（机械制造及其自动化专业论文）陶瓷摇臂结构参数化及其压铸模具的设计技术研究.pdf

天津大学硕士学位论文 摘要 在配气机构中，摇臂是一个对发动机整体性能影响较大的熏要零件。幽于 援罄浆工馋条终恶劣、练金淫戆要求爱杂，因瑟荬鼗产鑫躲开发残秀近年来霆 内外研究的热点。本文| 三 t j 3 7 0 q 发动机摇臂新产晶的设计过程为例，运粥现 代新产品开发理论和技术，对目前最新一代的高性能摇臂一铝含金陶瓷镶块摇 臂的参数化设计技术及篡压铸摸具设计进行了深入的研究。全文的主要内容可 穰括妻鹰下： 1 在分析摇臂及其愿铸模具的性能要求、国内外研究现状殿其设计技术发 展趋势的基础上，提出了课题研究的主要内容和意义。 2 套缨了鏊予特翟靛辫瓷摇譬没诗参数豹臻褒。臻究了陶瓷援饕斡设计技 术，主要包括设计原则及研制路线、基于特征的陶瓷摇臂参数分类，最后确定 了初步优化的方向。 3 讨论了羯瓷摇臂熬参数让设计技术。介绍了参数化设计豹原理，分剐详 述了基于特鬣的参数纯方法、参数像搂板技术；分辑了基予p r o e 的参数铯设 计关键技术：最后给出了陶瓷摇臂参数化设计的疯例。 4 深入研究了陶瓷瓣臂压铸模具设计技术，制订陶瓷摇臀的研制路线；讨 论了海瓷撂饕铸造载王蕊分辑、选羯滋舞壤翘关甄浚、浇注系缓羁滢滚、瓣气 系统的设计、分析面的设计、模架与成型零件的设计、结构零件设计、推出机 构的设计和爱位；介绍了p r o e 在愿铸模设计中的应用，并建立了陶瓷摇臂压 镱搂具模型。 5 对陶瓷摇臂压铸模矮的参数德没计迸聿亍了磷究。 最后对水文的研究工作和取得的成果进行了总结，并提出了进一步研究的 设想。 关键词：配气机构陶瓷摇臂特征参数化设计压铸模具 摘要 a b s t r a c t i no v e r h e a dc a mv a l v et r a i n ，t h er o c k e ra r mi sa ni m p o r t a n t p a r tt h a th a sg r e a t i n f l u e n c eo nt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n e f o rs u c hr e a s o n sa ss e v e r e w o r k i n g c o n d i t i o n sa n d c o m p r e h e n s i v e o v e r a l t p r o p e r t i e sr e q u i r e m e n t s ，n e w p r o d u c td e v e l o p m e n to fr o c k e ra r n lh a sb e e nb e c o m i n gt h ef o c u so fr e s e a r c h a b r o a da n dd o m e s t i ci nr e c e n ty e a r s t h i sp a p e ri sc e n t e r e do nt h ed e v e l o p m e n to f an e wr o c k e ra r mf o rt h et j 3 7 0 qe n g i n e t a k i n gi ta sa ne x a m p l e ，t h ep a r a m e t r i c d e s i g nt e c h n i q u e s a n dd i e c a s t i n gd e s i g np r o c e s s o ft h e u p - t o - d a t e h i g h - p e r f o r m a n c er o c k e ra r m ：t h ea l u m i n u md i e c a s tr o c k e ra r mw i t hac e r a m i c i n s e r t ( c a l l e d c e r a m i cr o c k e ra r m ”f o rs h o r tb e l o w ) w e r es t u d i e di nd e p t hu s i n g t h et h e o r yo fn e w p r o d u c td e v e l o p m e n t t h em a i n r e s e a r c hw o r k so ft h i sp a p e ra r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h ep r o p e r t i e sr e q u i r e m e n t so fr o c k e r 删a n d i t s d i ec a s t i n gt o g e t h e rw i t hg i v i n ga no v e r v i e wo fi t s p r e s e n tr e s e a r c hs t a t e a n d f u t u r et r e n do fd e v e l o p m e n tb o t ha th o m ea n da b