镁合金汽车轮毂压铸模毕业设计

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）机电与车辆工程学院毕业设计题 目： 镁合金汽车轮毂压铸模设计专 业： 车辆工程 班 级：姓 名：学 号：指导教师：日 期：哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）目 录引言 .11.压铸成型基础 .11.1 压铸原理与金属填充理论 .21.1.1 压铸原理 .21.1.2 金属充填理论 .41.2 压铸的特点 .41.2.1 压铸的优点 .41.2.2 压铸的缺点 .51.3 压铸的应用范围及发展前景 .51.3.1 压铸的应用范围 .51.3.2 压铸的应用前景及发展 .61.4 压铸合金 .61.4.1 压铸合金的性能要求 .61.4.2 镁合金 .71.5 镁合金轮毂的应用 .82.轮毂压铸模设计 .112.1 镁合金汽车轮毂三维造型 .112.1.1 汽车轮毂设计的一般原则 .112.1.2 汽车轮毂的实体模型 .112.1.3 基于 pro/E 轮毂实体建模 .122.2 对汽车轮毂进行结构分析和选择分型面 .132.2.1 对汽车轮毂进行结构分析 .132.2.2 选择轮毂模具的分型面 .142.3 模架与成型零件的设计 .162.3.1 模架的设计 .162.3.2 成型零件设计 .212.4 浇注系统及排溢系统设计 .252.4.1 浇注系统设计 .252.4.2 溢流与排气系统设计 .262.5 压铸模的机构设计 .272.5.1 侧抽芯机构的设计 .272.5.2 推出机构的设计 .302.6 模具冷却系统设计 .313.压铸机的选择及模具材料 .333.1 压铸机的选用 .333.1.1 确定压铸机的锁模力 .333.1.2 压铸机的校核 .343.2 模具材料及热处理 .354.主要的零件图和装配图 .365.设计小结 .40哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）致谢 .41参考文献 .42哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）1镁合金汽车轮毂压铸模设计车辆工程专业 指导教师 摘要：本设计首先分析了汽车轮毂外形较大，深度 较深的轮毂结构及工艺要求，通过 pro/E 软件对轮毂结 构进行再 设计，并采用挤压铸造成型技术，并详细说明了模具的分型面、浇注系统、冷却系统、推出机构的设计，以及 压铸机型号的选择。利用镁合金材料 AZ91D 可以降低轮毂的重量，有利于整车的轻量化，可以一定程度上降低能耗，改善整车的加速及制动性能等优点。 关键词：镁合金轮毂;压铸模;pro/E;分型面;浇注系统;推出机构哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）2引言当前汽车轮毂外形较大，深度深，中间孔径大，结构圆形对称，铸件强度和外观要求都很高，因此，铸件要求无气孔及不允许有疏松及裂纹等缺陷呢，而且产量大，采用传统的侧浇口或缝隙浇口所需压射比压较大，上下轮辐强度不一致，且残留的浇口影响外观。先采用中心进料系统，不仅减小了模具外形，而且铸件再充型、强度及外观等方面均取得了很好的效果。为推动镁合金在轮毂上的合理应用，本研究对镁合金材料的轮毂进行了工艺分析，优化轮毂结构，提高轮毂的使用安全性。1.压铸成型基础1.1 压铸原理与金属填充理论高压和高速是压铸时金属液填充成型过程中的两大特点，也是压铸与其他铸造方法最根本的区别所在。1.1.1 压铸原理压铸是将液态货半固态金属浇入压铸机的压室中，金属液在运动中的压射冲头作用下，以极快的速度充填型腔，并在压力的作用下结晶凝固而获得铸件的一种铸造方法 1。压铸时作用在金属液上的压射比压从几兆帕至几十兆帕不等，有事甚至高达 500 兆帕。金属液充填型腔时，浇口处的线速度达 0.5-70m/s。充填的时间极短，一般为 0.01-0.03s。铸造生产过程如图 1-1 所示。产品工艺设计模具设计制造模具试模安装模具预热合模铸造成型开模取样成品质检入库哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）3图 1-1压铸过程是由压铸机来实现的，压铸机分热压式室铸机和冷压室压铸机两大类。（1）热压室压铸机工作的基本原理热压室压铸机的压室通常浸没在坩埚的金属液中，如图 1-2 所示。压铸过程中，金属液在压射冲头上升时通过进口进入压室，压射冲头下压时，金属液沿着通道经喷嘴充填压铸模型腔，待金属液冷却凝固成型后，压射冲头上升，此时开模取出铸件，完成一个压铸循环 4。图 1-2 热压室压铸机压铸过程示意图1金属液 2坩埚 3压射冲头 4压室5进口 6通道 7喷嘴 8压铸模（2）冷压室压铸机工作的基本原理冷压室压铸机的压室与保温坩埚是分开的，压铸时由人工用料勺从保温坩埚内勺取金属液浇入压室后在进行压铸。