基于ug的本田发动机活塞浇注模设计

全套设计（图纸）加扣扣194535455第一章绪论1.1课题内容学习UG软件，采用模仿设计方法，根据活塞的结构和尺寸，设计出生产活塞所用的模具，在UG平台上对活塞模具进行三维设计，并对模具结构进行虚拟装配及优化设计。1.2课题国内外研究背景及现状 早在2000年前，我们的祖先就有用冲压模具制造青铜器件，证明了我国古代在模具方面的成就在那时就已走在世界的前列。直到19世界末，世界第一辆汽车——卡尔本茨汽车在德国出现，造就了汽车目前的繁荣昌盛。由于清末的闭关锁国，从那一刻起，中国在汽车模具行业开始落后西方国家，到现在看来，已经落后了十好几年。目前我国大多数制造活塞的企业还是以手工模具为主的，现阶段，国内大多数活塞制造企业采取的工艺技术路线是：购进铝锭——熔化铝锭——合金化——变质处理——精炼处理（除气、除渣）——毛坯铸造（手工模具）——铣冒口——固熔加热后淬火＋人工时效处理——机加工——表面处理——包装入库，国内活塞行业基本采用以上活塞制造工艺，采用的技术比较落后、工人劳动强度比较大、废品率比较高、生产效率较低、生产成本较高、环境污染严重。而国外活塞公司采用如下技术路线：高温电解铝液——利用余热合金化——利用余热进行变质处理——精炼处理（除气、除渣）——毛坯铸造（机械化）——铣冒口——铸造余热直接淬火+时效（高效连续时效热处理炉）热处理——机加工——表面处理——包装入库。该工艺节约了熔化铝锭所需的能耗，减少了铝的烧损，提高了原材料的利用率；同时，也减少了铝锭熔化过程中的废渣、废气的排放，保护了环境，经济效益和社会效益极为显著，在活塞行业具有较高的推广、借鉴和实用价值。相对于国外活塞制造，我国制造的活塞在精度、活塞造成的污染、材料的损耗等方面还有很多不足，还有较大的改进空间。1.3我国活塞模具行业的发展趋势现在，大家都认识到，模具的发展已成为衡量一个国家生产制造水平的重要标志。我国对模具行业的发展是十分重视的。据我国模具行业的发展现状以及目前存在各种的问题，以后活塞模具应该朝着以下几个方面发展：（1）着力发展精密、复杂、使用寿命长的模具，以应对国内市场的各种需要。目前国内已形成在山东、广东、北京、上海、广州等地大力发展热锻模、热铸模、塑料模、冷冲模、顶杆等，在这些工业比较发达和现代化比较高的地方集中数字技术和先进的工艺发展高质量模具及标准件。（2）加速活塞模具的大众化，提高模具的质量，缩短模具的开发周期。（3）提高活塞模具在生产制造过程中应用数字化的程度。（4）积极开发活塞模具新品种、新工艺、新技术和新材料。（5）发展活塞模具加工成套设备，以满足高速发展的汽车行业对活塞模具的需要。（6）更多的应用置顶向下数字化设计，缩短模具的设计周期，由近成型向净成型发展。1.4课题研究目的与意义东风活塞轴瓦有限公司是汽车活塞轴瓦的专业生产厂家，近年来，该厂的活塞生产线已经完成了由人工铸造的生产线向机电一体控制生产线的改造，该公司先后从德国MAHLE和GOETZE公司引进全套的活塞、活塞环产品设计、试验技术、制造技术和检测技术，并从德国、意大利、美国、瑞士、日本等国引进一批关键的工艺设备和检测仪器，公司在通过GB/T19001质量体系认证的基础上，2000年又通过了ISO/TS16949和QS9000质量体系的国际认证，一举成为亚洲第一家通过ISO/TS16949、QS9000质量体系双认证企业，该公司的实力可见一斑。活塞是汽车发动机工况中受力最复杂，工作环境最恶劣，同时是把燃料的化学能转化为曲轴机械能的重要部件，目前，国内生产的活塞，质量一般，生产效率低，原材料浪费严重，污染环境严重，因此该厂正积极引进国外先进的活塞生产技术并进行相应的研发。通过该课题设计出一种节能，轻污染，机械化的活塞生产模具。该模具相比国内广泛采用的手工浇铸模具，具有工人劳动强度小，取毛坯容易，加工方便等优点，而且还可以通过数控系统来控制模具的翻转等来更好的保证铸件的质量。1.5活塞的工作状况活塞工作在高温(温度可达2500K)、高压(汽油机高达3～5Mpa,柴油机高达6～9MPa)、高速(平均速度可达10-12m/s)、润滑不良的条件下。