0234-摩托车后轮轮毂铸造模具设计【全套8张CAD图+说明书】
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摩托车后轮轮毂的模具设计
摘要：轮毂是踏板摩托车上极为重要的行驶部件和安全部件，应具有良好的综合力学性能，在正常行驶过程中不应发生变形和疲劳失效。而轮毂又属于形状复杂的零件，一般采用铸造方法使其成型。现在，广泛采用低压铸造来生产轮毂。模具在铸造成型方法中是至关重要的一部分，因此，它的设计和制造成了铸造质量的关键所在。
本文对轮毂进行实体造型更形象的了解轮毂的外形。并主要从摩托车轮毂的发展状况、铝合金的成型与铸造方法、低压铸造的工艺及特点，模具总体方案的选择以及模具结构的设计等方面介绍了轮毂低压铸造的模具设计。
该款轮毂的材料采用了铝合金材料（ZL101A），对轮毂的铸造毛坯进行了设计，使其能够满足铸造的工艺要求。设计中将低压铸造与压力铸造、金属型重力铸造、挤压铸造以及差压铸造等铸造方法进行了对比。分析了轮毂零件的特点以及轮辋的主要形式及其特点。另外，主要从铸件收缩率、铸型分型面、冒口的设置以及推出机构等几个方面介绍了模具设计的要点。通过示意图描述了模具的分模与合模的动作方式。并对铸造轮毂的边模进行工艺分析。
关键词：轮毂 低压铸造 模具设计
- 内容简介：
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注塑模具自动装配造型 X. G. J. Y. H. . S. 械和生产工程部，新加坡国立大学，新加坡 注射模是一种由与塑料制品有关的和与制品无关的零部件两 大部分组成的机械装置。 本文提出了（有关）注射模装配造型的两个主要观点，即描述了在计算机上进行注射模装配以及确定装配中与制品无关的零部件的方向和位置的方法，提出了一个基于特征和面向对象的表达式以描述注射模等级装配关系，该论述要求并允许设计者除了考虑零部件的外观形状和位置外，还要明确知道什么部份最重 要和为什么。因此，它为设计者进行装配设计（ 供了一个机会。同样地，为了根据装配状态推断出装配体中装配对象的结构，一种简化的特征几何学方法也诞生了。在提出的表达式和简化特征几何学的基础上，进一步深入探讨了自动装配造型的方法。 关键字：装配造型；基于特征；注射模；面向对象。 1、简介 注射成型是生产塑料模具产品最重要的工艺。需要用到的两种装备是：注射成型机和注射模。现在常用的注射成型机即所谓的通用机，在一定尺寸范围内，可以用于不同形状的各种塑料模型中，但注射模的设计就必须随塑料制品的变化而变化。模型的 几何因素不同，它们的构造也就不同。注射模的主要任务是把塑料熔体制成塑料制品的最终形状，这个过程是由型芯、型腔、镶件、滑块等与塑料制品有关的零部件完成的，它们 是直接构成塑料件形状及尺寸的各种零件 ，因此，这些零件称为成型零件。（在下文，制品指塑料模具制品，部件指注射模的零部件。）除了注射成型外，注射模还必须完成分配熔体、冷却、开模、传输、引导运动等任务，而完成这些任务的注射模组件在结构和形状上往往都是相似的，它们的结构和形状并不取决于塑料模具，而是取决于塑料制品。图 1显示了注射模的结构组成。 图 1 注射模的结构 成型零件的设计从塑料制品中分离了出来。近几年， 型零件的形状的自动化生成也引起了很多研究者的兴趣，不过很少有人在其上付诸实践，虽然它也象结构零件一样重要。现在，模具工业在应用 计算机辅助设计系统设计成型零件和注射成型机时，遇到了两个主要困难。第一，在一个模具装置中，通常都包括有一百多个成型零部件，而这些零部件又相互联系，相互限制。对于设计者来说，确定好这些零部件的正确位置是很费时间 的。第二，在很多时候，模具设计者已想象出工件的真实形状，例如螺丝，转盘和销钉，但是 就需要设计者将他们的想法转化成 例如线，面或者实体等 )。因此，为了解决这两个问题，很有必要发展一种用于注射模的自动装配成型系统。在此篇文章里，主要讲述了两个观点：即成型零部件和模具在计算机上的防真装配以及确定零部件在模具中的结构和位置。 这篇文章概括了关于注塑成型的相关研究，并对注射成型机有一个完整的阐述。通过举例一个注射模的自动装配造型，提出一种简化的几何学符号法， 用于确定注射模具零部件的结构和位置。 在各种领域的研究中，装配造型已成为一门学科，就像运动学、人工智能学、模拟几何学一样。 了一个关于装配造型的调查。据称，很多研究人员已经开始用图表分析模型会议拓扑。