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汽车轮毂的结构与模具设计【带PROE三维】【6张CAD图纸】【优秀】

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关键词：: 汽车轮毂结构模具设计 proe三维 cad图纸

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汽车轮毂的结构与模具设计

47页 21000字数+说明书+任务书+开题报告+PROE三维图+6张CAD图纸【详情如下】

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摘要

本文以汽车轮毂为研究对象，基于产品研究开发的一般流程，制定了产品结构设计、工艺方案设计、模具设计的技术路线。借助CAD等工具，对汽车轮毂结构设计与性能分析、并对模具造型、铸造工艺等进行了设计。

首先介绍了我国轮毂模具的现状、发展趋势及我国模具发展的新技术，其次围绕轿车轮毂模具进行设计，针对轮毂的结构特点，确定模具的型腔数目、分型面以及脱模机构。汽车轮毂的成型工艺方法较多，以挤压铸造生产轮毂的工艺方法现今多处于研究阶段。本文根据挤压铸造的工艺特点，对汽车轮毂挤压铸造模具设计进行了分析总结，并对模具型腔进行了结构设计，查阅模具设计手册，完成模具的总体设计。同时充分利用计算机绘图软件对零件进行设计, 利用Pro/E对零件进行三维造型, 并实现零件的三维装配和模具设计。通过本次设计，对模具整个设计过程有了较好的了解

关键词：模具；镁合金；汽车轮毂；挤压铸造；模具设计；低压铸造

ABSTRACT

This paper mainly research on automobile wheel．Based on the general process of product development，the technical route is made including product structure，process

scheme and mould．Using the software of CAD， such as the structure design of automobile hub with performance analysis, mould modelling, casting process design, etc.

China introduced the aluminum mold wheel status quo first time, development trends and China's development of new technologies die, followed aroundthe family car aluminum wheel design tool for the structural characteristics of wheel, the mold cavity to determine the number of surface as well as from mode institutions. The method about molding process of magnesium alloy wheel is multiple．The way ofmanufacturing automobile wheel wim squeeze casting is not ripe on its research stage．Thispaper summarized main points of the squeeze casting mould，Check the manual mold design, mold choice to determine the structure of mold size, mold designcompleted. At the same time make full use of computer graphics software to design parts using Pro / E sional modeling of parts and components to achieve thethree-dimensional assembly and mold design, Through this design, the entire design process of the mold with a better understanding.

Key words: Mold；Magnesium Alloy；Automobile Wheel；Squeeze Casting；Mold Designing；Low Pessure Csting

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1 引言1

1.2 轮毂国内外研究现状1

1.2.1 国内研究现状1

1.2.2 国外研究现状2

1.3 研究的目的和意义3

1.4 设计的主要内容5

第2章轮毂零件的结构设计7

2.1 轮毂模具设计的基本术语9

2.2 汽车轮毂模具方案的设计标准9

2.3 轮毂零件的3D设计10

2.3.1 主要外形尺寸的确定10

2.3.2 设计原则10

2.3.3 汽车轮毂轮廓三维实体生成10

2.3.4 汽车轮毂风孔的生成11

2.4 本章小结13

第3章轮毂成形工艺介绍14

3.1 轮毂成形的工艺特点14

3.2 现行的轮毂主要成形方法及其优缺点14

3.2.1 金属型重力铸造15

3.2.2 低压铸造15

3.2.3 压铸15

3.2.4 挤压铸造17

3.3 其他成形方法18

3.4 本章小结19

第4章轮毂成形工艺分析20

4.1 轮毂材料及性能特点20

4.2 低压铸造的性能特点20

4.3 工艺方案的确定21

4.4 挤压铸造工艺参数23

4.5 模具设计方案26

4.6 本章小结27

第5章轮毂铸造模具的设计28

5.1 挤压模具设计的基本原则28

5.2 挤压铸造模具的工艺参数29

5.2.1 汽车轮毂模具分模面的确定29

5.2.2 凹模设计34

5.2.3 凸模设计34

5.2.4 模板设计35

5.3 模具装配36

5.4 本章小结37

结论38

参考文献39

致谢41

附录42

1.3 研究的目的和意义

轮毂是车辆的重要运动部件，本文以汽车轮毂为研究对象，基于产品研究开发的一般流程，通过制定产品结构设计、工艺方案设计、模具设计的技术路线，熟练掌握汽车零件设计和开发的流程，通过借助CAD、CAE等工具，对汽车轮毂结构与性能、模具造型、铸造工艺等进行设计。

汽车轮毂的成形工艺类型较多，以挤压铸造生产镁合金轮毂的工艺方法现今多处于研究阶段。通过研究挤压铸造的工艺特点，分析总结汽车轮毂挤压铸造模具要点，并通过对模具型腔进行结构设计，掌握汽车轮毂模具的设计过程了解铸造的基本工艺，熟练应用Pro/E、CAD等绘图软件，并具有一定的实验技能和生产实践知识。1.4 设计的主要内容

产品的开发，通常经过以下几道程序：产品结构设计、工艺方案设计、模具设计、

产品试样、大批生产，对于试样不合格的情况，则需要对模具、工艺方案甚至产品结构进行修整的工作。本文所研究的汽车轮毂的开发流程，分为以下几个内容：

（1）轮毂结构设计

（2）轮毂成形工艺研究现状

（3）轮毂成形工艺方案的确定

（4）轮毂模具的设计

轮毂挤压铸造的模具主要由凸模、凹模、上下模板和充型速度、浇注速度等组成。由于挤压铸造技术是使液态金属在压力作用下充型，并在高压下凝固和产生塑性变形，所以能挤压出各种形状复杂的零件，本设计为了充分发挥挤压铸造技术的优点，综合考虑了各种因素，尤其是挤压铸造工艺参数、模具结构设计和零件设计，挤压铸造工艺包括涂料、模具温度、浇注温度、充型速度、浇注速度、加压压力、加压开始时间、保压时间、脱模、热处理工艺参数等。

轮毂模具设计的流程图如图1.1所示第2章轮毂零件的结构设计

汽车轮毂主要由轮芯、轮辋、轮辐三部分构成由于轮辋按照国家标准(GB-T 3487- 2005汽车轮辋规格系列)规定的尺寸设计，对轮毂的结构再设计而言，就是通过调整辐板结构及其与外轮圈的过渡圆角。轮毂结构的基本知识：

1、轮辋：与轮胎装配配合，支撑轮胎的车轮部分。

2、轮辐：与车轴轮毂实施安装连接，支撑轮辋的车轮部分。

3、偏距：轮辋中心面到轮辐安装面间的距离。有正偏距、零偏距、负偏距之分。

4、轮缘：保持并支撑轮胎方向的轮辋部分。

5、胎圈座：与轮胎圈接触，支撑维持轮胎半径方向的轮辋部分。

6、槽底：为方便轮胎装拆，在轮辋上留有一定深度和宽度的凹坑。

7、气门孔：安装轮胎气门嘴的孔。

详细的轮毂结构可见图2.1所示整体式车轮结构。

结论

本文通过轮毂的结构与模具设计，对此作了全面的分析，在此期间主要完成了如下工作：

1 调查研究了国内外汽车轮毂铸造模具研究现状，总结了我国现有模具工业和国际的差距，提出了改进的建议。

2 明确要求，完成整体方案设计。从提出论文起，就广泛的查阅资料，深入的了解轮毂的性能，结构设计要求等，明确模具的加工工艺流程，并通过资料总结出模具加工过程中的利弊，从而完成了本论文的整体设计方案。

3 铸件三维造型，根据轮毂尺寸参数，用Pro/e软件绘制铸件三维图形。

4 模具设计。通过轮毂尺寸参数，完成了整套模具设计，并在模具设计过程中提出了创新的思想和方法，为以后的模具生产、设计提供了借鉴和参考。在此期间采用了基于特征的实体造型方法和基于机械加工的造型方法。设计以Pro/E软件作为造型的工具。

分析对比了轮毂成型的各种工艺，确定了对镁合金轮毂进行挤压铸造生产的工艺路线，并结合挤压铸造的特点，对轮毂挤压铸造模具型腔进行了设计，建立了三维模型。挤压铸造是一种集铸造和锻造特点于一体的新工艺, 特别适合于形状复杂、带有多孔或台阶形状类零件的成形，也是一种具有较宽的适用性、较大推广价值及很有发展前途的工艺。挤压铸造充型平稳,没有湍流和不包卷气体,金属直接在压力下结晶凝固,所以铸件不会产生气孔、缩孔和缩松等铸造缺陷,且组织致密、晶粒细化,机械性能比低压铸造件高，产品既有接近锻件的优良机械性能,又有精铸件一次精密成形的高效率、高精度,且投资大大低于低压铸造法。