根据压铸模与压室的相对位置不同，冷压室压铸机又可以分为立式、卧式、全立式三种 4。立式冷压室压铸机的基本原理。压室与压射机构处于垂直位置，浇入压室的金属液被返料冲头托住，以防止金属液流入型腔。当压射冲头下压快要接触金属液面时，返料冲头突然下降让出喷嘴入口，金属液在压射冲头的作用下充填型腔并使压铸件在压力下冷却凝固。压射冲头在完成金属液充填型腔并保哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）4压后返回。返料冲头上升切断余料并将其推至压室的上沿，以便去除余料。最后返料冲头返回，动定模分开，取出压铸件，完成一个压铸循环。卧式冷压室压铸机的基本原理。压室与压射机构处于水平位置，压铸过程中，金属液从加料口浇入压室，压射冲头向前运动，推动金属液使之经浇道充填模具型腔。金属液在压力下冷却凝固，然后开模，取出带着浇注系统和余料的压铸件，完成一个压铸循环。全立式冷压室压铸机的基本原理。全立式冷压室压铸机的合模机构和压射机构垂直布置。它又分上压式和下压式两种。上压式压铸机的压铸过程是先加料后合模，然后压射冲头由下向上运动将金属液通过浇注系统压入型腔。下压式压铸机的压铸过程是合模后，将金属液浇注入压室中，依靠下冲头底部弹簧弹力，由下冲头托住金属液，防止其在重力的作用下流入型腔。当上冲头下压时，通过金属液推动下冲头，下冲头下降，让出浇道，金属液在上冲头的压力作用下充填型腔。1.1.2 金属充填理论当金属液在压力作用下进入型腔，喷射的金属流未撞击对面型壁之前，其保持初始的方向及截面形状。撞击型壁后，该处金属液将形成扰动的聚集区。继续充填，则扰动明显增加。先期撞击型壁的金属液流束从聚集区沿型壁向浇口方向折回，折回的金属液量与金属流束的截面大小、速度及金属液的黏度有关。在折回的过程中由于与型壁摩擦及热量损失，损耗了能量，从而使流束减慢下来，以致聚集区的金属液超过了往回折的金属液。因此在返回充填型腔的过程中，产生剧烈的涡流现象。三阶段充填理论是 1994 年由巴顿提出来的。巴顿认为：充填过程是包括力学、热力学和流体力学因素在内的复杂过程。充填过程可分为三个阶段。第一阶段：金属液以接近内浇口横截面的形状进入型腔，首先撞击到对面的型壁，在该处沿型壁向型腔四周扩展后返回浇口，在金属液流过的型壁上形成铸件的外壳。第二阶段：随后进入的金属液沉积薄壳层内，并继续充填，直至充满。第三阶段：在型腔完全充满的同时，压力通过余料中心部分尚未凝固的金属液的传递而起作用在铸件上。巴顿还认为，充填过程的三个阶段对铸件质量所起到的作用是不同的。第一阶段是影响铸件的表面质量，第二阶段是影响铸件的硬度，第三阶段是影响铸件的强度 1,4。1.2 压铸的特点与其他金属成型工艺相比压铸有其自身的特点。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）51.2.1 压铸的优点（1）压铸件的尺寸精度高，表面粗糙度较低。尺寸精度可达 IT11-IT13 级，有时可达 IT9 级。表面粗糙度达 Ra0.8-3.2um，有时达 Ra0.4um，产品互换性好。（2）材料利用率高。由于压铸件具有尺寸精确、表面粗糙度值低等优点，一般不再进行机械加工而直接装配使用，获加工量很小，只需经过少量机械加工即可装配使用，所以既提高了技术利用率又减少了大量的加工设备和工时，其材料利用率约为 60%-80%，毛坯利用率达 90%。（3）可以制造形状复杂、轮廓清晰、薄壁深腔的金属零件。因为熔融金属在高压高速下保持高的流动性，因而能够获得其他工艺方法难以加工的金属零件。（4）在铸件上可以直接嵌铸其他材料的零件，以节省贵重材料和加工工时。这样既满足了使用要求，扩大产品用途，又减少了装配工作量，使制造工艺简化。（5）压铸件组织致密，具有较高的强度和硬度。因为液态金属是在压力下凝固的又因充填时间极短，冷却速度极快，所以在铸件上靠近表面的一层金属晶粒较细，组织致密，不仅使表面硬度提高，并具有良好的耐磨性和抗腐蚀性。压铸件抗拉强度一般比砂型铸造提高 25%-30%，但伸缩率有所下降。表 1-3 给出了不同铸造方法时铝合金和镁合金的力学性能。表 1-3 不同铸造方法铝镁合金的力学性能力学性能压力铸造 金属型铸造 砂型铸造合金抗拉强度(MPa)伸长率（%）硬度抗拉强度(MPa)伸长率（%）硬度抗拉强度(MPa)伸长率（%）硬度铝合金 200-220 1.5-2.2 86 140-170 0.5-1.0 65 120-150 1.0-2.0 60镁合金 190 1.5 - - - - 150-170 1.0-2.0 -（6）生产率极高。因为压铸生产易实现机械化和自动化操作，生产周期短，效率高，可适合大批量生产。在所有的铸造方法中，压铸是一种生产率最高的方法 3。1.2.2 压铸的缺点（1）压铸件常有气孔及氧化夹杂物存在。这是由于压铸时液体金属充填速度极快，型腔中气体很难完全排除所致，从而降低了压铸件质量。