镁铝合金汽车轮毂压铸模成型设计.doc

1 工工 学学 院院 毕毕 业业 设设 计 计 说说 明明 书书 题 目 镁铝合金汽车轮毂压铸成型模具设计 专 业 机电技术教育 班 级 074 班 姓 名 李 乐 学 号 1664070412 指导教师 陈 丰 日 期 2010 12 20 2 目目 录录 引言 1 1 镁合金概述 1 1 1 镁合金的优点 1 1 2 镁合金的缺点 3 1 3 镁合金轮毂的应用 3 2 压铸成型基础 5 2 1 热压室压铸机压铸的基本原理与工艺过程 5 2 2 压铸成形的优缺点 5 2 3 压铸成形的缺点 6 2 4 压铸件的结构要求 6 3 镁铝合金汽车轮毂的三维造型设计 7 3 2 轮毂设计的一般原则 8 3 3 汽车轮毂基于PRO E 的实体建模 8 3 4 基于PRO E 的镁合金轮毂三维造型检测 11 4 分型面的建立 13 5 汽车轮毂模具系统的设计与实现 17 5 1 基本的设计术语 17 5 2 汽车轮毂模具方案 17 6 压铸机的选择 23 6 1 压铸机的选择方法 23 6 2 2 PQ 图表示 24 7 轮毂用材料的选用 25 7 1 镁合金挤压铸造轮毂的数值模拟应用 27 7 2 合金凝固过程的数值模拟 28 7 3 挤压铸造轮毂所需的工艺参数 29 8 挤压铸造镁合金轮毂的数值模拟 31 8 1 模拟前期处理 31 8 2 有限元分析 32 8 3 修改浇口尺寸和充型速度后充型速度场 36 8 4 充型温度场分析 38 8 5 凝固过程模拟分析 40 结论 40 参考文献 42 致谢 41 11 镁铝合金汽车轮毂压铸成型模具设计 机电技术教育 074 班 李乐 指导教师 陈丰 摘要 摘要 轮毂作为车辆上的高速运动旋转部件 重量减轻可以有效的降低能耗 改善整车的 加速及制动性能 提高驾乘舒适性及安全性等优点 本研究通过镁合金材料 AZ91D 实现轮毂的 更新换代和轻量化 通过 pro E 软件对轮毂结构进行再设计 采用挤压铸造成形技术 并通过 有限元分析针对镁合金成型工艺进行数值模拟 有利于模具设计和铸造工艺的改进 避免了无 谓的模具修改 提高了试模的成功率 大大缩短了新品开发周期 降低了试模费用 产品质量 得到了保障 关键词 关键词 镁合金轮毂 pro E 模具设计 压铸充型 数值模拟 引言 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 降低服役应力峰值 提高轮毂使用安全性 同时采用数值模拟软件 ANYCAST 对镁合金轮毂挤压铸造过程的充型速度场 温度场 凝固时间与铸件缺陷形成的关系进行 研究 确定最佳挤压铸造工艺参数 根据分析模拟的结果 确定了轮毂的最佳结构形式及 浇注系统 进行挤压铸造模具设计 研究结果如下 1 对结构再设计的轮毂进行有限元分析 分析轮毂模具厚度 截面质量 拔模斜度 对轮毂的结构设计具有重要作用 2 在浇注温度 800 模具预热温度 400 冲头压射速度 0 5m s 保压压力 100MPa 的条件下 充型液流速度均匀 充型状态良好 完成充型后的铸件温度分布均匀 铸件凝 固平稳迅速 按照设计的顺序完成凝固 铸件内部质量较好 产生的少量缺陷集中在浇注 系统 可机械加工去除 镁合金替代铝合金 不仅质量可减轻 25 在结构方面 应力分 布更加均匀 更适合轮毂的运动 并且轮毂的制造方式的改进 使得生产更为简得率大于 52 生产效率也有所提高 1 镁合金概述 1 1 镁合金的优点 镁合金作为目前最轻的金属材料 具有许多优点 1 2 化学成分见表 1 1 1 表 1 1 1 工业 AZ91D 的名义化学成分 元素 AL Zn Mn S i F e C u N i B e Mg 质量分数 8 95 0 632 0 261 0 022 0 0003 0 0018 0 0005 0 0003 余量 22 镁合金重量轻 密度为 1 68 1 90g 约为铝合金的 64 锌合金的 27 钢的 1 3 cm 23 是轻型的金属结构材料之一 在汽车构件中的应用潜力 3 如表 1 2 表 1 2 汽车用典型构件的重量及镁合金减重潜力 材料 发动机 齿轮箱 离合器 油盘 车轮 发动机架 铸铁 kg 32 铝合金 kg 23 5 21 5 5 3 23 17 5 钢 kg 36 25 镁合金 kg 19 15 3 2 18 15 减重 kg 13 8 5 1 18 2 5 减重比 40 19 32 33 14 镁合金具有很高的比强度高 比 刚度和比弹性模量 比刚度接近铝合金 和钢 远高于工程塑料 在铸造材料中 仅次于铸造钛合金和高强结构钢 镁合金具有良好的阻尼减震性 受力时能产生较大的弹性变形 因而在 受冲击载荷和振动时能吸收较大的能量 镁合金的弹性模量低 约为 45000MPa 因此具有良好的能量吸收能力 在弹性 范围内 镁合金件受到冲击载荷时吸收 的能量比铝合金件大 1 倍 所以镁合金具有良好的抗震减噪性 图 1 1 1 