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内容简介：: SY-025-BY-2毕业设计（论文）任务书学生姓名顾立鹏系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆工程07-9指导教师姓名王国田职称实验师从事专业汽车服务是否外聘是否题目名称汽车轮毂的结构与模具设计一、设计（论文）目的、意义轮毂是车辆的重要运动部件，本文以汽车轮毂为研究对象，基于产品研究开发的一般流程，通过制定产品结构设计、工艺方案设计、模具设计的技术路线，熟练掌握汽车零件设计和开发的流程，通过借助CAD、CAE等工具，对汽车轮毂结构与性能、模具造型、铸造工艺等进行设计。汽车轮毂的成型工艺类型较多，以挤压铸造生产镁合金轮毂的工艺方法现今多处于研究阶段。通过研究挤压铸造的工艺特点，分析总结汽车轮毂挤压铸造模具要点，并通过对模具型腔进行结构设计，掌握汽车轮毂模具的设计过程了解铸造的基本工艺，熟练应用PROE、CAD等绘图软件，并具有一定的实验技能和生产实践知识。二、设计（论文）内容、技术要求（研究方法）主要内容：1 轮毂结构设计2 轮毂成形工艺研究现状3 轮毂成形工艺方案的确定4 轮毂模具的设计技术要求：1对汽车轮毂结构进行分析，按照国家标准GB/T 3487-2005汽车轮辋规格系列规定的尺寸，设计轮毂2 研究轮毂成形的方法并制定成形工艺3 设计汽车轮毂成形模具三、设计（论文）完成后应提交的成果论文一份（2万字以上），论文内容符合要求。1 汽车轮毂结构设计图纸一张2 汽车轮毂成型模具设计图纸两张四、设计（论文）进度安排资料收集，整理，完成开题报告第12周论文的撰写，完成中期检查第39周毕业论文提交第913周毕业论文修改完善第1316周毕业论文答辩第17周五、主要参考资料1 李双寿汽车用轻合金轮毂的发展及展望J铸造纵横，2006，1：28322 晓青镁合金在汽车上的应用及发展趋势J上海汽车，2005(3)：38-403 肖景容编.模具计算机辅助设计与制造.北京:国防工业出版社，1990.六、备注指导教师签字：年月日教研室主任签字：年月日优秀毕业设计推荐表题目汽车轮毂的结构与模具设计类别设计学生姓名顾立鹏院（系）、专业、班级汽车与交通工程学院车辆工程07-9班指导教师王国田职称实验师设计成果明细：答辩委员会评语：答辩委员会主任签字（盖章）：院、系公章：年月日备注：注：“类别”栏填写毕业论文、毕业设计、其它毕业设计成绩评定表学生姓名顾立鹏性别男院系汽车与交通工程学院专业车辆工程班级07-9班设计题目汽车轮毂的结构与模具设计平时成绩评分（开题、中检、出勤）指导教师姓名职称指导教师评分（X）评阅教师姓名职称评阅教师评分（Y）答辩组组长职称答辩组评分（Z）毕业设计成绩百分制五级分制答辩委员会评语：答辩委员会主任签字（盖章）：院系公章：年月日注：1、平时成绩（开题、中检、出勤）评分按十分制填写，指导教师、评阅教师、答辩组评分按百分制填写，毕业设计（论文）成绩百分制=W+0.2X+0.2Y+0.5Z 2、评语中应当包括学生毕业设计（论文）选题质量、能力水平、设计（论文）水平、设计（论文）撰写质量、学生在毕业设计（论文）实施或写作过程中的学习态度及学生答辩情况等内容的评价。毕业设计指导教师评分表学生姓名顾立鹏院系汽车与交通工程学院专业、班级车辆工程07-9班指导教师姓名王国田职称实验师从事专业汽车服务是否外聘是否题目名称汽车轮毂的结构与模具设计序号评价项目满分得分1选题与专业培养目标的符合程度，综合训练情况；题目难易度102题目工作量；题目与工程实践、社会实际、科研与实验室建设等的结合程度103综合运用知识能力（设计涉及学科范围，内容深广度及问题难易度）；应用文献资料能力154设计（实验）能力；计算能力（数据运算与处理能力）；外文应用能力205计算机应用能力；对实验结果的分析能力（或综合分析能力、技术经济分析能力）106插图（图纸）质量；设计说明书撰写水平；设计的实用性与科学性；创新性207设计规范化程度（设计栏目齐全合理、SI制的使用等）58科学素养、学习态度、纪律表现；毕业论文进度10得分 X= 评语：（参照上述评价项目给出评语，注意反映该论文的特点）工作态度：好较好一般较差很差研究能力或设计能力：强较强一般较弱很弱工作量：大较大适中较少很少说明书规范性：好较好一般较差很差图纸规范性：好较好一般较差很差成果质量（设计方案、设计方法、正确性）好较好一般较差很差其他：指导教师签字：年月日SY-025-BY-4毕业设计（论文）指导记录日期2011.3.4地点丰田实验中心指导方式面授指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）与老师见了面，老师简单介绍毕业设计的应交作业及基本要求，对毕业设计的具体写作工作提了要求，解释了选题的含义及基本思路，回答了同学的有关疑问，互留联系方式，布置主要工作是广泛搜集资料，进度快的可写出开题报告。学生（记录人）签名：指导教师签名：日期2011.3.11地点丰田实验中心指导方式面授指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）老师介绍了毕业设计的目标、任务等具体要求，同学设计过程中常见的认识误区及需要注意的问题，利用好时间进行毕业设计的资料搜集，完成开题报告，理清基本思路。学生（记录人）签名：指导教师签名：日期2011.3.18地点丰田实验中心指导方式面授指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）将初步方案设计交给老师审查，对老师指出的错误和不足进行改进。完成开题答辩，并对答辩中出现的问题再次进行改进。学生（记录人）签名：指导教师签名：SY-025-BY-4毕业设计（论文）指导记录日期2011.3.25地点丰田实验中心指导方式面授指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）开始进行轮毂的结构方案设计，在老师的指导下收集了一些相关资料，根据国家标准GB-T 3487-2005汽车轮辋规格，确定了需要的基本数据。学生（记录人）签名：指导教师签名：日期2011.4.1地点丰田实验中心指导方式面授指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）对轮毂的结构进行设计，并完成轮毂的的绘图工作，对绘图中出现的问题，老师给予一一指出，并得到改善。学生（记录人）签名：指导教师签名：日期2011.4.8地点丰田实验中心指导方式面授指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）搜集有关轮毂成形工艺的材料，并确定最终的轮毂成形工艺。老师指出最终的工艺方案确定有什么问题。学生（记录人）签名：指导教师签名：SY-025-BY-4毕业设计（论文）指导记录日期2011.4.15地点丰田实验中心指导方式面授指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）在轮毂的结构设计方面以及成形工艺方面，老师一一指出并得到改正，绘图中出现表示不清楚的部分在老师的提醒下得以改进。并开始准备中期答辩。学生（记录人）签名：指导教师签名：日期2011.4.22地点丰田实验中心指导方式面授指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）完成中期答辩。与老师针对答辩中出现的问题一一请教，并完善图纸及工艺过程。老师在指导时指出图纸中出现的问题，如：剖面线的线宽、图纸中线宽不整齐等。并于回寝室后得以改进学生（记录人）签名：指导教师签名：日期2011.4.29地点丰田实验中心指导方式面授指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）进行轮毂模具的设计，并进行轮毂模具及零件的绘图工作。开始撰写设计说明书。学生（记录人）签名：指导教师签名：SY-025-BY-4毕业设计（论文）指导记录日期2011.5.6地点丰田实验中心指导方式面授指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）完成轮毂模具装配图及零件图的绘制，并于老师讨论设计说明书中内容分布情况，得到了很大的帮助，使设计说明书的编写更加流畅。学生（记录人）签名：指导教师签名：日期2011.5.13地点丰田实验中心指导方式面授指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）本周通过与老师的交流，完善的图纸中的小问题，以及设计说明书中的格式问题。学生（记录人）签名：指导教师签名：日期2011.5.20地点丰田实验中心指导方式面授指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）本周基本完成图纸的绘制与设计说明书的编写，对于其中存在的问题，指导老师一一找出并使我的设计更加完善。学生（记录人）签名：指导教师签名：SY-025-BY-4毕业设计（论文）指导记录日期2011.5.27地点丰田实验中心指导方式面授指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）本周把所有设计材料交给指导老师，并在指导老师的仔细审阅下找出了很多小问题，并把这些小问题一一纠正。学生（记录人）签名：指导教师签名：日期2011.5.3地点丰田实验中心指导方式面授指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）本周把完整材料交与老师，并准备预答辩，根据老师给出的思路进行完善。学生（记录人）签名：指导教师签名：日期2011.6.10地点丰田实验中心指导方式面授指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）本周进行了预答辩，并根据答辩中出现的问题与老师交流，并再次进行整体改进，以求精益求精。