阀体蜡模模具设计.doc

阀体蜡模模具设计作者：林瑞永 指导教师：赵恒义（宁波大学 工学院，浙江 宁波 315211）摘要：熔模铸造又称为失蜡铸造，它的产品精密、复杂、接近于零件最后形状，可不加工或很少加工就直接使用，是一种近净形成形的先进工艺。本表述了一个三通阀体的蜡模模具设计过程，先从零件的结构分析开始，确定铸件的分模面，再设计型体和型芯和整个模具其他部分，包括其上下模的联接、定位和型芯组装等。关键词：模具 熔模铸造 阀体 型芯 型体1 引 言现代产品生产中，模具由于其加工效率高、互换性好、节约原材料，所以得到了很广泛的应用。在现代化工业生产中，模具工业已经成为工业的基础，成为国民经济的重要基础。世界上许多国家，特别是一些工业发达国家都非常重视模具技术的开发，大力发展模具工业，积极采用先进技术和设备，提高模具制造水平，已经取得了显著的经济效益。近几十年来，熔模铸造有了很大的发展，其在工业生产中占着越来越重要的角色，而蜡模模具在熔模铸造中有重要作用，为此，本文选择蜡模模具设计作为设计题目。阀体是常用的一种零件，设计其蜡模模具有较大的实际意义。本将采用PRO/E1与AutoCAD相结合来做。先分析阀体的结构，用PRO/E画出立体图，做模具设计，再在AutoCAD中进行修整。2 熔 模 铸 件2.1 铸件结构分析铸件结构是否合理，对铸件质量、生产工艺的可行性和简易性以及生产成本等影响很大。熔模铸件的结构工艺性是指，从熔模铸造生产工艺角度出发，对零件结构提出的要求。也就是在满足工作要求的前提下，希望零件结构能兼顾到熔模铸造的工艺特点，使之尽量与熔模铸造的工艺要求相吻合。图1 铸件成品立体图本设计的阀体是个三通阀体，见图1。在内腔下端有个M52的螺纹孔，从FTMJ1401设计图纸上，我们可以发现整个铸件的最小壁厚为8mm。在整个铸件中，没有工艺肋结构和铸孔铸槽结构。在图1左侧有两个小凸台，其是为了两个螺纹孔加工而增加的。熔模铸件的内腔螺纹孔，因为有配合要求的，故采用机械加工成形，铸件上所有的通孔和螺纹孔也都是由机加工得到的，而非直接铸造出来，这大大降低了铸件铸造难度。2.2 铸件工艺设计图2 铸件的工艺图（细剖面都是待加工余量）熔模铸件的螺纹孔铸造易产生变形，精度较低，但且有配合要求，故采用应机械加工成形且留较大的加工余量。本铸件最大高度为185mm，我们可以查出熔模铸件加工余量，在180260之间的加工余量为2mm2，考虑到各加工因素，将铸件各配合面的加工余量设为3mm,其余的加工余量为2mm。如图2所示2.3 综合线收缩率K的确定在熔模铸造中影响铸件总收缩率的因素有三个方面，即合金收缩率、模料收缩、型壳的膨胀和变形。曾有人将这三方面的影响分别考虑，然后叠加并用下式表示：3 式中 K总收缩率； K1合金的收缩率； K2模料的收缩率； K1型壳的膨胀和变形但是，实践证明这种计算方法不全面。因为这三方面的因素都首先与铸件结构有关，同时它们之间也相互制约，而且每个因素都受具体的工艺操作过程的影响，当压型和模料确定后，他们还取决于压注工艺参数以及取模后的环境和处置情况等4 。在本阀体设计中，采用低温模料，涂料为水玻璃硅石粉，多层型壳。对于本铸件，由于其最小壁厚为8mm,而其它大部分的壁厚都要大于10mm，故选用铸件壁厚大于1020mm的线收缩率，选定蜡模收缩为1%，铸钢的收缩为2%3。在设计中，型体内腔所有尺寸都要进行收缩补偿，其补偿量为： 其中：a补偿量 L内腔尺寸；在设计过程中，为求计算简便，将补偿量进行简化计算：，其结果与上式结构并没有多大区别。2.4 模料选择表1 石蜡硬脂酸模料（1：1）的性能检 测 项 目单 位性 能 指 标熔 点5051热稳定性31收缩率（自由浇注）%2.05抗拉强度公斤/厘米212.75流 动 性毫 米110.2表面硬度毫 米2.2涂 挂 性毫 米0.59焊 接 性公斤/厘米26.5灰 分%0.09制造熔模的材料称为模料。为了得到优质的熔模，必须要选择合适的模料。由于熔模铸造的工序较多，因此对模料性能的要求也是多方面的。制模材料在以下几个方面要满足一定的要求：熔点、热稳定性、流动性、收缩率、强度、焊接性、涂挂性和灰分 3。石蜡硬脂酸模料的性能随着石蜡及硬脂酸配比不同而变化。提高石蜡含量，可使模料的强度增加，并能防止产生裂纹，但模料的热稳定性降低。