【车辆工程类】摩托车后轮轮毂低压铸造模具设计【全套CAD图纸+毕业答辩论文】【冲压模具】【毕业论文说明书】
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南昌航空大学 科技学院学士学位论文 1 1 绪论 随着工业的飞速发展，摩托车工业也快速的壮大起来，摩托车成为了人们出行所使用的主要交通工具之一。尤其是在发展中国家里，摩托车的拥有数量非常庞大。在我国各大城市里，摩托车已经成为许多家庭的主要交通工具。正是由于摩托车市场的庞大的需求量，从而促使了摩托车企业的快速发展，制造摩托车的工艺也在不断进步。 摩托车车轮是摩托车中极其重要的部件之一，它的质量好坏直接影响着摩托车行驶的安全和可靠。早期的摩托车速度较低，其车轮结构为刚性连接，轮胎为高压胎。随着轮胎及车轮技术的发展，低压轮 胎逐渐取代了高压轮胎。与此同时，低压轮胎又出现了无内胎轮胎。 目前，摩托车车轮主要有三种结构形式：轮圈辐条组合式车轮、辐板式整体车轮和轻合金车轮。 轮圈辐条组合式车轮是一种传统的结构型式，该种车轮与早期刚性连接的车轮相比，减震性能较好。但是，这种车轮受结构的限制，车轮的外形变化比较困难，不能适应摩托车外观造型日新月异的需要。并且由于这种结构车轮受轮圈冲孔的限制，不能装配无内胎轮胎，使它的发展大受影响。 辐板式整体车轮分为辐板式整体钢车轮和辐板式整体铝车轮。辐板式整体钢车轮主要用于中、低挡小轮径摩托车。其钢制 轮圈的工艺方法是用钢板卷制后焊接成型，使用一段时间后，焊接部位易生锈造成无内胎车轮漏气。辐板式整体铝车轮有质量小、铝辐板形状容易变化等优势。另外，铝合金轮圈和铝辐板通过表面处理后，可以形成车轮所需要的各种颜色，满足了消费者对多种颜色的需求。 轻合金车轮是一种整体式车轮，主要有铝合金车轮和镁合金车轮。 镁合金车轮具有比铝合金车轮更诱人的潜在优势。虽然目前镁合金车轮已经开始应用于摩托车，但主要局限于赛车上，它不能像铝合金车轮那样进行大批量生产，其主要是因为： 1) 镁与氧气有极大的亲和力，在液态下镁可以剧烈氧化和燃烧 ，在熔炼和整个铸造过程中必须在保护性气氛的覆盖下进行，否则会发生燃烧事故。而目前的保护性气氛都涉及环保问题，不仅会破坏大气臭氧层，而且对人体危害性较大，且极易损坏设备和建筑物。 2) 镁合金的化学稳定性差，车轮在使用过程中极易发生腐蚀现象。 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 2 3) 目前，尚无公认的适合大批量生产的成套镁合金加工设备和工艺。 铝合金的初次登场是在 50 年代，铝合金车轮首次被用于追求高性能的赛车中。因为铝合金车轮质量轻、散热性能好，并且具有良好的外观，所以，铝合金车轮逐步代替了钢制车轮。 铝合金车轮具有以下特点： 1) 散热快、安全。 由于轿车在高速 行驶时，轮胎与地面摩擦会产生较高的温度，制动盘和制动片摩擦会产生较高的温度，在这样的高温作用下，轮胎和制动片均会加速磨损和老化，制动效率下降，轮胎气压升高，易造成爆胎和刹车失灵的事故。铝合金的传热系数比钢材大 3倍，可将轮胎和制动盘上产生的热量迅速传导到空气中去，避免了轮子在高速运转下产生的种种弊病，从而增强了制动效能、提高了轮胎和制动盘的使用寿命、有效的保障了汽车的安全行驶。 2) 重量轻、节能。铝材比重比钢材小，平均每只铝合金车圈比钢质车圈要轻 2公斤左右，一辆轿车以 5 只车轮（包括一只后备车轮）计算可减轻重量 10 公斤。减轻重量也就意味着节省燃料。 3) 舒适性好。铝合金车圈是精密的铸造件，精加工表面达到 80到 90，失圆度和不平衡很小，特别是铝合金的弹性模数较小，抗振性好，能减少行驶中的车身振动，提高了整车的舒适性。 4) 外观漂亮。铝合金车圈外表是经抗腐蚀处理再静电粉体涂装，它可以铸成各种花式外形，让人感到有一种美观、精致和豪华的感觉。有车族往往不惜重金更换自己中意的花式外形。 基于铝合金材料有众多的优点，我国摩托车工业也主要是生产铝合金车轮，本课题也采用应用广泛的铝合金材料做为摩托车轮毂的材料。 方法的选择与对比 生产铝合金轮毂的方法有铸造法、锻造法、冲压法以及大直径焊管辊压轮圈法。 热锻铝轮毂的应用较早，多采用加工性、耐腐蚀性、切削性均较好的 6061 铝合金。锻造铝轮毂的质量好，但成本高，效率低，适于年产 10 万件的生产规模，只模锻轮盘效果较好。 冲压法是将 5454 合金的板材深冲成圆筒，再去掉下底和上缘，得到无缝大直径管坯，经辊压成型制得得轮圈性能好，但材料利用率仅为 50，且壁厚不均匀。 使用大直径焊管辊压轮圈法也能加工出性能高得铝轮毂，但这种方法主要适合于制造二件式铝轮毂。 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 3 铸造法是目前铝合金轮 毂成型方法中非常成熟的一种成型方法，它拥有成套的制造铝合金轮毂的设备和工艺，非常适合制造轮毂这种结构复杂、要求较高的重要部件，被广泛的应用于摩托车铝合金轮毂的制造当中。