学生（记录人）签名：指导教师签名：毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目: 汽车轮毂的结构与模具设计院系名称: 汽车与交通工程学院专业班级: 车辆工程07-9 学生姓名: 顾立鹏导师姓名: 王国田开题时间: 2011年3月14 指导委员会审查意见：签字：年月日SY-025-BY-3毕业设计（论文）开题报告学生姓名顾立鹏系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆工程07-9指导教师姓名王国田职称实验师从事专业汽车服务是否外聘是否题目名称汽车轮毂的结构与模具设计一、课题研究现状，选题的目的、依据和意义1、研究现状作为汽车最重要的安全部件，轮毂承受着汽车和载物质量作用的压力，受到车辆在启动、制动时动态扭矩的作用，还承受汽车在行驶过程中转弯、凹凸路面、路面障碍物冲击等来自不同方向动态载荷产生的不规则交变受力。轮毂的产品质量和可靠性不但关系到车辆和车上人员、物资的安全性，还影响到车辆在行驶中的平稳性、操纵性、舒适性等性能，这就要求轮毂的尺寸和形状精度高、动平衡好、疲劳强度高、刚度和弹性好、质量轻、美观、材料可回收等。1.1国内研究现状为了节能降耗，减少废气排放，提高驾乘舒适度和车辆动力学性能。现代汽车正在向轻量化方向发展，从结构材料的角度出发，实现车辆轻量化的主要手段是采用具有高比性能的轻质材料替代传统材料，目前广泛应用于汽车轮毂的材料主要是铝合金和镁合金。随着我们国家公路设施的迅猛发展，铝合金轮毂开始在全国范围内得到推广，并且发展迅速。2002年，我国轿车铝合金轮毂的装车率已接近45%。伴随着中国汽车工业的快速发展，我国铝合金轮毂行业出现强劲增长势头。经过十几年的艰苦努力，年生产能力已超过了6500万件。已成为了世界铝合金轮毂生产大国。与世界先进水平相比，国内企业在铝合金轮毂的设计开发和制造技术方面尚存在较大的差距，总体的生产技术和装备水平、产品的设计水平、产品的技术含量和质量水平还有待进一步的提高。镁合金是最轻的金属结构材料，具有低价格，高比性能、比强度和比刚度。突出的阻尼减振性能等特点，将镁合金用于汽车，摩托车结构，特别是高速运动构件能降低车辆自重及燃油消耗，降低车辆的振动和噪声，提高车辆的加减速动力学特性，既能达到节能环保的目的，又能较显著改善车辆的驾乘舒适度。在国内，上海汽车公司最早将镁合金应用在汽车上，目前桑塔纳轿车镁合金变速器外壳年用镁量达2000t以上。东风汽车公司开发的轿车用非承重镁合金零件有变速箱壳、离合器壳、变速箱盖等，其中镁合金变速箱壳体质量仅为3.3kg，取代了4.8kg的铝合金壳体，年产量达到6万件。长安汽车公司生产的变速器、上下箱体延伸体和缸罩等7种零件已通过台架试验和道路试验，2004年已大批量装车进入市场。我国科技部也在“十五”国家科技攻关计划中特别提出了“镁合金开发应用和产业化”重大项目。轮毂的铸造工艺有低压铸造法、重力铸造法、压力铸造法、挤压铸造法、轮毂的成形工艺主要有挤压铸造和低压铸造。我国从20世纪六七十年代开始发展挤压铸造，20世纪九十年代，运用于摩托车行业，使挤压铸造得到了飞跃发展，已形成年生产300千万只摩托车铝轮毂的能力。目前国内外生产的大型受力零件有：重25.50kg的坦克铝合金负重轮以及大型载重汽车铝轮毂等。我国低压铸造工艺发展得较晚，1955年天津拖拉机制造厂采用压缩空气紧密制造铝合金型板，1958年上海邮电器材厂应用了低压铸造工艺，六十年代这一工艺在北京、天津、上海、辽宁等地得到了一定程度的发展。1978年以来，一机部、六机部、八机部等相继召开低压铸造经验交流会，介绍了国内先进的低压铸造设备和工艺。1.2国外研究现状国外对轮毂材料的研究发展的比较迅速。20世纪初，当钢铁制汽车轮毂已经运用的很成熟的时候，一些赛车爱好者，为了追求速度与灵活性，而把汽车变得更加“轻量化”，就将钢制辐条式轮毂与铝质轧制轮辋相结合的车轮装上汽车。从此，汽车轮毂进入了另一个时代铝合金轮毂时代。1945年以后，汽车厂商纷纷开展批量生产铝合金轮毂的研究。德国是世界上最早开始制造铝合金轮毂的国家早在20世纪20年代就开始用砂型铸造赛车用铝合金轮毂，其设计与制造技术一直走在世界的前列。20世纪50年代末，联邦德国还12只能少量的生产铝合金轮毂，到了70年代后，他们开始在小汽车上大量使用铸造铝合金轮毂，开创了新的局面。世界各国近年来都高度重视对镁合金的研究与开发，加强镁合金在汽车等交通工具上的应用开发和产业化研究。自1990年以来，美国、日本、德国、澳大利亚等国家相继出台了自己的镁合金研究计划，把镁合金列为21世纪研究与开发的重点项目。北美是汽车用镁量最大的地区，其次是欧洲、日本和韩国。在北美一些车型上，镁合金用量大约为5.8-26.3kg辆，美国通用、福特、克莱斯勒等三大汽车公司用镁量均呈逐年增长趋势。在欧洲一些车型上，镁合金用量大约为9.3-20.3kg辆。国外的挤压铸造工艺是1937年由前苏联发明的，20世纪五六十年代，先后传入我国和世界各地。挤压铸造技术的发展与挤压铸造机技术的发展密切相关。20世纪80年代，日本宇部公司开发成功HCSC和VSC系列挤压铸造机，日前已销售300多台；日本丰田公司的轮毂厂拥有14台VSCl500VSCl800挤压铸造设备，年产400多万只高档汽车铝轮；日本的日产汽车、马自达、Art、Umold和Tosei等公司和美国SPX、Amcast等大公司也拥有挤压铸造生产厂或车间。低压铸造最早由英国人E.F.LAKE于1910年提出并申请专利。其目的是解决重力铸造中浇注系统充型和补缩的矛盾。低压铸造真正被推广应用时在“二战”以后，由于有较高的补缩压力和温度梯度，有效地提高了厚大断面铸件的致密性。1950年以后由于汽车工业的发展，使抵押铸造工艺和设备有了一个飞跃。汽车轮毂由于质量要求高，本身结构又适于低压铸造，而且需求量大，因此极大地推动了低压铸造技术的发展。英国在60年代率先发展低压铸造汽车轮毂，其后美国、日本、西德相继发展。2、目的、依据和意义目的、依据：轮毂是车辆的重要运动部件，本文以汽车轮毂为研究对象，基于产品研究开发的一般流程，通过制定产品结构设计、工艺方案设计、模具设计的技术路线，熟练掌握汽车零件设计和开发的流程，通过借助CAD、CAE等工具，对汽车轮毂结构与性能、模具造型、铸造工艺等进行设计。汽车轮毂的成形工艺类型较多，以挤压铸造生产镁合金轮毂的工艺方法现今多处于研究阶段。通过研究挤压铸造的工艺特点，分析总结汽车轮毂挤压铸造模具要点，并通过对模具型腔进行结构设计，掌握汽车轮毂模具的设计过程了解铸造的基本工艺，熟练应用PROE、CAD等绘图软件，并具有一定的实验技能和生产实践知识。意义：资源和环境是己成为世界各国越来越突出的问题，为了节能降耗、减少废气排放、提高驾乘舒适度和车辆动力学的性能，现代汽车、摩托车等交通工具正在向轻量化方向发展。镁合金是现已知的最轻金属结构材料之一，具有多方面结构和性能的优势，越来越受到各国的青睐。轮毂作为车辆的重要运动部件，它的轻量化生产有着非常重要的意义。而镁合金由于其众多优点，成为轻量化发展的首选材料。但镁合金在生产和应用中还存在着诸多缺点，如由于镁元素活泼，镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧，生产难度很大；镁合金的生产技术还不成熟和完善，特别是镁合金成形技术有待进一步发展；镁合金的耐蚀性较差，高温强度、蠕变性能较低等诸多问题，严重阻碍了镁合金产品的生产。铸造模具市场异常活跃，铸造产业的高速增长带来了铸造模具制造工业的一片兴旺。根据中国模具工业协会经营管理委员会编制的全国模具专业厂基本情况统计，铸造模具约占各类模具总产值5%，每年增长速度高达25%。模具是工业产品生产用的重要工艺装备，在现代工业生产中，60%-90%的工业产品需要使用模具，模具工业已经成为工业发展的基础，许多新产品的开发和研制在很大程度上都依赖于模具生产，特别是汽车、摩托车、轻工、电子、航空等行业尤为突出。而作为制造业基础的机械行业，根据国际生产技术协会的预测，21世纪机械；制造工业的零件，其粗加工的75%和精加工的50%都将依靠模具完成，因此，模具工业已经成为国民经济的重要基础工业。模具工业发展的关键是模具技术的进步。在世界轻工、汽车、摩托车、机电、仪表等市场的竞争中，各国都在向高质量，高可靠性、质量轻，节能，低成本方向发展，某些零部件用传统的材料和工艺方法生产已不能适应要求。如在汽车制造业，产品设计师和工艺师力争减轻车的重量。在材料方面表现为轻量化，以铝、镁合金代钢(铁)，在工艺方面以铸代锻，尤其是以压铸，挤压铸造代替普通铸造，低压铸造及部分锻造，以达到提高毛坯的精度，减少加工余量，减少原材料消耗，降低成本的目的。二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题1、研究的基本内容（1）轮毂结构设计（2）轮毂成形工艺研究现状（3）轮毂成形工艺方案的确定（4）轮毂模具的设计2、拟解决的主要问题（1）零件的结构设计（2）汽车轮毂成形工艺的设计（3）完成轮毂挤压铸造模具设计三、技术路线（研究方法）调查研究、收集资料轮毂结构设计轮毂成形工艺研究及工艺方案的确定轮毂成形铸造工艺设计与分析完成设计重力铸造低压铸造轮毂成形工艺确定轮毂的挤压铸造模具设计图纸及整理资料挤压铸造四、进度安排（1）调研、资料收集，完成开题报告第12周(2月28日-3月11日)（2）轮毂的结构方案设计第34 周(3月14日-3月27日)（3）总成图及零部件图，完成设计计算，进行中期检查 58 周(3月28日-4月24日) （4）完善图纸设计第911 周(4月25日-5月15日)（5）撰写设计说明书第12周(5月16日-5月22日)（6）完善设计，提交指导老师审核并修改第1314周(5月23日-6月5日)（7）设计审核、修改第15、16周（6月9日6月22日）（8）毕业设计答辩准备及答辩第17周（6月23日6月 29日）五、参考文献1李双寿汽车用轻合金轮毂的发展及展望J铸造纵横，2006，1：28322殷银银.镁合金轮毂的塑性成形技术.热加工工艺.2010，073晓青镁合金在汽车上的应用及发展趋势J上海汽车，2005(3)：38-404查吉利.镁合金产品及生产应用技术开发平台建设.特种铸造及有色合金.2005，105陈芳雷.镁合金汽车轮毂成形工艺及数值模拟.热加工工艺.2007，016李临华.轮毂结构优化设计研究.机械.2006，107肖景容编.模具计算机辅助设计与制造.北京:国防工业出版社，1990.8陈荣.基于Pro/E的汽车轮毂模具设计.机械制造.2004，039张占领.基于Pro/E平台的镁合金轮毂挤压铸造模具设计.