活塞工作时直接与高温气体接触，受热非常严重，而其环境散热条件又很差，所以活塞在工作时的温度非常高，其顶部燃烧室的温度能够达到600～700K，且温度在活塞上分布很不均匀，这就需要活塞有很好的抗氧化和抗高温的能力；活塞顶部是承受气体压力最大的地方，特别是活塞在做功行程时受到的压力最大，这样就会使得活塞受到冲击，而且还要承受侧向压力，高压导致活塞受到的侧向压力加大，会加速活塞外表面的磨损，容易引起活塞变形；活塞在气缸内以很高的速度做往复运动，且速度在作不均匀的变化，这就产生了很大的惯性力，从而使活塞受到很大的附加载荷。活塞在工作过程中会受到交变的的拉伸、压缩、和弯曲载荷，并且由于活塞各部分的温度极不均匀，活塞内部将会产生一定的的热应力。由此产生的变形，热应力、受力不均都会加速活塞磨损，同时，活塞还要受到燃气的化学腐蚀作用。可见，活塞的工作环境是多么的恶劣。1.6活塞的三维数字化设计本课题是基于Unigraphicsnx的本田发动机活塞金属型重力铸造模具设计，在现在这个计算机普及的时代，计算机在模具中也应用到了很多，这就涉及到数字化设计。数字化设计是指在网络环境和计算机平台上，实现模具产品开发的全过程技术，即在计算机和网络辅助下通过产品的数据，全面模拟产品的设计、分析、装配、制造、包装等过程。模具的数字化设计可以大大提高企业的产品开发能力，并缩短产品的开发周期，降低开发的成本，易于实现开发过程中和各个设计部门的交流，使企业能够在短时间段内，可以开发出企业所需要的目标产品，大大提高了企业的市场竞争能力。1.6.1数字化建模数字化建模是产品数字化设计的关键。它由早期的几何建模（线框建模、曲面建模、实体建模），逐步发展到现在的基于特征的建模和参数化建模。如以下图1所示，为活塞的线框模型和实体模型。图1（a）活塞的线框模型图2（b）活塞的实体模型在本课题中，活塞模具的设计采用的是UG软件，由于活塞为非标准件，因此，在这里基本上使用的是特征建模的方法。1.6.2虚拟仿真——有限元分析随着计算机技术及应用的迅猛发展，特别是大规模、超大规模集成电路和微型计算机的出现，使计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）与计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）和计算机辅助工程(ComputerAidedEngineering，CAE）等新技术得以十分迅猛的发展。其中CAE软件在工程领域中应用的比较多。CAE,是指用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。可完成对力学的线性、非线性、静态和动态的分析；热场、电场、磁场等的分析；以及频率响应分析和结构优化等。机构分析能完成对机构内零部件的位移、速度、加速度和力等的计算，从而对机构的运动模拟及机构参数进行优化。可作静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构（固体）、流体、电磁等。其在模具设计中有以下几大优点：(1)增加设计功能，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性，减少设计成本；(2)缩短设计和分析的循环周期，使产品更新换代的速度更快；(3)CAE分析起到的“虚拟样机”作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程，极大的降低了产品开发的成本，同时虚拟样机作用能够较好的预测产品在整个生命周期内的可靠性；(4)有预见性的采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗和开发成本；(5)在产品制造或工程施工前通过“虚拟样机”可以预先发现潜在的问题，从而对产品进行改善或者在问题发生时及时采取有效的方案来减小损失；(6)模拟各种试验方案，可以比传统的试验方案减少较多的试验时间和经费；(7)方便进行机械事故分析，快速而准确的查找出事故产生的原因。