r o a d ，t h ec o n t e n t sa n dg r e a t s i g n i f i c a n c eo f t h i sr e s e a r c hh a sb e e ns e tf o r t h t h ef e a t u r e - b a s e dd e s i g np a r a m e t e r so fc e r a m i cr o c k e ra r mi si n v e s t i g a t e da n d t h et e c h n i c a lm e t h o dh a sb e e np u tf o r w a r d o nt h ef o u n d a t i o no ft h er e v e r s e e n g i n e e r i n go f t h eo r i g i n a lf o r g e ds t e e lr o c k e ra r m a l | t h e p a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d a n dt h ep a r a m e t r i cd e s i g nm o d e lo fa l u m i n u mc e r a m i cr o c k e ra r mi sb u i l ti nt h i s p a p e r n e wd e s i g nc a n b ea c h i e v e db y c o n s t r a i n i n ga n dp a r a m e t r i c a l l yd r i v i n gt h e f o r m e dm o d e l t h e nt h ed e s i g nr e s u l ti s o p t i m i z e db yf e a ap a r a m e t r i ca n d o p t i m u md e i g ns y s t e m o fc e r a m i cr o c k e r & 随w h i c h i n t e g r a t e s t h e c a r e c a d c a e p r o c e s si sd e v e l o p e db a s e do np r o e o nt h eb a s i so fa n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo ft h ec e r a m i cr o c k e ra r m ，h i g h p r e c i s i o nd i ec a s t i n gw a sd e s i g n e dt h r o u g ht h r e e - d i m e n s i o n a ls h a p i n g t h ec y c l e o ft h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f t h ed i ew a ss h o r t e nc o r r e s p o n d i n g l y k e y w o r d s ：v a l v et r a i n c e r a m i cr o c k e ra r mf e a t u r e p a r a m e t r i c d e s i g n蚤 e c a s t i n g i t 独创性声明 本人声臻赁呈交豹学位论文怒本人在导烬攘导下进行的疆究工馋翻取褥的 研究成聚，豫7 文中特别加以标注帮致谢之赴井，论文中不包含其袍入已缀发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盔盗基蓬或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中 诈了弱雅豹谨弱著表示了谢意。 学经论文终考繁名：百 蔷彳 签字疆期：。一露年，胃殷基 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基蓬盘兰露关保留、後愆学位论文静濒定。 特授权鑫洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库谶行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 囊国家骞荚蘩门或辍擒送交谂文鹣复印终饔磁懿e ( 保密的学位论文在解密后激用本授权说明) 学位论文作者签名： 了语 签字秘期：2 “嗨，胃给嚣 鼯师躲澎! 寸 簸字目蘩：毋咎年f 嚣，o 嚣 第一章绪论 第一章绪论 随稽经济的高速发展和社会的不断进步，作为人类激主要的交通运载工具的 汽车正向着轻擞化、高速化、节自化、低成本、长寿命、多功能、低环境污染、 易装配、易维修等方向发展“、“”。发动机是汽车的心脏，而气门摇臂剃是发渤 机配气机构中的重要零件之一。由于气门摇臀的性能对发动机的整体性能发挥 有重要的影响，因茈把握其发麓动向，研究萁设计理谂、方法以及现代新材科、 新工艺在其设计、制造中的应用对汽车正业的发展具有积极的1 晦用。 