如果提高硬脂酸含量，则模料的流动性、涂挂性及热稳定性均有所提高，但降低模料的强度。除模料配比外，石蜡熔点亦影响石蜡硬脂酸模料的性能。在石蜡硬脂酸模料中添加少量的蜂蜡、地蜡及松香等，能改善模料的某些性能。本设计采用1：1的石蜡硬脂酸模料。3 模 具 压 型 设 计3.1 压型选择压型是用来制造易熔模的重要工艺装备。压型型腔的尺寸精度和表面粗糙度直接影响易熔模的尺寸精度和表面粗糙度，压型的结构会对易熔模的生产效率和压型制造成本产生影响。压型的设计和制造是熔模铸造向少切削和无切削发展的重要环节，必需给予充分的重视。压型要满足以下要求：2 1、保证制出的熔模能达到要求的尺寸精度和表面粗糙度；2、装拆方便、轻巧、耐用，便于起模；3、压型各个零件均应加工方便、经济、合理；4、小件一型多腔以提高熔模生产率。常用压型可分为四大类：机械加工压型、铸造压型、塑料压型及塑料镀铜压型和石膏压型5 。本阀体的生产批量很大，但在尺寸精度要求上不高，相比较采用机械加工压型相对的要好一些，所有的型芯和型体都采用铝合金制造。3.2 分模面确定分型面是指压型型体之间的界面，选择不同的分型面会导致压型结构不同，并直接影响到压型加工的方便程度、使用性以及易熔模的生产率，因此分型面选择是压型设计的关键问题之一。通过对阀体铸件的分析，我们可以轻易确定分型面，而图2就是以分型面剖掉的截面图形。设置这个分型面，观察图1，我们可以发现上下型体的内腔是对称的，在型体和型芯设计加工中就会大大地提高效率。3.3 型体设计3.3.1 型体外形与壁厚在保证强度和刚度的前提下，为了减轻重量，便于操作，压型壁厚尽量可能小，一般为812mm3。更薄的可达5毫米。厚大的铸件，压型厚度也可达1520mm。大铸件压型用铝合金铸造成箱体结构。小铸件压型用机械加工切削，也要尽量做到外形仿形于内腔，切掉多余金属以减轻重量。图3上型体立体图在本设计中，型体壁厚选择10mm，且上下型体的尺寸都比较的大，型体采用铸造出来后再对内腔进行机加工。型体的壁厚尽量保持一致，保证易熔模在冷却过程中保持一致的冷却速度，降低因型体壁厚的影响而使熔模各部导热的不同出现不同的收缩率，从而使熔模的精度更精确。由图3和图4可见型体的壁厚和外形。3.3.2 型体定位图4 下型体剖面图上下型体之间的定位面一般需要设置两个以上定位销才能限制其自由度，但过多的定位销会引起过定位。定位销之间的间距越大，定位精度越高。图5 活节螺栓 锁紧机构在本设计中，采用M10的定位销，其一在中心线上，另一个在其的右下方，距离两侧边缘分别为25mm和20mm。具体的请见设计图FTMJ1407。两型体与圆柱销的配合原则是，上型体与圆柱销采用间隙配合，下型体与圆柱销采用过盈配合。本设计中上型体与圆柱销采用H8/f7的配合6，下型体与圆柱销采用H8/s7的配合6。3.3.3 型体锁紧型体锁紧机构是为了在压蜡前，将压型所有组成块牢固的锁紧成一体，保证压蜡时不涨开，不错位，不跑蜡。型体锁紧有固定式和活动式两种，其中中最常见的活节螺栓锁紧。本设计中采用碟形螺母活节螺栓锁紧，选择M8的活节螺栓和碟形螺母2，活节螺栓的长度为132mm，螺纹长度为22mm。图5为设计图中的活节螺栓锁紧图，在整个模具中共有四副此锁紧机构。采用直径为6mm的圆柱销，将活节螺栓固定在型体上，其中圆柱销与凸耳的配合采用过盈配合H7/s66。3.3.4 型体工艺肋设计由于型体比较大，由铸造出来后再进行内腔加工，因而有必要对型体进行简单的铸造工艺设计。首先一点要保证型体壁厚，这是考虑到提高熔模尺寸精度；其次，由于型腔比较的深，有必要进行工艺肋设置，否则在型体的生产过程中，容易产生裂纹、变形等缺陷。在本设计中，我们在小型体的两个法兰盘处采用了加强肋，并在型腔外侧采用了十字防变形肋。加强肋： 2 防变形肋： 2式中的为肋设置处的铸件厚度。在设计中，均为10mm，所以取加强肋的厚度为6mm，而防变形肋的厚度也取为6mm。3.4 型芯设计3.4.1型芯类别构成熔模内部形状的构件叫做型芯，熔模在冷却过程中收缩时，会把型芯紧紧的抱住，因此开型前要首先将型芯拔出。为了拔芯方便，型芯上均作出手柄部分。型芯可分为金属型芯、尿素型芯、陶瓷型芯和石英玻璃型芯2。本设计采用金属型芯。