镁合金具有良好的压铸性能 抗拉强度和铝合金相当 一般可达到 250MPa 最高可 达到 600MPa 以上 屈服强度 延伸率也和铝合金接近 力学性能见图 1 1 1 和图 1 1 2 镁合金件具有良好的机械加工性能 镁合金可以很高的速度进行切削加工 其相对 能耗低于其他金属 镁合金件的切削速度可比铝合金件提高 50 加工能耗比铝合金件低 50 33 图 1 1 2 镁合金具有良好的电磁屏蔽性 防辐射性能 镁合金无环境污染并可做到 100 的回收重复利用 因此被称为 21 世纪绿色金属材 料 1 2 镁合金的缺点 镁与氧的化学亲和力很强 且表面生成的氧化膜是不致密的 液态下该表面更疏松 故氧化剧烈很容易燃烧 氧化膜致密与否是由它的致密度系数决定的 镁的值是 0 79 远 小于 1 故氧化膜是疏松的 9 疏松且导热性能差的氧化膜的包覆不能阻碍镁和氧气的结合 因此镁合金的熔炼和铸造均需要采用专门的防护措施 砂型和金属型涂料中也应加入防氧 化剂 防止铸件凝固前后发生严重氧化或燃烧 热处理是加热也应在保护气氛下进行 1 3 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 3 8 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 4 在各种降低油耗的措施中 把实现汽车 摩托车轻量化 即减轻自重作为首选措施 2 汽车 摩托车的许多问题 如 操作性 排气净化 腐蚀等都与轻量化有关 但轻量化的主要目的是节能 影响汽车 摩 托车燃油经济性的因素很多 如提高发动机和传动系统的效率 降低滚动阻力 空气阻力 等 但做重要的是轻量化 据测算 汽车自重减轻 10 其燃油效率可提高 5 5 1 4 11 4 1 汽车上使用镁合金轮毂有以下优点 汽车上使用镁合金轮毂有以下优点 减小轮毂力矩 提高车辆操控性 加速性能及刹车性能 减轻汽车重量 达到降低能源消耗 保护环境的目的 优良的导热性能 避免长时间行驶时发生爆胎 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 良好的阻尼性 增加车辆行驶的平稳性 2 3 1 4 21 4 2 国外镁合金轮毂的应用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 汽车上的应用固然是镁合金轮毂的 44 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 1 4 31 4 3 国内轮毂的使用情况国内轮毂的使用情况 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 9 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 5 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 在自行车镁合金轮毂的应用中 意大利 BASSANO GRIMECA 生产的 3 辐与 6 辐的镁 合金轮毂具有轻量 坚固的 减振等特点 使用起来不仅便利而且更舒适 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 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 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 目前 西方发达国家正在开始用 AZ91DB 等镁合金制造汽车轮毂 其商业应用保持着快速增 长势头 意大利用镁合金替代铝合金生产的轮毂不仅能提高其疲劳性能 还节约重量 25 以上 1 4 41 4 4 轮毂材料使用总趋势轮毂材料使用总趋势 近年来 由于国际市场油价上涨 各国都在寻求载重汽车的轻量化以减少油耗 但是 丰富的铝矿资源仅够维持十五至四十年的开采 进入 2000 年以来 国际 国内铝矿价格持 续上扬 原铝价格五年来持续在高位徘徊 制造铝企业不仅在国内 甚至在全球范围内寻 求原料 使国际原料价格近年来持续在高位震荡 在国际市场上已经有 中国威胁论 调 查表明 按按目前的资源保有储量 到 2010 年 我国 46 的主要有色金属矿山将因资源枯 竭而关闭 因此从长期材料战略看 铝合金大规模工业越到了难以逾越的资源障碍 随着 我国汽车市场的快速发展 汽车产量迅速增加 以及汽车轻量化发展趋势和镁铝合金轮毂 生产新技术的引进 镁铝合金轮毂正朝着轻量化 大直径 高强度 更美观的方向发展 55 且国内外市场前景广阔 其发展正面临良好机遇 1 4 51 4 5 我国未来镁合金轮毂市场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 C1 和 Na 之后居第 3 位 