1 1 发动机摇臂的工作条件及- 陛能要求 气门摇篱韵功能整将配气凸轮塑线所设计的运动藏律准确罐传递给气门，从 而有效控制发动机的进气和排气过程。为了提高动力特性，现代高速发动机一 般都采爝了同步齿形带或链传劝静顶藏函轮鞠( o h c ) 式配气视构“1 ( 翔鞠 l - 1 所示) 。这种结构形式的配气机构怒未来发展的主流。因耐也是本文研究的 重点。在o h c 式配气祝擒中，摇鹜 的综合使用性能要求可归纳为以下 露个方疆： ( 1 ) 耐麟性要求 磅究表瞬，发动撬中囊攀损耗 的最主露原因是凸轮副中的摩擦 接失。在禳定王猛下，它占全部损 失的5 8 “1 。在发动机起动时，或 在怠遮狭态孛，磐不诗气基悫燃气 压力阻抗，这甜在发动机凸轮上功 率损失增热到9 2 。5 。秀了保涯发 动机的配气精度，控制配气机构的 振动彝嗓音，攥譬辘我及其与肇轮 謦1 - t 磺黉凸轮辘聚气魏擒 接触的圆弧工作面部位一般要求 具毒瑟好的耐褒性，特别是鼹弧工终嚣邦像。否则，摇譬与凸轮之闻鲍严 天津太学硕士学位论文 重磨损将会加大气门间隙，减小了气门升程，引起不良麓祭：配气机构的 运动规律将严重偏离驱动凸轮所舰定的数值，气门升程曲线发生畸变；使 发动机戴气枫构的工作平稳性和掇动状况恶化，噪音增大，配气机构掰承 受酶骥槛力急捌缮热；破坏了嚣气相位，傻气门开痘的“辩漓一骜瑟”值 减小，造成排气不彻底，进气不究分；使换气损失增大，发动机效率下降； 使充气效率和有效功率随转速的变化不符合发动机动力性的要求；减小了 气门叠秀燕，菠必要瓣憋烧室翘气终翔鞠显减弱”、“”1 。 ( 2 ) 低惯量要求 在o h c 配气机构中由于运动件数量减少，摇臂的转动惯量换算后一般 会占到熬个机构等效蔟量的1 3 象右“”，成为机构运动时惯性载荷鲍熬要 来源。鹅秘，宙予酝气瓤秘中密旃气门闽豫，导致了发动税工雩# 辩熬气机 构各零件之间产生冲击和噪音，尤其在发动机尚未热起之前此间隙最大， 冲击和噪声最严重。而摇臂的转动惯量越大，冲击载荷也越大。所以摇臂 蕊转凌缓藿与配气糗橡戆动耪毪关系密切，爨羧剃发凑藏转速秘臻率箍蹇 的因素之。 ( 3 ) 刚度要求 摇罄鼹一个双饕枉释，两譬承受较大的弯藏疲力，设计时应保证考一定 豹抗弯澈度并保证崧轻质量下爨肖最驽豹强淡和溺崖。在o h c 配气瓿桷审， 摇臂及熟支撑的柔度常常占气门驱动机构总柔魔的一半以上“”，可以说摇 臂的刚廉决定了整个机构的刚度。如果摇臂的刚度不足，套严重影响熬个 辊鞫夔动力籍往。 ( 4 ) 疲劳寿命黉求 摇臂工作时承受较高频率的规律性非稳定弯曲变应力的作用，其基体的 破琢一般为弯藏疲势破坏。 由魏可觅，摇謦缀然只是发动枫配气视稳中豹一个小零件，穗是它与发 动机的幼特性、振动、噪音、燃油消耗和排放水平等一系列经济技术指标 均有直接的关系。 1 2 气门摇臂的讲究现状 1 2 1 气门摇臂研究的发展过程 近年来，萄内外辩o h c 发韵椒气门摇彗掰逑行豹大羹磷究一般都围绕上述 第一章绪论 表1 - 1 摇臂材料发展过程“、“1 】 摇臂基体材料摇臂头部材料优点缺点 高频淬火、刚度和疲劳强度较重量较大，耐磨性 调质处理 第一代磨削，抛光、镀高，轴孔也比较耐磨低，工艺复杂，镀层易 的5 5 4 钢锻件 硬铬脱落 硬度较高重量仍较大，不能 锻钢 第二代粉末冶金( h r c 5 8 6 4 ) ，耐磨性有效减小摇臂的转动 ( 2 0 c r m o ) 得到提高惯量 耐磨性有较大幅度与冷激铸铁凸轮轴 第三代铝台金粉末冶金的提高，比锻钢摇臂的并不是减磨效果最好的 转动惯量有明显减小摩擦副 陶瓷 重量轻，与冷激铸铁需解决陶瓷与金属 箱四代铝合金凸轮轴对磨时，与粉末冶的连接，高效、高精度、 ( s i 3 n d 金相比，减磨效果更明显低成本加工等技术难遥 几个方面而展开进行。摇臂在其发展过程中，为提高其耐磨性和降低重量，开 发出了多种多样的采用不同材料、不同结构形式、不同制造工艺的气门摇臂。 本文根据摇臂的性能要求，选择该类产品不同生命周期阶段的典型代表，将其 称为四代摇臂( 见表1 1 ) 。 1 2 2 摇臂设计技术发展动态 当前摇臂的设计方法已由传统设计阶段过渡为现代设计阶段。运用现代设 计技术辅助设计人员对摇臂新产品的主要结构和制造工艺方案进行创新；对待 改进的气门摇臂的结构参数与性能参数进行反求；运用c a d 、c a e 、c a m 、r p m 技 术对新摇臂进行结构优化设计和样件的快速试制。这些技术的采用缩短了产品 的研发周期，降低了成本。 目前参数化设计已成为c a d 中最热门的应用技术之一，这是因为它更符合 和贴近现代c a d 概念设计以及并行设计思想i t 6 l 。 本文将引入参数化设计思想，对陶瓷摇臂结构进行参数化处理。由于摇臂件 的形状比较定型，用一组参数约束其形状尺寸，实现参数驱动，便可利用以前 的模型方便地重构新模型，并可以在遵循原设计意图的情况下修改模型，进行 天津大学硕士学位论文 系列产品设计，大大提高了设计效率。 1 参数化模板技术“7 1 模板是指一个产品利用c a d 设计的参数化技术，将其结构按照其内在的规 律予以固定化、标准化，并将模板的参数化尺寸进行全关联，用主要参数对其 他参数进行驱动。