宝马轮毂压铸件工艺分析

摘要本课题针对宝马轮毂的结构特点，设计压铸模具及相关压铸工艺，确定最终模具方案。本课题涉及到的主要设计内容有：根据压铸件的结构尺寸特点，计算并设计出合理的压铸件浇注系统、排溢系统、压铸模具零件参数；运用CAD制图软件，绘制出宝马轮毂的二维图、宝马轮毂压铸模非标准零件的二维图；运用三维制图软件Creo2.0，绘制出宝马轮毂压铸模的三维零件图。关键词：宝马轮毂；压力铸造；压铸模具设计AbstractInthispaper,thedie-castingofBMWHubisdesigned,andtherelevantdie-castingprocessisformulated.,thedie-castingprocessissimulatedbyAnycasting,andthedieschemeisverifiedandimproved.Inthispaper,therearesomemaindesigncontentshasbeendone.Thereasonableparametersofcastingsystemiscalculatedanddesignedforthestructureandsizecharacteristicsofdiecasting.Nextto,thesystemofdiecastinganddiepartsisdischarged.Then,thetwo-dimensionaldrawingsofBMWHubandnon-standardpartsofBMWHubweredrawnbyCAD,andthethree-dimensionalweredrawnbyCreo2.0.Keywords:BMWHub,Pressurecasting,Die-castingdiedesign目录摘要 1Abstract 2第1章绪论 71.1压力铸造技术概况及发展现状 71.1.1压铸的特点 71.1.2压铸技术的历史和发展现状 71.1.3压铸合金的进展和应用状况 81.2课题研究背景及意义 101.3课题研究主要内容 10第2章铸件的结构与工艺性分析 122.1零件结构分析 122.1.1壁厚 132.1.2铸造圆角 132.1.3拔模斜度 132.2宝马轮毂材料成分和物理参数 13第3章宝马轮毂压铸件工艺分析 153.1压铸件与压铸模工艺分析 153.2分型面的选择 153.3宝马轮毂压铸工艺参数 163.3.1压力参数 163.3.2温度参数 163.3.3时间参数 173.3.4速度参数 183.3.5压铸用涂料 20第4章浇注系统与排溢系统设计 214.1浇注系统设计 214.1.1内浇口设计 214.1.2直浇道设计 234.1.3横浇道设计 244.2排溢系统设计 264.2.1溢流槽设计 264.2.2排气槽设计... 27第5章压铸模具设计 295.1压铸机型号选择 295.2成形零件的设计 305.2.1成形零件的收缩率 305.2.2动定模的设计 305.3结构零件的设计 335.3.1导套与导柱的设计 335.3.2动定模套板的设计 345.3.3动定模座板的设计 365.3.4支撑板的设计 375.3.5推板与推板固定板的设计 385.3.6垫块的设计 39第6章抽芯机构的设计 406.1抽芯力与抽芯距离距的确定 406.1.1估算抽芯力 406.1.2抽芯距的计算 416.2斜导柱分型抽芯机构的设计 416.2.1斜导柱直径的估算 416.2.2斜销长度的确定 426.3滑块的设计 426.4楔紧块的设计 43第7章压铸模具总体结构的设计 44第8章压铸机的校核 468.1压室容量的核算 468.2模具厚度核算 478.3动模座板行程的核算 47总结 48致谢 49参考文献 50ContentsAbstract（Chinese） IAbstract（English） IIChapter1Intruduction 71.1DieCastingTechnologyOverviewandDevelopmentStatus 71.1.1CharacteristicsofDieCasting 71.1.2HistoryandDevelopmentofDiecastingTechology 