3.4.2 型芯分块方案图6 型芯分块组合的图型芯的分块在以下三种情况下采用：1、为了改善加工工艺性而分块，此种分块应用很多；2、由于型芯抽取困难而分块，如本设计中的阀体就是采用七块分块；3、有深腔的型芯，在抽取时，端部往往形成负压，熔模在该处形成凹陷或破裂，因而必须将型芯分块。本阀体是三通结构，不可能从单边就可直接将型芯取出，整个阀体抽芯比较困难，这属于第二种型芯分块情况。型芯的具体分块方案如图6。首先，可以将孔直径为40mm的那一端的型芯直接分成一块，剩余型芯再分成分割成如图7的轴和圆环，再将圆环切割成五份，型芯都将从直径为70.4mm的孔那端拔出。这种设计方案在取模的时候，圆环的五块型芯在两边都可同时施力，使其更易与熔模的脱离。图7 1#型芯3.4.3 型芯定位和结构确定图8 1#至6#型芯组合装配图型芯在压型中必须有确定的位置，并且在压蜡过程中不得松动移位。首先是7#型芯，其在轴方向上由销钉来定位的，通过销钉将型芯和上下型体的位置固定住，多出来的32mm是抽芯的把柄，其销钉与型芯及上型体的配合都为间隙配合，配合关系H8/f8 ，与下型体的配合为过盈配合，配合关系H8/k8。同时，为防止在压蜡的过程中7#型芯受力轴向偏转，故需加工出一段直径为20mm的轴与6#、2#装配，如图6所示。2#至6#型芯都固定在1#型芯上。如图8所示，在左侧，2#至6#型芯被圆螺母所拧紧，在右侧，其是镶嵌在1#型芯的圆环槽里面。1#至6#型芯组成一个整体，其由右侧的销钉孔定位在型体上，销钉的装配关系跟7#型芯跟型体的装配关系一样。右侧设计50mm的短轴，当作把手使用。另外，设计2#至6#型芯时，多出一段距离，以便抽取型芯。1#至6#型芯都将从型体大孔端抽出。1#型芯与2#6#型芯在圆柱面上的配合面选在最大的轴径上，1#型芯其它段的轴径依次缩小2mm的直径，防止发生装配过定位；在端面上装配定位选在1#型芯的圆环端面上，1#型芯其它的端面依次缩小1mm。同时在1#型芯上圆环上留一段3mm宽，3mm高，长为5mm的凸块，相应的在5#型芯上加工出相应的槽，使其装配在一起，阻止了各型芯的圆周转动。其中5#型芯的两侧边有8度的斜度，以方便其在取模时径向的移动。3.4.4 抽芯次序对于手工操作的压型，为了使其结构简单，操作轻便，好维修，往往不设置取模机构。本设计的取模次序为：先是拧开圆螺母，再拔掉型芯与型体之间的固定销，其次取出1#与7#型芯，再去掉两个型体之间的定位销，然后将5#型芯往径向移动，抽出5#型芯，之后依次取出4#、3#、2#、6#型芯。3#、6#型芯如图9、如图10所示。图9 3#型芯图10 6#型芯3.5 注蜡孔设计熔模铸造中，注蜡孔的位置对蜡模质量有极大影响。在本设计中，由于两个法兰盘在整个阀体的对角上，且其在型体中的深度都是相同的，不管将注蜡孔放置在任一个法兰盘的外侧面上，则另一个法兰盘的填充性能都较差，在蜡模上容易出现缺陷，而将孔放置在110110方体的外侧面的中间部分，能兼顾到两侧的法兰盘。图11是注蜡孔的示意图。图11 注蜡孔4 结论与展望通过本次，让我感触最深的是要做好设计需有严谨的态度、坚韧的毅力。在本次设计中，经常发生因一个因素没有考虑到而重新设计的情况，浪费了很多时间，这就需要有严谨的态度，全面地认真考虑每一个因素的影响；同时，对于达不到要求的设计，要反复修改，直到满足设计要求，这就要求有坚韧的毅力。对于模具设计和模具制作，我之前是一无所知，经过这次，我学到了很多东西。至少让我了解了我国熔模铸造目前的发展状况，让我明白了熔模设计的基本过程和要注意的工艺问题。在整个设计过程中，我将机械制造设计、Pro/E三维制图以及CAD二维制图等知识有效统一起来，从中学到了许多新的知识和能力。但是在这过程中也发现了很多不足，特别是对于基础知识的掌握力不够，使得在做设计的过程中走了不少弯路。不过，通过此次，使我对模具设计知识及其相关的知识有了更深入了解和掌握，分析问题、解决问题和独立工作的能力有了较大的提高。对于大学里学过的知识也有了一个比较全面和系统的回顾，在感受学业不精的同时也让我收益非浅。 参 考 文 献1 张沛颀,裴建昌,黄圣杰编著 Pro/ENGINEER 200高级攻略 北京：人民邮电出版社 20XX2 中国铸造协会编 熔模铸造手册 北京：机械工业出版社 2000.103 上海交通大学、浙江大学和内蒙古工学院主编 熔模精密制造 国防工业出版社 1981.124 佟天夫，陈冰，姜不居编著 熔模铸造工艺 北京：机械