在参数驱动机制下，利用参数化方法构建模板，在模板适应 性更为广泛的同时，又有利于在特殊情况下设计人员对设计内容的更改，以便 满足不同的结构设计要求。 2 基于p r o e 的参数化设计“” 参数化设计的思想经过几十年的发展，一些先进的c a d c a e c a m 的集成软 件，如p r o e 、u g 等己发展成熟，逐渐被工业界各行所接受。目前，国内许多 大型产品生产企业开始采用p r o e 进行产品结构设计。根据p r o e 所具有的优 点，其发展趋势将取代a u t o c a d 原来的地位。 p r o e 的参数化设计对于传统的产品结构设计工作来说，有相当大的帮助。 p r o e 中的参数不只代表设计对象的外观相关尺寸，而且具有实质上的物理意 义。我们可以运用体积、表面积、重心等系统参数或者密度、厚度等用户自定 义参数加入设计构思中来表达设计思想。这项参数式设计的功能不但改变了设 计的概念，并且将设计的便捷性推进了一大步。 p r o e 的实体造型是3 d 的，而3 d 实体模型除了可以将用户的设计思想以最 真实的模型在计算机上表现出来之外，借助于系统参数及用户自定义参数可以 计算出产品的体积、面积、重心、转动惯量等，可以在产品投入生产之前进行 比较深入的强度、应力等性能的分析，及时发现问题。而在p r o e 之前，我们 只能对所设计的产品结构作一些初步的强度分析，待产品生产出来以后再进行 强度试验，如发现问题，再进行补救，这样往往消耗很多财力及精力。 p r o e 采用单一数据库，其所有的对象，都只存在于数据库中一次，并且这 一数据库是唯一的、完整的。这样保证了在p r o e 中进行的任何设计都是关联 的，这也是并行工程中最关键的基础。工程师可以依靠这一功能完全抛弃传统 的工作方法，实现零件设计、模具设计、装配设计、加工设计等同时进行的理 念。p r o e 可随时由3 d 实体模型产生2 d 工程图，而且自动标示工程图尺寸。不 论在3 d 还是2 d 图形上作尺寸修正，其相关2 d 图形或3 d 实体模型均自动修改， 同时装配、制造等相关设计也会自动修改，这样可确保数据的正确性，避免反 复修正的耗时性，还可达到设计修改工作的一致性，避免发生人为改图的疏漏。 第一审绪论 因为戆参数纯拘设计，鞴户可以运用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数闽 的关鬈式，使褥模测可岛动计嚣出应霄的外型，减少尺寸邂修改的繁琰费时， 并躐少错误发生。p r o e 参数倔工馋原理匿如黼1 - 2 所示： 图卜2p r 0 e 自顶向下的参数化工作艨理圈 狂p m e 孛，褥供了p r o g r a m 模块进行参数位设诗。使麓p r o g r a m 嫒诗零髂 或装鼹件霹，与邋常诗箕辊程澎设计不同，绝大部分褪痔怒蠢p r o p r o g r a m 系绞 产生璐，使超嚣并不簧疑受囊麓缝编鹭整个裰窿，廷黎蘩薅程窿遴蟹郝分缡瓣 即可。 赞黠建瓷疆蒋逮类参数院较多、澎状复杂、葵梅燮纯不丈鳇产赫，蠖惩 p r o p r o g r a m 进行二次野发可实现以下功能 ( 1 ) 实理交嚣式设计，壹定义参数 囊入辩谯密墨； 2 ) 建意姆袋审尺寸溺黪樱置药寒关系，赛瑷尺寸骥劝； ( 3 ) 蘑戳在p r o p r o g r a m 戮惩i f 诿篱囊瑗条 孛控弱，飘瑟露苓爨熬褡天势 数值嫩成不同属性的特征。 幽予大部分糕潦f 弋鼹是出券统产生黪，黝越程序有严格、统一、嫂熬躲结穆。 p r o g r 黝始终蜜5 灏努溅穿缝藏：程痔标题、输入鬟示穰惑、辍入关黎式、添赧 特，馥( 蠛零件) 、质豢性质。p r o g r a m 稷序的熬本结构妊下： v e r s i o n 讲嫒本信息 r e v n u m惨正次数 天津走擎硕士学位论文 l i s t i n gf o r模型名称 i n p u t设置竣入提示傣息 e n d 秘p u t r e l a t i o n s用户输入关系式 e n d | 疆l a o n s a d df e a t u r e #添加特征绒零件 e n d a d d m a s s p r o p设置模型的质量性质 e n dm a s s p r o p p r o f e 在逢鍪中浆耀英骜育戆参数警理羧裁，簿一令只专帮袭赋予了一令参 数名；软件也提供给用户自主定义参数的方法，即由设计者给某些尺寸命名。 p r o e 支持的参数类型肖： n u m b e r 一熬数； 。 s t r i n g 一字符审，使建产髓够输入参数菠模型名称； y e sn o 一布尔型变量。 参数闯可以定义关系( r e l a t i o n ) 。在p r o p r o g r a m 程序中可以输入横溅昀 套耱毫效美系。瑟疆蠢效关系是籀参数关系完熬，无砖突，关豢表这瓣落法歪 确。举例如下： r e l a t i o n s p a r a m e t e r = c o v e rs i z e 2 + l e n g t h * 0 7 5 0 7 5 + d 3 4 d 3 十t h i c k n e s s + 2 e n dr e l 弼l o n s p r o e 的二次开缴是参数化设计系统的主蒙技术手段，采用的工具是 p r o e n g i n e e r 的p r o t o o l k i t 模块。