在这个图里，各个元件由节点组成的，再将这些点依次连接成线段。然而这些变化矩阵并没有紧紧的连在一起，这将严重影响整体的结构，即，当其中某一部分移动了，其他部分并不能做出相应的移动。 持包含更多的关于零部件的基本信息的一种分级的装配数据结构，就像在各元件间的“装配特征”。变化矩阵自动从实际的线段间的联系得到，但是这个分级的拓扑模型只能有效地代表“部分”的关系。 自动判别装配组件的结构意味着设计者可避免直接指定变化的矩阵，而且，当它的参考零部件的尺寸和位置被修改的时候，它的位置也将随之改变。现在有三种技术可以推断组件在模具中的位置和结构：反复数值技术 ,象征代数学技术，以及象征几何学技术。 们的理论由三步组成：产生条件方程式，降低方程式数量，解答方程式。 方程式有： 16 个满足未知条件的方程式， 18 个满足已知条件的方程式， 6 个满足各个矩阵的方程式以及另外的两个满足旋转元件的方程式。通常方程式的数量超过变量的数量时，应该想办法去除多余的方程式。牛顿迭代法常用来解决这种方程式。不过这种方法存在两种缺点：第一，它太依赖初始解；第二：反复的数值技术在解决空间内不能分清不同的根。因此，在一个完全的空间关系问题上，有可能解出来的结果在数学理论上有效，但实际上却是行不通的。 议分别计算每个零部件的旋转量和转变量以确定它们之间的空间关系， 而解出的每个零部件的 6 个变量 (3个转变量和 3旋转量 )要和它们的空间关系一致。这种方法要求大量的编程和计算，才能用可解的形式重写有关的方程式。此外，它不能保证每次都能求出结果，特别是当方程式不能被以可解答的形式重写时。 为了能确定出满足一套几何学限制条件的刚体的位置与方向， 发了一种特征几何学方法。通过产生一连串满足逐渐增长的限制条件的动作推断其几何特征，这样将减少物体的自由度数。 用的基本参考实体称为一个 标识 ，由一个点和两正交轴构成。标识间的 7个限制条件（ 被定了义。对于一个包括独立元件、相互约束的标识和不变的标识的问题来说，可以用动作分析法来解决问题，它将一步一步地最后求出物体的最终的几何构造。在确定物体构造的每一个阶段，自由度分析将决定什么动作能提供满足限制物体未加限制部位的自由度。然后计算该动作怎样能进一步降低物体的自由度数。在每个阶段的最后，给隐喻的装配计划加上合适的一步。根据 分析， 理论代表了 注射模具最显著的发展，他的特征几何学方法能解出全部的限制条件。和反复的数值技术相比，他的这种方法更具吸引力。不过要实行这种方法，需要大量的编程。 现在虽然已有很多研究者开始研究注射成型机，但仍很少有学者将注意力放在注射模设计上。 发了一个注射模的设计支援系统。这个系统通过高级的模具对象 (零部件和特征 )支持注射模的成型设计。因为系统是在 此它只适于线和简单的实体模型操作。 主要讲述了关于注射模自动装配造型的两个方面：注射模在电脑上的防真装配和确定结构 零件在装配中的位置和方向。在这个部分，我们基于特征和面向对象论述了注射模装配。 注射模在电脑上的防真装配包含着注射模零部件在结构上和空间上的联系。这种防真必须支持所有给定零部件的装配、在相互关联的零部件间进行变动以及整体上的操作。而且防真装配也必须满足设计者的下列要求： 1 支持能表达出模具设计者实体造型想象的高级对象。 2 成型防真应该有象现实一样的操作功能，就如 装入和干扰检查。 为了满足这些要求，可用一个基于特征和面向对象的分级模型来代替注射模。这样便将模型分成许多部分，反过来由多段模型和独立部分组成。因此，一 个分级的模型最适合于描述各组成部分之间的结构关系。一级表明一个装配顺序，另外，一个分级的模型还能说明一个部分相对于另一个部分的确定位置。 与直观的固体模型操作相比，面向特征设计允许设计者在抽象上进行操作。它可以通过一最小套参数快速列出模型的特征、尺寸以及其方位。此外，由于特征模型的数据结构在几何实体上的联系，设计者更容易更改设计。如果没有这些特征，设计者在构造固体模型几何特征时就必须考虑到所有需要的细节。而且面向特征的防真为设计者提供了更高级的成型对象。例如，模具设计者想象出一个浇口的实体形状，电脑就能将这 个浇口造型出来。 面向对象造型法是一种参照实物的概念去设计模型的新思维方式。 基本的图素是能够将数据库和单一图素的动作联系起来的对象。面向对象的造型对理解问题并且设计程序和数据库是很有用的。此外，面向对象的装配体呈现方式使得“子”对象能继承其“父”对象的信息变得更容易。 图形 2说明以特性为基础和面向对象的分层的表示一种插入模具。 