根据本课题零件材料为 生产纲领为 50000 件，应选择铸造法来铸造出该摩托车轮毂。 目前，国内外生产轮毂的主要铸造成型方法有压力铸造、金属型重力铸造、挤压铸造、和低压铸造。下面对现行各种主要轮毂铸造成型方法进行论述和比较。 压力铸造的特点是在高压高速下充型，高压下结晶。在这一过程中，金属液容易卷入气体、夹杂物。高压射流会破碎气体，形成弥散的小气孔留在铸件中，致使铸件不能通过热处理来提高强度。所以压铸一般适宜生产不需承受较大冲击载荷的薄壁类壳体、外罩体，根本不适合制造作为摩托车重要安全部件的轮毂。 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，由于补缩所需得温度梯度及压力均较低，该方法得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。由于仅靠重力作用下结晶，所产生的轮毂组织致密度、抗拉强度和硬度低于差压铸造、低压铸造、挤压铸造和压铸等。其伸长率也远不及差压铸造和低压铸造。 挤压铸造是借助挤压铸机压头的机械压力，把浇入铸型的合金液挤压成型，并在压力下凝固。挤压铸造的轮毂，表面粗糙度低，结晶压力高，组织致密。但是一般普通的油压机的功能简单，达不到挤压铸机的要求。另外，挤压铸造不如重力铸造有浇注系统，也不如低压铸造的升液管进液口在合金液中间有效避渣，其铸件 氧化夹渣严重。挤压铸造虽然结晶压力大，但由于摩托车车轮特殊的结构，轮辐处很多窄小的薄壁处凝固后失去补缩通道作用，轮辋局部得不到补缩。 低压铸造中，金属液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。低压铸造的“缓慢充型” 、“顺序凝固”比压铸优越而不易产生气孔、补缩不足。它的“低压充型” 、“增压结晶”也比金属型铸造充型、补缩更好。 另外，在低压 铸造的基础上，又发展出一种差压铸造方法。这种方法比低压铸造南昌航空大学 科技学院学士学位论文 4 充型更平稳、补缩更充分、结晶压力更大，因此差压铸造产品轮廓更清晰、组织更致密、力学性能提高较大。但是，由于国产差压铸造设备奇缺，工艺过程复杂，生产效率低，很少用此方法生产摩托车轮毂。 所以，对各种铸造方法进行比较后，觉得低压铸造是制造摩托车铝合金轮毂的最佳的成型方法。 低压铸造与我们普遍应用的金属型铸造、压力铸造、熔模精密铸造等工艺相比较，它是一种新的特种铸造。低压铸造工艺具有优于其它铸造工艺的独特之处。 我国是 从五十年代开始研究低压铸造的。它的发展非常迅速，应用于工业生产仅有三十余年的时间。目前，国内汽车、拖拉机、摩托车等制造厂已经形成专业化的低压铸造车间，造船、电机、仪表、轻工和国防工业也广泛采用了这种工艺，并由生产简单件发展到了生产复杂件。 由于低压铸造工艺有着上马快、投资少、占地小、容易实现机械化、自动化等优点。所以，我国的许多工厂和单位，可以成熟的运用低压铸造工艺来生产高要求的铝合金复杂铸件。如生产发动机上的铝合金汽缸体、汽缸头、曲轴箱、活塞体等复杂铸件。甚至有些单位已成功的运用低压铸造法来浇注大型簿壁叶 片复杂铸件，实现了以铸代锻。 铝合金产品由于具有质量轻、导热率好、吸收冲击能力强以及不易生锈、外表美观等优点，近年来广泛的应用在航空、汽车及轻工业等领域中。低压铸造则主要应用于铝合金铸件的产品上，随着对铝合金铸件的质量要求和性能要求越来越高，铝合金低压铸造几乎已成为一项必不可少的工艺，并在一定情况下代替了部分压铸铝合金铸件。 在国外，低压铸造的研究开始于二十世纪初期。第二次世界大战爆发后，随着航空工业的发展，英国广泛地采用低压铸造生产技术要求较高地航空发动机地汽缸等轻合金铸件。并采用金属型低压铸造，大量生产 北美的汽车工业和电子转子等重要铸件。这样，低压铸造工艺迅速扩散到通用机械、纺织机械、仪表和商业产品等领域。 目前，国外的低压铸造设备，已由专业生产厂家生产，使低压铸造生产逐步向专业化生产发展。专用的低压铸造设备的商品化，把低压铸造工艺技术提高到了一个较高的水平。 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 5 2 低压铸造基本知识 低压铸造是液体金属在压力的作用下，完成充型及凝固过程而获得铸件的一种铸造方法。它属于一种特种铸造工艺，由于低压铸造压力较低（一般为 20 60故称之为低压铸造。就低压铸造的工艺气压而言， 它是介于压力铸造和重力铸造之间的一种新的浇注工艺。 图 2 1 低压铸造工艺示意图 1 保温炉 8. 顶杆 低压铸造的装置简图如图 2 1 所示。铸型由下型 4 和上型 9 组成，并安放在密封的保温坩锅 13的上方，当给密闭的容器坩锅中通入干燥的压缩空气或惰性气体时，气体通过在金属液面 2上的压力作用，使液态金属沿升液管 3自下而上上升，经铸型下方的浇口 11缓慢而平稳地充填型腔 10，随后在压力作用下凝固 。