p r o t o o l k i t 是c a d 软件系统提供的 专韭绣开发工吴雹，它提供瘦弱瑗窍翔户接墨( a p i ) ，使鬟户躐第三方g l 够缀写 c 语言穰弹代码，同p m e 进行无缝连接，从而扩展p r o e 的功能，便其贾鼹专 业化。 建立陶瓷摇臂模激螽，p r o p r o g r a m 设计刭表将垂动列出模型的所有元裘， 并按照怠建静先蠢j | 鹾薄命名鸯d l ，猃2 ，d 3 镣瘫帮标识足寸。对于较复杂的 6 模型，按顺序排列的尺寸往往达数百个甚至更多，因此无法知道每个内部标识 尺寸所对应的零件尺寸，这就需要找出两种对应关系：内部标识尺寸与外部模 型上各个数值之间的对应关系；内部标识尺寸与将要命名的外部参数之间的关 系。这两种关系综合起来即可体现出外部参数与零件上被约束尺寸之间的关系。 在对这些参数命名时，参数名称应力求简单易懂，必要时可在职p r o p r o g r a m 程 序中加入简单英文注释。 1 2 3 陶瓷摇臂的研究现状 铝合金基体陶瓷镶块摇臂是近年来国内外正在研制开发的第四代小惯量、耐 磨损高性能摇臂。日本在发动机陶瓷零部件，特别是陶瓷挺柱和摇臂的研究方 面一直处于世界领先水平“”。8 0 年代初，日本m m c 公司通过大量严格的试验， 对氧化铝、氧化锆和氮化硅等几种陶瓷材料用做摇臂镶块时的强度、耐磨性和 制造工艺性等进行了对比( 其研究结果见图1 3 、图1 - 4 和表1 1 ) “”。m m c 公 司的这些研究成果说明，氮化硅是最优异、最适合用做摇臂镶块的陶瓷材料。 在合理选择镶块材料的基础上，m m c 公司于1 9 8 4 年开发出了用于l p g 燃料发 动机上的铝合金压铸包容氮化硅陶瓷镶块结构的摇臂。随后，该公司在装有e g r 系统的柴油发动机上也使用了这种新型摇臂。 材料 毛仉嗽i r o i i氮化硅 ，厂， 甑 魄 外观七= 铲弋 7 弋 jf lj i 一 七一- j t 破裂碎裂正常 额度 5 0o 图1 - 3 不周陶瓷材料压铸后的外观 臣 i 。 目e f r 几 槲糟束抬盘氲雌 i u u 。m i 蕾 凸艳晰j 赫触 图i 4 不同材料的耐磨性 在这种新型氮化硅陶瓷镶块摇臂开发成功后，m m c 公司将其与本公司7 0 年代研制的粉末冶金镶块摇臂从备个方面进行了全面的性能比较。从试验数据 看，氮化硅陶瓷镶块的采用不仅大幅度提高了摇臂与凸轮的耐磨损性能，增强 天津大学硕士学位论文 了它们对润滑油的适应能力，而且使发动机在低转速边界润滑条件下的扭矩损 失减小，使配气机构的动力特性得到了明显的改善。 表l 一2 删c 公司对不同摇臂镶块材料的综合评比结果 陶瓷 测试项目测试具体内容粉末冶金 氮化硅氧化锆氧化铝 镶块磨损 oo 磨损 对应的凸轮磨损 o 镶块强度镶块的弯曲强度 a o 压铸过程中镶块的 镶块压铸状况o o 破坏 o ：优于粉末冶金镶块 ：略次于粉末冶金镶块 0 ：等于粉末冶金镶块 ：彻底次于粉末冶金镶块 除了m m c ，五十铃公司和京陶公司也开发出了这种铝合金陶瓷镶块摇臂。其陶 瓷镶块是用微米级的氮化硅粉末在1 5 0 0 ( 2 的高温下烧结而成的，长2 0 m m ，宽 2 0 m m ，厚5 m m 。陶瓷镶块事先定位放置在摇臂铸型内，然后浇入6 0 0 的铝溶 液将镶块上的柄部包容，利用铝的冷缩性紧固镶块。 我国陶瓷发动机及零部件的研究是从8 0 年代中期开始的。“八五”期间由中 国建筑材料科学研究院高技术陶瓷所、上海内燃机研究所和上海船用柴油机研 究所承担的沙漠车用1 0 5 无水冷柴油机陶瓷气门、陶瓷摇臂和陶瓷挺柱的研究 试验工作都取得了一定的进展。经过7 2 4 小时的台架耐久试验和沙漠实地装车 运行1 1 2 1 2 k m 的试验后拆检，所有陶瓷件均完好无损。此外，我国4 9 2 q a 型汽 油发动机在采用了陶瓷配气机构后，使等效质量明显减轻，气门弹簧预紧力得 到减小，从而在各种工况下可节油2 8 1 2 1 | 0 天津大学机械工程学院针对夏 利t j 3 7 0 q 、t j 3 7 6 q 型号的发动机，开发的铝合金陶瓷镶块摇臂的综合技术水平 处于国内外摇臂设计制造技术的先进水平。 1 3 压力铸造模具的研究现状及发展 1 3 1 模具的研究现状 模具是工业产品生产用的工艺装备，主要应用于制造业和加工业。它是和冲 第一章绪论 压、锻造成型机械，同时和塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料制品成型加工用的 成型机械相配套，作为成型工具来使用的。 模具主要由机械零件和机构组成，如成形工作零件( 凸模，凹模) ，导向零 件( 导柱，导套等) ，支撑零件( 模架等) ，定向零件等；送料机构，抽芯机构， 推料机构，检测与安全机构等。 随着现代化工业和科学技术的发展，模具的应用越来越广泛，其适应性也越 来越强，已成为工业国家制造工艺水平的标志和独立的基础工业体系。采用模 具进行成型加工，是少、无切削的主要工具，在大批量加工中，可使材料利用 率达到9 0 或以上 2 2 1 0 压铸是压力铸造的简称。