表示是多重水平的提取的一种分层的结构，从低水平的几何学的实体 (形成特性 )到高水平的组件。 在盒子中被封入的项目代表 “装配对象 ”； 固体线代表 “部分 ”关系； 同时，猛冲的线代表其它关系 。 组件 ( 包括部分 ( 。 一部分能被认为是形式特性 ( 的一种 “装配 ”。 表示把一个以特性为基础的几何学的模型的力与面向对象的模型的那些相结合。 它不仅包含父对象和子对象之间的 “部分 ”关系，也包括富有的套结构的关系和装配对象的一群操作的功能。 在段中 装配对象之间有有关一种装配对象的定义的较进一步的讨论，而详尽的关系在 在我们的工作中，一种装配对象， O，以如下形式被定义为一个唯一而可辨认的实体： O = ( A， M， R ) ( 1 ) 在此式中： O )的一个唯一的标识符。 ( t， a， v )。 每一元素 的一种属性，与每一属性有关是一类型， t，和一种价值， v。 ( m， %， 符号 同时，方法定义有关对象的操作。 符号 i= 1， 2， %， n )规定争论类型和符号 模具设计在本质中是一个智力的过程； 模具设计者大多数时间在 真实客观的对象诸如金属板，螺丝钉，槽，斜面，和孔等思索设想。因此，用形式特性建设所有产品独立部分的几何学的模型是必要。 模具设计者能容易地改变一部分的大小和形状，因为形式特性之间的关系保持在部分表示中。 图形 3(a )显示一个金属板带有一个含有公差等级要求的孔。 这部分被两个形式特性定义，即一个块和含有公差等级要求的孔。 关于块特性计数器开掘洞 ( 被放置 用他们本地分别地协调 方程 ( 2) ( 5 )显示计数器开掘洞 ( 和块特性 ( 之间的空间的关系。 对 于形式特性，没有他们之间的空间的约束，因此空间的关系被设计者直接指定。 两形式特性之间的详尽的装配关系被定义如下： 一种装配中的若干部分的位置和方向最后通过转换矩阵来表达。为了方便的缘故，空间的关系通常被诸如 “伙伴 ”， “结盟 ”和 “平行 ”的高水平的铺席子的条件指定。 这样，从含蓄的约束关系自动地引出若干部分之间的清晰明确的转换矩阵是十分重要。推断一种装配中的若干部分的配置三种技术在段 们使用 这接近来确定位置和一种装配中的若干部分的方向。 为了在装配模拟软件中执行这接近，大量的编写程序被要求。因此，一种简化的几何学的接近被建议确定位置和一种装配中的若干部分的方向。 在象征性几何学的接近中，确定位置和若干部分的方向被产生一系列行动执行符号满足每一逐渐增长的约束。被要求来满足每一逐渐增长的约束的信息储存在 “计划片段 ”的一个表格中。 每一计划片段是规定一系列测量方法和行动的一个过程按照这样一种方式移动部分对于满足相应的约束。 计划片段也记录新的自由度和联系不变量的几何不变式。 由于这些限制约束序列， 我们的计划片段桌子中的输入的数字基本上被减少。 为了为了一，两或者三个约束解决在我们的系统中允许，九种输入仅仅被要求。 为了交互式的增加组成部分装配，更多约束类型和自由的序列将为了用户增加灵活性。 然而，在为了一种插入模具模拟的自动装配中，当空间的关系被预先规定在装配对象中时，一些序列限制不有关系。 有了上述的定义的合成约束，一个组成部分部分的结构的关系能指定在组成部分的数据库中。 当把一个组成部分部分添加到模具装配时，系统将首先分解进入原始的约束的合成约束，然后产生一群片段计划将组成部分指明方向并且定位在 装配中。 任何注射模具的装配都由产品的局部和整体两部分组成。产品的局部依赖产品的整体设计基于塑料的部分 1,2 的几何学。 产品依赖部分通常有与那个同样的方向顶端水平装配，而他们的位置被设计者直接指定。 对于产品独立部分的设计，常规，模具设计者从目录中选择结构，为了产品若干部分的选择的结构建设几何学的模型，而然后把产品独立部分添加到插入模具的装配。 这设计过程是时间消耗的和差错容易倾向于。 在我们的系统中，一个数据库为了所有产品独立部分根据装配表示被建造，而对象定义在段 这数据库包含产品独立部分的几何学的形状和大小，也包括他们之间的空间的约束。 此外，一些日常事务发挥作用诸如干扰检查和装在衣袋内被封装在数据库中。 因此，模具设计者必须从用户接口中选择产品独立部分的结构类型，而然后软件将为了这些部分自动地计算方向和位置矩阵，而把他们添加到装配。 正如图 1所示，产品的独立部分可以更进一步被分为摸具基础和标准部分。摸具基础是由一群金属板，插脚，导套等等组成的。除了塑型产品，模具必须具有一系列功能，诸如，箝位，校准，冷却，注塑等等。