另外，高温时气孔内的气体膨胀会使压铸件表面鼓泡，因此，压铸件一般不能进行热处理，也不宜在高温下工作。（2）不适合小批量生产。其主要原因是压铸机和压铸模费用昂贵，压铸机哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）6生产效率高，小批量生产不经济。（3）压铸件尺寸受到限制。因受到压铸机锁模力及装模尺寸的限制而不能压铸大型压铸件，对内凹复杂的铸件，压铸生产也较为困难。（4）压铸合金种类受到限制。由于压铸模具受到使用温度的限制，高熔点合金（如黑色金属）压铸模寿命较低，难于用于实际生产。目前，用来压铸的合金主要是锌合金、铝合金、镁合金及铜合金 3,4。1.3 压铸的应用范围及发展前景1.3.1 压铸的应用范围压铸是近代金属加工工艺中发展较快的一种高效率、少无切削的金属成形精密铸造方法。由于上述压铸的优点，这种工艺方法已广泛地应用在国民经济的各行各业中。压铸件除用于汽车和摩托车、仪表、工业电器外，还广泛应用于家用电器、农机、无线电、通信、机床、运输、造船、照相机、钟表、计算机、纺织机械等行业。其中汽车和摩托车制造业是最主要的应用领域，汽车约占 70%，摩托车约占 10%。目前生产的一些压铸零件最小的只有几克，最大的铝合金铸件达 50kg，最大的直径可达 2m。 1镁合金压铸件过去应用很少，曾用于林业机械中，不到 1%。但近年来随着汽车工业、电子通信工业的发展和产品轻量化的要求，加之近期镁合金压铸技术日趋完善，从而使镁合金压铸件市场受到关注 9。目前在世界范围内已经形成有一定规模的汽车行业、IT 行业、基础机构件的镁合金生产群体，镁合金压铸件的应用逐渐增多，其产量有明显增加，并且预计将来还会有较大发展。1.3.2 压铸的应用前景及发展我国压铸生产从压铸机质量和先进技术的综合水平以及生产效率来看，与压铸生产先进国家相比还有一定的距离，不过随着汽车、航空、仪表等制造业的发展，压铸生产技术将随之有一个大发展。目前，国内压铸机厂正致力于20000KN 和 28000KN 压铸设备的研制、完善和投产工作，这标志着我国大型压铸机的设计、制造技术已具备国际水平 10。同时，对压铸工艺参数测试技术与装置进行了探讨和研制，开展了压铸基础工艺参数对合金性能的影响的研究，建立了新的压铸合金系列并扩展了新牌号的压铸合金 11。今年来，压铸的飞速发展得力与汽车和摩托车、电子通信、家用电器等行业的高速发展，这几个行业是压铸件的主要用户。迄今，压铸技术已经在我国形成了自己的体系，并正在稳步发展之中 10。今后发展的主要趋势应该是：（1）进一步提高压铸模寿命，降低成本，以解决黑色金属压铸问题。（2）镁合金是近几年国际比较关注的合金材料。对镁合金研究开发特别是镁合金压铸、挤压铸造、半固态加工等技术将得到进一步的研究和应用。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）7（3）计算机在压铸中的应用是提高压铸技术水平的重要途径。计算机技术将在压铸中得到多方面的应用，例如金属液充型的计算机模拟研究由高压住在转向半固态压铸过程；低压铸造过程的冲型模拟研究；利用 CAD 进行压铸模具设计，提高设计速度和设计精度；开发具有压铸模浇注系统的 CAD 设计软件等。（4）研究开发新型压铸机，生产更大的压铸件。 41.4 压铸合金压铸合金、压铸模、压铸机是压铸生产的三要素 12。要获得优质的压铸件出了要求压铸件的结构合理，压铸模设计合理、制造精确，压铸机性能优良之外，还要有压铸工艺性能的合金。1.4.1 压铸合金的性能要求并非任何性能的合金都能用来生产压铸件，用于压铸生产的合金其性能有两方面的要求，一是在压铸件成型时有良好的成型工艺性，二是成型后的压铸件能满足产品的使用要求。因此，用于压铸生产的合金应具有一下性能:(1)结晶温度范围小，以防止压铸件产生缩孔和疏松缺陷。(2)具有良好的流动性，有利于成型结构复杂、表面质量好的压铸件。(3)线收缩率小，可降低铸件产生热裂的倾向并易于获得尺寸精度较高的铸件。(4)高温时有足够的热强度和可塑性，高温脆性和热裂倾向小，防止推出铸件时产生变形和开裂。(5)在常温下有较高的强度，以适应大型薄壁复杂压铸件的使用要求。(6)具有良好的加工性能和一定的抗腐蚀性能。(7)成型过程中型壁产生物理-化学反应的倾向小，防止黏膜及相互合金化以延长模具寿命。 1,4在满足使用性能的前提下，选用压铸合金时尽可能考虑工艺性能优良的合金。目前得到广泛应用的压铸合金是有色金属,通常有色压铸合金分高熔点压铸合金和低熔点压铸合金两大类,前者有铝合金、镁合金和铜合金，后者有铅合金、锡合金和锌合金 12。1.4.2 镁合金镁合金的比重是各种压铸合金中最小的（仅为 1.76-1.83g/cm3),是铝合金的 2/3 左右。镁合金的强度高，屈服极限低于铝合金，承受载荷的能力稍差。但在承受冲击载荷时有较大的冲击韧性 3。镁合金在常温和低温下（-196）都有良好的力学性能。镁合金与铁的亲和力小，故发生粘模现象较少，模具寿命长。