71.1.3ProgressandApplicationofDiecastingAlloy 81.2BackgroundandSignificanceofSubjectResearch 101.3DevelopmentStatusandApplicationRangeofDieCastingTechnology 10Chapter2AnalysisofCastingStructureandTechnology 122.1StructuralAnalysisofParts 122.1.1wallthickness 132.1.2Castingfillet 132.1.3Draftangle 132.2MaterialCompositionandPhysicalParametersofBMWHub 13Chapter3ProcessAnalysisofDieCastingforBMWHub 153.1ProcessAnalysisofDieCastingandDieCastingDie 153.2Selectionofpartingsurface 153.3DieCastingProcessParametersofBMWHub 163.3.1Pressureparameter 163.3.2Temperatureparameter 163.3.3Timeparameter 173.3.4Velocityparameter 183.3.5CoatingsforDieCasting 20Chapter4DesignofGatingSystemandSpilloverSystem 214.1Gatingsystemdesign 214.1.1Designofinnergate 214.1.2DesignofStraightGate 234.1.3Designofrunner 244.2DesignofSpilloverSystem 264.2.1Designofoverflowchute 264.2.2DesignofExhaustTank 27Chapter5DesignofDieCastingDie 295.1ChoiceofDieCastingMachine 295.2DesignofFormedParts 305.2.1Shrinkageofformingparts 305.2.2DesignofMovingandFixingDies 305.3DesignofStructuralParts 335.3.1DesignofGuideSleeveandPillar 335.3.2DesignofMovingandFixingDieSleeve 345.3.3Designofdynamicdie,staticdieseatplate 365.3.4Designofsupportplates 375.3.5DesignofPushPlateandPushPlateFixedPlate 385.3.6Designofgaskets 39Chapter6Designofcore-pullingmechanis 406.1Determinationofdistancebetweencorepullingforceandcorepulling 406.1.1Estimatedcorepullingforce 406.1.2Calculationofcore-pullingdistance 416.2Designofpartingcore-pullingmechanismforobliqueguidecolumns 416.2.1Estimationofthediameteroftheobliquepin 416.2.2Determinationofobliquepinlength 426.3DesignofSlider 426.4Designofwedgedblocks 43Chapter7DesignoftheoverallstructureofDiecastingDie 44Chapter8CalibrationofDieCastingMachines 468.1AccountingofBallastCapacity 468.2DieThicknessAccounting 478.3CalculatingtheTravelofMovingDieBasePlate 47Summarize 48Acknowledge 49Reference 50第1章绪论1.1压力铸造技术概况及发展现状压力铸造技术是一种净成型技术，因其生产的零件形状尺寸精度高，并可以完成大批量生产的优点，使其在航空航天、车辆等制造行业运用的非常广泛[1]。