活塞结构功能分析与浇注工艺设计2.1汽车活塞的概述汽车活塞在汽车发动机的中扮演者重要角色，在保证整个汽车连续运转的过程中占了极其重要的地位。活塞是发动机中将燃料的化学能转化为曲轴的机械能的装置，其通过连杆使活塞的往复运动转化为曲轴的圆周运动，通过离合器驱动汽车的主轴旋转，从而使汽车运动的，活塞在其中的地位可想而知，其中活塞的顶部还是燃烧室的组成部分。2.2活塞的结构功能分析活塞的外形图如图2.1所示活塞由顶部，环槽部，裙部，销座部4个部分构成。（1）活塞顶端取决于燃烧室的要求，顶端采用平顶或接近平顶设计有利于活塞减少与高温气体的接触面积，使应力分布均匀。（2）活塞的凹槽称为环槽，用于安装活塞环。活塞环的作用是密封，防止漏气和防止机油进入燃烧室。（3）活塞裙部是指活塞的下部分，它的作用是尽量保持活塞在往复运动中垂直的姿态，也就是活塞的导向部分。（4）活塞销座是活塞通过活塞销与连杆连接的支承部分，位于活塞裙部的上方。另外，活塞外形并不是一个圆柱体，其的顶部和底部的直径是不一样的。因为活塞顶部作为燃烧室的一部分，在发动机工作时，顶部温度较高，受热膨胀较大，直径应该小一些，而其底部是远离燃烧室的，温度相对低一些，受热膨胀就会小一点，其底部直径也就应该大一点。所以活塞的外形准确来说应该是个上小下大的锥体。2.3活塞浇注工艺的确定活塞的铸造，就是将金属熔融液注入活塞模具中，经缓慢冷却，形成活塞的毛坯，在毛坯生产过程中不仅要保证生产效率，而且更要保证活塞的质量，其中活塞质量是最为关键的。针对此项课题我拟定出两种总体方案，分别如下：方案一：压力铸造图2.1压力铸造压力铸造，顾名思义，是指金属溶液在其他外力（不含重力）作用下注入铸型的工艺，也就是我们通常所说的压铸。活塞压铸时，将铝合金熔液倒入压室内，以高速充填钢制模具的型腔，并使合金液在压力下凝固而形成铸件。这种方法有很明显的优势：生产效率高：在高压下的冷却速度相比其他方法是较快的；表面质量高：压铸是一种较为精密的铸造方法，经过压铸而成的的压铸件的尺寸公差很小，表面精度很高，在多数情况下，不需要再经过车铣刨磨等加工即可装配应用，同时压铸也可以加工结构较为复杂的工件。但是压铸的缺点也很明显。主要有以下几种缺点：在压铸中，金属溶液在高速高压下填充型腔时，很容易地把型腔中的空气夹裹在铸件内部，在内部形成气孔，而且，不宜热处理，在后期使用中会造成零件受力不均匀，会加剧零件的损坏，而活塞在汽车发动机中是工作环境最差的，所以，气泡在活塞内部这个发动机的关键部位是不允许出现的，废品率很高。(2)在压铸中，使用的模具材料也是有要求的，不能使用像金属型重力铸造模具那样的普通模具材料，因为压铸模具在毛坯生产过程中要受到高速挤压和高压，模具的生命周期就会较其他铸造方法使用的模具生命周期短多了，所以在压铸中，模具材料也要高出其他工艺的，这也就增加了生产的成本。(3)压铸使用的设备复杂，价格也就比其他工艺的设备的价格高。此方法总结来说，压力铸造在生产活塞上效率很高，但是设备成本也高，关键是不能满足活塞的质量要求。方案二：金属型重力铸造。图2.2金属型重力铸造1(正在浇注)图2.3金属型重力铸造2（浇注完成）金属型重力铸造：也称为浇铸，是指金属液在地球重力作用下自然注入铸型的工艺。其工艺流程为：熔炼、浇料充型、排气、冷却、开模、热处理、后加工。此工艺流程很简单。通过了解活塞在生产过程中的铸造工艺，可以知道，在生产过程中，浇铸有以下优点：(1)由浇铸生产出来的铸件内部气孔较少，能够进行热处理，这样就可以消除在浇铸中产生的内应力，延长产品的生命周期，同时铸件的强度也可有很大程度上的提高，废品率较低。(2)工艺较为简单，铸造对溶液的要求也比较低，且对模具材料的要求不是那么苛刻，同时模具的生命周期也较长，也就减少了在模具方面的投入。(3)浇铸的工艺简单，相对应的设备也会简单一些，投入就会减少一些，这也是其在经济上的一项优势。但是浇铸的缺点也是有很多的：产品的致密性低，由于其是靠液体的重力成型，所以致密性没有压力铸造高；表面很容易在熔液冷却收缩后形成类似抛丸的凹坑；充型速度慢，只靠金属溶液自身的重力来填充型腔，其生产效率只有高压铸造的四分之一左右，从而提高了产品的成本。总的来说，金属型重力铸造效率低，设备成本低，但是能够满足活塞的质量要求。综上所述，比较这两个方法，方案一是方案二生产效率的四倍，但是方案一的废品率很高，同时设备也较方案二复杂很多；而方案二生产出来的活塞较方案一生产出来的废品率低要很多，且方案二的工艺较为简单。考虑到活塞对发动机的重要性，遵循安全第一，质量为重的原则，选取方案2，也就是金属型重力铸造作为活塞的铸造方式。2.4活塞分型面的设计分型面形式一般有垂直、水平和综合分类（垂直、水平混合分型或曲面分型）三种。铸性分型面的选择原则： 铸件要便于从中取出：分型面应该把产品留在模具的动模部分，因为顶出装置通常安置在动模那一侧，型芯设置在动模那一部分，铸件顺序冷却后会收缩包紧型芯，产品就会脱离外模留在动模上，这样就会有利于铸件脱模。