铸件尺寸稳定，且有良好的切削加工性能。镁是一种非常活泼的元素，哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）8易燃烧，镁合金在熔炼和压铸过程中易被氧化，给生产带来较大的困难，并且镁合金压铸件易产生缩松和热裂缺陷，抗蚀性能较低 15。由于镁有以上的特点，故常用于重量要求轻，但又有一定强度的零件。如航空工业、汽车发动机零部件、室外移动设备的零部件以及在低温下工作的零件。当前我国用于压铸的镁合金只有 5 号铸造用镁合金，其化学成分及力学性能见表 1-4。表 1-4 压铸镁合金化学成分及力学性能主要化学成分 杂质（不大于） 力学性能合金牌号合金代号Al Zl Mn Mg Fe Si Ni Cu 杂质总量热处理状态 抗拉强度延伸率用途5 号铸镁ZM5 7.5-9.00.2-0.80.15-0.5其余 0.08 0.25 0.01 0.1 0.5 淬火和完全时效150/230/240252 制造动载荷零件另外，镁合金又具有熔点低，凝固快、凝固收缩小、不腐蚀钢质模具等特点，这决定了其良好的压铸性能，故镁合金压铸件的应用正在逐渐扩大。1.5 镁合金轮毂的应用近二十年来，世界汽车、摩托车工业面临着越来越严重的三大问题，即能源、公害和安全。汽车、摩托车技术的发展主要围绕这三大问题进行，各国政府也先后制订了能源保护、废气排放、降低噪音及安全保障的法规。其中能源问题最为突出，近两年来汽油价格不断上涨，极大的暴露了我国石油能源的紧缺，节能成为汽车、摩托车工业发展的核心问题。因此近年来世界各主要汽车公司从争夺市场的战略考虑，在注意美化外观的同时，致力于提高汽车的经济性、降低燃油消耗的目标，这样可以缓和能源需求的紧张状况，减轻环境污染、降低综合费用、这是现代汽车工业的发展趋势。1.5.1 汽车上使用镁合金有以下优点：（1）减小轮毂力矩，提高车辆操控性、加速性能及刹车性能；哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）9（2）减轻汽车重量，达到降低能源消耗，保护环境的目的；（3）优良的导热性能，避免长时间行驶时发生爆胎；（4）弹性模量较低，受力时应力分布较均匀，适宜在高低不平的路面行驶；（5）良好的阻尼性，增加车辆行驶的平稳性； 161.5.2 国内外镁合金轮毂的应用（1）国外镁合金轮毂的应用目前在汽车业中，镁合金轮毂除了在赛车上应用较多外，在各大汽车厂推出的概念车上也配备镁合金轮毂，但是在批量生产的车型中应用却不多。目前使用镁合金轮毂的汽车公司及其车型。其中通用的 CorvetteC5 车型标配为铝合金轮毂，但同时也提供 Dymag 公司生产的铸造镁合金轮毂给消费者选用。除此之外，在轮毂的零售市场上有适合Hyundai、Citroen、Mazda、MitsubishiBMW、Audi、Mercedes、Volvo 等车型的镁合金轮毂供用户选用，但目前其价格比铝合金轮毂高约一倍 10。汽车上的应用固然是镁合金轮毂的一个重要领域，但不能忽视其在摩托车和自行车上的应用。在摩托车行业，将近九成的赛车用摩托车都采用镁合金轮毂，不仅如此，镁合金轮毂的应用车型还扩展到运动型摩托车、轻便型摩托车、概念型摩托车，覆盖欧美日十几种主要摩托车品牌，其中仅英国的 Dymag 轮毂就应用多达 400种车型 11。（2）国内镁合金轮毂的应用镁合金轮毂用于汽车、摩托车、自行车有其独到的优点，因此镁合金轮毂在车辆工业的应用量必然会迅猛增长。研究开发适合镁合金轮毂的成形工艺势在必行。随着汽车轻量化、节能和环保的要求的日益增强、及原镁价格的日趋合理，镁合金压铸汽车零部件在欧美、日本等发达国家汽车工业中的应用出现了持续快速增长势头。在欧美国家中，各国的汽车厂商正以汽车镁合金用量来作为车辆技术水平的标志。各国汽车生产厂纷纷投资入股镁原料生产企业，目的是控制稳定的价格和数量供应，这将进一步推动镁合金在汽车业的扩大应用。在我国，重庆镁业开发出了 LX150 镁合金绿色概念摩托车，其中有 12 个零部件采用镁合金材料，包括摩托车前后轮毂、发动机曲轴箱体、箱盖、尾盖及后扶手等。整台摩托车镁合金用量是 12 公斤，总减重 6 公斤左右。在 2003 年9 月同铝合金摩托车对比进行路况试验，结果表明，镁合金摩托车百公里耗油2.827L，铝合金摩托车百公里耗油 3.243L，两车相比前者百公里节油约0.416L，油耗降低 10%左右。同时，CO、HC 和 NOx 的排放限值可达到并超过欧洲 号排放标准。另外，从颠簸损坏的程度来看，镁合金摩托车也较铝合金摩哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）10托车损坏少，这同镁合金材料的轻量化特点以及镁合金轮毂优良的减振性能有密切的联系。 11我国台湾也有不少厂商从事镁合金轮毂的开发研究，如仪铭东工业股份有限公司于 2000 年开发出了适用于自行车及电动自行车的镁合金焊接轮毂、远东机械则有三种规格的镁合金轮毂。