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 3 8 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 2 压铸成型基础 压力铸造的主要成型工艺特征是液态金属以高压 高速充填金属模具的型腔 并且在 高压下结晶 凝固和形成 因此压铸成型过程中金属液流动的状态与特征性将会影响到压 铸件的质量 同时针对压铸的工艺特点 压铸件的结构工艺对压铸件质量的影响也需要引 起足够的重视 压铸机是压力铸造的基本设备 压铸的过程是通过压铸机实现的 压铸机 一般可以分为热压室铸机和冷压室机两大类 10 2 1 热压室压铸机压铸的基本原理与工艺过程 热压室压铸机是锌合金及锡 铅合金等低熔点合金压铸的常用设备 热压室压铸机的 压室浸在保温坩埚内的熔融金属中 压射部件装在坩埚上面 压射冲头上升时 熔融合金 通过进口进入压室内 合模后 压射冲头下压时 熔融合金沿通道经喷嘴充填压铸模 冷 却凝固成型 压射冲头回程 开模取件 完成一个压铸循环 挤压铸造的凝固在挤压铸造 中 在一定的压力范围内加压 使结晶硬壳紧贴型壁 大大的减少甚至消除了铸件与型壁 之间的气体间隙 减低了热阻 增加了合金溶液和模具间的热传导 随着压力的增加 结 晶硬壳紧贴型壁时间越长 铸件的凝固时间就越短 因此 提高压力能显著加速铸件的凝 固过程 当压力增加到一定值以后 气隙基本被消除 再增加压力的作用就不大了 6 7 2 2 压铸成形的优缺点 1 压铸件的尺寸精度高 表面粗糙度低 压铸件的尺寸精度可达 CT3 DT9 有时可达 CT13 表面粗糙度 Ra 可达 0 8 3 2 一般压铸件可不加工或少加工 提高了合金m m 的利用率 节省了大量的机械加工工时及相应的加工设备投资 2 生产效率高 生产过程容易实现机械化和自动化 一把冷压铸机平均每班可压铸 600 700 次 而热压室压铸机每班压铸 3000 7000 次 另外 连续大量生产可采用一模多 件 产量可以成倍增加 66 3 可压铸复杂薄壁零件 由于金属液在高压 高速下充填模具型腔 所以铝合金压 铸件最小壁厚可为 0 5mm 而锌合金压铸件可达 0 3mm 最小铸空可达 0 7mm 可铸出螺纹 最小螺距为 0 75mm 4 压铸件的力学性能较高 金属液在压铸模内冷却速度快 又在压力下结晶 因此在 压铸件靠近表面的一层晶粒较细 组织致密 压铸件的强度和表面硬度较高 一般情况下 压铸件的抗拉强度可比砂型铸件提高 25 30 但伸长率有所下降 11 5 压铸件中可嵌铸其他材料的零件 可节省贵重材料和加工工时 并可获得形状复 杂的零件和提高零件的工作性能 减少装配工作量 2 3 压铸成形的缺点 压铸件中易产生气孔 压铸时金属液充填速度极快 型腔中气体不能及时排净所致 从而降低压铸件质量 另外 高温时气体膨胀会使压铸件表层产生气泡 因此 一般压铸 件不能进行热处理也不宜在高温下工作 不适合小批量生产 压铸机造价较高 模具制造复杂 成本大 所以一般仅适于较 大批量的生产 压铸高熔点合金时模具寿命较低 由于高熔点合金对模具材料的抗热变形和热疲劳 的要求很高 模具的使用寿命较低 目前 用来压铸的合金主要是锌合金 铝合金 镁合 金 铜合金等 2 4 压铸件的结构要求 1壁厚 压铸成型的显著特点之一是能铸造出薄壁压铸件 薄壁压铸件比壁厚压铸件具有更高 的抗拉强度和致密性 因此在保证压铸件壁厚不均匀度较大 则厚壁处会因补缩困难而出 现痕迹 缩松和裂纹等 因而压铸件应尽量壁厚均匀 同一压铸件上 最大壁厚与最小壁 厚之比不要大于 3 1 压铸件最小壁厚和推荐壁厚的尺寸镁合金如表 2 4 1 表 2 4 1 压铸件壁 厚处的面积 cm2 25 25 100 100 500 500 最小壁厚 0 81 522 5 推荐壁厚 22 533 5 2脱模斜度 为便于压铸件脱模 防止表面划伤 延长模具寿命 压铸件应有合理的脱模斜度 脱 模斜度与压铸件的高度 壁厚及模具型腔的表面状态 合金的种类等有关 压铸件壁厚越 厚 合金对型芯的包紧力越大 脱模斜度就越大 收缩率越大 熔点越高的合金 脱模斜 度液越大 此外 压铸件内表面或空比外表面的脱模斜度要大 在允许范围内 采用较大 的脱模斜度 可减少推件力和抽芯力 表 2 4 2 列出了脱模斜度的推荐值 77 表 2 4 2 脱模斜度推荐值 配合面最小脱模 斜度 非配合面最小脱 模斜度合金种类 外表面 a 内表面 b 外表面 a 内表面 b 锌合金 0 0 10 0 0 15 0 0 15 0 0 45 铝镁合金 0 0 15 0 0 30 0 0 30 0 1 铜合金 0 0 30 0 0 45 0 0 0 1 30 注 表中数值仅适用于型腔深度或型芯高度小于等于 50mm 表面粗糙度 Ra 在 0 4um 时 若深度或高度尺寸 50mm 或表面粗糙度 Ra 低于 0 4um 时 数值可适当减小 3 3 镁铝合金汽车轮毂的三维造型设计镁铝合金汽车轮毂的三维造型设计 