模具结构简单体积小：对于斜向分型面，如果凸模与凹模的倾斜角度不一致，会造成模具比较难加工，应尽量使凸模与凹模倾斜角度一致，这样模具加工起来就方便很多。型腔内部要排气顺利：型腔内部气体的排出，除了利用顶出元件间的配合间隙外，主要还是靠分型面和排气槽，而排气槽也分布在分型面上，所以，分型面应尽可能的设置在熔体流动的末端。必须保证产品的质量：当产品注明有同轴度要求时，可以把型腔放在模具同一边以防止两部分型腔浇注时错型，造成铸件变形。有利于侧向抽芯：当铸件有侧向凹或侧孔时，侧向滑块型芯应该安置在动模一侧，如此模具结构就会简单很多。当投影面积比较大且还需要侧向分型抽芯时，由于侧向滑块合模时的锁紧力较小，这时应将投影面积较大的分型面设置在垂直于合模方向。金属型的结构取决于铸件形状、尺寸大小；分型面数量；合金种类和生产批量等条件。按分型面位置，金属型结构有以下几种形式：整体金属型，铸型无分型面，结构简单，但它只适用于形状简单，无分型面的铸件；水平分型金属型，它适用于薄壁轮状铸件；垂直分型金属型，这类金属型方便我们设置浇冒口和排气系统的位置，同时开型和合型也很方便，开合型可用数控系统来操控，适用于生产结构简单，体积较小的铸件；综合分型金属型：它的分型面是由两个或两个以上的分型面组成，有时甚至由活块组成，一般用于结构复杂的铸件的生产。其操作简单方便，在实际生产中广泛采用这种分型方法。根据以上原则，根据该活塞模具的特点设计以下三中分型面的方案，并分析了各自的特点。方案一：选择与活塞顶面平行，且通过销孔轴线的平面。这样有利于开型但活块较多，且销孔精度难于保证。方案二：选择与活塞顶面平行，且垂直于销孔轴线的平面。这样便于开型，且活块较少，可以既证销孔的精度，同时便于取模、排气。方案三：选择平行于活塞平面，且过销孔轴线的平面。这样选择，活块较多，不便安放浇冒口，不便于开型。经分析比较，选择方案二。活塞的外形很特殊，带有2个凹面，其中各有一个销孔，因而需要采用2个水平分型面和1个垂直分型面。其水平分型面处在活塞底部及活塞止口圈处。见图2.4。垂直分型面通过活塞的轴线图2.4分型面2.5活塞毛坯顶出机构的设计众所周知，活塞内部型腔是凸凹不平的，在设计活塞模具的时候我们按着活塞内腔的内部特征来设计活塞内模的外部特征，在浇铸的时候，熔液充满内部型腔，逐步冷却后，也就成了活塞的毛坯，但是取出毛坯时，因为毛坯的凹处和内模的凸处相吻合，我们会发现普通的直来直去的方法是取不出来毛坯和内模的。所以我们在设计内模的时候应该考虑这个问题，必须设置一个顶出机构，这样就可以在取出毛坯的时候，也就取出了内模。在设计及机构设时候，应该考虑到一下几点：在顶出的时候，要注意：在内模在向上顶出活塞毛坯的时候，既不能伤害到毛坯表面也不能伤害到内模表面，伤害了毛坯，就影响了毛坯的质量，伤害到内模，就影响了内模的使用寿命，严重的还会使内模变形；同时顶杆和顶杆孔的配合的配合间隙也是要非常注意的，过大，会造成金属熔液渗漏入顶杆孔，过小，顶杆和顶杆孔则会容易卡死，顶出不顺利，严重的刮伤顶杆孔内壁，在下一次浇铸的时候熔液同样也会渗漏到顶杆孔。在活塞顶出的过程中，所使用的顶出和抽出的动力来源都是液压缸，在活塞浇铸完成后，经冷却等步骤后，就是取模了，首先，将左右两边的外模由液压装置拉开，然后再将内芯抽出，最后用榔头轻轻敲击冒口，再用铁钳夹住冒口将毛坯取出就行了，所以就不必用到顶出机构。2.6导向机构的设计在活塞模具中，在上述的顶出机构设计中，我们在考虑取模时设置了动静模具。而模具是一个比较精确的工艺装备，在安装使用的过程中，就需要各个模具模块之间定位要准确，因为这一步关系到毛坯的形状特征。所以我们要设计相关的导向机构，以保证动模和定模合模时的准确合模，保证模具型腔的形状和尺寸的精确性从而保证铸件的精度。特别是在推出机构中，导向零件可以保证推杆定向运动，避免推杆在退出过程中折断、变形或磨损擦伤。导向零件的设计原则：(1)通常采用导柱导向机构，当铸造深腔铸件时，应增设锥面定位机构。(2)导向件的设置必须注意模具的强度，导柱和导向孔应避开型腔地板，在工作时应力最大的部位，并且离模板边缘有足够的距离。(3)导向零件必须考虑加工的工艺性导柱固定端的直径与导套固定端的外径应相等，便于孔的加工，有利于保证同轴度和尺寸精度。(4)导向零件的结构应便于导向导柱的先导部分应做成球状或着锥度；导套的前端应有倒角，以便于导柱顺利进入导套。在该活塞模具设计中，模具的运动有两个：内模中间部分型芯的上下移动和外模的左右运动。其中外模的导向部分是通过外置的导轨和滑块的组成来完成外模的导向，其动力来源是液压油缸，型芯的导向则需要我们根据内模的结构设计相应的导向套来保证其运动位置精度。导向套的结构如图所示图2.5导向套浇注机结构示意图图2.6浇注机结构示意图1——轴承座2——转轴3——左右半型4——内芯把手5——底板6——支架模具工作过程如下：装过滤网→合内模（装钢片）→合外模（床身翻转30°）→装渗铝镶圈→合顶模→浇注（床身复位）→通水、通气冷却→开顶模→开外模→开内模（中芯下）→机械手取毛坯→开始风冷（水雾）淬火→进入下一循环