北京首特钢远东镁合金制品有限公司推出近20 款采用镁合金材料的自行车。自行车轮毂占整车重量比重较大，因此在自行车上采用镁合金轮毂前景广阔。目前，镁合金压铸件已在通用、奔驰、福特、大众、克莱斯勒、菲亚特阿尔法等公司生产的汽车上投入实际应用。1.5.3 我国未来镁合金轮毂市场镁是地球上储量最丰富、最轻的金属元素之一，是地球上第八富有的元素，其在地壳中的含量大约为 1.93%，海水中的含量约为 0.13%，排在 C 和 Na 之后居第 3 位 10。镁的主要矿藏形式白云石、菱镁矿、盐湖卤水等资源，我国的蕴藏量世界第一，据测算可开采数千年。海水镁更是名副其实的无限资源。镁铝合金轮毂使汽车质量减轻、油耗量减少，排出废气减少，且能降低噪音减轻振动和铸造精度高等优点，综合经济效益好。国际上把单车用镁合金量作为汽车先进性的重要标志之一，欧美发达国家镁合金用量已由 3-6 公斤向 6-15 公斤升级。与此相比，我国差距就显得很大。为此，加快镁合金轮毂的产业化，已成为国家的资源优势转化为技术、经济和竞争优势的重大战略需求。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）112.轮毂压铸模设计2.1 镁合金汽车轮毂三维造型2.1.1 汽车轮毂设计的一般原则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。（1）起模方便，在起模方向上留有结构斜度。主要铸造斜度（拔模斜度）。053哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）12（2）铸件的壁厚尽可能均匀，以减少和消除应力，防止缩孔和裂纹缺陷的产生。外形尺寸的确定铸件的最小壁厚 =57mm，其平均壁厚为 6mm，汽车轮毂的受阻收缩比例 0.8%1%。（3）铸件的转角处要留有铸造圆角，以防止裂纹、缩孔。铸造内外圆角R=2mm。（4）要有合理的铸件壁厚，其最薄的部分应保证金属液体充满。 1,42.1.2 汽车轮毂的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。根据下图 2-1 汽车轮毂的实体模型确定轮毂的尺寸参数，利用 pro/E 软件绘制出轮毂的三维实体图形。汽车轮毂由轮圈、轮辐、风孔等组成。图 2-1 汽车轮毂实体模型的剖视图2.1.3 基于 pro/E 轮毂实体建模运用 pro/E 4.0 绘图软件，选择右边工具栏的草绘命令，选择绘制平面和参考平面，按照轮毂实际模型的测得尺寸绘制图 2-2 所示的轮毂草绘图，绘制好后，点击右下角的完成按钮，再左击旋转命令，选择一个旋转轴线作为旋转轴，输入旋转角度 3600，得到图 2-3 所示的轮毂三维模型。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）13图 2-2 轮毂草绘图图 2-3 轮毂三维模型2.2 对汽车轮毂进行结构分析和选择分型面2.2.1 对汽车轮毂进行结构分析在设计汽车轮毂压铸模之前，首先应该对汽车轮毂进行结构分析，在可能的情况下，使汽车轮毂更加符合压铸工艺要求。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）14在满足轮毂结构强度的条件下，宜采用薄壁结构。这样不仅可减轻轮毂的重量，也减少了模具的热载荷。轮毂壁厚应均匀，避免热节，较少局部热量集中，降低模具材料的热疲劳。压铸件的最小壁厚和适宜壁厚见表 2-4。轮毂的所有转角处，都应当有适当的铸造圆角，以避免相应部位形成棱角，使该处产生裂纹和塌角。如此，我所设计的轮毂最小壁厚是 8mm，最大壁厚为 16mm。在需要铸造圆角的边缘都有相应的圆角，有效地避免了热量集中。表 2-4 正常壁厚及最小壁厚 (单位：mm)轮毂上应尽量避免窄而深的凹穴，以免使模具的相应的部分出现尖辟，使散热条件恶化而产生断裂。最后，分析轮毂上的尺寸精度用压铸方法加工能否达到，若不能达到，则应留加工余量以便后加工。压铸件能达到的尺寸精度见表 2-51。机械加工余量见表 2-64。根据下表，轮毂的精度选为 12 级，在结构设计上没有窄而深得凹穴。同时，轮毂上的精度等级用压铸方法能够达到，故不用留相应的加工余量。