汽车轮毂无论在重力铸造或挤压铸造过程中模具设计是关键 而模具型面复杂 几何 构造图素和曲面造型独特 对此 传统的模具设计及制造方法很难满足要求 目前采用 pro E 软件对汽车轮毂模型实体设计以及模具设计中分模面的确定将解决这一设计难题 使得设计过程简便 快捷 可靠 3 1 轮毂模具设计可分为两步 1 设计出符合要求的轮毂三维实体模型 88 图 3 1 2 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 汽车轮毂的设计参数确定汽车轮毂由轮圈 轮辐 风孔等组成 其主要结构如上图 3 1 所示 3 2 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 0 5 30 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 5 7mm 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 3 3 汽车轮毂基于 pro E 的实体建模 3 3 13 3 1 基于基于 pro Epro E 汽车轮毂三维实体建模过程汽车轮毂三维实体建模过程 99 图 3 3 1 旋转截面 1 汽车轮毂三维实体生成 pro E 三维实体建模是利用其功能中的零件模块实体特性 8 9 遵循由线 面 实体的方式进行 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 因为在 PRO E 中对自动生成的尺寸要进行删除和添加 才能满足 外形尺寸的基本要求 若为两键鼠标 可在 utilities option 中将 2button mouse mms support 该为 yes 即可用 shift 左键实现尺寸的添加功能 通过绘制直线 圆弧 自由 曲线等基本因素 并做镜像 等距 剪切等操作 最终生成所需的曲线外形 设计中出现 的偏差 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 feature redefine 命令对其进行外形尺寸的尺寸驱动 如上图 3 3 1 绘制截面并建立回转中心线 然后按照截面曲线创建旋转特征曲面 把截面曲线旋转 得到轮辋外形的曲面 如图 3 3 2 所示 1010 图 3 3 2 旋转实体 图 3 3 3 切割风孔 2 汽车轮毂风孔的生成 风孔的 5 个侧面均为不规则曲面 其中一个侧面为汽车轮的内壁圆周面 另外两个曲 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 在轮圈一端建立平面 根据风 孔的尺寸绘制拉伸平面图 使用拉伸功能生成风孔的外形轮廓曲面如上图 3 3 3 3 通过拔模特征建立汽车轮毂内壁圆周面组 得到风孔的外形结构如图 3 3 4 1111 图 3 3 4 拔模斜度 4 将生成的特征体进行阵列 以轴线为阵列中心线 个数输入 5 角度输入 72 度 中间孔则可采用二次加工来实现 则修剪后的图如图 3 3 5 所示 图 3 3 5 实体模型 3 4 基于 pro E 的镁合金轮毂三维造型检测 3 4 13 4 1 质量属性检测质量属性检测 根据质量属性功能输入镁合金 AZ91D 密度 1 68g cm3 属性表 3 4 1 表 3 4 1 毂根据 PRT CSYS DEF 坐标边框确定镁合金轮毂的重心 1212 X Y Z 1 2340840e 01 2 1370752e 01 2 2119010e 01 英寸 相对于 PRT CSYS DEF 坐标系边框之惯性 磅 英寸 2 惯性张量 Ixx Ixy Ixz 6 0381151e 10 6 3520133e 07 1 6926187e 06 Iyx Iyy Iyz 6 3520133e 07 6 0307746e 10 2 9325888e 06 Izx Izy Izz 1 6926187e 06 2 9325888e 06 1 0022521e 11 重心的惯性 相对 PRT CSYS DEF 坐标系边框 磅 英寸 2 惯性张量 Ixx Ixy Ixz 5 7847550e 10 6 3383571e 07 1 2441759e 07 Iyx Iyy Iyz 6 3383571e 07 5 7774303e 10 2 1544050e 07 Izx Izy Izz 1 2441759e 07 2 1544050e 07 1 0022489e 11 主惯性力矩 磅 英寸 2 I1 I2 I3 5 7737708e 10 5 7884130e 10 1 0022490e 11 从 PRT CSYS DEF 定位至主轴的旋转矩阵 0 49985 0 86611 0 00029 0 86611 0 49985 0 00051 0 00059 0 00000 1 00000 从 PRT CSYS DEF 