待型腔中的合金液体凝固成形后，即可解除坩锅内合金液体 2表面的气体压力，使升液管 3和浇口 11中尚未凝固的合金液体靠自重流回坩锅内，完成一次浇注过程，经脱模后便得到了所需的铸件。 低压铸造的实质是物理学中的帕斯卡原理在铸造方面的具体运用，根据帕斯卡原理有 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 6 1 = 2 式中： 金属液面上的压力； 金属液面上的受压面积； 坩锅内液面下降的距离； 升液管中使金属液上升的压力； 升液管的内截面积； 金属液在升液管中上升的距离。 图 2 2 低压铸 造原理示意图 2. 金属液 3. 升液管 6. 铸件 7. 铸型 由图 2 2 可知：由于 远大于 因此，当坩锅中液面下降高度 时，只要在坩锅中金属液面上施加一个很小的压力，升液管中的金属液就能上升一个相当的高度 这也就是“低压”的来源。 10 低压铸造所用的铸型可以是金属型、干砂型、湿砂型、石膏型、石墨型、熔模型壳和陶瓷型等。 压铸造工艺流程 通常低压铸造的工艺流程为： 1) 金属的熔炼及模具的准备； 2) 浇注前的准备 :包括坩锅密封（装配密封盖），升液管中的扒渣，测量液面高南昌航空大学 科技学院学士学位论文 7 度，密封性试验，配模，紧固模具等； 3) 浇注：包括升液，充型，结晶凝固，放气解压等四个过程； 4) 脱模：包括松型脱模和取件。 图 2 3 低压铸造工艺操作过程 通过图 2 3 可以了解低压铸造的工艺流程的操作过 程。这些工艺中不同工序之间的相互作用，直接影响铸件的质量和生产效率。有些工序若操作不慎，会增加不必要的时间浪费，降低劳动生产效率，例如坩锅密封不好，会使气体泄漏，影响进气压力参数的正常控制，泄漏严重的需要反工。模具装配不当，浇注时会漏箱跑火，不仅使铸件报废，严重的还会使整天的生产受到影响。 由于液态金属是在压力推动下进入型腔，并在压力作用下结晶凝固进行补缩，其升液管上涂料 升液管的加热和装配 密封盖准备 熔化 除气 精炼 炉前检验 金属的熔炼 砂模造型造芯 金属型准备： 表面清理 喷刷涂料 排气道检查 装配检查 模具预热 调节开合型速度和开合型的顺序控制（并调节控制铸件凝固后的静止时间） 开关型控制台 坩锅的密封 （装配密封盖） 扒去升液管中的浮渣 测量液面高度 做密封性试验 并浇注试棒 配模 合型 浇注 升液 充型 保压 放气 脱模取件 清理工作台面和升液管内浮渣 铸件清理 通过气动元件来调节浇注各阶段的压力参数，以控制其浇注工艺 气动控制台 成品 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 8 充型过程既与重力铸造法不同，也不同于高压高速充型的压力铸造。低压铸造形成了某些独特的优点。其主要特点如下： 1) 液态金属充型比较平稳 。由于低压铸造采用底注式充型，且充型速度容易控制，相对减少了液态金属浇注时的飞溅、对型壁和型芯的冲刷及氧化夹杂等铸造缺陷。同时，型腔内液流与气流方向一致，减小了产生气孔缺陷的可能性。 2) 铸件成形性好。低压铸造时液态金属是在外界压力作用下强迫流动的，提高了液态金属的充填性，有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件，这对于薄壁叶片和大型复杂薄壁铸件的成形更为有利。 3) 铸件组织致密、力学性能高。因为铸件是在压力作用下结晶凝固，大幅度提高了补缩效果，从而提高了铸件的力学性能。如铸件的抗拉强度和硬度比重力铸造提高约 10左右。 由于铸件组织致密，铸件的气密性、耐压性都得到提高，这对于要求耐压和防渗漏的铸件具有明显效果。 4) 提高了液态金属的工艺出品率。由于低压铸造利用压力充型和补缩，简化了浇冒口系统的结构，使工艺出品率可提高到 90左右。 5) 生产效率高，加工余量小，机械加工工时少。 6) 低压铸造对铸型材料没有特殊的要求，凡可作为铸型的各种材料，都可以用作为低压铸造的铸型材料。 7) 设备简单、便于制造、投资少、占地面积小、易于实现机械化、自动化生产。 8) 改善了浇注时的劳动条件。在低压铸造的浇注过程中，操作人员只要控制气阀或按动电钮就可以进行了。同时 ，浇包置于密封的压力罐中，也减少了高温合金液对人体的热辐射，有利于工人的健康。 同时，低压铸造的缺点是坩锅和升液管长时间被液态金属侵蚀，使用寿命较短。另外，铝合金液容易增铁。 压铸造工艺规范 低压铸造的工艺规范包括预压、充型、增压、保压、模具预热温度、浇注温度，以及模具的涂料等内容。 1) 预压和预压速度 预压压力是指当金属液面上升到浇口附近所需要的压力。金属液在升液管内的上升速度应尽可能快，同时也需要避免金属液在进入浇口时不致产生喷溅。 2) 充型压力和充型速度 充型压力是指使金属液充型上升到铸型顶部所需的 压力。在充型阶段，金属液面南昌航空大学 科技学院学士学位论文 9 上的升压速度就是充型速度。 