中国铸造装备与技术，2007，0610武增臣.镁合金轮毂的一种新型挤压铸造方法.铸造，2005，0911刑志媛.挤压铸造镁合金轮毂研究.特种制造及有色合金.2007，s1 12罗继相.挤压铸造在汽车、摩托车制造业中的应用.特种铸造及有色合金.2003，0113蒋国璋.轿车轮毂实体模具设计及方法研究.湖北工业大学学报.2004，0314张丽红.汽车轮毂挤压铸模型腔造型设计及加工.洪都科技.2000，0115Joseph C B58 annual world magnesium conference：automotive，environmental，supplydemand，and quality developmentsJLight Metal Age，2001，59(7，8)1 103-l 10616Masashi UCHIDAFeature of UBE Squeese Process and UNRC Process(Semi Solid casting)第三届中国国际压铸会议论文集C，沈阳：东北大学出版社，206220六、备注指导教师意见：签字：年月日本科学生毕业设计汽车轮毂的结构与模具设计院系名称：汽车与交通工程学院专业班级：车辆工程 07-9班学生姓名：顾立鹏指导教师：王国田职称：实验师黑龙江工程学院二一一年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeThe Structure of Automobile hub With Mold designCandidate：Gu LipengSpecialty：Vehicle EngineeringClass：07-9Supervisor：Experimental division. Wang GuotianHeilongjiang Institute of Technology2011-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计摘要本文以汽车轮毂为研究对象，基于产品研究开发的一般流程，制定了产品结构设计、工艺方案设计、模具设计的技术路线。借助CAD等工具，对汽车轮毂结构设计与性能分析、并对模具造型、铸造工艺等进行了设计。首先介绍了我国轮毂模具的现状、发展趋势及我国模具发展的新技术，其次围绕轿车轮毂模具进行设计，针对轮毂的结构特点，确定模具的型腔数目、分型面以及脱模机构。汽车轮毂的成型工艺方法较多，以挤压铸造生产轮毂的工艺方法现今多处于研究阶段。本文根据挤压铸造的工艺特点，对汽车轮毂挤压铸造模具设计进行了分析总结，并对模具型腔进行了结构设计，查阅模具设计手册，完成模具的总体设计。同时充分利用计算机绘图软件对零件进行设计, 利用Pro/E对零件进行三维造型, 并实现零件的三维装配和模具设计。通过本次设计，对模具整个设计过程有了较好的了解。关键词：模具；镁合金；汽车轮毂；挤压铸造；模具设计；低压铸造ABSTRACTThis paper mainly research on automobile wheelBased on the general process of product development，the technical route is made including product structure，processscheme and mouldUsing the software of CAD， such as the structure design of automobile hub with performance analysis, mould modelling, casting process design, etc.China introduced the aluminum mold wheel status quo first time, development trends and Chinas development of new technologies die, followed aroundthe family car aluminum wheel design tool for the structural characteristics of wheel, the mold cavity to determine the number of surface as well as from mode institutions. The method about molding process of magnesium alloy wheel is multipleThe way ofmanufacturing automobile wheel wim squeeze casting is not ripe on its research stageThispaper summarized main points of the squeeze casting mould，Check the manual mold design, mold choice to determine the structure of mold size, mold designcompleted. At the same time make full use of computer graphics software to design parts using Pro / E sional modeling of parts and components to achieve thethree-dimensional assembly and mold design, Through this design, the entire design process of the mold with a better understanding.Key words: Mold；Magnesium Alloy；Automobile Wheel；Squeeze Casting；Mold Designing；Low Pessure Csting II目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1 引言11.2 轮毂国内外研究现状11.2.1 国内研究现状11.2.2 国外研究现状21.3 研究的目的和意义31.4 设计的主要内容5第2章轮毂零件的结构设计72.1 轮毂模具设计的基本术语92.2 汽车轮毂模具方案的设计标准92.3 轮毂零件的3D设计102.3.1 主要外形尺寸的确定102.3.2 设计原则102.3.3 汽车轮毂轮廓三维实体生成102.3.4 汽车轮毂风孔的生成112.4 本章小结13第3章轮毂成形工艺介绍143.1 轮毂成形的工艺特点143.2 现行的轮毂主要成形方法及其优缺点143.2.1 金属型重力铸造153.2.2 低压铸造153.2.3 压铸153.2.4 挤压铸造173.3 其他成形方法183.4 本章小结19第4章轮毂成形工艺分析204.1 轮毂材料及性能特点204.2 低压铸造的性能特点204.3 工艺方案的确定214.4 挤压铸造工艺参数234.5 模具设计方案264.6 本章小结27第5章轮毂铸造模具的设计285.1 挤压模具设计的基本原则285.2 挤压铸造模具的工艺参数295.2.1 汽车轮毂模具分模面的确定295.2.2 凹模设计345.2.3 凸模设计345.2.4 模板设计355.3 模具装配365.4 本章小结37结论38参考文献39致谢41附录42第1章绪论1.1 引言能源、环境和安全是当今备受关注的三大问题，也正是这三大问题制约了汽车工业的发展和汽车的普及。而汽车的安全性和可靠很大程度上取决于所用轮毂的性能和使用寿命。随着产品更新换代越来越快，新产品不断涌现，新技术日新月异，模具的使用范围已越来越广，对模具的要求也越来越高，使模具技术及制造方式发生了根本性的变化，已经从传统的手工设计，从有经验的钳工师傅为主导的技艺型生产方式转变到了以数字化、信息化、自动化生产为特征的现代模具工业生产时代。轮毂是一个承受随机疲劳载荷的旋转薄壳结构，上面开有孔洞，附有加强筋，形状复杂，轿车在行驶中所受到的各种载荷向轮毂的传递也十分复杂。因此，轮毂的几何形状和力学特征的复杂性给研究工作带来很大的困难。轮毂模具设计是保证轿车轮毂质量的关键，由于模具型面复杂，几何构造图素和曲面造型独特，传统的模具设计及制造方法很难满足要求。而采用Pro/E对汽车轮毂模型实体设计以及模具设计将解决这一设计难题，使得设计过程简便、快捷、可靠。然而在当今汽车技术高速发展的时代，欧美、日本等国家基本垄断了发达的汽车技术，我国在先进的汽车技术中处于落后与被动地位，因此，我国必须加大对汽车技术研发的力度，发明出更新更先进的技术，跟上世界各个汽车大国的技术水平。1.2 轮毂国内外研究现状1.2.1 国内研究现状为了节能降耗，减少废气排放，提高驾乘舒适度和车辆动力学性能。现代汽车正在向轻量化方向发展，从结构材料的角度出发，实现车辆轻量化的主要手段是采用具有高比性能的轻质材料替代传统材料，目前广泛应用于汽车轮毂的材料主要是铝合金和镁合金。随着我们国家公路设施的迅猛发展，铝合金轮毂开始在全国范围内得到推广，并且发展迅速。2002年，我国轿车铝合金轮毂的装车率已接近45%。伴随着中国汽车工业的快速发展，我国铝合金轮毂行业出现强劲增长势头。经过十几年的艰苦努力，年生产能力已超过了6500万件。已成为了世界铝合金轮毂生产大国。与世界先进水平相比，国内企业在铝合金轮毂的设计开发和制造技术方面尚存在较大的差距，总体的生产技术和装备水平、产品的设计水平、产品的技术含量和质量水平还有待进一步的提高1。镁合金是最轻的金属结构材料，具有低价格，高比性能、比强度和比刚度。突出的阻尼减振性能等特点，将镁合金用于汽车，摩托车结构，特别是高速运动构件能降低车辆自重及燃油消耗，降低车辆的振动和噪声，提高车辆的加减速动力学特性，既能达到节能环保的目的，又能较显著改善车辆的驾乘舒适度2。在国内，上海汽车公司最早将镁合金应用在汽车上，目前桑塔纳轿车镁合金变速器外壳年用镁量达2000t以上。东风汽车公司开发的轿车用非承重镁合金零件有变速箱壳、离合器壳、变速箱盖等，其中镁合金变速箱壳体质量仅为3.3kg，取代了4.8kg的铝合金壳体，年产量达到6万件。