定位至主轴的旋转角 度 相对 x y z 的夹角 0 000 0 000 60 010 相对主轴的回旋半径 R1 R2 R3 1 0559579e 02 1 0572960e 02 1 3912484e 02 英寸 3 4 23 4 2 截面质量属性检测截面质量属性检测 如图 3 4 2 所示 3 4 33 4 3 厚度检测厚度检测 如图 3 3 4 所示 采用层切面法 设置层数为 10 偏距为 20mm 3 4 43 4 4 拔模检测拔模检测 输入拔模角度 3 度 得出合理图形如图 3 4 4 所示 1313 图 3 4 2 截面质量检测 图 3 4 3 厚度检测 1414 图 3 4 4 拔模检测 4 分型面的建立 Pro ENGINEER 易学易用 国内大都应用这一软件 本文基于 Pro ENGINEER 介绍轮毂 模具分型面的建立方法 以前轮毂模具的分型面主要采用复制 平整等方式建立 但由于 轮毂的形状复杂 采用这种方式难以提取轮毂实体的最大投影线 因此生成的分型面往往 存在破孔 即曲面不闭合 这就造成分模困难 采用侧面影像曲线方式 不但可以快速提 取最大轮廓线而且生成分型面的方式简单 易于掌握 采用这种方式可以提高模具的分模 速度 对于其他形状的零件模具分型面的建立也同样适用 4 1 模具分型面的建立 4 1 14 1 1 分型面的作用分型面的作用 定模部分和动模部分的接触表面称为分型面 也就是分开模具取出制品的界面 分型 面虽然不是压铸模一个完整的结构组成 但它与压铸件的形状和尺寸 压铸件在压铸模中 的位置和方向密切相关 因此 分型面设计是压铸模设计中的一项重要内容 分型面确定 以后 将对整个压铸模结构 压铸件质量产生很大的影响 4 1 24 1 2 一般分型面的建立方式一般分型面的建立方式 模具分型面是分割模具体积块的基准面 是形成型腔 型芯 滑块或镶块等零件的成型 表面 一般都是由多个曲面特征组合构成的 利用 Pro ENGINEER 进行模具三维设计时 一 般先用 Copy 复制 方式构建一个内分型面 基本曲面 再应用曲面操控命令修改内分型面 或单独构建一个外分型面 最后将内 外分型面合并 组合形成完整的分型面 4 2 轮毂分型面的建立步骤 通过实践 采用上述模具分型面的建立方式来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 1515 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 FillLoop 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 FillLoop 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 本论文采用侧面影像曲线方法来提取零件的最大轮廓线 这样生成的分型面不必通过补面就已经闭合 简化了分型面的建立过程 提高了设计效率 其建立过程如下 建立侧面影像曲线 单击菜单管理器中的 模具 特征 型腔组件 模具 侧面影像 紧接着 屏幕上会 弹出 侧面影像曲线 对话框 对话框中所有的元素均已经采用默认的定义方式 直接单 击 确定 可看到系统找到的侧面影像曲线 如图 4 2 1 所示 图 4 2 1 侧面影像曲线 建立轮毂上 下分型面 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 裙边 完成 之后 系统会弹出 裙边曲面 对话框 同时系统会提示选取 特征曲线 单击菜单管理器中的 曲线链 命令来选取侧面影像曲线 单击 完成 回到 裙边曲面 对话框 在单击 确定 按钮 成功建立上分型面如图 4 2 2 所示 1616 图 4 2 2 型芯分型面 下分型面的建立方法同上分型面相同 下分型面如图 4 2 3 所示 图 4 2 3 下型腔分型面 建立 1 2 圆周模具分模面 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 拉深 完成 在属性中选择单侧拉深 选择图 1 侧面影像曲线图 2 上分型面 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 定义拉深方向 拉深深度选择到曲面 单击 确定 生成侧模分型面 最后生成的侧模分型面如图 4 2 4 所示 1717 图 4 2 4 二分之一圆周分型面 上下分型面加左右侧模分型面最终分模方式如图 4 4 5 所示 图 4 4 5 分型面分型方式 采用侧面投影线的方法可以快速提取轮毂实体的最大轮廓线 采用这种方法生成的 分型面不必补面就已经闭合 提高了图 4 4 5 轮毂开模状态分型面的设计效率 这种方法 不仅适用于轮毂模具分型面的建立 而且对于其他造型复杂的零件模具分型面的设计也适 用 另外对于导圆角的零件由于在提取轮廓线的时候圆角处曲线难以确定 所以这种方法 仍然适用 