表 2-5 压铸件的尺寸精度表 2-6 机械加工余量 （单位：mm） 尺寸 0-30 30-50 50-80 80-120 120-180 180-260 260-360 360-500加工余量 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1.0 1.2锌合金 铝合金 镁合金 铜合金壁厚 h壁的单面 面积最小 正常 最小 正常 最小 正常 最小 正常25 0.5 1.5 0.8 2 0.8 2 0.8 1.525-100 1 1.8 1.2 2.5 1.2 2.5 1.5 2100-500 1.5 2.2 1.8 3 1.8 3 2 2.5500 2 2.5 2.5 4 2.5 4 2.5 3压铸件空间对角线长度/mm0-50 50-180 180-500 500 0-50 50-180 180-500 500压铸件的材料可能达到的公差等级（GB/T1800-1997) 配合尺寸公差等级（GB/T1800-1997)锌合金 89 10 11 1213 10 11 1213 -铝合金 10 11 1213 1213 11 1213 14 14镁合金 10 11 1213 1213 11 1213 14 14铜合金 11 1213 14 1213 1213 14 - -哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）152.2.2 选择轮毂模具的分型面压铸模的动模与定模的结合表面称为分型面。分型面的选择是压铸模设计中一项重要内容。分型面的确定对压铸模结构和压铸件质量将产生很大的影响。按照分型面的形状，分型面一般可分为平直分型面、倾斜分型面、阶梯分型面和曲面分型面。压铸模通常只有一个分型面，简称单分型面，但有时由于压铸件结构的特殊性，或者为满足压铸生产的工艺要求，往往需要再增设一个或两个分型面，称为多分型面。多分型面可以由各种单分型面组合而成。汽车轮毂是一个较为复杂的压铸结构，经过分析认为分为上下和左右四部分最为合理，上下是开模方向上两部分，左右为侧面成型模块。（1）分型面的选择原则 4对压铸件而言，主要问题是如何进行分割，确定动、定模中各容纳压铸件的哪些部分，它的哪个面位于压铸模分型处。压铸件上位于模具分型面处的面也就是压铸件上的分型面。分型面与铸件在模具中的位置、浇注系统及排溢系统的布置、模具的结构、压铸件的精度等有密切关系。选择分型面应符合以下原则。分型面应选在压铸件外形轮廓尺寸最大的截面处，这是选择分型面最基本的一个原则，否则，开模后压铸件就无法从模具型腔中取出。选择分型面应使压铸件在开模后留在动模。由于压铸模动模部分设有推出装置，因此，开模后必须保证压铸件脱出定模随着动模移动。为了达到这一点，设计时应使动模部分被压铸件包住的成型表面多于定模部分。图 2-7 中若采用图（a）所示分型面，由于压铸件凝固冷却后包住定模型芯的力大于动模型芯的力，分型时压铸件会留在定模而无法脱出，若改用图（b）所示的分型面，就能满足脱出定模型腔的要求。图 2-7哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）161动模 2定模 3 动模型芯 4定模型芯分型面选择应保证压铸件的尺寸精度和表面质量。同轴度要求高的压铸件选择分型面时最好把有同轴度要求的部分放在模具的同一侧。由于分型面不可避免地会使压铸件表面留下合模痕迹，严重的会产生较厚的飞边，因此，通常不在要求光滑的表面或带圆弧的转角处分型。分型面应尽量设置在金属液流动方向的末端。在确定分型面时，应与浇注系统的设计同时考虑。为了使型腔有良好的溢流和排气条件，分型面应尽可能设置在金属液流动方向末端。若采用图 2-8(a)的形式，金属液从中心浇口流入，首先封住分型面，型腔深处的气体就不易排出。若采用图 2-8（b）的形式，分型面处最后充填，造成了良好的排气条件。图 2-8分型面的选择应便于模具加工。分型面选择应考虑模具加工工艺的可行性、可靠性及方便性，尽量选择平直分型面，对于是否需要曲面分型应慎重考虑。除了以上介绍的几条原则外，选择分型面时应尽量减小压铸件在分型面上的投影面积，以避免此面积与压铸机最大许用压铸面积接近而产生溢料现象。在几个方向有型芯的情况下，应尽量将抽芯距短的、投影面积小的型芯做侧向型芯，以便有效地采用简单的斜导柱侧向抽芯机构，减少金属液对侧向型芯的压力。分型面的选择还应考虑到金属液的流程不宜太长等。（2）轮毂分型面的确定根据汽车轮毂的特殊结构和上述的基本原则，采用单分型面，其机构如图2-9 所示.哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）17图 2-9 轮毂分型面2.3 模架与成型零件的设计通过对轮毂零件的设计要求及工艺综合分析，确定型腔采用瓣合结构，左右滑块型芯采用斜销抽芯机构，利用机械控制抽芯与合芯，以提高生产效率。轮毂的风孔、轮辐和传动轴孔采用型芯，分别装在定动模镶块内并与定动模套板压紧配合。2.3.1 模架的设计（1）定模座板的设计定模座板要使定模固定在压铸机定模安装板上，在定模座板上设置“U”形槽。如图 2-10 所示。图 2-10 定模座板上设置“U”形槽1定模座板 2定模套版哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）18（2）动定模套板设计 7,8套版一般受拉伸、弯曲、压缩三种压力，变形后会影响型腔的尺寸精度。动、定模套板的边框厚度 h 的计算见图 2-11 所示，可按公式计算：HLFF481211p22式中：h套板边框厚度（mm）；、 、 、 按铸件大小确定（mm）；H1L2、 边框侧面承受的总压力（N）；F2材料的许用强度（ MPa）,45 号钢调质后 可取 ； MPa108P压射比压（MPa）。