长安汽车公司生产的变速器、上下箱体延伸体和缸罩等7种零件已通过台架试验和道路试验，2004年已大批量装车进入市场。我国科技部也在“十五”国家科技攻关计划中特别提出了“镁合金开发应用和产业化”重大项目。轮毂的铸造工艺有低压铸造法、重力铸造法、压力铸造法、挤压铸造法、轮毂的成形工艺主要有挤压铸造和低压铸造。我国从20世纪六七十年代开始发展挤压铸造，20世纪九十年代，运用于摩托车行业，使挤压铸造得到了飞跃发展，已形成年生产300千万只摩托车铝轮毂的能力。目前国内外生产的大型受力零件有：重25.50kg的坦克铝合金负重轮以及大型载重汽车铝轮毂等。我国低压铸造工艺发展得较晚，1955年天津拖拉机制造厂采用压缩空气紧密制造铝合金型板，1958年上海邮电器材厂应用了低压铸造工艺，六十年代这一工艺在北京、天津、上海、辽宁等地得到了一定程度的发展。1978年以来，一机部、六机部、八机部等相继召开低压铸造经验交流会，介绍了国内先进的低压铸造设备和工艺3。1.2.2 国外研究现状国外对轮毂材料的研究发展的比较迅速。20世纪初，当钢铁制汽车轮毂已经运用的很成熟的时候，一些赛车爱好者，为了追求速度与灵活性，而把汽车变得更加“轻量化”，就将钢制辐条式轮毂与铝质轧制轮辋相结合的车轮装上汽车。从此，汽车轮毂进入了另一个时代铝合金轮毂时代。1945年以后，汽车厂商纷纷开展批量生产铝合金轮毂的研究。德国是世界上最早开始制造铝合金轮毂的国家早在20世纪20年代就开始用砂型铸造赛车用铝合金轮毂，其设计与制造技术一直走在世界的前列。20世纪50年代末，联邦德国还只能少量的生产铝合金轮毂，到了70年代后，他们开始在小汽车上大量使用铸造铝合金轮毂，开创了新的局面。世界各国近年来都高度重视对镁合金的研究与开发，加强镁合金在汽车等交通工具上的应用开发和产业化研究。自1990年以来，美国、日本、德国、澳大利亚等国家相继出台了自己的镁合金研究计划，把镁合金列为21世纪研究与开发的重点项目。北美是汽车用镁量最大的地区，其次是欧洲、日本和韩国。在北美一些车型上，镁合金用量大约为5.8-26.3kg/辆，美国通用、福特、克莱斯勒等三大汽车公司用镁量均呈逐年增长趋势。在欧洲一些车型上，镁合金用量大约为9.3-20.3kg/辆4。国外的挤压铸造工艺是1937年由前苏联发明的，20世纪五六十年代，先后传入我国和世界各地。挤压铸造技术的发展与挤压铸造机技术的发展密切相关。20世纪80年代，日本宇部公司开发成功HCSC和VSC系列挤压铸造机，日前已销售300多台；日本丰田公司的轮毂厂拥有14台VSCl500VSCl800挤压铸造设备，年产400多万只高档汽车铝轮；日本的日产汽车、马自达、Art、Umold和Tosei等公司和美国SPX、Amcast等大公司也拥有挤压铸造生产厂或车间5。低压铸造最早由英国人E.F.LAKE于1910年提出并申请专利。其目的是解决重力铸造中浇注系统充型和补缩的矛盾。低压铸造真正被推广应用时在“二战”以后，由于有较高的补缩压力和温度梯度，有效地提高了厚大断面铸件的致密性。1950年以后由于汽车工业的发展，使抵押铸造工艺和设备有了一个飞跃。汽车轮毂由于质量要求高，本身结构又适于低压铸造，而且需求量大，因此极大地推动了低压铸造技术的发展。英国在60年代率先发展低压铸造汽车轮毂，其后美国、日本、西德相继发展6。1.3 研究的目的和意义轮毂是车辆的重要运动部件，本文以汽车轮毂为研究对象，基于产品研究开发的一般流程，通过制定产品结构设计、工艺方案设计、模具设计的技术路线，熟练掌握汽车零件设计和开发的流程，通过借助CAD、CAE等工具，对汽车轮毂结构与性能、模具造型、铸造工艺等进行设计。汽车轮毂的成形工艺类型较多，以挤压铸造生产镁合金轮毂的工艺方法现今多处于研究阶段。通过研究挤压铸造的工艺特点，分析总结汽车轮毂挤压铸造模具要点，并通过对模具型腔进行结构设计，掌握汽车轮毂模具的设计过程了解铸造的基本工艺，熟练应用Pro/E、CAD等绘图软件，并具有一定的实验技能和生产实践知识。资源和环境是己成为世界各国越来越突出的问题，为了节能降耗、减少废气排放、提高驾乘舒适度和车辆动力学的性能，现代汽车、摩托车等交通工具正在向轻量化方向发展。镁合金是现已知的最轻金属结构材料之一，具有多方面结构和性能的优势，越来越受到各国的青睐。轮毂作为车辆的重要运动部件，它的轻量化生产有着非常重要的意义。而镁合金由于其众多优点，成为轻量化发展的首选材料。但镁合金在生产和应用中还存在着诸多缺点，如由于镁元素活泼，镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧，生产难度很大；镁合金的生产技术还不成熟和完善，特别是镁合金成形技术有待进一步发展；镁合金的耐蚀性较差，高温强度、蠕变性能较低等诸多问题，严重阻碍了镁合金产品的生产7。铸造模具市场异常活跃，铸造产业的高速增长带来了铸造模具制造工业的一片兴旺。根据中国模具工业协会经营管理委员会编制的全国模具专业厂基本情况统计，铸造模具约占各类模具总产值5%，每年增长速度高达25%。模具是工业产品生产用的重要工艺装备，在现代工业生产中，60%-90%的工业产品需要使用模具，模具工业已经成为工业发展的基础，许多新产品的开发和研制在很大程度上都依赖于模具生产，特别是汽车、摩托车、轻工、电子、航空等行业尤为突出。而作为制造业基础的机械行业，根据国际生产技术协会的预测，21世纪机械；制造工业的零件，其粗加工的75%和精加工的50%都将依靠模具完成，因此，模具工业已经成为国民经济的重要基础工业。模具工业发展的关键是模具技术的进步8。模具设计是保证轿车轮毂质量的关键，由于模具型面复杂，几何构造图素和曲面造型独特，传统的模具设计及制造方法很难满足要求。而采用Pro/E对汽车铝轮模型实体设计以及模具设计将解决这一设计难题，使得设计过程简便、快捷、可靠。挤压铸造也称为液态模锻,是一种集铸造和锻造特点于一体的新工艺,该工艺是将一定量的熔融金属液直接注入敞口的金属模腔,随后合模，通过冲头以一定的压力作用于液体金属上,使之充填、成形和结晶凝固,并在结晶过程中产生一定量的塑性变形，从而获得毛坯或零件的一种金属加工方法。挤压铸造充型平稳,没有湍流和不包卷气体,金属直接在压力下结晶凝固,所以铸件不会产生气孔、缩孔和缩松等铸造缺陷,且组织致密、晶粒细化,机械性能比低压铸造件高9。产品既有接近锻件的优良机械性能,又有精铸件一次精密成形的高效率、高精度,且投资大大低于低压铸造法。挤压铸造特别适合于生产汽车工业中的安全性零件,汽车轮毂是一种要求较高的保安件,金属型重力铸造、低压铸造、压力铸造工艺生产的产品虽能满足使用要求,但整体质量比挤压铸造铝轮毂相差一个档次。日本已有相当部分的汽车轮毂采用挤压铸造工艺生产,丰田汽车公司拥有十几台全自动挤压铸造设备,每台设备不到2min 即可生产一件轮毂,从浇注金属液到取出铸件整个过程都由计算机来控制,自动化程度非常高。国内也在广东建造了一个现代化的挤压铸造汽车轮毂厂,已生产多种规格和型号的汽车铝轮毂,经鉴定产品质量达到了国外同类产品先进水平。目前世界各国都把挤压铸造作为汽车铝轮毂生产的方向之一。1.4 设计的主要内容产品的开发，通常经过以下几道程序：产品结构设计、工艺方案设计、模具设计、产品试样、大批生产，对于试样不合格的情况，则需要对模具、工艺方案甚至产品结构进行修整的工作。本文所研究的汽车轮毂的开发流程，分为以下几个内容：（1）轮毂结构设计（2）轮毂成形工艺研究现状（3）轮毂成形工艺方案的确定（4）轮毂模具的设计轮毂挤压铸造的模具主要由凸模、凹模、上下模板和充型速度、浇注速度等组成。由于挤压铸造技术是使液态金属在压力作用下充型，并在高压下凝固和产生塑性变形，所以能挤压出各种形状复杂的零件，本设计为了充分发挥挤压铸造技术的优点，综合考虑了各种因素，尤其是挤压铸造工艺参数、模具结构设计和零件设计，挤压铸造工艺包括涂料、模具温度、浇注温度、充型速度、浇注速度、加压压力、加压开始时间、保压时间、脱模、热处理工艺参数等。轮毂模具设计的流程图如图1.1所示实体设计建立模具工件设置收缩率模型检测满足要求?设计浇注系统创建分型面创建体积块创建铸模设置模具进料孔开模模拟、干涉检测生成模座系统生成装配图和零件工程图修改零件图1.1 Pro/E模具设计流程图第2章轮毂零件的结构设计汽车轮毂主要由轮芯、轮辋、轮辐三部分构成由于轮辋按照国家标准(GB-T 3487- 2005汽车轮辋规格系列)规定的尺寸设计，对轮毂的结构再设计而言，就是通过调整辐板结构及其与外轮圈的过渡圆角。轮毂结构的基本知识：1、轮辋：与轮胎装配配合，支撑轮胎的车轮部分。2、轮辐：与车轴轮毂实施安装连接，支撑轮辋的车轮部分。3、偏距：轮辋中心面到轮辐安装面间的距离。有正偏距、零偏距、负偏距之分。4、轮缘：保持并支撑轮胎方向的轮辋部分。5、胎圈座：与轮胎圈接触，支撑维持轮胎半径方向的轮辋部分。6、槽底：为方便轮胎装拆，在轮辋上留有一定深度和宽度的凹坑。7、气门孔：安装轮胎气门嘴的孔。详细的轮毂结构可见图2.1所示整体式车轮结构。图2.1 整体式车轮表2.1 轮毂结构的基本知识1轮辋宽度10螺栓孔节圆直径2轮辋名义直径11螺栓孔直径3轮缘 12轮辐安装面4胎圈座13安装面直径5凸峰14后距6槽底15轮辐7气门孔16轮辋8偏距17轮辋中心线9中心孔LB型轮辋轮毂应符合图2.2图2.2 轮辋LB型轮廓A 轮辋标定宽度 153B 轮缘宽度 13D 轮辋标定直径 358G 轮缘高度 17H 槽底深度 25L 槽底宽度 22M 槽的位置尺寸 39P 胎圈座宽度 22 轮缘接合半径 R11.8 胎圈座角度 2.1 轮毂模具设计的基本术语（1）参考模型：设计模型中的最终产品，本文中为汽车轮毂的最终三维实体模型。（2）工件：在工程上为毛坯，即为加工对象，其几何形状由设计者对整个模具的数控加工的可行性以及成本等因素决定。（3）制造模型：由参考模具和工件组成，为后面的模具的生成提供模板。2.2 汽车轮毂模具方案的设计标准Pro/E提供的设计理念将设计、制造、装配以及生产管理融为一体, 赋予“设计”完整的概念。它提供的强大功能尤其是曲面造型和模具设计功能为工程技术人员和生产管理人员在短期内完成高质量的产品开发提供了强有力的工具。本论文以Pro/E为开发平台, 以并行工程为思想, 最终完成对挤压铸造模具智能设计系统的开发,实现模具设计的自动化, 智能化, 大大缩短了设计、数控编程的时间, 从而缩短了模具设计周期10。