大多数产品不得不合 并相同的功能，这导致了相似结构的树立。一些模具建筑形成的标准已经被采用了。模具基础起因于这个标准。 根据以特性为基础和面向对象的装配表示，模具基础组成部分的以特性为基础的固体模具首先被建造；其次，装配对象被定义为在成分和压缩功能一部分功能在组成零件之间建立关系；然后，利用这些组装对象，一个分层的组装对象 模具基础 能被形成。这些模具基础对象能通过目录数据库被例示。表 4列出了模具基础对象来产生指定的模具基础的例子。这个指定的模具基础实例能自动地添加到模具装配。模具基础部件和最高装配的结构关系能通过 8）和（ 9）式是单元矩阵。 准零件的自动增加 一个标准零件是一个组装对象。它可以通过章节 1）来定义。在数据库中，空间约束用 面 不像模具基础，标准件的位置和方向的矩阵是未知的。在示例中，软件通过利用单一的符号几何来自动推断章节 4中描述的结构关系。 配对象的包装 自动装配设计的一个重要问题是自动包装过程。包装是一个在相应组成部分提供附着成分的真空区的操作。当一个驱动者被添加到装配时， 一个空的空间被要求在 表 5所示。 由于面向对象的表示法被采取，每一个装配对象能被描述为两个实体，实物和虚拟物。虚拟物通过被实物占据的空间模仿。只要一个装配对象被添加到装配中，它的虚拟对象也被添加到装配中。操作发挥作用中的 ) M 参看公式（ 1）和表 1)。此外，因为在相应的组成部分上在虚拟对象和真正的对象之间有联系，包装将随真正的对象的修正而变化。 这种自动包装功能更进一步显示了面向对象表示法的优势。 13 ，所提出的以特性为基础和面向对象的装配计划和自动化装配模拟的系统在新加坡的国立大学被开发的 14 中已被执行。 过这个接口，用户可以调用 如增加装配部件，修正参数等等。 图 6显示的是一个注塑模具产品，这个产品的注塑模具组装设计显示在图 7（ a）。固定一半组件的相应的父子关系图显示在图 7（ b）。装配是由 一个模具基础的零件都在装配中自动定位。应用程序接口 )。 通过这接口，虽然 户能呼叫诸如把部分添加到一种装配的 改参数等等，所提出的接近仍然被需要推断组成部分配置，因为在组成部分能被添加到装配之前，计算自由的度是必要，而检查给条件铺席子的有效性。 图 6个展览一种插入铸造产品，因为图被领进来，和设计的插入模具装配这产品 7(a )。 固定一半组件的相应的“父与子”关系被领进来图 7(b )。 这装配被系统设计。 每一模具基础的盘子自动地被定位在装配中。 诸如定位的圆环和 驱逐者的标准的部分自动地被添加到装配，因为这些标准部分也自动地被建立，和口袋。 注射模具装配以所提出的特性为基础和面向对象的分层的表示不仅把特性范例扩展到装配，由于扩展特性范例而给条件，插入和方向限制等等铺席子到装配设计设计，而且是封装操作的功能和几何学的约束，诸如自由的程度，诸如集合的组成部分的模糊变化修正甚至能在完成装配过程之后被制定。 装配对象的封装有如下两种优势： 首先，因为装配的条件被封装在装配对象中，自动装配设计容易执行； 其次，对象装配的封装操作的功能使诸如装在衣袋内与干扰 检查的装配设计的日常事务过程自动化。 所提出的简单化的动作分析能基本上减少为了自动检测校对模具装配之内组成部分干扰所需要的规划设计的努力。 1 毕业设计（论文）开题报告 题目 摩托车后轮轮毂模具设计 2 3 一、 选题的依据及意义 ： 轮毂是摩托车上极为重要的行驶部件与安全部件，是摩托车与地面之间的传力元件，起着承载、转向、驱动、制动等作用。轮毂应具有良好的综合力学性能，在正常行驶过程中不应发生变形和疲劳失效，并能在意外冲击中充分吸收能量，以保证驾乘者安全。因此，如何以先进的铸造工艺来高效率、低成本的生产出高质量的轮毂就成为了一个至关重要的问题。而在铸造工艺中，铸造轮毂的模具是 更为关键的。模具成为轮毂的关键工艺装备，其结构的设计与优化也是轮毂生产的重中之重。 同时，摩托车轮毂是一个旋转薄壳结构零件，它的上面开有孔洞，附有加强筋，形状复杂。若使用一般的普通加工，则难以加工出相应的轮毂零件。即使加工出来了轮毂零件，也必定很难达到零件的要求。所以，应采用数控加工方式才能保证其几何形状和使用要求。数控程序的编制就成为加工合格零件的前提。 在铸造轮毂过程中，应选择何种铸造方法，如何设计模具，以及如何避免铸造缺陷，这些问题都成为了研究的主要对象。这些问题解决的好与坏直接关系到轮毂的质量，所以 ，选择这个题目进行设计具有十分重要的意义。 