代入相关数据计算以及查阅套板边框厚度的推荐尺寸得到，套板边框厚度h 应设计为 80mm。图 2-11 套板厚度计算图（3）动模支撑板的设计支撑板厚度 可按下式计算：h弯BFLh2式中：F动模支撑板所受的总压力（N），F=pA，其中 A 为铸件在分型面上的投影面积,包括浇注系统和溢流槽的面积（mm 2）,p 为压射比压（MPa）。B动模支撑板的长度（mm）；L垫块间距（mm）；钢材的抗弯强度（ MPa）；弯哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）19动模支撑板材料为 45 号钢，回火状态，静载弯曲时根据支撑板的结构，选取 100MPa。弯（4）推板与推杆固定板的设计推板厚度 H 如图 2-12 所示，可按下式计算。 371024.BFCK式中：F推板负荷（N）；C推杆孔在推板上分布的最大跨距（cm）；B推板宽度（cm）；K系数（cm 3）, ,其中 L 为压铸机推杆跨距8/2/33CLK（cm）；图 2-12 推板的厚度（5）模座的设计模座是支撑模架承受压力的构件，模座的垫块沿支撑板的四周设置，从而提高支撑板的刚度。垫块在压铸机合模时承受合模力而产生压缩变形，变形量小于 0.05mm。动模必须牢固地安装在压铸机的动模安装板上，同样使用 U 形槽用紧固螺钉固定。本设计参考的模架结构如图 2-13 所示。图 2-13 模架结构哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）201定模模板螺钉 2定模座板 3动模模板螺钉 4定模套板 5导柱 6导套 7动模套板 8导柱固定板 9垫块 10模板螺钉 11圆柱销 12动模座板 13推板导套 14推板导柱 15推板 16推杆固定板 17推板螺钉 18限位钉 19复位杆（6）导柱和导套的设计动定模导柱和导套的设计，如图 2-14 所示。图 2-14（a）动定模导柱尺寸图图 2-14（b）动定模导套尺寸图导柱、导套须有足够的刚度，本设计有四根导柱，选取导柱导滑段直径D（cm）的经验公式为： AKD式中：A压铸模分型面上的表面积（cm 2）；哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）21K比例系数，一般 ，本设计 K 取 0.07。09.7.K代入数据计算后，得到 D=6.91mm，为了方便设计，将取 D=16mm。压铸模导柱的布置如图 2-15 所示：图 2-15 压铸模导柱的布置推板导柱和导套的设计本设计将推板导柱安装在动模座板上，与动模支承板采用间隙配合。如图2-16 所示。图 2-16 推板导柱和导套的安装1动模座板 2推板导套 3推板导柱 4动模支撑板2.3.2 成型零件设计 8由于轮毂的结构较为复杂，型腔较深，铸件相对较大，所以轮毂压铸模成型零件采用镶拼式结构，镶块采用台肩固定如图 2-17 所示，而型芯用螺栓式固哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）22定，如图 2-18 所示。为了保持动定模镶块和其他零件的相关位置，必须采用止转措施，本设计采用半圆键式，此方法加工方便、定位可靠、且精度较高，其形式如图 2-19 所示。图 2-17 镶块的台肩固定 图 2-18 型芯的螺栓式固定图 2-19 镶块的半圆键式固定成型零件的尺寸计算：（1）镶块的壁厚尺寸见图 2-20 所示，根据型腔长边尺寸选择镶块壁厚尺寸推荐值，因为型腔长边尺寸 L=396mm，型腔深度 =140mm，镶块壁厚1Hh=50mm，镶块底厚 H=55mm。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）23图 2-20 镶块的壁厚尺寸（2）整体镶块台阶尺寸见图 2-21 所示，根据推荐值，基本尺寸L=600mm，厚度 H=23mm，宽度 c=8mm，沉割槽深度为 1.5mm，沉割槽宽度为2mm，圆角半径 R 为 25mm。图 2-21 整体镶块台阶尺寸（3）圆型芯尺寸见图 2-22 所示，成型部分长度 l=125mm，固定部分短边尺寸 B=58mm，固定部分长度 L=30mm。成型段直径 d=380mm，配合段直径=381mm，台阶直径 D=452mm，台阶厚度 H=20mm，配合段长度 L=88mm。0d哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）24图 2-22 圆型芯尺寸（4）定模成型部分结构如图 2-23 所示。图 2-23 定模的成型部分哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）25（5）侧型芯成型零件的结构设计两个侧型芯机构采用对称设计尺寸，其结构如图 2-24 所示。