3) 增压和增压速度 金属液充满型腔后，再继续增压，使铸件的结晶凝固在一定大小的压力作用下进行，这时的压力叫结晶压力。结晶压力越大，补缩效果越好，最后获得的铸件组织也愈致密。但通过结晶增大压力来提高铸件质量，不是任何情况下都能采用的。 4) 保压时间 保压时间是指型腔压力增至结晶压力后，并在结晶压力下保持一段时间，直到铸件完全凝固所需要的时间。如果保压时间不够，铸件未完全凝固就卸压，型腔中的金属液将会全部或部分的回流，造成铸件报废。如果保压时间过久，则浇口残留过长，这不仅降低了工艺收得率，而且还会造成浇口被堵死，使铸件出型困难，故生产中必须选择适宜的保压时间。 5) 铸型温度及浇注温度 低压铸造时，因为金属液体的填充条件得到改善，且金属液体直接自密封保温坩锅进入铸型，故浇注温度一般比重力铸造浇注温度低 10 20。当采用金属型铸造铝合金铸件时，铸型的工作温度为 200 250。铸造复杂的薄壁铸件时，铸型的工作温度可以提高到 300 350。 6) 涂料 在金属型低压铸造时，为了提高其寿命及铸件质量，必须刷涂料。涂料应均匀，涂料厚度要根据铸件表面光洁度、铸件结构及铸件的冷却方向来确 定。此外，保温坩锅也应喷涂涂料。因升液管长期浸在液体金属中，增加了铝合金溶液中的含铁量，降低了铸件的力学性能。所以，应先将升液管的内、外表面预热至 200左右，再涂刷一层较厚的涂料。 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 10 3 模具总体方案设计 合金轮毂低压铸造模具一般方案 在轮毂的制造过程中，铸件毛坯质量对于铝合金轮毂的整体质量有着很大的影响。毛坯铸造的好坏，直接影响轮毂的加工和其使用性能。而铸件毛坯的质量又取决于合金的选择、模具质量、熔炼工艺、合金变质和热处理等一系列工艺控制过程。在这其中，模具又是成型轮毂的关键工艺装备，其结构的 设计与优化是轮毂生产的工艺关键。 根据轮毂零件的不同，铸造轮毂的方法也不尽相同，其模具的总体方案也要根据零件的实际情况而定。如果轮毂结构复杂，则需要模具增加相应的成型镶块，其顶出装置也要根据零件的复杂程度来设计。在冷却系统方面，也要根据实际情况，可采用有循环水冷却系统或风、水共用系统以及风冷等方式。在排气系统方面，由于模具结构的差异，其排气方式也有很多不同之处。 下面是铝合金轮毂低压铸造的两种模具结构： 例如，图 300整体式铝合金轮毂低压铸造模具结构。 图中可以看出，在这个模具中采用了上下模冷 却环组件的设计，使铸型的冷却充分。设计了分流锥，使金属液充型速度加快。上模连接环使上模与上模座很好的连接。 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 11 图 3体式铝合金轮毂低压铸造模具结构图 7 该模具属于典型的金属型型腔模具。模具包括成型系统、铸型排气系统、浇注系统、冷却系统和顶出系统五大组成部分。在浇口与分流锥之间，设置有过滤网，分流锥设计为（平）圆顶，以顶住过滤网，过滤网一模一件以滤 渣，还可避免紊流。 本模具冷却位置在轮毂的热节处，模具外围设置保温棉，以均衡冷却过程，模具采用水冷却方式。冷却部位主要集中在车轮轮辐、中心浇口处，而轮辋部位则无须冷却系统。 在模具的上方设置有吊耳机构，便于将模具吊装到铸造机上。在顶出系统的设置中，设置了相应的顶杆系统，将铸件在模具分模时顶出铸型。 另外，图 3这种低压铸造模具结构也是一种典型的模具结构，是一种适用于常规机台的低压铸造模具，它按系统也分为浇注系统、冷却系统、顶出系统和成型系统，按模块功能又可分为结构件、成型件 、标准件。成型件是参与制品成型的零件及部件，结构件则为除成型件外的组成一副完整型腔模具的部分，它包含导向部分、顶出部分和模具固定连接部分。而在标准化设计中则将原成型件分解为成型镶件和成型标准件。成型镶件由图 3、上模芯 8、分流锥 7、下模块 3及浇口套 4等组成。 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 12 图 3毂低压铸造模具结构 5 1. 下模板 2. 陶瓷浇口套 3. 下模块 4. 浇口套 5. 侧模 6. 上模镶块 8. 上模芯 9. 模芯压板 10. 上模体 11. 三角导向块 12. 上模固定块 14. 推板 另外，该模具的侧模为四开模，有三角导向块，浇注系统采用陶瓷浇口套，使它的硬度大为提高。根据零件的复杂程度，加装了模芯和模芯压板。冷却系统为风冷，而对于不同的生产厂家及设备而言，另有导柱卡装式模具结构，冷却系统也有循环水冷却系统或风、水共用系统。 具总体方案设计与对比 件轮辋的主要形式 轮辋是摩托车轮毂与外轮胎直接接触的部件，它的几何形状较为复杂，并且已经形成了统一的标准。根据国家标准，摩托车轮辋系列 91，轮辋的类型分很多种，主要有圆柱型（ ）、 5斜底式（ ）、斜底式（直边式）、对开槽式以及深（槽）式。 图 3示的是 5斜底式圈座轮辋（ 这种型号的轮辋适用于代号标志系列和公制 80、 90 和 100 系列的摩托车轮胎。