另外, Pro/E软件具有的单一数据库、参数化实体特征造型技术为实现并行工程提供了可靠的技术保证。轮毂模具设计可分为两步：设计出符合要求的轮毂三维实体模型。根据轮毂的三维模型设计出轮毂模具。其中，轮毂实体设计是关键，直接涉及到模具的结构及尺寸精度。然后利用Pro/E软件提供的功能，在实体的基础上进行三维造型，并设计出相应的轮毂模具。汽车轮毂由钢圈，轮辐，风孔等组成。其主要结构如图2.3所示：图2.3 汽车轮毂结构外形图2.3 轮毂零件的3D设计由于汽车轮毂外形表面的不规则，所以在进行铸造时应充分考虑设计过程中轮毂主要外形尺寸确定的合理性以及一般原则。2.3.1 主要外形尺寸的确定铸件的最小壁厚：=5-7mm，其平均壁厚为6mm。铸造内外圆角：R=2mm汽车轮毂的受阻收缩率：0.5%-1%铸造斜度(拔模斜度)：=5302.3.2 设计原则起模方便，在起模方向上留有结构斜度。铸件的壁厚尽可能均匀，减少和消除应力，防止缩孔和裂纹缺陷的产生。零件的转角处要留有铸造圆角，以防止裂纹，缩孔。要有合理的铸件壁厚，其最薄的部分应保证液体金属充满。2.3.3 汽车轮毂轮廓三维实体生成Pro/E三维实体建模是利用其强大三维造型功能中的零件模块实体特性，遵循由线-面-实体的方式进行的，汽车轮毂的外形三维实体的生成，其关键在于外形尺寸在Pro/E中的实现。通过绘制直线，圆弧，自由曲线等基本因素，并做拉伸、旋转、镜像、等距、剪切等操作最终生成所需的曲线外形，如图2.4所示。设计中出现的偏差或数据不精确造成曲线，曲面不光滑或曲面结合不好的现象可以通过【特征/编辑定义】命令对其进行外形尺寸的修改11。图2.4 轮毂实体建模2.3.4 汽车轮毂风孔的生成风孔的三个侧面均为不规则曲面，其中一个侧面为汽车轮毂的内壁圆周面，另外的两个曲面的尺寸确定是要考虑风孔的分布及拔模斜度因素的影响。在钢圈的两端和中间适当位置各建立一平面，根据风孔的尺寸和拔模斜度定出三条曲线，使用【插入基准曲线/边界混合工具】生成风孔的外形轮廓曲面，并与汽车轮毂的内壁圆周面组合(merge)，然后用【实体化】命令移除曲组内侧的材料，得到风孔的外形结构,如图2.5所示，轮毂内侧图如图2.6所示。图2.5 生成风孔曲面图2.6 轮毂内侧图2.7 轮毂实体 2.4 本章小结本章主要介绍了轮毂零件的基本知识、结构设计和轮毂零件的三维建模，引出了轮毂模具的方案。根据国家标准(GB-T 3487- 2005汽车轮辋规格系列)规定的尺寸设计轮毂的基本尺寸，根据轮毂的尺寸利用Pro/E进行三维实体建模。第3章轮毂成形工艺介绍轮毂是汽车上极为重要的安全性能结构件。早期轮毂均为钢板冲压加工成型,后随制造技术的进步及汽车摩托车轻量化的要求逐渐发展为铸造铝合金轮毂。目前的市场上铸造铝合金轮毂占据着主导地位。随着汽车轻量化和节能环保要求的逐步提高,现已有铸造和锻压成形的镁合金轮毂面世。3.1 轮毂成形的工艺特点在轮毂的铸造生产过程中,主要生产工序包括:铸造成形、热处理、机加工和检验涂装等几个步骤。其中,浇注系统、铸型温度、充型速度和冷却速度均为关键控制要素。要得到质量优良的轮毂铸件,必须严格控制其工艺过程中的上述各参数。由于轮毂的铸造工艺主要采用中心浇注方式进行,因此以下4点在轮毂的生产工艺过程中较为关键：（1）轮毂的轮辐是主要受力区域,属于重要部位,该部位必须达到轮毂性能使用要求。（2）外轮缘在浇注过程中要防止卷气,与轮辐连接部位需要防止产生缩孔、缩松,以保证无内胎轮毂的气密性。（3）轮毂的中心厚大部位需要防止缩孔和缩松的产生，以保证轮毂连接性能。（4）整个轮毂铸件应采用工艺手段消除构件内部疲劳缺陷(如渣孔、气孔、缩孔、疏松、宏观偏析等)。除合金熔体冶金质量外,在铸件的浇注和凝固过程中,充型流动场、温度场与应力场是控制铸件内部工艺质量和力学性能的关键,凝固压力场、温度场及其分布则更直接关系到铸件中缩孔、缩松、气孔等缺陷的消除。因此,必须要有合理的充型模式、理想的凝固压力和温度场才能获得高质量的轮毂铸件。3.2 现行的轮毂主要成形方法及其优缺点目前,国内外生产轮毂的主要铸造成形方法有金属型重力铸造、低压铸造、压力铸造和挤压铸造12。下面结合轮毂的成形过程中的关键工艺要素对现行各种主要轮毂铸造成形方法进行论述与比较。3.2.1 金属型重力铸造在轮毂的金属型重力铸造中,铸件的凝固收缩补偿只能通过建立顺序凝固必需的温度梯度来保证,因此必须在轮辐轮缘交接的热结处及中心厚大部位设置冒口,导致金属熔体工艺收得率较低,只有40%60%。同时,由于补缩所需的温度梯度及压力均较低,该方法的工艺过程必须严格控制,否则容易产生缩孔、缩松、夹渣、气孔等缺陷。相比于其他几种利用压力进行充型和凝固的铸造方法,该方法得到的轮毂铸件外部和内部质量都较差。但是由于工序简单、设备投资较少、生产成本较低等因素,国内摩托车轮毂基本上全部用该工艺生产,也有不少汽车轮毂生产厂在使用此工艺生产廉价汽车轮毂13。3.2.2 低压铸造在低压铸造中,金属熔体在数倍于大气压的压力下进行充型和保压凝固,铸件的致密度较高,缩孔缩松较少,产品内部质量较好。并且由于该方法利用压力进行充型和补缩,一般不需在轮辐上设置冒口,并简化了浇注系统,因此大大提高了金属熔体的工艺收得率(一般可达90%)。低压铸造法的缺点主要是铸造时间较长,加料、换模具的时间长,设备投资大,低压铸造机使用的升液管成本较高且易损坏。但由于凝固压力偏低,铸件内部组织较粗大、外表面质量改进不显著,成品轮毂的壁厚较大,铸造后机加工量较大。另外,在低压铸造法的基础上,衍生出一种差压铸造法。该方法是先在铸型内预抽真空,再用气压将金属熔体驱入充填铸型,并保压凝固成形的工艺方法。该工艺的优点是: 可获得较佳的充型速度；可避免充型熔体吸气和卷气,获得无气孔和少针孔的铸件铸件尺寸精度与表面质量改善; 与低压铸造相比,差压铸造轮毂的抗拉强度可提高10%30%,伸长率可提高5%20%。采用该工艺生产出来的轮毂铸件具有优良的力学性能,是制造高品质轮毂的工艺方法之一14。但该工艺最大的缺点就是生产效率太低,设备购置和使用成本较高,致使其推广应用受到较大的限制。目前使用该工艺进行轮毂生产的报道在国内外均少见。3.2.3 压铸用压铸工艺生产的铸件尺寸精确、表面光洁,但由于金属熔体充型速度极快,型腔中的气体很难完全排除,以高度压缩的气孔形式存留在铸件中,因此,用传统压铸工艺生产出来的轮毂的最大缺点是内部含有大量的气体,降低了轮毂的疲劳抗力,且因内含气体在热处理过程中会发生膨胀而使得铸件“起泡”,故无法用热处理来改善和提高轮毂的性能。同时,由于压铸缺乏长程补缩能力,轮毂轮辐一般不宜深加工(只限1 mm),且轮毂的气密性也较差。针对上述问题,近年来开发了一些无气孔压铸新工艺,具有代表性的就是充氧压铸法和真空压铸法。图3.1和图3.2均为采用压铸方法生产的轮毂。图3.1 压铸铝合金轮毂图3.2 压铸镁合金轮毂充氧压铸法是在充型前将氧气或其他反应性气体充入型腔以置换型腔内的空气,当金属熔体充填时,部分反应性气体通过排气槽排出,未排出的反应性气体与喷散的金属熔体发生反应,形成弥散在铸件内部的反应物颗粒,达到在消除气孔隐患的同时进一步强化材料的目的。用充氧压铸法生产的铸件,内部含气量只有普通压铸法的1/10,可进行固溶热处理和焊接。与传统压铸法相比,充氧压铸的铸件具有气孔报废率低、内部组织致密、抗拉强度和耐疲劳性能良好等优点,生产的汽车轮毂的气孔率较原来减少15%,并可热处理强化。国外现已将该方法广泛用于铝轮毂的生产中。日本轻金属株式会社于1983年开始用此方法大批量生产轿车铝合金轮毂,较采用其他铸造方法生产的同类产品质量减少了15%,机加工切削量由原来的23 mm减少到0.75 mm,轮毂价格降低了10%。美国铸锻公司于1982年开始用充氧压铸法生产汽车铝合金轮毂,代替了原来的低压铸造法,并使铝轮毂的质量减轻了18%。由于有较高的力学性能和较轻的质量,用充氧压铸法生产的铝轮毂用于紧急救援车和高速车辆是十分理想的。真空压力铸造方法在普通压力铸造的基础上,利用辅助真空设备将压铸型腔预抽真空,然后将金属熔体压铸成形。该方法可以消除铸件内部气孔,提高压铸件的力学性能和表面品质,并且铸件可以进行热处理强化,获得较好的力学性能。其缺点是机械密封结构复杂,制造及安装困难,使用成本较高,而且难以控制。真空压铸镁合金件与普通压力铸件相比,铸件强度可提高10%以上，韧度提高20%50%,伸长率由8%提高到16%。3.2.4 挤压铸造由于挤压铸造充型过程较为平稳,并且金属熔体在高压作用下以较高速度凝固,获得的铸件内部组织致密、晶粒细小、外表光洁,可进行T4,T5,T6或T7等多种热处理,力学性能远高于低压铸造件(见表3.1) 15。在铝合金轮毂生产中,挤压铸造设备投资略低于低压铸造,但由于采用高压,模具制造费用较高且使用寿命较短。表3.1 挤压铸造与低压铸造铝合金轮毂的力学性能比较铸造方法b/Mpa/%HB挤压铸造3217.2109低压铸造2452.590目前,日本已经有相当部分的汽车铝轮毂采用挤压铸造工艺生产。如丰田汽车公司拥有的全自动挤压铸造设备已超过10台,从浇注金属熔体到取出铸件的整个过程都由计算机来控制完成,自动化程度非常高,每台设备不到2 min就可以生产出一件铝轮毂。现在挤压铸造在世界上是汽车轮毂的重要生产工艺之一。国内的挤压铸造摩托车铝合金轮毂首先由五二研究所在20世纪90年代初研制成功,并迅速在我国轮毂企业推广应用,但由于生产成本偏高及质量不稳定,在剧烈的价格竞争面前,采用挤压铸造工艺生产铝轮毂的企业正在逐渐减少。但是,就镁合金轮毂生产而言,由于镁合金较大的凝固收缩,挤压铸造不失为一种理想的轮毂成形工艺。图3.3为武汉理工大学与广东某企业开发的挤压铸造铝合金轮毂。图3.4为挤压铸造摩托车镁合金轮毂。采用这种新型挤压铸造工艺,不仅能够利用流动压力梯度实现熔体受控充型,防止熔体流与铸型型腔内存空气混合,实现轮毂的无气孔、可热处理生产;还能在充型完成后建立从充型远端的轮辐向加压中心浇道的温度梯度,实现顺序凝固,消除镁合金轮毂中的凝固缩孔缩松和裂纹倾向16。图3.3 挤压铸造汽车铝合金轮毂图3.4 挤压铸造摩托车镁合金轮毂3.3 其他成形方法轮毂还可以用锻造、半固态模锻和半固态压铸成形。由于这两种方法不在本文讨论范围之内,故只简介如下。锻造法是轮毂应用较早的成形工艺之一,其最大的缺陷是生产工序多、生产效率较低、成本远高于铸造成形法。由于成本过高,用锻造工艺生产的轮毂一直限于小批量生产特殊用途轮毂(如高性能铝合金赛车轮毂和镁合金轮毂)的生产。