浇注模结构设计3.1浇注模型体设计3.1.1.浇注模腔壁厚金属型壁厚对铸件来说是一个比较重要的问题，它不仅影响模具的重量和强度，还会影响铸件的冷却速度，壁太薄，由于浇注过程中，温度分散的不均匀，使模具产生应力，影响其使用寿命；壁太厚，造成模具太重，但是可以加快铸件的冷却速度，所以，我们要取适当的壁厚，来加长模具的使用寿命，同时也能很好的使铸件冷却。经查资料[1]，铝合金铸件用金属型壁厚如下表表3.1铝合金铸件用金属型壁厚(mm)[1]铸件壁厚δ件金属型壁厚δ型＜10

≥10-15

≥15～30

﹥3015～20

≥20～25

≥25～30

(0.8～1.2)δ件注：（1）对于大型薄壁铸件，可按公式δ型=（2.5-3）δ件计算（2）常用金属型壁厚为20～25mm，最小壁厚一般不小于15mm。3.1.2型腔尺寸计算铸件尺寸精度是由型腔的尺寸来保证的，所以模具的型腔尺寸对铸件来说是很重要的。型腔尺寸除了是根据铸件尺寸和公差外，还应该考虑到合金的收缩，型腔在浇注过程中受热膨胀以及各部分的间隙等对型腔尺寸的影响。根据前人的经验公式来计算型腔尺寸：式(3.1)[1]式中指型腔尺寸指铸件尺寸的中间值指综合线收缩率指涂料厚度指型腔尺寸制造公差其中铸件尺寸的中间值=式(3.2)[1]式中指铸件的最小极限尺寸（mm）；指铸件尺寸公差。3.1.3型体的定位在金属型模具中，型体一般采用圆柱销定位，圆柱销在装配时，在金属型的一个半型上配合是过盈配合，而在另一个半型上配合则是间隙配合，这是因为定位销的位置离热源很近，容易受热膨胀，故一半是过盈配合（H8/s7）,一半是间隙配合（H8/f9）。3.2型芯的设计 型芯的种类可分为以下几种：可抽出金属型芯、一次性金属型芯（铜管芯）、砂芯、壳芯这四种。其中在铸造铝镁合金铸件时，应优先选用可抽出金属型芯。这是因为采用这种型芯，铸件的冷却速度比较快，尺寸精度比较高，铸件组织致密均匀，表面粗糙度值低，生产周期比较短，成本也是很低。在本课题中，活塞铸件为铝合金铸件，故宜优先采用可抽出金属芯和下金属芯并用的设计方法。在本课题中，我设计的活塞的型芯是由五块组成，其中，除了型芯，其他各四块量量相同，为了便于取芯和取铸件，在设计的时候，在铸件的出芯和出型方向上选取一定的斜度。内模由5块组成，如图所示：图3.1内模装配图间隙是由外模或底模锁紧型芯的形式确定的，用外模锁紧型芯的，其配合间隙为0.15～0.25mm，若是用底模内孔锁紧型芯的，其配合间隙由0.10mm放大到0.15mm，使型芯能在金属型温度过低过高时顺利出芯。3.3浇注系统的设计浇注系统的设计原则：金属型铸造由于受冷却速度快，排气条件差、浇注位置等限制，在设计浇注系统的时候应该遵循以下原则：（1）浇注系统的大小应保证金属液能够在规定的时间内良好的充满整个金属型腔。（2）熔融金属液体在填充型腔时要保证其流动平稳顺畅，极力避免产生涡流，不能让熔液冲击到型腔壁或型芯，更不能产生飞溅。（3）在液体金属填充金属型腔时，要能顺利排掉金属型腔里的气体，并且气体流动方向应最大可能的与液体金属流动方向一样，这样才能保证气体被挤向冒口或出气冒口，从而将气体顺利的排出型腔。（4）铸型上的热分布要合理，以利于铸件的顺序凝固，从而保证铸件能够得到充分的补缩。（5）浇注系统的设计应该简单，占用空间小，在能够保证铸件质量的同时，可以消耗掉最少的熔液，而且还要保证冒口可以轻易的从铸件上去掉。金属型的浇注系统一般分为顶注式底注式和侧注式三类：=1\*GB3①顶注式，其热分布较合理，有利于顺序凝固，可减少金属熔液的消耗，可是金属熔液流动不平稳，易进空气，当铸件高度较高时，会对型腔底部或型芯造成冲击。=2\*GB3②底注式，金属熔液流动比较平稳，且有利于排气，但热量分布均匀，会对铸件的顺利凝固造成很大影响；=3\*GB3③侧注式，上面两者的优点其都具有，金属液流动平稳，便于集渣，排气等，但金属液消耗大，浇口清理工作量大，会加大工人的劳动强度。金属型浇注系统的结构与砂型铸造的浇注系统的结构大致是一样的，但由于金属型密不透气，导热能力比砂型强，所以需要浇注系统结构能够做到降低金属熔液的流速，使其流动平缓，减少熔液对型腔壁的冲击，并且还要保证型腔内的气体有充足的时间从排气系统排出去。3.3.1浇注系统的设计理论（1）首先用普通砂型铸造浇注系统断面的计算方法，求得断面的初步值，然后再根据以下介绍的经验数据，确定各个截面的尺寸。由于金属型的热传导性较好，金属液的冷却速度受金属型的影响较大，在运用砂型铸造计算时，要将浇注时间相应的缩短20%~40%。