二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）： 早期轮毂均为钢板冲压加工成型的钢轮毂，随着制造技术的进步及摩托车轻量化的逐渐发展，钢轮毂逐渐被铝合金轮毂所代替。目前的市场上铸造铝合金轮毂占据着主导地位。随着摩托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型的镁合金轮毂面世。 虽然目前已经有镁合金轮毂应用于摩托车，但主要局限与赛车上，它不像铝合金轮毂那样进行大批量生产，其原因主要是由于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 中必须在保护性气体覆盖下进行，否则会燃烧引起事故。另外，镁合金还极易发生腐蚀现象。所以，目前在摩托车轮毂铸造方面广泛采用的还是铝合金材料。 我国与国外先进车轮制造水平相比还有不小的差距。主要表现在铸造设备、模具制造、浇注工艺、熔炼和材料等方面。 目前，国内外生产轮毂的主要铸造成型方法有金属型重力铸造、低压铸造、压力铸造和挤压铸造。其中，低压铸造是摩托车车轮生产的最佳方法之一，具有金属液纯净、充型平稳不易卷气、组织致密、金属液利用率高、自动化程度高等特点。国内外广泛采用这种铸造成型工艺生产摩托车轮毂。低压铸造 最早由英国人 19 4 10 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是在“二战”以后，当时发现低压铸造可解决厚大断面铝合金铸件的壁厚效应，即克服因壁厚增加力学性能急剧下降的缺点。 1950 年以后由于汽车工业的发展，使低压铸造工艺和设备有了一个新的飞跃。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、西德相继发展了此项技术。我国在 60 年代开始对低压 铸造进行实验的，并逐渐用于生产。目前主要用于生产铝、镁合金铸件，如气缸体、气缸盖及活塞等形状复杂、要求高的铸件。有的单位还成功的用于铸造压气机铝合金活塞，其重量达 200均壁厚 40外，低压铸造用于铸造重达 30T 铜合金船用螺旋桨和大型球墨铸铁曲轴。 由于低压铸造铸件内没有气泡，因而可以用热处理方法大幅度提高铸件材质的力学性能，这一基本特点在未来的低压铸造设备中将得到充分保证和发展。另外，为了使低压铸件在更大压力下得到补缩和凝固，低压铸造已向差压铸造方向发展。这种差压铸造工艺目前已有采用，但工艺装 备复杂，自动化程度低。尚需进一步简化工艺装备和提高自动化程度。 日本等国已将低压铸造装置发展成为通惰性保护气体和采用电脑控制温度、时间、锅压、气压的自动化铸造设备。这种新的铸造方法被成为 1，是一种可以通氩气等惰性气体的低压铸造机。其工作过程是：先在密闭的空气中熔化铝合金，然后抽真空，对合金液进行减压脱气精炼处理，以提高合金液的清静度。接着用氩气等惰性气体注入坩锅和铸型罩内，然后再向坩锅内增加氩气压力，使合金液沿升液管上行，进入并充满铸型型腔保压一段时间，待铸件凝固、卸压。同样浇口内未凝固的合金液沿升液 管反向流入坩锅内。 另外，铸造生产工艺流程长，工艺过程复杂，影响铸件质量的因素多。长期以来铸造工艺多是靠人的经验、习惯进行，难以做到最佳工艺设计，也无法准确、动态地分析、预示和控制。随着计算机技术的推广应用，铸造行业也引进了这一有效的信息处理手段。 铸造工艺计算机辅助设计（ 术在铸造行业的应用主要体现在三个方面，即以铸造凝固过程模拟为重点的铸造工艺 铸造模具设计为重点的铸造工装 以铸造设备的设计制造为重点的铸造机械工程 三、 研究内容及实验方案： 一 、 研究内容 5 设计原始资料 : 1摩托车后轮毂零件图； 2技术参数 车轮规格： 10 ； 材料牌号： 设计技术要求： 1生产纲领： 250000 件 /年。 2. 要求外文资料翻译忠实原文； 3. 要求设计的模具结构合理、满足加工要求； 4. 要求图纸设计规范，符合制图标准； 5. 要求毕业论文叙述条理清楚，设计计算正确，论文格式规范 本课题主要研究的是利用低压铸造成型方法来铸造铝合金轮毂，设计其相应的铸造模具，并对铸造后轮毂的主要型面进行处理。 论文的主要内容有： 1零件铸造工艺分析； 2零件毛坯方案选取； 3. 绘制轮毂平面和立体图 4设计模具结构； 5绘制模具装配图； 6绘制上模及边模模具图； 7. 边模的加工工艺设计 二、 实验方案 本课题 的主要研究内容为设计摩托车后轮毂的模具。摩托车的轮毂属于复杂零件， 存在壁厚较薄的地方但由于零件 的对称度较好，所以使用低压铸造。