本文介绍的分型面建立方法在模具设计中有广泛的应用前景 不仅在于提高了 模具的分模效率 更重要的是这种方式简单易懂 操作方便 1818 5 汽车轮毂模具系统的设计与实现 5 1 基本的设计术语 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 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 制造模型由参考模具和工件组成 为后面模具的生成提供模板 5 25 2 汽车轮毂模具方案汽车轮毂模具方案 汽车轮毂模具方案的确定汽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 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 在本文汽车轮毂模具设计中 考虑汽车轮毂轮圈不规则的轮廓表面 以及中空的结构特点和数控加工的可行性 将汽车轮毂的工件设计为圆柱体 并使汽车轮 毂模型设计在圆柱工件中 另外确定汽车轮毂模具还要考虑到参考模型受阻收缩的影响 13 1 取收缩率 S 0 01 在 mod shrinkage by dimension alldim 输入收缩率后可得 到放大 1 s 的参考模型 根据汽车轮毂的结构将采用 2 个分模面将工件分为 4 个模具 其中 2 圆周模具为生成汽车轮毂钢圈外圆周表面 其余 2 个为生成汽车轮毂轮辐的上下型 箱 2 汽车轮毂模具分模面的确定对 1 2 圆周模具的分模面 在 parting surf create add revolve 镁合金轮毂圆周外表面创建 1 2 曲面 命名为 surf1 在 sketch 绘 图区中激活 references 窗口选取钢圈的外轮廓曲线 从而保证生成的分模面和轮圈外表面 一致 确保模具的精度和质量 Pro E 生成分模面的功能很强大 可在已生成的曲面 surf1 上进行添加 组合等得到符合要求的分模面 然后通过 indert surface operation transform 进行复制 旋转得到 2 个 1 2 圆周模具 如图 5 1 1 和图 5 1 2 所示 3 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 如图 5 1 3 曲面与汽车轮毂轮圈壁相切 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 用该曲面 与风孔的内侧面以及轮辐的上顶面组合 生成分模面 surf2 在草绘绘图区中轮辐上顶面 旋转曲线的尺寸一定要与在三维实体建模过程中旋转曲线的尺寸一致否则会导致汽车轮毂 上下模具合箱时失真 在曲面组合的过程中曲面的选取先后顺序会导致不同的曲面结果 上下模具如图 5 2 3 和 5 2 4 所示 1919 图 5 1 1 左 1 2 圆周模具 图 5 1 2 右 1 2 圆周模具 2020 图 5 2 3 模具型芯 图 5 2 4 下分型模具 4 到此汽车轮毂的 2 个分模面创建完毕 可通过 model volume split two volume 方式将工件按分模面分成 4 个模具 并通过 model volume shade 命令对模具的实体进行查 看 模具装配和分模如图 5 2 5 5 2 6 5 2 7 所示 2121 图 5 2 5 总装配图 图 5 2 6 上下分模 2222 图 5 2 7 左右分模 5 流道设计 直浇道结构形式与所选用的压铸机有关 本设计采用立式热室压铸机的直浇道 立式 热室压铸机的直浇道如图 5 2 5 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 分流锥的锥角取 0 8 0 5 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 倍 直浇道小端直径 d 比压铸机喷嘴出口处的直径大 1mm 如图 5 2 6 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 为了适应热压室压铸 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 2323 图 5 2 5 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 图 5 2 6 锥形浇口 通过 pro E 的数控机床对模具的加工以及浇铸成型所得的最终汽车轮毂三维实体模型 H 如图 5 2 7 所示 2424 图 5 2 7 轮毂压铸件 6 压铸机的选择 6 1 压铸机的选择方法 压铸件的外形尺寸是选定压铸机锁模力的主要依据根据压铸件在分型面上的最大投影 面积和压射比压来计算所需压铸机的锁模力 合模力 为任何一种压铸件选择的第 1 依据 15 一般先设定压射比压 P 增 