图 2-24 侧型芯结构2.4 浇注系统及排溢系统设计浇注系统是熔融金属在压力作用下充填模具型腔的通道。排溢系统包括溢流槽和排气槽。溢流槽的作用是储存混有气体和涂料残渣的冷污金属液，他与排气槽配合，迅速引出型腔内的气体。在金属液充填的整个过程中，浇注系统与排气系统是一个不可分割的整体，共同对充填过程起着控制作用，是决定压铸件质量的重要因素 1。因此，浇注系统和排溢系统的设计是压铸模设计的一个十分重要的环节。由于轮毂尺寸相对较大，轮毂压铸模采用一模一腔的设计结构。2.4.1 浇注系统设计压铸过程中，浇注系统除引导金属液进入型腔之外，还对压力，速度、温度、排气等起调节作用。压铸机类型不同，浇注系统结构组成也不同，本设计采用卧式冷压室压铸机。冷压室压铸机的浇注系统由直浇道、横浇道、和内浇口组成。由于压室和坩埚直接连接通，所以没有余料。（1）直浇道设计 4压铸机的直浇道，如图 2-25 所示，由压铸机上的喷嘴 5 和压铸模上的浇口套 6 及分流锥 2 等组成。分流锥较长，用于调整直浇道截面积，改变金属液的流向，也便于从定模中带出直浇道凝料。分流锥的圆角半径 R 常取 5mm，直浇道锥角 常取 80，分流锥的锥角 1取 50，分流锥顶部附近直浇道环形截面积为内浇口截面积的 2 倍，而分流锥根部直浇道环形截面积为内浇口截面积的 3哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）26倍。直浇道小端直径 d 比压铸机喷嘴出口处的直径大 1mm，浇口套与喷嘴的连接形式按具体使用压铸机喷嘴的结构而定。为了适应冷压室压铸机高效生产的需要，要求在浇口套及分流锥的内部设置冷却系统。图 2-25 浇口设计1动模板；2分流锥；3定模板；4定模座板；5压铸机喷嘴；6浇口套。（2）横浇道设计横浇道是连接直浇道和内浇道的通道，横浇道的作用就是把金属液从直浇道引入内浇口内。横浇道的截面形状如图 2-26所示。根据经验公式确定横浇道的尺寸：b=3An/h(一般）b=(1.251.6)An/h(最小）h(1.25 2)*S=150r=23mm 图 2-26 横浇道的截面形状 b-横浇道长边尺寸（mm） An-内浇口截面积（mm 2） h-横浇道深度（mm） S-铸件平均壁厚（mm） -脱模斜度（ 0） r-圆角半径（mm）所以取 b=6mm（内浇道直径选 4mm，铸件的平均壁厚 S 约 6mm）；h=8mm；=15 0；r=2mm;（3）内浇口设计内浇口是指横浇口末端至铸件之间的一段浇道。内浇口的作用是根据压铸件的结构、形状、大小，以最佳流动状态把金属液引入型腔获得优质压铸件。由于汽车轮毂是一个成中心对称的结构，所以本设计采用中心浇口。同时，哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）27因为中心浇口适用于单型腔模，所以本设计采用单型腔模。根据金属液以一定速度和一定时间充满型腔确定内浇口的面积，即有：An=V/(vn*t)An-内浇口截面积（m 2)；V-内浇口与溢流槽体积之和（m 3)； vn-内浇口速度（m/s）；t-充填型腔时间（s） 查表可得镁合金的平均冲模速度是 50m/s，再根据英国 B.N.T 公司提出充填时间与压铸件平均壁厚之间的最佳关系 t=7S+13,计算得到 t=55s。由此可以计算出中心内浇口的面积 An 约为 360mm2。2.4.2 溢流与排气系统设计为了提高压铸件的质量，在金属液充填型腔的过程中应尽量排除型腔中的气体，排除混有气体和被涂料残余物污染的前流冷污金属液，这就需要设置溢流、排气系统，它包括溢流槽和排气槽。溢流、排气系统还可以弥补由于浇注系统设计不合理而带来的一些铸造缺陷 4。由于轮毂铸件是环形结构，为了更好地溢流排气，必须在动定模镶块上都开设溢流槽，且应环形布置。考虑到动定模镶块上溢流排气的均匀性，把上下滑块型芯上与动定模溢流槽相对的地方设计一通孔。由于排气槽开设数量相对较少，把溢流槽用截面为溢流口形状的小溢流槽连通起来，共用一个排气槽。为了保证充分溢流，把排气槽设计成阶梯形，靠近溢流槽一段深度为 0.4mm，排出端深度为 0.1mm。溢流槽的结构如图 2-27 所示。图 2-27 溢流槽的结构形状2.5 压铸模的机构设计2.5.1 侧抽芯机构的设计汽车轮毂的外形结构是在轮毂边缘有内侧凹，在开模方向上能够阻碍轮毂直接脱模，所以，将侧凹块做成活动型芯，故要设计一个侧抽芯机构。本设计采用斜销抽芯机构，如图 2-28 所示。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）28图 2-28 斜销抽芯机构1定模套板 2楔紧块 3斜销 4斜滑块 5螺母 6垫片 7弹簧 8限位块 9螺栓 10型芯 11动模套板 12销钉斜销抽芯机构主要由斜销、滑块、活动型芯，锁紧块及限位装置等组成。其工作原理如下：活动型芯 10 用销钉 12 固定在滑块 4 上。开模时，开模力通过斜销 3 使滑