生產(chǎn)上藝來(lái)看，采用鑄造上藝更容易大量生產(chǎn)，目?jī)r(jià)格低廉，市場(chǎng)需求量更大。旋壓法是將輪轂的一部分鑄出，并留出相應(yīng)的余量，然后再采用擠壓的方法成形，這需要專用的設(shè)備和生產(chǎn)線，在國(guó)內(nèi)使用的較少。 鋁輪轂頂模加工工藝分析模具頂模是鋁輪擠壓鑄造裝備的關(guān)鍵零件，它的加工質(zhì)量不僅決定該模具的裝配質(zhì)量，還關(guān)系到鋁輪毛坯生產(chǎn)質(zhì)量，最終影響到汽車的安全行駛。毛坯壓鑄成形，以減少加工量和重量，也可以采用鍛造型材。頂模在粗加工后，最好進(jìn)行一次去應(yīng)力退火，半精加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，然后再進(jìn)行精加工。(2)加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)時(shí)，除了強(qiáng)度要求以外，還有很強(qiáng)的裝飾性，為此加強(qiáng)筋為自由曲面。(4)模具表面成形后，不能再熱處理，去除加工應(yīng)力要求高。 根據(jù)鋁輪轂低壓鑄造模具頂模零件特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況，采用壓鑄毛坯，數(shù)控車——數(shù)控銑加工方案。在數(shù)控車上完成除上端面外的各外圓、內(nèi)部補(bǔ)縮及受力特性的橢圓、定位補(bǔ)縮孔以及下端面的車加工。其它外圓一次性加工到設(shè)計(jì)尺寸。曲面加強(qiáng)筋與上端面接合的小圓角處，如果采用數(shù)控銑削加工，效率低，費(fèi)用高，建議采用手工打磨。 （1）鑄件：適用于形狀復(fù)雜的毛坯。（2）鍛件：適用于零件強(qiáng)度較高、形狀較簡(jiǎn)單的零件。（3）型材：熱軋型材的尺寸較大，精度低，多用作一般零件的毛坯。（4）焊接件：對(duì)于大件來(lái)說(shuō)，焊接件簡(jiǎn)單、方便，特別是單件、小批量的生產(chǎn)可大大縮短生產(chǎn)周期。（5）冷壓件：適用于形狀復(fù)雜