它的特点是，轮辋的外形是由一些半径较小的圆弧组成，并且在轮辋上有凸峰（ 斜度（ 5 1）。这些特点可以使轮辋与外轮胎的连接有很好的稳定性。 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 13 图 35斜底式圈座轮辋（ 图 3示的是圆柱型圈座轮辋（ 这种轮辋适用于代 号标志系列，也适用于公制 80、 90 和 100 系列的摩托车轮胎。这种型号的轮辋底部由弧形代替了 没有凸峰和外形线倾斜的设计，在与外部轮胎相连接时，稳定性没有那么好。 图 3柱型圈座轮辋（ 毂零件的分析 轮毂零件图如图 3 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 14 由零件图可以看出，该轮毂虽然结构较为复杂，但它的对称度很好，轮辋采用 5度 斜底式圈座轮辋（ 轮毂有三个成 120 度 的加强筋，轮毂中部设有花键连接，整体壁厚没有非常薄的地方，铸造性良好，且容易出模。该轮毂的轮辋与轮盘整体成型，是一 件式铝轮毂。 图 3合金轮毂零件图 图 3合金轮毂零件 实体图 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 15 件毛坯的工艺分析 铸件毛坯的工艺性，是指铸件毛坯对铸造工艺的适应性，即铸件毛坯的形状结构等是否符合铸造工艺的要求。铸件毛坯的工艺性好坏，直接影响铸件的质量、材料利用率、生产率、模具制造难易、模具寿命、操作方式及铸造设备的选用。 铸件毛坯的形状结构要适合于模具的脱模，在铸件的脱模方向上不能有阻碍铸件脱开的凸台、斜度等结构。若存在少部分这种情况，则要求模具能够采用镶块，来辅助铸件的脱模。只 有满足了脱模这个基本条件，才可以说铸件毛坯的结构形状基本上合理。但即使铸件模具通过镶块的辅助能够脱模，但这种铸件毛坯的工艺结构还是不够合理。实际中应尽量避免铸件毛坯出现这种有阻碍铸件脱模的结构，尽量使铸件毛坯的形状结构简单，甚至要求铸件毛坯在脱模方向上的结构形状有一定的倾斜度，这样就更有利于铸件毛坯的脱模。 另外，在铸件毛坯的形状结构中，不同型面的连接处要有一定的圆弧过渡，这个工艺要求是为了模具制造的方便以及脱模的方便。 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 16 图 3件毛坯图 图 3轮毂零件图（图 3比，该毛坯中将一些不利于铸造成型的地方增加了余量。如不铸造处花键处的台阶，制动衬套处的台阶和凹槽也不易直接铸造出来。另外，轮辋与轮毂中部相连的加强筋处，一些地方都有圆弧过渡。 轮毂铸件毛坯图中的其它地方的结构形状还是比较合理的，没有影响铸件脱模的地方，毛坯的铸造工艺性良好。 具总体方案 1 摩托车轮毂属于复杂零件，存在壁厚较薄的地方。但由于零件的对称度较好，又是使用低压铸造，所以，相比较其它铸造方式或低压铸造其它模具形式而言，其模具总体结构没有非常复杂的地方，如复杂的冷却系统和浇注系统。 根 据低压铸造的特点，并结合本零件的结构，在模具中不需设置结构复杂的冒口，浇注系统也大为简化。浇注系统有很多种形式，按金属液导入方式分为切向浇注、径向浇注；按浇口位置分为中心浇注、顶浇注和侧浇口；按浇口形状分为环形浇口、缝隙浇口和点浇口；按横浇道过渡区形式分为扇形浇道系统和锥形切线浇道系统。 图 3示的是方案 1 的模具装配图，该方案采用中心浇注方式，铝液通过模具底部的浇注口进入型腔。横浇道由轮毂自身的三个加强筋来代替，由于铸件中轮辋部分没有特别细小的型腔，所以也没有设置直浇道和内浇道。浇口形式非常简单，只设 置了浇注过道和过道外环。通过铸型本身的形状，即可使铝合金液体充分充满铸型，液体也不会产生紊流。 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 17 图 3具装配图（方案 1） 在模具中使铸件从模具的成型零件中脱出的机构，称为推出机构。推出机构一般由推出元件（如推杆、推管、卸料板、成型推块、斜滑块等）、复位元件、限位元件、导向元件、结构元件等组成。推出机构的基本传动形式分为：机动推出、液压推出器推出和手动推出三种。本方案中，由于铸件形状对称，强度适中，便于推出，所以采用了机动推出方式。 推出机构的结构形式，按动作分为直线推出、旋转推出、摆动推出；按机构 形式分为推杆推出、推管与推叉推出、卸料板推出、斜滑块推出及其他推出机构。在本铸型中没有管状的部件，也没有较大的平面，所以不易采用推管、推叉推出机构和卸料板推出机构。由于铸型有圆环状型面，利于推杆进行推出和布置推杆的位置。所以推杆推出机构是本方案最佳的选择，其他机构基本都不适宜。另外，铸件的外形比较规则，没有比较复杂的几何形状，主要以直线型线型为主，所以动作方式采用直线推出方式。 压铸模的动模与定模的结合表面通常称为分型面。