1.1.1压铸的特点压力铸造简称是压铸，是指向压室内倒入熔融合金液，以高压压射液态金属，是金属液高速充填模具的型腔，并使其在压力作用下凝结形成与压铸型腔相同的铸件的铸造方法。压铸与传统铸造方法的区别在于其主要特点是高压和高速。①液态金属是在压力的作用快速进入型腔，之后在更高的压力下结晶凝固形成铸件，通常的压力为15~100MPa。②液态金属以高速填入型腔，一般在10~50米/秒，有的能够超过80米/秒，（内浇口速度是指通过内浇口进入型腔的线速度），因此金属液的充型时间十分短，通常0.01~0.2秒即可填满型腔[2-5]。压铸属于精密铸造，采用压铸方法生产的零件的尺寸公差很小，表面精度也很高，一般情况下，压铸件不需要后续的机械加工即可装配使用，有螺纹的零件也能够直接压铸成型[6]。从一般的装饰品小零件到汽车等交通工具的复杂零件也大多是利用压铸法制造的。压铸可以铸造流动性高的金属还可以减少二次机械加工。压铸的生产效率高，而且压铸件的抗拉强度大。最大的优势是铸件的尺寸精度高，一般受铸造材料决定，通常的数值为最初2.5厘米尺寸时误差0.1毫米，每增加1厘米误差增加0.002毫米。与传统和\t"/item/%E5%8E%8B%E9%93%B8/_blank"永久模铸造工艺对比，它的铸件表面光滑，圆角半径大约为1~2.5\t"/item/%E5%8E%8B%E9%93%B8/_blank"微米。相对于来说可以制造壁厚大约0.75毫米的铸件，而且可以将铸造内部结构直接铸造出来，比如复杂型腔、加热元件、承载面[7]。压铸的成本很高。压铸设备以及模具相对其它铸造方法来说都很贵，所以生产大批产品时用压铸法才比较合适。它的缺点主要是工艺只能适用于流动性较高的金属，而且对铸造零件的质量也有要求，必需在30克与10千克之间[8]。一般最后压铸的一批铸件会有孔隙出现，不允许进行任何热处理或者焊接，因为在缝隙内有气体，这些气体会在热量作用下\t"/item/%E5%8E%8B%E9%93%B8/_blank"膨胀，从而使内部产生微型缺陷和表面的剥离。1.1.2压铸技术的历史和发展现状压铸技术到目前为止已有差不多200年的历史。早在1855年,O.默根塔勒生产出条形活字铸件使用活塞压射缸浸入熔融合金中的方法。之后在1869年,C.巴贝奇生产早期计算机的一些零件利用“锌强化铅锡合金压力铸造法”。1872年,生产留声机上的铅锡合金小零件使用的压铸机是一种手动的小型压铸机。1904年,H.H.富兰克林公司压铸出汽车连杆轴承,从此,压铸件的主要用户从印刷业变成了汽车工业。1905年,H.H.多勒发明了适合锌合金和铅锡合金的压铸机。1914年,H.H.多勒利用气压使金属也沿流道上升而充型方式制造压铸机,可用于铝合金的压铸。在20世纪20年代,美国的基普公司发明出机械化的热室压铸机,但因铝合金液有侵蚀压铸机上钢铁零部件的倾向,所以铝合金生产不适用于热室压铸机[9]。一直到C.鲁里发明制造出冷室压铸机,这是压铸技术上的重大转变,使黄铜合金、铝合金的压铸变为现实。20世纪50年代大型压铸机的发明,为压铸业开拓了很多新的领域。随着压铸机、压铸工艺、压铸型及润滑剂等压铸技术的发展,压铸合金也经历从铅到锌、铝、镁、铜,最后到铁合金的发展过程,随着压铸合金熔点的不断增高使压铸件使用和应用范围不断扩大[10]。我国压铸行业的发展，最为代表的是晚清时期的洋务派，以自强求富为目标而创建的一系列工厂，比如汉阳钢铁厂、轮船招商局等。在辛亥革命后，民族工业开始兴起，开始开建一些可以制作生产压铸件的工厂在一些开放的通商口岸。然而真正使压铸件的工业规模化生产还是在解放以后。从20世纪50年代开始，主要能够实现生产的压铸件是轻工日用的小型五金件及电机铝转子；到60～70年代我国的压铸技术日近成熟，已经可以用于轻工日用五金、医疗器械、电信器材、军工航空、汽车等配件的生产；到了80年代，家用电器市场的需求推动了压铸业的迅速发展；90年代尤其是进入21世纪之后，我国汽车、机动车、电动车工业发展迅猛，为压铸行业的飞跃发展提供了良好的契机[11]。