（2）根据金属液流入型腔时平均上升速度计算法；根据前人大量的统计和实际经验，金属液在金属型中平均上升速度（cm/s）可由下式决定：=式(3.3)[6]式中指铸件平均壁厚（mm）则浇注时间t（s）由下式决定：t=式(3.4)式中h指金属型型腔的高度（mm）、金属液在浇道内的流速，取决于铸件的质量，金属液的密度、浇注时间和浇道最小截面积：=式(3.5)式中指浇道最小截面积中金属液平均速度（cm/s）；W指铸件的质量（g）指金属液的密度（g/）；t指浇注时间（s）指浇道的最小截面积（）则==式(3.6)式中一般可根据经验选取根据《中国模具工程大典第七卷》中浇注系统截面积比例表得；活塞的材料为铝合金，由于铸件冷速大，液流的粘度急剧增加，因此多采用封闭式浇口，据查附录[1]当用金属型浇注铝、镁合金铸件时，截面积比例为：：：＝1：（3~4）:1.5附录[1]3.3.2浇注系统的设计步骤①确定浇注类型：在考虑了铸造方法、金属材质、铸件尺寸和形状之后，确定浇注系统的类型；②初步决定横浇道，内浇道的个数、位置和长度；③确定浇注时间：选用合适的计算方法，计算并校核浇注时间；④确定有效压头高度：根据浇注类型计算并校核有效压头；⑤计算或选择经验的阻流面积，选择合适的浇口比，确定浇注系统各组元的断面尺寸，并最终完成浇注系统工艺设计。铝合金的浇注系统要求充型平稳、无飞溅，充型时间短，有挡渣措施，以防止铝液氧化。浇注系统采用半开放式(见图3.2)。如图3.2中，浇道的左半部分截面由上而下逐渐变小，这样设计的目的主要是使得充型平稳、无飞溅。图3.2浇道3.4冒口系统的设计冒口的型腔是存贮液态金属的空腔，在铸件形成时补给金属，有防止缩孔、缩松、排气和集渣的作用，而冒口的主要作用是补缩。根据铝合金的凝固特点及活塞的铸造工艺，活塞铸型的冒口可以设计成双边明冒口、单边明冒口、单边暗冒口，明顶冒口这几种冒口的形式。冒口的形式必须根据活塞的结构特点设计，控制好铸件的顺序凝固时间。冒口直径尺寸可按下式进行计算：式(3.7)式中：一成品活塞重量gH——成品活塞高度cm另外，冒口的高度也要设置的合理，太低会影响铸件补缩效果，太高可能引起内浇道过热。冒口的直径较大的应该设置高度下限，冒口不宜过大，否则铸件贴近冒口处容易产生缩松，特别是对于铝硅合金，当冒口直径超过100mm时，要采取相应的措施来减少冒口金属液的用量。冒口系统设计本文选用均衡凝固理论[10]。均衡凝固就是利用膨胀和收缩动态叠加的自补缩和浇冒口系统的外部补缩，采取工艺措施，使单位时间的收缩与膨胀、收缩与补缩按比例进行的一种凝固工艺原则。主要计算公式如下：冒口体模数：冒口颈模模数：收缩模数：收缩模数因数：冒口颈厚度：式中:为冒口平衡因数；f3为冒口压力因数；fp为流通效应因数；f4为冒口颈长度因数；M为补缩对象凝固模数；为铸件的质量周界商，。采用硅酸钙、珍珠岩材料制成的保温冒口，补缩能力很强，为充分发挥保温冒口的补缩作用，保温冒口尽量要靠近型腔，不要超过4mm。为使铸件壁厚大处(销孔以上)与保温冒口之间的通道加大，在顶模上开槽，确保这一处得到充分铝液补缩。要求燃烧室表面为铸态的铸件，保温冒口要设计在离浇道远端一侧，有利于铸件的热平衡和凝固时液态补缩。该模具的冒口位置见如下图：图3.3冒口3.5金属型排气系统设计由于金属型模具不透气，所以型腔内部的排气问题要格外的重视，否则会生成气孔、冷隔和欠铸等缺陷。虽然在设置冒口和浇口的时候会考虑到排气是否顺畅的问题，但是这只是一部分，大多数时候，气体会聚集在型腔内部深处，面积较大的部位，气体来不及从冒口等位置排出，通常情况下就需要在这些特定位置设置排气孔或排气槽或排气塞。在本次活塞铸型排气系统设计中，我采用的是在外模的销孔壁开设排气槽，直接通过补缩冒口排气、分型面排气。如图3.4所示：图3.4外模销孔上的通气孔3.6冷却系统的设计为了解决金属型在连续浇注时金属型温度超过工艺规定的温度而导致铸件质量下降如晶粒粗大等的问题，会在金属型结构中设置冷却装置，使金属型在浇注的过程中保持热平衡，且能够有合理的凝固顺序和冷却速度来保证铸件的质量。冷却的方式一般有以下几种：风冷：即在金属型外围吹风冷却，强化对流散热。风冷方式的金属型，虽然结构简单，容易制造，成本低，但冷却效果不十分理想。间接水冷：在金属型背面或某一局部，镶铸水套，其冷却效果比风冷好，适于浇注铜件或可锻铸铁件。但对浇注薄壁灰铁铸件或球铁铸件，激烈冷却，会增加铸件的缺陷。直接水冷：在金属型的背面或局部直接制出水套，在水套内通水进行冷却，这主要用于浇注钢件或其它合金铸件，铸型要求强烈冷却的部位。因其成本较高，只适用于大批量生产。如果铸件壁厚薄悬殊，在采用金属型生产时，也常在金属型的一部分采用加温，另一部分采用冷却的方法来调节型壁的温度分布。具体的散热方案：活塞铸件的顶部最为厚大，它的散热是通过在顶盖内部开设循环的通水道来带走热热量的，见图3.5：在销模部分，采用气冷，结构如图3.6：图13顶盖水冷系统图3.5销模气冷系统图3.6型芯水冷循环系统由于外模较为厚大，散热慢，活塞铸件的中部的热量由型芯带走，型芯中心件的内部也开由水冷通道，如图3.6.