模具一般只有一个分型面，但有时由于铸件结构的特殊性，或者为满足压铸生产的工艺要求，往往 需要再增加一个或两个辅助分型面。分型面一般分为单分型面和多分型面，单分型面又分为直线、倾斜、折线和曲面分型面。多分型面则分为双分型面、三分型面以及组合分型面。分析本课题的轮毂零件后，认为零件形状对称，故采用直线型单分型面。 另外，由于在该轮毂铸件的轮辋结构中，轮辋中部的直径尺寸比外围的直径尺寸要小。所以在模具的设计中就不能只采用上下模合模方式，如果采用这种方式，则当在铸件凝固后开模的过程中，铸件无法和模具脱开，显然是不合理的设计。介于这种情况，在方案 1中除了使用了上、下模，还采用了边模的设计。将边模设计成轮 辋的外型形状，这样在开模的过程中就不会产生铸件无法脱开模具的情况，解决了设计不合理的问题。 在本方案中，轮毂的形状不很复杂，铸造工艺性好，其铸件对模具温度控制的要求不高，模具温度在较大范围内变动仍能生产出合格的铸件。另外，该模具中没有特别容易过热的部位，如没有直浇道、型芯、凸出部位等需要考虑快速冷却的地方。再加上模具的散热性比较好。所以，本方案中的冷却方式不必采用水冷等方式，采用风冷就能满足模具散热的要求。模具内不必采用冷却装置，结构简单。 具总体方案 2及与方案 1 的比较 图 3方案 2，方案 2与方案 1的主要不同之处是在铸件的型腔位置方面。方案 1 中，铸型中部有待充型的空间较大，浇口浇注的面积较大，有利南昌航空大学 科技学院学士学位论文 18 于铝合金液体迅速的充型，轮辋外圈部分也能较快的充满铝合金液。这种设置比较合理。而在方案 2中，型腔的形状与方案 1相比是对称放置，在浇注口附近只有很小的一个圆环面积可供铝合金液体压入型腔中，这样则在充型结束后，轮辋中有些地方可能充型不足，或者产生液体的紊流。这些都会在很大程度上影响轮毂的质量。 另外，在方案 2 中的浇注系统与下模接合的部分，浇注过道固定环与下模无法很好的连接。若用螺钉在图示位 置与下模连接，则下模的形状就不够合理，甚至难以加工出下模。 图 3具装配图（方案 2） 方案 2中的其它设计与方案 1基本相同。浇注系统仍然采用中心浇注，从铸型的底部开始充型；推出系统仍采用推杆推出系统，进行直线式推出；分型面也为直线型分型面，分型面在铸型的中部；模具方式采用上模、下模和边模的方式。 在将两种方案进行对比后，认为方案 1在浇注系统的设计方面比方案 2更为合理。所以，本设计采用方案 1。 具的动作方式 为了便于看清楚模具的分模和合模是如何动作的，是如何达到将铸件推出和模具复位的作用。下 面根据几幅模具的动作示意图来分析模具的基本动作方式。在示意图中，整个模具的各个部分都采用了简化的画法，一些细节的部分均为画出。顶杆和螺纹连接等地方都用一条直线表示，铸件轮廓用虚线表示，其形状也采用了简化画法。图中箭头表示模具的移动方向。 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 19 具的分模动作方式 如图 3具整体是放置在低压铸造机（图中未画出）中的，其中下模 3连接在下模座 2上，而下模座 2又固定在低压铸造机的工作台 1上。这样在分模时，下模 3则是固定在铸造机的工作台 1上，不会向上移动。 图 3模分模示意图 1. 工作台 2. 下模座 3. 下模 4. 边模 5. 导杆 6. 拉杆 8. 夹板 10. 上模座 在上模部分，模具上模 11 与上模座 10 相连，而上模座 10 与低压铸造机的拉杆6相连。模具在进行分模时，上模与上模座一起在铸造机拉杆 6的作用下向上移动，这其中，导杆 5起到导向作用。与此同时，顶杆 9和复位杆 7在夹板 8的作用下固定不动。这样，顶杆 9 与上模的向上移动相比较就产生了向下的相对运动，从而将铸件从上模中顶出。在上模向上移动的过程中，上模也会带动边模向上移动，从而带动了铸件的向上移动， 使铸件从下模中脱出。 另外，如图 3上模随低压铸造机向上移动，铸件从上下模具中脱开的同时，边模也分为四块向外脱开。至此，则完成了铸件从模具中脱模的全过程。 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 20 图 3模分模示意图 1. 工作台 2. 下模座 3. 下模 4. 边模 5. 导杆 6. 拉杆 8. 夹板 10. 上模座 具的合模复位动作方式 当铸件从模具中脱出后，模具在完全冷却后，将进行合模。合模的运动方式基本和分模的运动相反，在这个过程中，起主要作用的是 复位杆。 如图 3示，在合模的过程中，上模 11 与上模座 10 在低压铸造机的拉杆 6的作用下向下运动。此时，由于夹板 8、顶杆 9以及复位杆 7等部件均固定在固定板（图中未画出）上，所以它们的相对位置在整个合模过程中不变，没有产生任何运动。其中，复位杆 7的下端一直顶在下模的上表面，这样在上模 11和上模座 10向下运动时，由于复位杆 7顶在下模 3的上表面上不动，从而产生了向上的相对运动，使夹板8、固定板以及顶杆 9等部件复位。 