现在，压力铸造已经是一种终形和近终形的成形方法。压力铸造不仅生产效率高而且互换性好。最重要的是经济指标优异，压铸件尺寸精度也高。在制造业中,尤其是获得了广泛的应用和迅速的发展的规模化产业[12]。压铸件已经变成了很多产品的重要组成部分,随着交通运输、内燃机、电子通信、仪器、仪表、电器等行业的飞速发展,压铸件的应用领域和功能不断扩大,进而促进了压铸技术不断发展以及压铸合金品质的不断升高，压铸技术已经被广泛运用在与生产制造相关的各行各业。1.1.3压铸合金的进展和应用状况压铸技术的重要组成部分是压铸合金。压铸合金一般包括铝合金、镁合金、锌和锌铝合金、铜合金等。铜合金压铸件的特点是由很高力学性能和良好的耐蚀性，与其它有色金属相比,压铸铜合金所要求的压力高，和温度也高(982～1066℃),明显缩短压铸型的寿命,从而导致黄铜合金压铸型成本较高。如果一个零件的要求是强/硬度高、耐蚀或耐磨时,选择铜合金作为压铸金属比选其它压铸金属还是比较经济的。由于铸型材料的原因,黑色金属的压铸成形目前应用尚不广泛。现在铝合金、镁合金和锌合金是应用最多最广泛的。随着压铸件功能和应用领域不断扩大,压铸合金性能的内涵也不断拓展,例如压铸成形性能、物理性能、机加工性能、力学性能、表面处理性能、耐腐蚀性、耐磨性、焊接性等。要生产优质经济的压铸件,在压铸合金方面就不仅要考虑压铸合金化学成分和性能,还要进一步考虑成本与性能的均衡,以及安全性、使用寿命周期及再循环利用等问题。现在最为常用压铸材料是铝合金，它的标准牌号中最常用Al-Si系和Al-Mg系合金，且通常用Al-Si系合金[13]，A380.0(AlSi8.5Cu3.5)具有较高的力学性能和良好机加工性能,是使用最广泛的压铸铝合金,常用于汽车的支架、托架、滑板、泵体、支臂等结构件。铝合金A383.0(AlSi11Cu3)的优点是其抗热裂性能高。A383.0和A384.0(AlSi11Cu3.8)可以代替A380.0用于压铸复杂的零部件以改善压铸成形性能。A360.0(AlSi9.5Mg0.5)具有较好的耐蚀性、较高的高温强度和塑性,但压铸成形性能较差[14]。C443.0(AlSi5)应用不广泛且压铸成形性能差,但压铸铝合金中它塑性最高,其抗蚀性一般。A413.0(AlSi12)因为它的气密性较好,适用于压铸缸体和压力容器,这种合金有一个特点它压铸成形性能非常优异,所以适合于制造薄壁复杂及承载力要求不严格的零件,比如仪表盘、盖板、护板、壳体等。铝合金B390.0(AlSi17Cu4.5)，它的优点是热膨胀系数小而且耐磨,但是塑性不大，不适合机械加工,该合金一般用于压铸汽车发动机缸体、变速箱壳体、离合器架和阀体等。AlMg8的优点之拥有较好的强度还有较好的塑性,它非常耐蚀而且较好的表面处理性能好,可以机械加工,但是它凝固温度范围较宽(535～621℃),一般会出现热裂,压铸成形性能差。AlMg5Si合金韧性的较高，它的性能与壁厚有很大关系,通过热处理可提高压铸件的刚性和韧性[15]。它还拥有较高的疲劳强度和良好的焊接性。近年来,汽车上车门组合的铰链和支架、底盘上的发动机悬挂架、十字结构、前端架、减震机构等重要结构件都已采用铝合金压铸成形对于车体零部件要求具有很高吸收冲击功的抗冲击性能和减震性能,还要具有可焊性和耐应力腐蚀能力。SILAFONT-36高韧性压铸铝合金广泛应用于高负荷、高应力的结构件设计中。SILAFONT-36合金属于低Fe高Mn含Sr的AlSi9Mg合金。SILAFONT-36合金可获得不同的力学性能通过控制合金含Mg量[16]。例如含镁量在0.32%～0.40%之间时,可以用于要求伸长率的同时还要求压缩强度的零部件;含镁量在0.24%～0.30%之间的合金，适合生产承受冲击的重负荷应力的零部件;含镁量在0.18%～0.24%之间的合金，可以生产高韧性和抗冲击性高的零部件;含含镁量在0.13%～0.19%之间时,用于生产伸长率高的零部件。通常为了获得稳定的力学性能,一般将含镁量的变化控制在0.07%范围内。Al-Si-Cu-RE压铸合金是在AlSi8.5Cu3.5(YL112)基础上用稀土元素合金化。