半固态模锻是将半固态坯料加热到50%左右体积比液相的半固态状态后一次模锻成形,以获得所需的接近成品零件尺寸的工艺。半固态锻件近净成形,机械加工量少,表面平整、内部组织致密、成形温度低、模具寿命长,力学性能高于低压铸造件。轮毂作为汽车摩托车上最为重要的安全性能部件之一,其生产方法多种多样且各具优缺点。但无论选择哪一种工艺方法,都要在保证其产品满足相关品质要求的前提下,用最少的投入换来最大的收益。表3.2给出了各种铸造方法经济指标的比较,表3.3则列出了以镁合金铸件为例的几种不同的铸造成形方法所生产的铸件品质的比较。经济指标金属型铸造低压铸造差压铸造压力铸造挤压铸造生产批量小批成批成批大量成批成批大量成批大量生产率高高较高最高高准备周期较长较长长长较长设备费用中中较高高高工装费用中中中高中造型费用低低低不需不需表3.2 各种铸造方法经济指标的比较表3.3 几种不同铸造成型方法生产的镁合金铸件质量的比较对比指标造金属型重力铸造低压铸造压力铸造真空铸造挤压铸造半固态铸造循环时间CCBCBD表面精度BCACAA卷入气体DCDCAB缩孔DDDDAA可热处理性AADAAA可焊性AADAAA注:A-好;B-良;C-中;D-差.3.4 本章小结本章主要介绍了轮毂成形的工艺特点，以及轮毂的几个主要成形方法和他们的优缺点。通过对本章的学习我知道了更多关于轮毂成形工艺的方法为后面的轮毂成形工艺打下了牢固的基础。第4章轮毂成形工艺分析轮毂的铸造工艺有很多，最常见的有挤压铸造与低压铸造工艺。本章主要介绍两种工艺的性能特点及工艺参数。选择轮毂的铸造工艺方式，工艺方案的确定及模具的设计方案。轮毂生产的主要工序包括: 铸造、热处理、机加工及检验涂装。生产流程为:铸造固溶时效处理非加工表面清理机加工检验清洗和涂装。4.1 轮毂材料及性能特点现今的小轿车轮毂多为钢制和铝合金制，06年至08年国内汽车销量前三位的企业上海通用、一汽大众和上海大众，销量前三位的车型分别是一汽大众捷达、上海大众桑塔纳和上海通用别克凯越，其中凯越车型的轮毂均为铝合金轮毂，捷达和桑塔纳部分车型为铝合金轮毂。由于AM91D镁合会具有优良的韧性和塑性，适合用于经受冲击载荷和安全性较高的场合。其力学性能及常用汽车轮毂材料的力学性能见表4-1。表4.1 轮毂材料的相荚力学性能对比合金牌号密度gcm弹性模量/GPa剪切模量/GPa泊松比/MPa/MPa/AM91D1.845170.352501607A3562.772.426.90.332621793钢7.86200830.3051740022由表可知，镁合金的抗拉强度、屈服点比钢低很多，与铝合金较接近，只略低于铝合金。4.2 低压铸造的性能特点1、主机机械结构合型机构为四立柱导向，采用快速合型、慢速到位的合型方式，提高工作效率并减少对模具的冲击。静模板与机架采用刚性连接。上模板下部装有四根顶出杆，开型到位时，可将铸件从模具中顶出；合型缸座上部设置由气缸驱动的安全限位装置，在动模板行程范围内可防止动模板下滑；四个静模抽芯机构安装在静模板上，由四只油缸驱动，实现模具四侧垂直分型；机架采用焊接件式框架结构，直接与静模板刚性连接；自动安全防护门与光电保护装置设置在设备操作面，防止人体在设备运行时进入，确保操作者安全工作；取件机械手具有X轴、Y轴及旋转三个运动自由度，保证取件时铸件不受损伤，并可正确判断铸件是否落下； 2、液压系统液压泵、阀均采用进口产品，保证系统的可靠性；液压泵采用变量柱塞泵，保证系统恒压，流量自动调节，节约能源；各油缸运行速度均可单独手动调节；所有油缸的密封件均采用进口耐高温密封件； 3、模具冷却系统机器可设置多路气冷、水冷冷却回路，可进行时间方式的冷却自动控制；冷却参数可在上位机设置修改。4、保温炉采用熔池式保温炉。辐射加热，PID控制。额定温度范围：680750，控温精度：5；保温炉固定在传动小车上，通过举升机构完成炉体的升降，由液压马达驱动完成小车的前后平稳移动； 5、电气控制系统电气控制系统采用上下位机的监控方式。采用进口PLC作为下位控制机，完成低压铸造机的主机顺序动作、液面加压及模具冷却等控制。采用进口人机界面或工控计算机作为上位机，完成低压铸造机的参数设置与修改，压力数据与曲线及机器工作状态与故障报警等信息的监控显示。上下位机的监控方式保证即使在上位机出现故障时，下位控制系统仍然能够根据预设的工艺参数自动运行，从而进一步提高了系统稳定性。控制装置具有短路、过载等保护措施，并具备完善的动作互锁功能，可有效保证机器安全可靠的运行。控制柜装备有机柜空调，保证控制系统能在恶劣条件下正常工作，提高系统可靠性。 6、液面加压装置装置采用气动进口比例阀+高精度压力传感器实现保温炉内压力的检测和实时闭环反馈控制,PID调节方式。具有多级线性加压、自动跟踪设定加压曲线、保温炉泄漏补偿、液面补偿等功能。压力控制精度高，重复再现性好，确保低压浇注工艺的稳定一致性，有效提高铸件成品率。4.3 工艺方案的确定目前80以上的汽车轮毂通过低压铸造生产，其次是采用工艺简便的重力铸造，约占20。另外也有少数采用挤压成型方法和锻造成型方法等。与低压铸造和重力铸造相比，挤压铸造有着不可比拟的特点优势：使用材料方面：工艺简便性、经济性、高效性；力学性能显著提高，接近于变形镁合金，优于重力铸造和低压铸造；成型件缺陷少，可经T6处理；适用合金范围广，由于铸造时实行加压措施，从而削弱了对合金液流动性的要求；挤压铸造生产工艺容易实现自动化；挤压铸件表面光洁，金相组织、各种机械性能接近于锻件。采用挤压铸造方式生产汽车轮毂，将使汽车轮毂性能更加优异，增强汽车的安全性。目前，挤压铸造方式主要有以下三种：A柱塞挤压，合模加压时液态金属基本上不发生充型运动，适用范围是实心或厚壁(大于5mm)形状不太复杂的铸件。B直接冲头挤压，合模加压时液态金属法充填挤压冲头与凹模组成的封闭型腔中，挤压冲头直接挤压在铸件上，适于生产形状不太复杂的空心或通孔件，壁厚可至23mm。C间接挤压铸造，冲头加压时液态金属充填己合模的型腔中，冲头通过内浇道将压力传递到铸件中，适于生产形状较复杂，壁厚较薄的铸件。本文所研究的对象是汽车轮毂，具有复杂的结构并且轮辋处壁厚较薄，所以采用间接挤压铸造的方法17。在“压力补缩”的问题上，要考虑以下3个因素：A对厚薄不匀铸件，要考虑顺序凝固的设计原则；B对壁厚相对均匀的铸件，要考虑“同时凝固”的设计原则；C为达到更好的挤压效果，有时模具设计还须考虑进行双向挤压、局部的或整体的再补压(锻压)。间接挤压铸造方式，能使挤压铸造机产生较大的挤压比压，在铸件凝固过程中产生较大的补缩压力。镁合金汽车轮毂间接挤压铸造的工艺流程如图4.1所示，主要包括合金液浇入压室、压射筒上升进入模具、压头挤压充型凝固和压头下降开模等几个步骤。其特点是闭式充型，采用“低压充型一高压凝固的方式铸造高品质的铸件，其“挤压压铸”的工艺特点，要求铸件设备同时提供较高的锁模力和压射力。图4.1 汽车轮毂挤压铸造工艺流程为经济、稳定地获得高品质的铸件，镁合金汽车轮毂挤压铸造工艺还需要解决以下问题。(1)在熔炼和浇注过程中为合金液提供保护，确保合金液从坩埚到充填型腔是不氧化。(2)将铸造模具预热到合适的温度，防止充型、凝固缺陷。(3)浇注过程中，在保证充型的情况下尽可能慢的速度。(4)熔体充型后尽量提供足够的压力强化补缩，最大限度地消除凝固收缩缺陷。4.4 挤压铸造工艺参数挤压铸造轮毂在液态模锻时没有浇口和冒口，所以要比较精确地定量浇注。采用漏斗浇注，漏斗需加热至与金属液相近的温度，进行“底注”，以避免金属液喷溅到模具上造成缺陷。挤压铸造是铸锻结合的工艺,其工艺过程是:模具的准备(清理、预热、喷涂涂料) 、金属的浇注、液态金属的加压、压力的保持、压力的去除及铸件的取出等。为保证铸件品质,须合理选择挤压铸造工艺参数。1、涂料涂料的作用是保护模具,提高铸件表面品质和便于从模具内取出铸件。挤压铸造模具受热腐蚀和热疲劳严重,在模具型腔内喷涂涂料,可以减少高温对模具型腔的热冲击,降低模具的热导率,使铸液的热量在充型时损失较小;还可使铸液与型腔壁隔开,避免铸液与型腔的粘附和熔焊,减少挤压铸造件与型腔表面的摩擦,有利于脱模和提高铸件的表面品质及模具寿命。由于涂料具有一定的退让作用,还可有效防止产生收缩裂纹。选择合适的涂料成份和正确的喷涂方法,是获得优质铸件和提高模具寿命的重要环节。本课题中采用水剂石墨涂料喷涂在模具型腔表面上,其厚度为0.050.10 mm,过厚会影响铸件表面品质。2、模具温度模具温度的高低影响铸件品质及铸模使用寿命。模具温度过低,浇入的液态金属凝固快,结壳厚而加压效果差,不能成形,晶体粗大,同时增加了铸件冷隔,形成柱状晶等缺陷产生的几率,也使涂料喷涂困难。但是过高的模温,会使铸件发生粘模,容易产生热裂纹,影响到铸件的品质,同时也会加速模具表面机械磨损和模具热裂的倾向性,降低模具的使用寿命。因此,控制模具温度在工艺参数中十分重要。对于本轮毂毛坯的挤压铸造模具,凸模模温设定为120180 ,凹模模温设定为140180 , 工作温度为200300 。模具预热方法采用了预热效率较高的铸液直接预热,为节省能源,供预热模具的毛坯可重复加热使用。3、充型速度加压速度是指冲头接触到金属液面以后的运行速度,对铸件品质的影响较敏感,因此必须选择合适的加压速度。挤压铸造要求加压速度快一点为好。加压速度快时,上模能很快地将压力施加于液态金属上,便于成形、结晶和塑性变形。加压速度的控制以不出现液态飞溅、金属内部不出现涡流的情况下越快越好。但加压速度过快,铸液流动太快,易引起冲击、涡流,容易卷入气体和氧化皮,产生应力、裂纹、气泡等缺陷。加压速度过慢,液态金属自由结壳太厚而影响加压效果,又会产生浇不足、冷隔等缺陷,影响制件内部品质。根据设备技术参数和试验情况,采用在空行程时以大于100 mm / s的速度快速下行,使冲头刚接触到液面时改变为慢速挤压,速度为10 mm / s,直至压力升到保压压力。4、浇注温度浇注温度过高或过低都对合金成形有明显影响,理想的浇注温度是铸液能够充满模腔的最低温度。浇注温度为580650 。为了减少铸液中的含气量和缩孔、裂纹的产生,选取较低的温度是有利的,而且挤压铸造是靠压力低速充型,在浇注温度低时,气体易于从铸液内部逸出,易于消除气孔。但浇注温度过低,铸液流动性差,极易凝固,容易产生浇不足、冷隔等缺陷。浇注温度过高,会引起晶粒粗大、针孔、缩孔、裂纹等缺陷,模具受热浸蚀也愈严重。5、加压压力加压的主要作用是消除材料的缩松和气孔及提高其力学性能。压力大小对铸件的力学性能、铸造缺陷、组织、偏析、熔点及相平衡等都有直接影响。