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 21 图 3模示意图 1. 工作台 2. 下模座 3. 下模 4. 边模 5. 导杆 6. 拉杆 8. 夹板 10. 上模座 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 22 4 模具设计 件的材料及其性能 本课题中铸件的材料牌号为： 合金牌号为： 造工程师手册第一版 342 页 表 4铸造铝合金对各种铸造工艺的适应性都很好，可以用于砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、壳型铸造、低压铸造、压铸、连续铸造、触变铸造等。同一牌号的合金，用不同工艺铸造，其力学性能有所不同。 于铝硅合金，铝硅合金有良好的铸造性能，经变质处理和热处理后，有良好的力学性能和耐蚀性能，是应用最广的铝合金。 械加工余量的确定 机械加工余量是为了保证铸件机械加工面尺寸和零件加工精度，在设计铸件和铸造工艺时，预先增加并在机械加工时应予以切除的金属层厚度。铸件的加工余量数值按照有加工要求的表面上最大基本尺寸和该表面距它的加工基准间尺寸两者中较大的尺寸所在尺寸范围，从铸件加工余量表中选取。另外，铸件的不同加工表面，可以采用相同的加工余量数值。 在本轮毂铸件中，有加工要求表面中基本尺寸最大的为直径 据铸造工程师手册，选取加工余量等级为 D F，则根据直径 选取本铸件的机械加工余量为单边 在铸件的个别地方有些余量比 ，这种情况根据实际情况而定，具体见毛坯图。 件收缩率的确定 铸件在凝固和冷却过程中，体积一般要发生收缩，即体收缩。固态下的收缩量常以长度表示，称为线收缩，以模样与铸件的长度差除以模样长度的百分数表示，即： 100121 L ) 式中 K 铸造收缩率； 模样尺寸； 铸件尺寸； 铸造收缩率不仅与铸造合金的种类及成分有关，而且还与铸件结构的复杂程度和尺寸大小、铸型种类、浇冒口系统结构等因素有关。 对于大量生产的铸件，应通过试生产测量铸件的实际尺寸，求出铸件各部位、各方向的实际收缩率，修正模样。单件、小批量生产的铸件，一般根据生产中长期积累的经验来选取铸造收缩率，形状复杂的铸件，可以考虑采用工艺补正量，适当加大机南昌航空大学 科技学院学士学位论文 23 械加工余量等措施，保证铸件的尺寸合格。 根据铸造工程师手册，表 6知铝硅合金的自由收缩率为 受阻收缩率为 。 模斜度的确定 为了在铸型凝固后，便于铸件从模具中取出而不损坏模具或铸件，应该在模具的相映位置设置一定的倾斜角度，即起模斜度。起模斜度的设置可以根据铸件的实际情况来定。在铸件本身有结构斜度的地方，则不必设置起模斜度。当铸件的结构斜度不足或者铸件的结构影响了铸件的脱模时，则必须设置一定斜度的起模斜度或者增加模具镶块，来解决铸件脱模困难的问题。在本铸件中，铸件的几何形状大部分不会影响铸件的脱模，但也有一些地方的几何形状与模具脱模方向平行，不利于铸件脱模。所以，在设计上下模具时，这些地方在脱模方向上都增加了 一定起模斜度。根据经验和铸件的实际情况，将起模斜度定为 3，具体见模具装配图，其中未注起模斜度为2 3。 型面的确定 选择铸件的分型面涉及铸件的形状和技术要求、浇注系统和溢流系统的布置、铸造工艺条件、铸造模具的结构和制造成本、模具的热平衡等因素，这些因素难以兼顾，故应综合这些因素来考虑分型面的确定。 选择分型面应注意如下要点： 1) 开模时保持铸件随动模移动方向脱出定模； 2) 有利于浇注系统、溢流系统和排气系统的布置； 3) 要求不影响铸件的尺寸精度； 4) 简化模具结构； 5) 避免铸造机承受临界负荷，并要考虑铸造合金 的性能； 在选择铸件的分型面时要综合考虑以上要点，从而确定分型面。 另外，分型面有如下分类。 1) 在单分型面类别中又分为直线型、倾斜型、折线型以及曲线型分型面。 2) 在多分型面中又分为双分型面、三分型面以及组合分型面 根据以上选择分型面的方法，选择铝合金铸件的分型面如图 4示 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 24 图 4型面示意图 图 4示的是铸件模具的分型面示意图。图中黑色粗线代表了分型面，这种设计对本铸件来说比较合适。上、下模具在分模时均不会影响铸件，且分型面在铸件断面轮廓较大的地方，属于直线型 单分型面。另外，分型面在上、下模内的深度也不深，有利于铝合金液体顺畅的进入型腔，这样设置模具结构简单。 架的设计 模架是固定和设置成型镶块、浇道镶块、浇口套以及导向零件等的基体。虽然在低压铸造中，一般没有成型镶块以及浇道镶块，但模架在这里也是不可缺少的。它是模具和铸造机连接所必须的基本“骨架”，其主要构件有夹板、上下模座、支撑板以及定位销、导向块、紧固零件等。在图 3所示的方案中，该模架有足够的刚性，在承受铸造机锁模力的情况下，不易发生变形。