这类合金拥有良好的流动性和气密性，而且耐磨可以机械加工,可以用于制造汽车相关结构零件及电子产品和航空器件。铝合金压铸件是向结构复杂、薄壁和高性能、高精度以及集成化等方向发展。制造大型客机上的化学供氧装置支座是结构复杂和薄壁的例子,采用AlSi8Cu3(Fe)合金,其最小铸孔直径0.8mm,最小壁厚是1mm;采用AlSi13合金制造电气控制装置的散热器,以最小壁厚保证最大的散热面积。作为高性能和高精度的例子,如采用AlSi10MgMn合金制造轿车前轴的整体托架,该托架是连接和固定轿车前轴的所有重要部件,在力学性能和尺寸精度上都有很严格的要求。一般采用AlSi10Mg(Fe)合金压铸医疗器械中保育箱加热元件的定子,其特点是可以整体压铸成型不需要沿圆周增设任何附加支架甚至连加热元件接线部位也可以清楚看见。采用低Fe的铝合金材料可以获得高断裂韧性的压铸件,用于汽车油槽、支架、后桥等。作为集成化的例子,如采用AlMg5Si2Mn合金制造的轿车门组合结构件,由10个压铸件组焊而成;集机座、吹风机和热交换器于一体的轿车立式加热和热交换器用吹风机零件,机座和吹风机采用AlSi10Mg(Fe)合金,热交换器采用AlSi12(Cu)合金。该铸件结构复杂,发挥了压铸铝合金的导热性、耐热性和成形性好的特点[17]。1.2课题研究背景及意义衡量一个国家工业水平的高低，模具的设计与制造水平不可小觑。根据《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020）》的文件精神，模具设计与制造新技术已经被列为了我国工业发展的战略性计划，模具相关专业的人才也被列为国家紧缺人才培养计划。这是因为模具工业，是高新技术产业的一个重要组成部分，对我国国民经济的发展有着不可忽视的重要作用，我国作为世界规模最大、门类最齐全的工业制造中心，要想从制造大国向制造强国升级转型，就必需全面推进工业生产中的自动化，而模具生产作为自动化生产中，一种最为重要的生产方式，这种生产方式不仅能对各种产品进行大批量生产，还能有效的降低生产成本，并能提高产品的质量，所以模具的设计与制造，对我们国家从制造大国走向制造强国，有着举足轻重的战略地位[18]。因此本课题正是本着国家对模具设计与制造的迫切的生产需求与人才需求，针对压铸件宝马轮毂的这一实际生产过程，进行零件的结构分析与压铸模具零件相关参数的设计与计算，旨在解决工业生产中压铸方案迫切所需，和锻炼压铸模模具设计人才的目的。1.3课题研究的主要内容本课题研究的宝马轮毂是汽车的重要组成部分，对整个汽车起到的支撑作用。想要满足对这组零件实现大批量，高质量、少浪费的生产实际需求，需要研究以下内容。（1）对所生产的压铸件（宝马轮毂）进行合理的结构分析，对不满足压铸要求（如壁厚、尖角）的部位作出优化与改进；（2）对合理的压铸件结构进行全面分析，设计出符合实际生产工艺的浇注系统和排溢系统；（3）对合理的压铸件、压铸方案，进一步设计出合理的压铸模具结构，如成型零件、推出零件等；（4）对设计合理的压铸模具，选择合理的压铸机，并对压铸模的相关设计参数进行校核[19]。本课题根据宝马轮毂的结构特点设计如图1-1所示设计流程。分析宝马轮毂结构分析宝马轮毂结构确定工艺参数绘制零件三维图确定工艺参数绘制零件三维图设计压铸工艺及浇注系统排溢系统设计压铸工艺及浇注系统排溢系统选择压铸机设计压铸模具选择压铸机设计压铸模具进行压铸机压铸模具校核进行压铸机压铸模具校核图1-1设计流程图第2章铸件的结构与工艺性分析2.1零件结构分析本课题是以一个宝马轮毂为研究目标，宝马轮毂一般是指轮胎内廓轮钢通过立柱连接的轮芯旋转部分，即支撑轮胎的中心装在轴上的金属部件。又叫轮圈、钢圈、轱辘、胎铃，零件装配图如图2-1所示。图2-1宝马轮毂零件图宝马轮毂主要尺寸如图2-2所示。图2-2宝马轮毂的主要轮廓尺寸压铸件结构设计应该满足如表2-1所示的要求。表2-1压铸件结构设计要求[13]要求说明应尽量便与压铸件从模具型腔取出应尽量想办法在设计压铸件时就预先消除不利于压铸件出模的任何障碍应尽量消除不必要尖角，锐角压铸件结构中存在尖角时，会使型腔中金属液流动不流畅，气体不易排出，从而导致铸件表面产生裂纹壁厚一般要均匀壁厚不均匀时，压铸件因为凝固速率不同进而产生收缩变形，并且会在厚大部位产生内部缩孔和气孔应有一定的拔模斜度便于压铸件推下为了使压铸件顺利脱离模具，并防止表面划伤，做到延长模具寿命压铸件应有拔模斜度2.1.1壁厚经分析，组成电动机壳体的两零件平均壁厚均为5mm，壁厚均匀。