或最大比压 然后计算压铸件垂直于分型面上的投影面积 F 含 浇注系统的投影面积 2 者的乘积应小于压铸机锁模力 S 的 85 如下式所示 0 85 S F P 增 1 6 1 1 式中 S 压铸机的锁模力 合模力 0 85 安全系数 P 增 是增压时作用在金属液单位面积上的压力 压铸件的重量 压铸件净重与浇注系统总重量之和 是判定压铸机压射室容量能否满足 要求的依据根据压铸件的合金种类和总重量 把它折合成体积 压室容量比这个体积大 30 或 25 以上的压铸机就可入选 生产中常用下列公式计算 6 1 2 2 23 344 w ord l p 式中 压室充满系数 23 34 or L 压室有效长度 cm W 铸件重量 kg d 压室内径 压射冲头直径 cm 2525 p 铸件用合金的密度 g cm3 6 26 2图表示图表示 2 PQ 1 充型所需最大的金属流量 0 Q 工艺所需的金属充填量 Q 需 6 2 1 Q 需 G 铸件质量 镁合金密度 1 6g 3 10 G t 3 cm 壁厚 2 5mm 充型时间 0 009s 3 0mm 0 10s 5 0mm 0 20s 6 4mm 0 30s 求工艺所需最大金属流量 阀门全开 0 Q Q Q 需 6 2 2 0 3 Q 0 Q3 l s 2 工艺所需最大金属静压力 0 P 求所需工作压力 P 需 P 需 6 2 3 23 2 10 2 V V 内浇口速度 40 90m s 阻力系数 实际金属速度与理论速度之比值 0 4 0 8 y 0 P Qo x 图 2 PQ 2626 最大金属静压力 0 P 6 2 4 0 P 1 3 2 P 需 0 P 3 2 P 6 2 5 1 122 0 PAPA P A A 压射冲头横截面积 已知最大金属流量每一即 n 1 在横坐标上的刻度 x 用 U 2mm 表示 00 1000QVA L S 已知 X 0 60 a PMP 2 nU 取 1M 2 mm 60 120mm a P 0 P a MP 1 66 7 a A PMP 7 2 0 Q L S P 公 P 需 P 需 6 2 6 00 QP 0000 2 0 385 3 3 QPQP KW 压铸机所能提供压射能量 P 供 P 储液 KW 0 VA 满足 P 供 P 需 说明所选压铸机能满足该压铸件的工艺要求 7 轮毂用材料的选用 国外铸造铝合金轮毂大都用 AZ91D 合金生产 国内主要采用 ZL101 或 ZL101A 铝合金 它与 AZ91D 合金成分相近 均属 Al Si Mg 系 该系列合金具有良好的铸造性能 不仅能 满足轮毂外观 尺寸精度的要求 而且具有强度高 塑性好 屈服强度高等综合力学性能 较其他牌号的铸造铝合金 例如 ALSi11 系 更符合轻合金轮毂的要求 3 表 7 1 及表 7 2 列出了两种轮毂用材料的化学成分 弹性性能及机械性能 5 对铝镁等金属合金而言 通 常可将其视为等向性 Isotropic 材料 根据不同的分析方式必须指定相应的材料性质 分析过程中所涉及到 AZ91D 镁合金的参数 以下参数必选其两项 有 弹性模量 E 为 72 4 GPa 剪切模量 G 为 26 9 GPa 泊松比 为 0 33 2727 图 7AZ91D 的调用 表 7 1 制造轮毂用材料合金化学成分 元素 AL Zn Mn S i F e C u N i B e Mg 质量分数 8 95 0 632 0 261 0 022 0 0003 0 0018 0 0005 0 0003 余量 表 7 2 制造轮毂用材料合金弹性性能及力学性能 弹性性能 力学性能 合金牌 号 弹性模量 a E GP 剪切模量 a G GP 泊松比 ba MP 2 a MP 硬度 HBS 旋转弯曲 疲劳强度 ta MP AZ91D45170 3522013085559 A356 072 426 90 3326217955595 2828 加载材质参数 建立仅以几何模型 Geometry BasedAnalysis Only 为基础进行分析 使轮毂 3D 模型转化为 FEM 模型 所为以几何模型为基础 即所有夹持及负载状况等直接施 加在几何图形的点 线 面或体积上 而非将边界条件定义在元素或节点上 因此当网格 密度改变后 负载与夹持的位置将不至于由于元素或节点编号的改变而有所变动 表 7 显 示了 AZ91D 材质的建立与调用情况 7 1 镁合金挤压铸造轮毂的数值模拟应用 7 1 17 1 1 合金充型过程的数值模拟合金充型过程的数值模拟 对铸件充型时的金属流动情况以及充型过程中的传热情况进行模拟分析是计算机辅助 铸造工艺设计和分析 CAD CAE 的重要内容 首先 通过对液态金属在浇冒口系统和铸型 中流动状态的模拟分析 可以直观的了解液态金属在型腔中的充型情况 通过对充型过程 中的速度场 温度场 应力场等参数的分析 可以对铸件可能出现的各种缺陷及其大小 部位和发生时间予以有效的预测 为铸件浇冒口系统的设计和优化提供重要的技术参考 