所以确定成形必须的压强是很重要的。压力大小的选择取决于合金的种类和性质及铸件的大小、形状、高度等因素。如果比压过小,铸件表面与内在品质都不能达到技术指标;比压过大,对性能的提高不十分明显,还容易使模具损坏,且要求较大合模力的设备。6、加压开始时间加压开始时间对于加压效果有很大的影响。当铸液以一定的温度注入型腔后,加压应尽早进行,加压时间愈早,制件的伸长率和抗拉强度愈高。这一点对于本课题中轮毂这样的壁厚差大的铸件非常重要。因为铸液注入型腔后,在凹模的表面造成硬壳,上模下行时,熔液充满型腔后在硬壳处必定造成冷隔层,这样的冷隔层在铸造过程中是不易清除的,它的存在严重地影响着铸件的品质。本轮毂在挤压铸造时,从铸液注入型腔到加压开始时间不超过20s。7、保压时间压力保持时间主要取决于铸件厚度,在保证成形和结晶凝固条件下,保压时间以短为好。但保压时间过短,铸件热节处未完全凝固就卸压,会使_热节处不能补缩,铸件内部容易产生缩孔、裂纹等缺陷;保压时间过长,则铸件温度低收缩应力大,脱型因难,铸件表面品质差,同时也降低了生产率,降低模具寿命。在加压压力小时,制件的强度、塑性指标均随保压时间的延续而增加,在加压压力大时,强度指标下降,塑性指标增大。由于研制的铝轮毂为厚壁件,保压时间设计为45s。8、脱模挤压铸造毛坯卸压后,一般应立即脱模,但此时毛坯刚成形,出模温度较高,硬度较低,强行出模易造成毛坯变形,因此在毛坯适当水冷后,压机顶出毛坯进行退模。9、热处理工艺根据轮毂结构,在挤压铸造后的轮毂底部机械加工出热处理孔,然后进行固溶处理。固溶处理温度对铸件的力学性能影响很大。温度越高,强化元素溶解速度越快,数量越多,强化效果越好。但为了防止发生过烧,固溶处理应略低于合金的过烧温度。根据以往的试验结果:该合金固溶处理温度为530 时发生轻微过烧(出现复熔球) , 545 时严重过烧(出现三角晶界) ,所以设定轮毂固溶处理温度为(505 5) 18。4.5 模具设计方案模具设计需要结合产品结构与铸造工艺要求，相关文献指出，对挤压铸造模具的设计，一般都有如下的要求19-22A确保铸件饱满充型，表面光洁度好；B铸件内部组织致密，局部厚大部位能得到良好的补缩；C铸件可进行完全的T6热处理，不出现起泡缺陷；D确保有高的生产效率，接近或达到压铸工艺的水平。再者，挤压铸件能否进行固溶处理而不起泡的最关键是取决于其气体卷入量的多少。除工艺上要采取一系列措施外，模具设计要遵循如下的原则：A液态金属充型速度控制在临界速度以下，一般在800mm/s以下；B尽量实现层流充型，减少内浇道的折弯和正面阻堵；C尽量设计良好的排气条件；D尽量减少料缸中的铸件金属结晶硬壳及涂料卷入铸件中的可能性。为保证铸件品质和工艺的合理性，镁合金汽车轮毂挤压铸造模具需要对的分型面的位置、浇道位置与浇道尺寸、溢流槽的位置与尺寸和排气槽位置与尺寸进行合理的设计。汽车轮毂挤压铸造模具的设计应使其在铸造过程中，在保证合理充型时间的情况下，设计合理的内浇口截面积，使其有尽可能低的充型速度，以保证其有良好的排气效果，合理铸造凝固顺序。根据设计者的习惯和对模具设计的熟练程度，其设计思路不尽相同，基本遵循下述设计程序(1)根据零件图纸或实物对零件进行工艺分析：结构特点分析；尺寸精度分析；材料特性分析；壁厚、圆角、孔的分析。(2)选取分模面、浇道位置。(3)确定压机规格及压室容量：胀型力；锁模力；压机行程；压室容量。(4)确定成型条件：温度参数；速度参数；压力参数；时间参数。 (5)确定模具结构：模体部分；导向部分；成型部分；吊装部分；抽芯机构；推出或卸料机构；浇注系统；排溢系统；冷却及加热系统等。根据挤压铸造模具设计的一般要点和设计程序，对镁合金汽车轮毂的挤压铸造模具进行设计。从模具材料、挤压铸造机的选择、模具结构等几个方面进行设计，并运用Pro/E软件对模具型腔进行几何建模。4.6 本章小结本章主要介绍了轮毂的两种成形方法，相互对比确定了挤压铸造工艺为工艺方案，并确定了挤压铸造的工艺参数。又进行了对轮毂成形工艺的具体分析，和模具设计的基本方案。为下面设计轮毂成型工艺的模具设计提供了好的平台。第5章轮毂铸造模具的设计轿车轮毂模具的生成是利用Pro/E强大三维造型功能中制造模块曲面特性实现的。以上述三维实体模型为设计模型中的参考模型,参考模型和工件为后面模具的生成提供模板。模具的生成首先将参考模型转换为制造模型，根据参考模型结构来确定工件的外形尺寸，在轿车铝轮的模具设计中，考虑轿车铝轮不规则的轮廓表面以及中空的结构特点和数控加工的可行性，将轿车铝轮的工件设计为正方体，并使轿车铝轮模型设计在该工件中。另外确定轿车铝轮模具还要考虑到参考模型受阻收缩的影响，取收缩率s0.5%，在【模具】菜单中依次选择【收缩】/【按尺寸】选项,打开【按尺寸收缩】对话框,在其中设置收缩率为0.005,然后按回车键确认,可得到放大（1s）的参考模型23。5.1 挤压模具设计的基本原则(1)铸造收缩率铸件凝固过程中,会产生随温度下降而导致线收缩和液固相转变时产生体收缩。由于在挤压铸造过程中,铝液在压力的作用下与型壁紧密接触,可仅考虑线收缩而忽略体收缩。并且根据轮毂的自身结构,将该轮毂铸造收缩率设计为0. 5%。(2)加工余量采用挤压铸造工艺可获得高的尺寸精度和表面光洁度。设计时在铸件外侧、上端和下端设有2 mm的加工余量,为了便于施压,轮毂下部的内孔设计为盲孔,挤压铸造后由机加形成。(3)铸造圆角按照挤压铸造工艺的要求,铸件所有直角设计为半径为2 mm的铸造圆角。(4)配合间隙及长度阴、阳模和阳模外套之间的间隙要适当。过小则因装配误差而相碰,且不利于排出气体;过大则铝液易通过间隙喷出。因此设计阴,阳模的配合间隙为0. 150. 20 mm,配合长度为30 mm。(5)排气在阳模外套上留有半径为2 mm、长度为20 mm的排气槽8条,挤压铸造时,留在阳模外套导向部分的少量气体,可通过排气槽排出。(6)起模斜度根据轮毂自身结构,铸件外侧在冷却过程中有脱离型壁的趋势,起模斜度设计为3,铸件内侧冷却时趋于包紧型芯,起模斜度设计为5。(7)模具材料为了防止与铝液接触的模具表面产生热疲劳裂纹, 阴、阳模、阳模外套和顶塞均采用4Cr5MoSiV1模具钢制造,热处理后硬度(HRC)为4852,型腔表面需进行氮化处理。导柱、导套采用T10钢热处理后硬度(HRC)为5257,模座、压板等构件采用45钢调质处理,处理后硬度(HRC)为2832。5.2 挤压铸造模具的工艺参数5.2.1 汽车轮毂模具分模面的确定根据轿车轮毂的结构将模具设计为采用3个分模面，共需4个模具，其中个1/2 圆周模具为生成轿车轮毂外圆周表面，其余2个为生成汽车轮毂轮辐的上下型箱。在创建形成轮辐及风孔的上下箱分模面时，要在汽车轮毂的参考模型内部创建一个辅助的曲面。曲面与汽车轮毂钢圈内壁和轮辐内壁相切，以保证上下箱开合时不会发生干涉，同时在设计该曲面时要考虑到拔模斜度的影响，否则模具的分离会失败24。用该曲面与风孔的内侧面以及轮辐的上顶面组合，生成上模分模面。在【模具】菜单中依次选择【分型面】/【创建】选项,在打开的【分型面名称】中输入shangmo,然后在打开的曲面定义菜单中依次选择【增加】/【复制】和【完成】选项选取轮毂内侧表面, 如图5.1所示。图5.1 复制内侧面在复制对话框中选择【填充环】/【环】/【增加】,选取需要填充的靠破孔的边界曲线,单击确定按钮完成。Pro/E生成分模面的功能很强大，可在已生成的曲面shangmu上进行增加(add)，组合(merge)等得到符合要求的分模面,如图5.2所示。以相同的方法可以得到下模分模面,如图5.3所示。图5.2 上模分型面图5.3 底模分型面单击菜单管理器中的【模具/分型面/创建】，输入分型面的名称，单击【确定】按钮。单击【增加/拉伸/完成】，在属性中选择单侧拉伸，选择工件一个侧面为绘图面,选择与它垂直的任一平面为基准,之后按【草绘】按钮,在草绘面上画一条直线,之后【】退出,定义拉伸方向,拉伸深度选择到曲面,单击【确定】生成侧模分型面.最后生成的侧模分型面如图5.4所示.图5.4 侧模分型面图5.5 底模分型面图5.6 模具分解图通过实践，生成轮毂模具的分型面易造成分型失败，主要原因是分型面上的破孔未被填补。当制品上有孔特征时，在内分型面曲面上这些特征常常以独立边界曲线(破孔)而存在。这些破孔的存在，使得分型面不能与工件完全相交，是造成模具体积块分割失败的主要原因。所以如果采用传统的方式来生成轮毂模具分型面必需对分型面上的破孔进行修补才能达到分型面闭合的目的。修补破孔的方法如下：(1)定义“环闭合”填补破孔，这种填补破孔的方法仅适用于由Skirt或Shadow方式构建的简易式分型面。(2)定义“填充环”填补破孔，这种通过定义填充环填补破孔的方法是最快的，也是最方便的，适用于多数破孔的填补。在复制完成曲面后，可直接利用填充环选项来填补破孔。(3)构建曲面片填补破孔，这种填补破孔的方法原理比较简单，但当破孔较多时，构建曲面片的数量多，计算机的运算量大，所需的时间长，操作过程也比较繁琐，所以这种方式主要适用于少数破孔的填补。1浇道的尺寸设计浇道的形状和尺寸对于不同的充型方式是不同的。直接充型方式的浇道，其形状及尺寸都较简单。一般与液锻件连接处的形状相似或为圆形均可，基尺寸为连接处的80左右。浇道的形状及尺寸对间接充型的合金液的流动情况有很大的影响。因此，浇道的形状及尺寸的设计是否正确，将直接影响到液锻件的铸造质量。它的大小，可以调整合金液的充型速度与充型时间。横截面积大，它的充型速度低，充型时间短，对直接式充型是有利的。而对于间接式充型，如果充型速度过低或过高、充型时间过长或过短，都会影响铸造质量。对于压铸的间接充型方式，可按下式计算，即式中一压头横载面积，；一充型进压头的移动速度，m/s；一合金液的充型速度，m/s(根据厚度可选0.51.5ms)。2.溢流槽和排气槽的设计与直接挤铸模不同，间接挤铸模必须在模具适当部位开设溢流槽和排气槽，且应与浇注系统同时考虑，三者关系紧密，均直接影响制件及金属的充填过程，生产实践证明，有效地从型腔中排除气体、涂料残渣以及混有气体的被污染的金属液体，对提高制件质量有着重要的意义。溢流槽应开设在最先流入型腔的金属液流程的末端，以容纳冷污金属，集存混有气体和涂料的残渣等，达到稳流和防止涡流的目的，它与排气槽配合，能迅速排除型腔中的气体

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