不会出现压铸件在凝固过程中，因壁厚不均出现凝固速率不同，而产生收缩变形。同时该压铸件属于薄壁件，不会因零件局部厚大，在内部产生缩孔和气孔。2.1.2铸造圆角经分析，宝马轮毂零件有铸造尖角，皆用平滑的铸造圆角过渡，可以避免因尖角锐角产生的铸件裂纹。2.1.3拔模斜度经分析，该压铸件结须设计抽芯机构，但为了方便铸件从型腔中取出，压铸件应该具备一定的拔模斜度，它的大小与压铸件的几何形状、壁厚以及型腔或型芯表面状态等因素有关，最后确定零件的拔模斜度为1°。2.2宝马轮毂材料成分和物理参数压铸件材料成分的选取，决定着该压铸件零件是否可以充型完好以及后期能否有利于机械加工、使用时力学性能是否能满足工作环境要求等。因此我们在选取宝马轮毂材料成分的时候，应该充分考虑宝马轮毂的体积大小、形状复杂程度、机加性能、力学性能等因素，以得到满意的宝马轮毂压铸件。通过前期对宝马轮毂零件的结构分析，总结出该零件有以下几个特点。（1）该宝马轮毂体积较小，在前期进行结构设计的时候，我们把它的整体轮廓尺寸定在了直径410mm，厚度250mm左右，在压铸件里属于体积中小的类型；（2）该宝马轮毂绝大多平均壁厚约为5mm左右，属于薄壁件；（3）该宝马轮毂内部型腔结构复杂，属于复杂件；（4）该宝马轮毂腔体较深，属于深腔件；（5）该宝马轮毂是支撑轮胎的中心装在轴上的金属部件，在工作环境的负荷强度较高，因此属于高负荷铸件。经查阅资料，最后将Al-Si合金作为压铸合金，该压铸铝合金的牌号是ZAlSi12,合金代号为ZL102,宝马轮毂零件铝合金的化学成分、物理性能参数具体如表2-2，2-3所示。表2-2压铸铝合金ZL102的化学成分[13]合金成分SiFeCuMnMgWt./%10～13≤1.0≤0.3≤0.5≤0.1表2-3压铸铝合金ZL102的物理性能[13]液相温度/℃固相温度/℃伸长率(б/%)抗拉强度（MP）液态密度(g/cm3)热导率(W/m*℃)T=300℃585574≥4≥1452.7167第3章宝马轮毂体压铸件工艺分析3.1压铸件与压铸模工艺分析压铸工艺诞生之初，旨在解决大批量、高质量的生产工艺产品的实际问题，本着便于开模的角度出发将该宝马轮毂零件，采用带有侧抽芯机构压铸机生产，来解决模具的技术问题。有关经验证明，在宝马轮毂能够顺利开模的前提下，只要合理的设置浇注系统与排溢系统，就能得到尺寸精度高、铸件质量好的压铸件。本课题将所研究的宝马轮毂的零件，选择为一模一腔采用侧抽机构的压铸模工艺方案，这既解决里工艺上的问题，又得到了合格的铸件。3.2分型面的选择模具设计和制造的基准面是模具压铸的分型面，它直接影响着模具加工的工艺以及压铸的效果与效率，所以在选择分型面的时候，应该遵从以下几条原则[15]。（1）分型面应尽量简单易于加工[14]；（2）分型面应尽量简化模具结构[14]；（3）分型面应有利于浇注系统和排溢系统的布置[14]；（4）分型面设置时应保证压铸件留在动模一侧[14]。根据宝马轮毂的结构特点，这个零件在分型面选择时，需要设置滑块、斜销等侧抽芯机构，所以经综合考虑将宝马轮毂零件的分型面确定在零件的最大截面处，具体如下图3-1所示。图3-1宝马轮毂分型面3.3宝马轮毂压铸工艺参数压铸工艺参数包含压力参数、温度参数、时间参数和速度参数等。这些参数的选择与压铸件的质量有着密切关系，因此为了提高压铸件的质量，必须通过查阅铸造手册相关数据，合理选择工艺参数是保障铸件质量前提[15]。3.3.1压力参数压铸工艺参数中的压力参数，是指压铸过程中所使用压铸机的压射比压，压射比压会影响压铸件的表面质量、力学性能，还会影响压铸模的使用寿命[16]。在一定压射比压范围内，压射比压与铸件强度呈正比例关系，与铸件塑韧性成反比例关系。一般来说，压射比压的增大，可以提高金属液的充型能力，以获得更清晰的铸件轮廓。推荐值压射比压如表3-1所示。