型心的制造工艺型芯是由五瓣芯组成的，如图3.6（上文），也是活塞模具中结构最为复杂的部分，下面将要介绍它的制造方法。步骤如下：(1)加工内模中心件，留出端部，打出中心孔，为后续的加工作准备。结构如图4.1。图4.1内模中心件(2)分别加工出内模边芯和侧芯的初胚，结构如图4.2和图4.3。图4.2内模侧芯初胚图4.3内模边芯初胚(3)将加工好的内模初胚和内模中心件捆绑在一起（如图4.4），在车床上车出初始轮廓，如图4.5。图4.4内模捆绑加工示意图图4.5内模车出示意图(4)内模的初始轮廓车出后，通过PRO/E或UG建立出内模的轮廓尺寸，如图4.6，在通过PRO/E或UG的自动编程功能编制出内模的数控加工程序，在数控机床上完成内模的外形轮廓尺寸。图4.6内模是数控加工轮廓

UG环境下的自顶向下设计与虚拟装配5.1在UG环境下活塞模具的自顶向下设计在工业产品的开发设计过程中，我们通过三维软件画出各个零件，然后装配到一起，便可得到产品的装配图，但是，在建模的过程中，我们不难发现，在有些时候，我们画完一个零件以后，再话与之相配的零件的时候，通常会重复上个零件的某些建模，如果是简单零件和零件的数量比较小的话，这个在建模上花费不了太多的时间，算不上多大的问题。但是，目前的工程技术上，很多产品都是成千上万的零件组装起来的，比如挖掘机、汽车、数控机床等，而飞机、大型油轮、航空母舰等产品其零件达亿万之多，零件构造复杂程度更是让人叹为观止，这时候在零件上重复建模所花费的时间就不能忽略了，短则会将产品开发周期延长几个月，长则会延长几年几十年，会使产品的开发周期严重滞后，很难满足市场的需要。这里我们要提到UG中的自顶向下设计功能，自顶向下设计是一种先进的模块化的设计思想，是一种从整体到局部的设计思想。设计者从系统角度入手，针对设计目的，综合考虑形成产品的各种因素，确定产品的性能、组成以及各部分的相互关系和实现方式，形成产品的总设计方案；在此基础上分解设计目标，分派设计任务到分系统具体实施；分系统从上级系统获得关键数据的定位基准，并在上级系统规定的边界内展开设计，最终完成产品的设计开发。图5.1虚拟流程装配图其中WAVE是UG中的自顶向下的一项重要功能，它是一种用来实现零部件间相联复制的主要技术。其效率很高，可以在上下级之间的部件实现外形和尺寸等的传递性（相关性），在同级之间也具有传递性。这就避免了在许多相关联部件上重复建模，在一个模建好的部件上直接提取相关特征即可将相关部件绘制出来。图5.2自顶向下设计原理采用自定向下设计的优点是非常明显的，由于整个设计是从系统顶层开始的，结合数字化模拟功能，可以从一开始就掌握所实现系统的性能状况，再根据实际情况可以做出适当的调整，从而保证了设计的正确性，缩短设计周期降低设计成本。5.2虚拟装配在产品的设计过程中，根据其生产工艺及其装配的顺序，可以在UG软件平台上将设计的产品部件进行产品的虚拟装配，但虚拟装配技术的实际应用应考虑下列几个问题:(1)虚拟装配如何使工程设计、加工、装配、维护等得到关于装配问题的综合观察；(2)系统如何帮助工程设计人员做出决策；(3)如何实现虚拟装配和工程设计支撑系统及制造系统间的信息传递；5.3UG虚拟装配的环境在所有的零件三维模型建模都完成后，我们就可以在UG装配环境下进行装配了。首先打开UG,点击创建一个新的装配文件，进入装配环境。图5.3图进入UG环境下的装配环节点击“插入--基准/点--基准CSYS”插入基准坐标系，建立装配基准坐标系，以此坐标系为基准逐步添加装配组件。见图5.5:图5.4插入基准CSYS点击添加组件按钮，会弹出添加组件对话框，通过装配约束在装配环境下进行装配，选择需要添加的组件点击确定，会弹出装配约束对话框（见图5.7），勾选预览对话框，通过在预览窗口中选择组件需要约束的几何特征逐步添加装配约束，完成装配组建的创建。图5.5添加组件图5.6装配约束通过添加组件和进行装配约束。NX-UG环境下的各级虚拟子装配,具体在NX-UG环境下的活塞模具装配将在下文中叙述:(1)左外模的子装配左外模的子装配部件有：左外模，左浇道，1个镶块。其装配结果如下图5.8，装配模型树如图5.9。图5.7左外模装配图图5.8左浇道子装配模型树(2)右外模的子装配左外模的子装配部件有：右外模，右浇道，1个镶块。其装配结果如下图5.10，装配模型树如图5.11。图5.9右外模子装配图5.10右外模子装配装配模型树(3)顶部子装配顶部子装配部件有：顶盖，连接杆，手柄。其装配结果如下图5.11，装配模型树如图5.12。图5.11顶部子装配图5.12顶部子装配模型树(4)左右销模子装配左右销模的零部件是相同的，包括：销模和销模空冷管组成。其装配结果如下图5.13，装配模型树如图5.14。图5.13左右销模子装配图5.14左右销模子装配模型树(5)型芯总装配型芯的总装配在型芯二级子装配的基础上加上了导向套。其装配结果如下图5.15，装配模型树如图5.16。图5.15型芯总装配图5.16型芯总装配模型树6）总装配各级子装配完成后，就可以进行总装配了。该模具是总装配包括：左右外模子装配，左右销模子装配，顶部子装配和型芯总装配。其装配结果如下图5.17，装配模型树如图5.18。图5.17总装配三维图图5.18总装配模型树