这种设计不过于笨重，便于装卸、修南昌航空大学 科技学院学士学位论文 25 理和搬运，并减轻了铸 造机的负荷。 口的设计 口设计的基本原则 冒口是铸型内用以储存金属液的空腔，其功能是多方面的。功能不同的冒口，其形式、大小和开设位置均不同。所以冒口的设计要充分考虑铸造合金的性质和铸件的特点。 1) 对于凝固温度范围宽，不产生集中缩孔的合金（如锡青铜），冒口的作用主要是排气和收集液流前沿混有夹杂物或氧化膜的金属液。这种冒口多置于内浇道的对面，其尺寸也不必太大。 2) 对于要求控制显微组织的铸件，冒口可以收集液流前沿的过冷金属液，避免铸件上出现过冷组织。典型的例子是单位铸造活塞环时所用的冒口。有些 铸件易出现白口组织的部位，也可开设这样的冒口。 3) 对于凝固期间体积收缩量大，日趋向于形成集中缩孔的合金（如铸钢、锰黄铜和铝青铜等），冒口的主要作用是补偿铸件的液态收缩和凝固收缩，以得到致密的铸件。 口设置的原因 由于在轮辋上容易产生缩松与裂纹，所以在相应的部位必须设置合适的冒口，以解决这些缺陷的产生。 图 4以看出，轮辐起到了内浇道的作用，金属液连续冲刷侧型，使 辐截面较薄先于轮辋凝固， 、下型三角形芯块温度高、散热慢，且 远，辐条先凝固， A、 B 处将涂料刮薄虽有利于散热、加快金属液凝固，但不能根本消除缩松、裂纹等缺陷。采用冒口设置可以有效的解决缩松、裂纹等缺陷。 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 26 图 4辋示意图 口的设置与原理分析 在轮辐与轮辋的交接处、轮辋上部（浇注位置方向）设置冒口，冒口既能延缓交接处凝固以加长轮辐补缩通道作用时间，又能对轮辋（包括上图 A、 B 两处）进行补缩。 具体方法是在上型相应位置开设暗冒口，其上部设置有保温材料，且限定通气塞南昌航空大学 科技学院学士学位论文 27 的排气量。这样 在低压铸造中，保温暗冒口的作用优于同等尺寸普通明冒口： 1) 保温暗冒口使冒口内的金属液与补缩区域金属液温度梯度增大； 2) 暗冒口既能在充型时蓄藏大量的气体，又能在冒口内金属液面上形成压力（反弹压力），使冒口变成加压冒口。 如图 4力冒口原理分析如下： 根据气体状态方程 若是等温状态则 2211 12112 )(/ 式中 充型前冒口型腔中气体压力 冒口型腔体积 充型后冒口型腔中的气体 冒口型腔中储藏空气部分的体积 图 4属型冒口型腔示意图 若冒口型腔 藏的不仅是充型前 容气体，还有金属型型腔其余部位的气体，以及考虑到气体在冒口 被铝镁合金液加热膨胀的因素，气体压力 际上更大。保温暗冒口补缩效果明显，图 4 A、 B 处缩松、裂纹消除。而且，几个冒口的总重对轮毂铸件的重量影响不大。 出机构的设计 出机构的组成及特点 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 28 在本课题中推出机构采用了推杆推出机构，该机构中心顶杆、边顶杆、复位杆、夹板以及顶板等部分组成。如图 4图中的这种推杆系 统的设计，分布较为合理，有如下好处 :中心顶杆和边顶杆都布置在轮毂的圆环表面上，使铸件各部位的受推压力均衡；铸件有深腔和包紧力大的部位，选择了一定数量的推杆，使推杆兼有排气作用；没有在铸件的重要表面和基准表面设置推杆；推杆的推出位置没有与其它部件相干涉。 图 4出距离的计算 参考压铸模设计手册表 8以计算推杆推出的距离是否合适。 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 29 图 4出距离的计算 11 如图 4 1) 0 时， 推； 2) 0 时， 推31； 3) 使用斜钩推杆时 10 H 滞留铸件的最大成型长度（ 当凸出成型部分为阶梯形时， H 值以各阶梯中最长一段计算 直线推出距离（ 当出模斜度小或成 型长度较大时， K 安全值 （一般取 3 5 由于本铸件的模具中 大于了 20所以选用公式 2。 即， 0 时， 推31所以经计算得 推推 30足要求 杆截面积的计算 推杆直径是按推杆断面在铸件上允许承受的受推 力 杆在推出铸件的过程中，受到轴向压力，因此必须计算推杆直径，同时校核推杆的稳定性。 南昌航空大学 科技学院学士学位论文 30 推杆截面积的计算公式参考压铸模设计手册公式（ 8即 式中 A 推杆前端截面积（ ； 推F 推杆承受的总推力（ N）； n 推杆数量； p 许用受推力，参考压铸模设计手册表 8取 p 50 n 1时，可以绘制出图 4 1) 中心顶杆截面积的计算 根据设计方案及装配图，共使用 6个中心顶杆，则 n 6 结合生产实际，在考察车间铸造机后，取 24000N，则，每一根中心顶杆的受力为， 24000 4000N。 则查看下图知，纵坐标 4000线，得推杆直径为 取 d =10 A= 241 d 78.5 (取顶杆截面为圆形 ) 2) 边顶杆截面积的计算
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