它是将液态或半液态金属，在高压作用下，以比较 高的速度填充入具有较高尺寸精度和一定表面粗糙度的压铸型腔，在压力下快 速凝固成形获得铸件的一种铸造方法。高压、高速是压铸与其他铸造方法的主 要区别。压铸模具型腔除收缩量外，与压铸件的尺寸相一致。和其他铸造方式 相比，压铸件的材料损耗最小，可以获得的铸件的表面粗糙度通常可达到 r a l 6 2 5 ，尺寸精度高( 可达到2 5 级) ，机械性能好，生产效率高，除了切 除直浇道和清除毛刺外，不需要大量的后续加工。高速、高压是压铸与其他铸 造方法的主要区别“”。 压力铸造生产全过程的联合体是压铸合金、压铸模具、压铸机器，这是压力 铸造的三要素。压铸工艺则是这三要素的有机联合的纽带。由于压力铸造是在 高温、高压、高速下进行操作，所以压力铸造工艺各项工艺参数的正确选用是 能否得到优质铸件的关键因素。而压铸模是三要素中最重要的要素，结构正确 的模具能保证生产过程的顺利进行，是压铸出质量优良的压铸件的先决条件， 也是正确选用和调整各项工艺参数的工具。 1 3 2 压铸新工艺 随着对铸件性能要求的不断提高，压铸工艺也向新的方向拓展，主要有以 下几种： ( 1 ) 真空压铸“钉 真空压铸是先将压铸模型腔内的空气抽出，然后再压射金属液的压铸方法。 其真空度一般在8 0 0 0 1 8 7 0 0 p a 之_ _ 间。采用真空压铸可以消除或减少压铸件内部 气孔，有利于生产形状复杂的薄壁铸件；真空压铸对提高压铸件表面质量和性 太津大学硕士学位论文 筑、改蛰篷铸终豹液形等方嚣袁嶷努戆效栗；冠粒，对铸件熬气密牲要拳裁零 到满足；真空压铸时由于在铸型内建立赢空，可以减小裂腔内的反压力，压射 魄歪可黪低约2 0 ，有裂予延长模具毒愈，哥选篾l 压射力秽，l 、的殛薅规；真空 愿铸可以消除或减少气孔率，但前提是硪确设计浇注系统、模具结构以殿正确 逡择压镑王艺参数；真空基铸不能谴缩松减少，尤其在杰浇口部位；真空压铸 对其模具加工精艘要求较高，另外需附加一套真空专用设备，增加了技术难度 葶疆藏本。由于真黛压铸挝嵩了铸件质量积生产效攀，其缀济效益也是十分可观 的。 ( 2 ) 充氧愿锩“5 1 充氟眶铸是程压铸前将氧气冲入模其筵腔，黻取代蘩腔中的窝气进行压铸的 一静新技术。其优点是熊够消除成减少气孔，撼高压铸件的质爨 铸件可以进 行淬火处理，提高力学性能，其梳械强废提高1 0 ，伟长率提离1 5 2 倍，熬 处理后强度增加3 0 ，髓服强度增加1 0 0 ；铸件可进杼焊接；铸件能谯2 0 0 3 0 0 x 2 的温度范围内工作；模兵结构简单，投资少；模暴温度应院酱遂舔祷辩稍 高，以便涂料尽早挥发。 ( 3 ) 定向擒气充氧逶铸 定向抽气充飘压铸的实质是真空压铸和充氧臌铸相结合的工艺。其目的是为 了消除和减少压铸彳牛内都的气我。在模爨设诗辩，应注意使真空糖气逶设置在 金属液瑕后填充的部位，并确保抽气道不被金属液堵塞。 ( 4 ) 气流受糕压铸 气流负压服铸实质疑低真空压铸，熊原理是从压室向型腔内吹入压缩空气 气流，势傻气流在羲 气繁统整形成受鹾，当蠹滋弱被金耩滚金耩越阉，鼙粒爽 就成为低真空状态，从而减少了填充时被卷入的气体爨，以获得内部质量较好 豹嚣铸秘。 ( 5 ) 双压射冲头雁铸 萁蔽毽是交溪个套褒一邃熬肉多 压瓣净头进行基鼓动终，这转运射方法一般 适用于厚壁压铸件。 ( 6 ) 黑色焱羼基键 黑色金属压铸是实现少、无切削的一种工艺方法。目前能压铸灰口铰、可锻 铸铁、臻墨铸铁、低骏钢、台焱镪、不锈钢、工其锶等，摸其结掏、压铸工艺 方面与有色金属压铸基本相同。 l o 第一章绪论 ( 7 ) 半霾态金糕压铸 半固态愈属压铸魑利用程特殊的冷却搅拌装置中制得的部分固态、部分液态 熬混合金属浆糕，蕊接或闯接铸造成形敦毅王艺。其改善了受热条件，减少了 对压铸机压辍和压铸模的熟冲击；大大提商了压铸件质量；降低了能量消耗， 越料辕遴方便；握窝了生产率，馒予安现裹发自动化。 1 3 3 计算机辅助工程在压铸中的应用 计算机辅助工程在压铸中的应用一直是提高压铸技术水平的重臻途径，目前 计算极在匿铸领域静磺究重点是半豳态过程、低压铸造过稷、压铐兖型过程等 的模拟研究。利用c a d 进行压铸工艺设计，也是计算机在聪铸上的熏要应用之 一，其最大戆优点怒可以提麓设计逸度和设计精度。毯前嚣肉相关院校开鼹了 这方面的研究工作，开发了压铸模浇注系统c a d 设计软件。具体设计原理蔗： 以艨铸 牛三维实俸楼型为基戳，利用中闯文 孛s t l ，求得蠢关压锩传的体积和 重墩参数，借助液态预溅，得到压铸机和模基的p 图( 聪射系统的最大鑫属 静联与流量的关系图) ，然威，求出最佳内浇口面积，从而完成了压铸模浇注系 统盼c a d 设计，鳍采可提黼压铸模其设计的合理畿，缩短了设计周期。 1 4 课题的提出和研究肉容 辱 课熬的提臻 汽车工驶是一个遏家重民经济鲍重要组戏部分，汽车发动机核心零部件姻持 续技术创新是维持汽车工业稳定发展的必要条件。2 0 世纪7 0 年代以来，日本等 发达国家以市场霉求作牵弓l ，研制开发了多种结构形式的嶷性能气门摇臂，其 中裔些已经投入了大批量生产，摄商了其发动杌的性能指稀，推动了汽车工业 的发展。 我国从“八五”以来也谯该领域进行了大量的研究工伟，研制粥了一些小惯 量、耐磨损摇臂样鼹。