12 7 1 27 1 2 充型过程数值模拟特点充型过程数值模拟特点 速度场和压力场问题 充型凝固过程数值模拟的一项基本内容是用有限差分或有限元等数值方法来求解质量 守恒方程 连续性方程 和动量守恒方程 以得出流体运动规律 SIMPLE 法是求解压力连 续方程的半隐式方法 它是比较全面的流场计算方法 计算出的速度场不仅满足连续性方 的要求 也满足动量方程的要求 其主要特点是压力场和速度场的同时迭代 在上述方程 的离散求解方面现已发展了许多类型的高精度格式 离散方程的求解方法较多 大多数是 通过迭代进行求解 主要的方法有 SOR SuccessiveOver Relaxation Gauss Seidel Jacobi 和 PCGM 等 在铸造充型过程的数值模拟计算中 求解压力场是最耗费时 间的 实际应用过程中 计算时间有时会很长 往往满足不了工艺分析人员的要求 因此 研究如何提高压力方程的求解速度成了一个非常重要的问题 研究者主要在压力场 速度场 的迭代方法上和稀疏系数矩阵方程组的求解方面进行研究探索 并提出了许多提高计算机 运算速度的有效方法 12 对于速度场和压力场的迭代求解方法 许多研究者进行了研究和改进 如 Z A Xu 和 F Mampaey 等人研究比较了 SIMPLE 方法和 SCGS Symmetric CoupledGauss Seidel 方法 SCGS 方法中 避免了求解 SIMPLE 方法中的近似压力场和压力修正方程 这种方法比 SIMPLE 方法要快 K Anzai 和 S Hao 提出了 API Adaptive Pressure Iteration 方法 该方法是在原有的 SOLA 方法的基础上 提出了另一种压力修正方法 当 SOLA 方法迭代求 解缓慢时 用较为准确的压力猜测值可以加快迭代收敛的速度 在方程的解法上 用 SOR 方法在求解较为复杂的铸造充型问题时 常常难以得到收敛解 现代共轭梯度类方法 Conjugate GradientMethods 简称 CG 类方法 在迭代求解大型稀疏矩阵方程组时具有 很好的收敛性 并且计算量较小 因此 许多工程分析软件都将 CG 类的方法作为可供选择的主要迭代求解 2929 方法 此外 区域分解法 并行计算 多重网格法等也引起了研究者的兴趣 总之流体力学 研究内容中的计算方法无论是深度上还是广度上都在不断的发展 而计算机技术的发展又 在流体力学的计算方面和各种计算方法的发展方面起到了巨大的促进作用 对铸造充型数 值模拟研究应不断吸收新技术新方法 提高模拟计算的速度 使计算效率能够满足技术人 员日常工艺分析的需要 自由表面问题 铸造充型过程也是铸件自由表面的流动过程 此类问题的难点之一就是要如何确定自 由表面的位置和形状 而流体力学中的自由表面的计算是数值模拟的基础内容 目前 用来处理自由表面的方法主要有 MAC 方法和 VOF 方法 MAC 方法主要特点是在 格子中设标志点 标志点本身不具有质量 于初始时刻设置在具有流体的格子中 以后在 流场中随流体运动 在单相流问题中 标志点不参与力学量的计算过程 它只表明自由表 面的位置 形状和流体运动的过程 在多相流问题中 标志点参与力学量的计算 同时还 给出不同介质的界面位置 MAC 法的一个突出优点是能够生动地描摹带有自由表面的液流 演化过程 自由表面处理方法的另一个重大突破是 VOF 方法的提出 这是由美国 LosAlamos 家实验室的研究人员首先实现的 同 MAC 方法相比较 这种算法的优越性在于 它的一个单元只需要一个存储量 这大大减少了自由表面计算的工作量 7 1 27 1 2 充型过程的数值模拟方法充型过程的数值模拟方法 1981 年 Hirt 和 Nichols 提出了二维的 VOF Volume of Fluid 方法 VOF 方法定义 了一个体积函数 F x y z 在被流体占据的点上 F 值为 1 否则为 0 当对一个流体单 元进行平均计算时 F 的平均值等于流体所占据的体积分数值 特别是当 F 为 1 时 格子 被流体充满 F 0 时 格子中无流体 0 F 1 则表示流体单元中具有自由表面 13 这样 通过解出每个单元中的液相体积分数 就可以确定自由表面的位置和形状 最初的 VOF 方 法是一种二维的算法 它常与 SOLA 方法结合使用 用来求解带有自由表面的流动问题 这 就是 SOLA VOF 方法 SOLA VOF 方法是在运用 SOLA 方法计算压力场和速度场的基础上 用 VOF 方法来求解液相体积分数 F 的对流输运方程 以此来描述空间各单元的液相体积分数 的分布 并采用施主 受主 Donor Acceptor 法来消除求解过程中的数值扩散 用 SOLA VOF 方法离散求解过程如下 由动量方程的显式差分格式 以初始条件或者前面一个时刻的数值作为基础 试算 出新时刻的猜测速度值 为了满足连续性方程 压力必须迭代修正 将由此引起的速度改变量迭加到第一步 所计算的速度场上 反复迭代 直到满足