表3-1压射比压推荐值（MPa）[13]压铸件种类锌合金铝合金镁合金铜合金一般件13～2030～5030～5040～50承载件20～3050～8050～8050～80耐气密性或大平面薄壁件25～4080～12080～10060～100通过分析压铸件结构材料为铝合金，根据其使用环境将压铸机的压射比压定为40MPa。3.3.2温度参数（1）浇注温度浇注温度是指压铸机压室内的金属液，在压射冲头作用下进入金属型腔时的初始温度[17]。理选择浇注温度也是压铸模设计中必不可少的环节，常用的铝合金浇注温度具体参考表3-2。表3-2铝合金浇注温度（℃）[13]铸件壁厚≤3mm铸件壁厚>3mm结构简单结构复杂结构简单结构复杂铝合金含硅610～650640～700590～630610～650含铜620～650640～720600～640620～650含镁640～680660～700620～660640～680浇注温度范围在610～650℃，综合考虑取650℃，这是考虑到宝马轮毂材料的牌号是ZALSi12，为铝硅合金，且平均壁厚为5mm。（2）模具温度模具温度是压铸过程中压铸模工作时的温度[17],，合理的模具温度既是压铸出优质铸件的前提，也是实现压铸件高效生产、压铸模长时间使用的保证。可根据公式3-1与表3-3来确定模具温度。(3-1)表3-3模具预热温度（℃）[13]合金合铅合金锡合金锌合金铝合金镁合金铜合金预热温度60～12060～120150～200180～300200～250300～350综合考虑，本次设计模具温度选用250℃。3.3.3时间参数（1）充型时间充型时间是指金属液充满整个金属型腔的时间[13]。充型时间越短，说明金属液进入型腔的速度越快，这有利于薄壁件避免冷隔等缺陷。一般来说，针对不同的压铸件都有一个不同的最佳充型时间。而这个最佳充型时间与金属液浇注温度、铸件壁厚和模具温度等因数有关。针对最佳充型时间范围，一般应满足铸件质量的前提下，尽量选择较长的充型时间。表3-4充型时间选择范围[13]铸件平均壁厚mm充填时间/s铸件平均壁厚mm充填时间/s1.50.01～0.033.00.05～2～0.043.80.05～3～0.076.40.08～0.302.50.04～0.09已知压铸件平均壁厚在5mm左右，由表3-4可知，充型时间的范围大约在0.06～0.20s之间，在保证铸件质量的前提下选择大的充型时间，取0.20s。（2）留模时间留模时间是指从压铸机持压结束，到压铸机开模取件的这段时间，留模时间取决于铸件壁厚、铸件材料等压铸工艺参数[13]。留模时间的长短影响着铸件的强度和刚度，留模时间过长则铸件的刚度大，推杆不容易顶出；而留模时间过短则铸件刚度过低，铸件在被推杆顶出过程中，很可能产生拉裂变形。留模时间选择可由表3-5确定。表3-5常用留模时间(s)[13]合金铸件壁厚<3mm铸件壁厚3～4mm铸件壁厚>5mm铝合金7～1210～1525～30电动机壳体平均壁厚在5mm左右，所以它的留模时间在25～30s，综合其它压铸工艺参数，留模时间取30s。3.3.4速度参数压铸工艺中的压射速度和充型速度，都属于压铸工艺中的速度参数。压射速度定义是压铸机压射缸内的液压推动压射冲头前进的速度。（1）充型速度充型速度是指金属液在内浇口处的流动速度[13],，充型速度选择如表3-6所示。表3-6充型速度选择范围[13]平均壁/mm11.522.533.545678充型速/(m/s)46～5544～5342～5040～4838～4636～4434～4232～4030～3728～3426～32根据压铸件壁厚为5mm，可知铝合金内浇口速度范围在32～40m/s，选充型速度40m/s。（2）压射速度在选取慢压速度时应该注意两点，一是避免慢压长度过长，导致金属液温度降低太多，二是用慢压速度压射金属液，可以排出压室内的气体，同时在满足这两个要求的前提下，选用较低的慢压速度。慢压速度选择与压室充满度有关[13]，参考表3-7。表3-7慢压速度的选择[13]压室充满度/%压室速度/(cm/s)≤3030～4030～6020～30>6010～20鉴于本课题中压室的充满度为2/3，并综合选取慢压速度时应该考虑到的事项，选取慢压速度选15cm/s。快压速度是指金属液进入内浇口到的金属液填充满整个金属型腔这个阶段金属液的充填速度[13]。