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。 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 图 3示的是轮毂低压铸造模具结构图 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 6 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上模镶块 6、上模芯 8、分流锥 7、下模块 3 及浇口套 4 等组成。 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 四、 目标、主要特色及工作进度 7 能够解决一个零件在加工中的定位、夹紧以及 工艺路线安排、工艺尺寸确定等问题，保证零件的加工质量。同时能根据被加工零件的加工要求，应用夹具设计的基本原理和方法，学会拟定夹具设计方案，设计出高效、经济合理而能保证加工质量的夹具，提高结构设计能力。在工艺设计的过程中熟悉并应用有关手册、图表等技术资料的能力以及进一步培养识图、制图、编写技术文件等基本技能。 1 能较熟练应用 件及 件 2 有助于提升机械加工工艺规程和夹具设计能力 3 与实际联系紧密为今后走上岗位打下良好基础 1绘制零件图，收集、查阅有关资料，外文资料翻译 (6000 字符 )，撰写开题报 告； 第 1 周 周 2 零件铸造工艺分析，选取零件毛坯方案；设计轮毂毛坯图； 第 5 周 周 3 计算确定模具主要零件相关参数，确定模具结构； 第 7 周 周 4 设计模具装配图，拆绘主要零件图； 第 10 周 3 周 5. 撰写毕业论文、毕业设计审查、毕业答辩。 第 14 周 7 周 8 五、参考文献 1 董秀琦 . 低压及差压铸造理论领与实践 . 北京：机械工业出版社， 2 铸造工程师手册编写组 工程师手册 . 北京：机械工业出版社 , 3陈琦，彭兆弟主编 北京：机械工业出版社 ， 4曹瑜强 . 铸造工艺及设备 . 北京：机械工业出版社， 5何灿东 . 汽车铝合金车轮低压铸造模具的标准化设计 . 模具工业， 2000 年第 10期 6潘晓涛等 . 汽车铝合金轮毂的低压铸造模具设计 . 机电工程技术， 2005 年第34卷第 9期 7. 1990.6 附录 摩托车后轮毂实体图 摩托车后轮轮毂的模具设计 摘要： 轮毂是踏板摩托车上极为重要的行驶部件和安全部件，应具有良好的综合力学性能，在正常行驶过程中不应发生变形和疲劳失效。而轮毂又属于形状复杂的零件，一般采用铸造方法使其成型。现在，广泛采用低压铸造来生产轮毂。模具在铸造成型方法中是至关重要的一部分，因此，它的设计和制造成了铸造质量的关键所在。 本文对轮毂进行实体造型更形象的了解轮毂的外形。并主要从摩托车轮毂的发展状况、铝合金的成型与铸造方法、低压铸造的工艺及特点，模具总体方案的选择以及模具结构的设计等方面介绍了轮毂低压铸造的模具设 计。 该款 轮毂的材料采用了铝合金材料（ 对轮毂的铸造毛坯进行了设计，使其能够满足铸造的工艺要求。 设计中 将低压铸造与压力铸造、金属型重力铸造、挤压铸造以及差压铸造等铸造方法进行了对比。分析了轮毂零件的特点以及轮辋的主要形式及其特点。另外，主要从铸件收缩率、铸型分型面、冒口的设置以及推出机构等几个方面介绍了模具设计的要点。通过示意图描述了模具的分模与合模的动作方式。并对铸造轮毂的边模进行工艺分析。 关键词： 轮毂 低压铸造 模具设计 of is an of in be is a of to It to is a in So is of in to of it of of of of by of of of it to In to it of up by he 目 录 1 绪 论 摩托车车轮发展概况 1 铝合金轮毂成形 方法的选择与对比 2 铝合金轮毂铸造方 法 的选择和对比 3 国内外低压铸造发展概况 4 2 低压铸造基本知识 低压铸造原理 5 低压铸造工艺流程 6 低压铸造的特点 7 低压铸造工艺规范 8 3 模具总体方案设计 铝合金轮毂低压铸造模具一般方案 10 模具总体方案设计与对比 12 件轮辋的主要形式 12 毂零件的分析 13 件毛坯的工艺分析 15 具总体方案 1 16 具总体方案 2 及与方案 1 的比较 17 模具的动作方式 18 具的分模动作方式 19 具的合模复位动作方式 20 4 模具设计 铸件的材料及其性能 22 机械加工余量的确定 22 铸件收缩率的确定 22 起模斜度的确定 23 分型面的确定 23 模架的设计 24 冒口的设计 25 口设计的基本原则 25 口设置的原因 25 口的设置与原理分析 26 推出机构的设计 27 出机构的组成及特点 27 出距离的计算 28 杆截面积的计算 29 尺寸公差的确定 31 涂料的使用 31 5 边 模的工艺路线 定位基准的选择 33 基准的选择原则 33 基准的选择原则 33 基准和粗基准的确定 33 边模表面加工工序的确定 34 工工序顺序的原则 34 工阶段的划分 34 模的 工艺路线 35 模的 工艺规程 35 6 总结 37 参考文献 38 致谢 39 附录 40 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。 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。 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 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。 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 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 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 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 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。 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。 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。 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。 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 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 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。 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。 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 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。 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。 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。 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 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 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 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 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。 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 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 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
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