二维CAD工程图的导出随着计算机的发展，设计数字化在工程实例中已经很普及了，工程设计人员早已熟悉了三维建模、三维装配、模拟仿真等，已经不怎么看二维工程图了，但是在生产一线的人员不可能拿着电脑，边切割加工，边看三维图，所以，二维图在生产一线还是很有必要存在的，它给了工人加工的指导方向，方便工人读图。我是在UG这个三维平台上创建活塞的三维模型，这里我就介绍下如何用UG导出二维工程图，以下是步骤：（1）打开三维模型文件，进入基本环境，点击选择制图环境并选择图纸大小，具体操作如下图：图6.1进入基本环境图6.2进入制图环境并选择图纸点击选择栅格和工作平面如图6.3，在栅格和工作平面里选择不显示栅格，如图6.46.3选择栅格和工作平面6.4不显示栅格点击，在插入里选择视图--基本，操作如下图图6.5插入基本视图(3)插入基本视图--俯视图。选择部件，如下图6.6；选择俯视图，并点击定向视图工具，确定俯视如何摆放，如图6.7图6.6插入基本视图图6.7插入俯视图--定向视图点击确定，放置俯视图的位置，如图6.8图6.8放置俯视图插入主视图如图6.9图6.9插入主视图插入左视图点击，在插入里选择视图--投影，如下图6.10图6.10插入左视图导出二维图点击，选择导出文件类型：导出——DXF/DWG如下图6.11，最后点击确定即可成功导出二维图，如图6.12图6.11选择导出文件类型图6.12选择导出文件的位置

总结本课题是基于UG的本田发动机活塞的模具设计，采用金属型重力铸造的方法来铸造活塞。模具的型腔结构尺寸是根据活塞零件的尺寸、机加工余量和铸造过程中金属的收缩量等尺寸叠加而来，再根据活塞零件的特征，设计出模具对应的成型零件，然后在UG平台上通过三维建模的方式将其绘制，最后实现模型的虚拟装配。金属型模具的铸造工艺在现有的材料上经过近几十年的发展已经比较成熟了，但是在模具的设计开发上还是有很长的路要走的，每当一种新的材料别应用于模具行业中，都会带来模具行业新的发展，也就需要时间来了解和开发其特性。而了解和开发的手段往往就是通过设计许许多多各种各样的模具来检测印证其是否具有某种特性，这就需要时间。在保证质量的前提下，目前我们只能缩短其开发研究时间，这就需要设计者能够充分的利用计算机的软硬件资源，在计算机的帮助下实现快速高效的工作。在铸造工艺上，设计者可以利用开发软件模拟各种铸造工艺过程，并实时采集相应的数据，供开发者参考，以便改善铸造工艺；在铸型上，可以通过三维软件开发出相应的模型，并进行相关的模拟铸造，以发现铸型在铸造中存在的缺陷；在后期的机械加工上，可以通过计算机来模拟改善数控系统或者机床的某项性能，来改善零件的表面质量和加工精度。近几天，我们国家也在提倡中国制造2025，其核心就是以提质增效为中心，以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向，以满足经济社会发展和国防建设对重大技术装备的需求为目标，强化工业基础能力，提高综合集成水平，完善多层次多类型人才培养体系，促进产业转型升级，实现制造业由大变强的历史跨越。

致谢本次毕业设计是在向雄方教授的悉心指导下完成的，在做毕业设计的过程中，向老师很有责任心，就是国家规定的节假日也不曾休息，经常从上午九点一直指导到十一点半，在过程中很耐心，对我提出的问题总是耐心引导，而且对我提出的问题总是能找到工程实例给我们讲解，然后给出很实用的建议，使我受益匪浅。最终，毕业设计在老师的耐心指导下顺利完成，老师在闲暇时间也有和我讲毕业后对人生的规划等，觉得向老师很合我的“口味”，同时对向老师深厚的学术功底和教学态度感到很敬佩。此外，在完成毕业设计的过程中，参考了许多学者专家的大作，对一些没有在参考文献中列出但是对我毕业设计提供帮助的专家学者表示诚心的感谢。最后，感谢学校的教务处老师等，特别感谢机械工程学院的领导，老师们，在我遇到问题时，你们无私的给我指导相关方面的问题，虽然我不曾上过你们的课，同时也非常感谢我的同学在大学四年学习期间的关心和帮助

参考文献[1]潘宪曾,黄乃瑜.压力铸造与金属型铸造模具设计[M].北京:电子工业设计出版社,2007.3[2]林柏年.特种铸造(第二版)[M].杭州:浙江大学出版社[3]王文清,李魁盛.铸造工艺学[M].北京:机械工业出版社[4]李维,何方,朱出阳.UG实践应用初步培训教程[M].北京:清华大学出版社[5]唐海翔,刘明孝.UG模具设计培训教程[M].北京:清华大学出版社[6]黄毅宏.模具制造工艺[M].北京:机械工业出版社,1998[7]模具制造手册编写小组.模具制造手册[M].北京:机械工业出版社,1982[8]向雄方.铸造模具的数字化设计与制造[J].十堰:湖北汽车工业学院机械工程系[9]杨海鹏.模具设计与制造实训教程[M].北京:清华大学出版社.2011[10]赵立信.中国汽车铸造业[J].长春:中国第一汽车集团公司,2004.3[11]陈叶娣.模具材料的选用于热处理[M].北京:机械工业出版社.2012.6

附录1目录TOC\o"1-2"\p""\h\z\u第一章总论 11.1项目概况 11.2研究依据及范围 31.3主要技术经济指标 41.4研究结论及建议 4第二章项目建设的背景和必要性 62.1项目建设的背景 62.2项目建设的必要性 8第三章项目服务需求分析 11第四章项目选址与建设条件 134.1选址原则 134.2项目选址 134.3建设条件 144.4项目建设优势条件分析 15第五章建设方案 185.1建设规模与内容 185.2总体规划设计 195.3建筑方