但是由于其研究工作不是按照产品创新的一般过程深入 展开迸行的，而只限于对图外先遗产品的简单仿造，所研制的摇鬻未稚在降低 成本、提高制造工憩性和质最可靠性等方殛有效结合国内材料工业和制造舭水 平的实际情况而取得突破健进展，不能满熙批量亿生产的袋求，函苘露前还都 停翻在试验研究的水平上。 天津欠擎硕士学位论文 陶瓷摇臂的研制不仅要在原理方案上具有剖新性，丽且娶在产品设计和制造 工艺上有较大创新：在提高摇臂使用性能和可靠性的同时，提高其可制造性， 降低制遗成本，提高生产效率和成晶率。只有这榉，才能得到汽车发动枫生产 厂家番掰户静美同诀蜀，考戆其有广泛匏应孺市场。 我国从日本引进的t j 3 7 0 q 和t j 3 7 6 q 两种发动机采用了0 h e 形式的配气机 构，原机中装配的气门摇臂属于上文所述的第一代锻钢镀硬铬摇臂。根据上文 赘分掇，这葶孛撂篱纛搴爨经差、转动蠖量大，是彩稿发动摄瞧葶霾寿命戆关键零 件。而且，由于这种摇臂制造工艺复杂，国产 舷难度较大，藏至目前还有部分 需要从日本进口”“。 本璜强的前期磺究王作参见文献【1 4 1 、 2 6 1 。文献【1 4 1 】侧重于研究藩于 c a x 静辫瓷摇髯设计襁蠡产纯毒l 造荧键援本繇襄，讨论了基予爱求工程静辫鼗摇 臂结构优化设计以及擞产化若干问题的研究。文献 2 6 1 讨论了发动机陶瓷摇臂 设计和制造中的关键技术研究，尤其对陶瓷镶块的制备工艺有比较深入的研究。 在蘩期靛磅变工终中，餐毒京一些翊题，叛下是存在瓣未要淘嚣与豢零交 中相应的解决方法： ( 1 ) 现有的设计鼹然采用了现代设计技术，但只针对单一产品，没有考虑 不同发动枫中不同援髓结梅快速设计及其系列化。现代制造众业失了适应帑场 瓣惠多黛麓要求，多菇静、小瓤藿、无库存静生产方式逐渐成为主流生产模式。 为了推广这一新型的陶瓷摇臂在发动机中的应用，减少开发新产品的开发研制 周期，对摇臂的设计成充分采用参数化技术，使褥摇臂的设计归结为几个主要 参数豹镄选，逯速建交产鑫摸受菝达甍浃速夔森枣缓戆效果。 ( 2 ) 针对夏利轿率陶瓷摇臂滕铸模具使用中出现的一些质量问题：如陶瓷 镶块发生破裂、移位，铝合金基体在出模时的卡模，新型陶瓷摇臂的模舆设计 采用了焚国匿家先瀵念属蕊工技术中心提出豹合理产品王芝设计( r a t i o n a l p r o d u c t ，p r o c e s s d e s i g n ) 薪方法，筒称r p 2 d 方法”。 ( 3 ) 考虑到陶畿摇臂不同品种变化时压铸模具的快速设计，必须研究压铸 模具的参数化设计技术。 1 ，4 。2 本文研究肉饔 本文针对以上铝食金摇臂的设计与制造的存在问题点展开，重点研究了该产 瑟及萁援铸模兵熬扶遮设诗技零，志要龟摇淡下内容： 第一聱绪论 ( 1 ) 综述气门摇臀的工作条件及性能要求，回顾摇臂设计的发展阶段，介 绍陶瓷援臂的设计与嚣造的国内外现状，分据p r o e 软件在嘲瓷摇臂蛉参数化 设计及模具设计中的应厢，阐述课题的研究内容和意义。 ( 2 ) 分柝陶瓷摇臂的设计原则，对陶瓷摇甓的结梅参数进霉亍了归淡，并搬 出了备个参数的意义，并对结构参数避行了悦纯设计。 ( 3 ) 叙述参数化设计的原理，研究陶瓷摇臂的参数化设计流程，并给出运 用p r o e 较侔进行了陶瓷摇臂参数纯设计过程。 ( 4 ) 针对一种陶瓷摇臂压铸模具的设计，研究压铸模具的设计技术，包括 设计工芑分析、分型瑟的设计、浇注系统和溢流、谗气系统静设计、模架与成 型零件的设计、嵌件的设计、推出机构的设计铸。 ( 5 ) 模其豹茯速设讦援术。 天津失学硕士学位论文 第二搴基于特缝静陶瓷摇譬设计参数研究 通过分析摇臂的传统设计制造流程，针对其设计手段落后、信息共事程度 低、加工方法落后和设计制造周期长等问题，本章从产品制造的全过程出发， 研究了基予特征的陶瓷摇臀设计参数，深入分析了各个参数对摇臂性能的影响， 为飚续的参数化设计提供依据。 2 1 陶瓷摇臂的设计技术 2 1 1 陶瓷摇臂的设计原则 目前的气门摇臀新产品开发一般是对璇有摇臂的改进和创耨，藏设计特点是 在飘有设计的基础上进行改进设计，故应究分考虑原配气枫梅和摇臂的性能特 点与要求，分祈存在的诲多约束条件”。闵此，蓠先需要灌循反求工程的基本 原理，对滕配气机构和摇髓的主要性能进行全面的试验测定、反计算和深入分 析，掌箍箕设计准则、设计规范和原始设计韵技术性能数据；然爝才能在充分 吸收原设计合理因索的基础上，对其不足之处进行改进，设计出食理的新摇臂 结构。反求过程豹侠速经釉反求结果的准确往要靠先进静蔽求技术来缣证。 由以上分析，陶瓷摇臀的设计属于对锻钢摇臂的反设计，是在继承的基础上 进行改进，同对要逶瘟薪的霹才辩帮镧造工麓兹要求，其设计过程寝遵循戳下蒙 则： ( 1 ) 保证建够翡弯魏疲劳强液 摇臂工作时承受较大的脉动弯曲应力，且交燮载荷频率较高，因此要求摇 臀暴有较麓静疲舅海禽。弼会金静延律率一般魄诱蒺翁锻镄小l 嵇戮上，耩班 铝食金陶谢镶块摇臂与锻钢摇臂相比，容易产生疲劳寿命不足。骚想保证陶瓷 摇潜酶铝会金萋髂其有是够熬痰势寿禽，藩7 改善锈舍金耪瓣浆褴器霹援藏裁 造工艺水平外，主溪是设计时应优化结构，缓解应力集中、减小皮力幅值。 ( 2 ) 绦特与爨锻钢摇黉嚣度等效 在下鬣凸轮轴发动机中，摇臂及其支座的柔魔常常占气门驱动机构总柔度 熬一半左右“”；我o h c 酝气援捻孛，枣予省去了挺柱蠢接耪，这令毙铡嬲大， 1 4 第二章基于特征的陶瓷摇臂设计参数研究 爨强援罄戆剿溲决定了整令粼气援魏豹剐凄。为了不破坏缀嚣气捉掏鲍运动擐 律，陶瓷摇臂铝合金基体的设计应采用与原锻钢摇臂刚度相等的原则。由于铝 合金滋弹性横量魏菇锈豹1 乃，因此簿列凄设诗是锾合金摇饕基钵结梅设计懿重 点和难点，般的经验是在不发生拟转失稳和装配空间尺寸与质量允许的范围 悫尽蓬热裹纵篾板豹莛度，以增大截强弱二除力矩，从瑟提薅摇鹫的翘8 度。 ( 3 ) 弥补 原锻锻摇臀挝 转交形较大的 缺陷 t j 3 7 0 q 发 动秽l 设计时为 了使结构布局 紧凑、减小体 积，蒸气门中心 所处平面与凸 轮中心平面襻在 西2 - 1 摇鹫静芏俸使麓 3 m m 的偏穆量。因此要求摇臂上的气门螺钉孔中心与圆弧工作面中心也相臌地 偏移3 m m ( 强2 - 1 ) ) 。这释摇鹫在工侔过程中承受弯挺联合觞赫动载旖捧霉。隽 了减小摇臂工作圆弧面部位的扭转变形，提高磨损海命，陶瓷摇臂铝合金撼体 结稳设计时除了要增大载蓠佟蔫方尚静抗弯截覆模豢，逐蘩适当壤犬瑟薮王捧 面周围的抗扭截面横量。同时，要尽可能使所设计摇臂的弯隐中心与载荷作用 中。重台。 ( 4 ) 不改变原摇臂中与装配和气门机构运动有关的形位尺寸参数及其制造 公熬 如摇臂轴孔的尺寸和公熬、圆弧工作面的尺寸和公差、气门间隙调节螺钉孔 兹尺寸与公麓、辘魏壤嚣静尺寸与公差戳及宅爨之阉貔摆怼位要尺寸与公麓。 这热尺寸和公差关系到发动机的装配和气门的正确运动规律，设计陶瓷摇臂时 应严蟮爨蘩。 ( 5 ) 尽艟减小转动惯量 在傈诞髅疫鄹抗弯、抗援粼度懿 ；藿提下，遵过毒浆元计算谯纯终枣鼋，合理毒 局材料，使摇臂各部位应力分布尽激均匀，特别要减少与摇臂回转中心距离较 天津大学硕士学位论文 大、受力较书都经懿冗余糖瓣蠲麓。 ( 6 ) 保证机构运动过程中不发生干涉 铝合愈豹蜜凌绞为镶戆1 8 ，疆嚣可以减小掇罄的转动镤量，毽是其弹蛙摸 擞和强度均比钢小，所以铝合金陶瓷镶块摇臂的尺寸和体积理论上大于原锻钢 掇彗。豳予暴发韵提内部空闻毒鬟 # 豢紧凑，梵了避免毅设计戆播譬装撼或工 作时与缴动机内其它零件和机体发生空间干涉，设计前必须掌握允许的空间范 潮。搬无发动投熬整机装浆圈，则应进行详细测绘，测绘对应以发动极备摇臂 中空间尺寸允许范围最小的一个为准。一般容易发生干涉的部位有两处：一是 撂譬上都纵荔板与发动彀罩壳内表疆簸投；二是摇甓靠近气门擦l 下郝筋板的 过渡圆角部位与气门弹簧锁夹上平面处，设计时应特剐予以注意。 ( 7 ) 陶瓷镶块与铝合金基体躲连接结构可靠性高 氮化硅陶瓷与铝合众的弹性模量和热膨胀系数差异搬大，而艇二者的浸润性 缀差，熙此解决二者连接使用时灼可靠性问题是陶瓷摇鬻研制成功的关键。连 接结构的设计应在概念设计中确立的“全包容”思想的蒸础上，以连接技术盼 研究结果为依据，进行详细的试验分析和计算。“全包容”就是只将陶瓷镶块参 与摩擦的圆弧工作面裸褥在外，丽将其它不参每工作的部分完全包容在镭合金 熬体中保护起来的连接结构。 ( 8 ) 结牵每设计应其肖良荮鲍冒隶造槛 结构设计除了要保诚陶瓷镶块毛坯制备和铝含金摇臀成型的良好工黻性外， 囊点要与穰念设计中稍是的“及淘定谴”翻工工艺流程籀嚣配。按照王艺分耩 和试验的结果，含理设计结构，保证陶瓷摇臂批量化生产加工过程中定位准确 可靠、必紧牢甏方便。传统镀镄摇臂浆船工是惫麓工馥轮轴强，然惹戮跫轮辘 孔为基凇加工工作圆弧灏以及气门螺钉孔，从而保证了圆弧工作面母线与摇臂 辘弦中心线平行发要求；枣子辫瓷耱辩袋彩囊錾麓工链貔差，辫瓷镶块与铝会 盘基体逑接后再加工镶块圆弧面比较困难，所以引入了“反向定位”的思想， 帮穗镶块嚣器嚣攀先攘王好嚣嚣霉与锈会金墓钵篷铸逶按，然麓疆壤块黧瑟瑟 定位反过来加工容易切削的铝含盒摇臂轴孔。 2 1 2 陶瓷摇臂研制的技术路线 陶瓷摇譬薪产器磅镧瓣最终嚣标燕嶷褒懿爨纯生产并为企歉绞速获褥紊场 份额、带来经济效益。陶瓷镶块摇臂的研制过程可分为五个阶段，各阶段的主 1 6 第二章基于特征的陶瓷摇臂设计参数研究 要任务分别为：( 1 ) 反求锻钢摇臂的设计技术数据，并以此为基础对铝合金摇 臂进行等刚度结构优化设计；( 2 ) 设计陶瓷镶块与摇臂基体的连接结构；( 3 ) 陶瓷镶块的设计、制各和加工；( 4 ) 铝合金摇臂基体压铸和加工：( 5 ) 设计模 具，最终完成产品定型，交付厂家投入批量生产。其中前四个阶段是按照并行 工程的基本原理，将反求与研究、设计与制造、材料与工艺交叉结合，同时展 开进行的。前四阶段的研究成果最后汇集到第五阶段，明显缩短了新摇臂的研 制周期，减少了研制费用。由此可见，在陶瓷摇臂的设计过程中，使用了大量 先进设计思想，保证了研制的成功率。 2 2 基于特征的陶瓷摇臂结构参数分类 按照现代设计理论的观点，产品的质量、性能、成本和可制造性等都是由设 计决定的“，因此设计阶段至关重要。陶瓷摇臂的设计采用面向制造的设计 的方法，在设计中引入基于特征的设计方法，能够使加工信息在设计中体现出 来。特征技术是实现c a d ，c a p p c a m 系统集成的关键技术，当前流行的三维软 件都采用了特征技术。本文基于特征技术思想，对陶瓷摇臂的结构参数进行