与慢压速度一样，快压速度的选择也应在不降低压铸件质量的前提下，尽量在快压速度范围内选择较低的快压速度，这样可以减小金属液在内浇口处的速度，避免金属液对型腔的冲刷，以延长模具寿命。快压速度范围选取参考表3-8。表3-8快压速度的选择[13]基本壁厚/mm压射速度/(m/s)≤2.53～2.5>2.5～42.5～2>4～62～1.5注：当铸件壁厚大于6mm时，按6mm计算综合压铸件条件，选取快压速度为2m/s。综合本节内容，通过分析铝合金支架压的尺寸、结构，最终确定的工艺参数如下表3-9。表3-9压铸工艺参数合金种类Y102充型时间/s0.20压射比压/MPa40留模时间/s30浇注温度/℃650充型速度/(m/s)40模具温度/℃250快压速度/(m/s)2压铸机种类J1116F卧式冷室压铸机慢压速度/(m/s)153.3.5压铸用涂料压铸涂料定义是压铸过程中对模具型腔、型芯表面、滑块、推出元件、冲头、和压室等所喷涂的材料和稀释剂的混合物。合理的选用压铸涂料和喷涂方式，不仅能够提高铸件质量，还能够延长模具使用寿命[19]。对压铸模使用压铸涂料，主要有以下作用。（1）使压铸模在高温状态下也能保持良好的润滑性能，减少压铸件在金属型腔内的摩擦，方便铸件的推出；防止压铸机推出机构在推出压铸模时，发生粘膜现象；（3）在铸件和模具之间形成隔离保护层（其厚度可忽略不计），避免金属液对金属型腔、型芯造成冲刷，提高模具寿命[19]。综合考虑压铸用涂料作用、压铸件与压铸模特点，本课题考虑选用的压铸涂料是Lub-2水基涂料，其最大优点是不会改变压铸件的合金成分。第4章浇注系统与排溢系统设计4.1浇注系统设计浇注系统是决定压铸件表面质量以及内部显微组织状态的重要因素，所以说浇注系统对压铸模设计的重要环节[13]。4.1.1内浇口设计一般通过理论估算与经验数据两种方法来估算内浇口截面积，对于我们初学者而言，往往先通过理论估算进行设计，然后再试模过程中加以修正。理论估算的内浇口截面积计算公式如4-1[13]所示。（4-1）（1）底部零件内浇口尺寸已知ρ=2.7g/cm3，Vg=40m/s，t=0.2s，并由CREO2.0测得宝马轮毂零件V=2.89*10^6mm3，得到宝马轮毂零件重量为7750g，根据经验，宝马轮毂零件属于较薄壁复杂件，需要采取较高的填充速度，因此为了避免提高填充速度导致的卷气，应该在零件周围一圈都设置溢流槽，因此溢流系统体积在设计上约为零件的80%。G=13950g，代入所有数据算得Ag1=646mm²。由经验数据可知，铝合金复杂件的厚度在1.5～2.5mm之间。已知内浇口的截面积，确定出内浇口的长度，就可以得出内浇口的宽度尺寸。在整个浇注系统中，内浇口的截面积最小，因此金属液填充型腔时，内浇口出的阻力最大，了减少压力损失，应尽量减少内浇口的长度，内浇口长度一般取2～3mm，通常不超过3mm[13]。所以最后初步确定内浇口尺寸。厚度×长度×宽度=2mm×2mm×161mm主要尺寸如图4-1所示：图4-1宝马轮毂零件内浇口主要尺寸宝马轮毂零件属于小型件，且壁厚较薄，在采用较高的填充速度来填充金属型腔时，壳体型腔免不了受到金属液的较大冲击，这不利于延长压铸模的使用寿命。所以内浇道与横浇道的连接方式采用侧面连接，如图4-2所示：图4-2宝马轮毂零件内浇口搭接形式根据文献提供的各数据间的关系，最终确定横浇道与内浇口搭接形式的尺寸分别为L=2mm，t=1mm，h=10mm，H=14mm。（2）内浇口位置、数量分布考虑到压铸方案中，铸件的实际形状及充型情况，现将内浇口的数量和位置设置如图4-3所示。图4-3内浇口分布位置（3）内浇口截面积校核经Creo2.0测算，最终设计的内浇口截面积总面积为190mm2，判断内浇口总的截面积大小是否满足实际生产需求，须满足在填充时间内经过内浇口截面积的金属液体总量要大于等于所设计的压铸件及浇注系统的总体积，具体如公式（4-2）所示进行校核。××(4-2)带入数据=40m/s，=162mm2，=0.2s，得到左边式子=2592000mm3；并由Creo2.0算得=1020000mm3；满足关系式（4-1）,证明内浇口截面积设计合理。4.1.2直浇道设计直浇道作为压室内的金属液进入型腔前的必经通道，其结构形式与其所选用的压铸机类型有关，对于铝合金压铸，一般选用卧式冷室压铸机[13]。这类压铸机的直浇道浇口套，材料选用4Cr5MoSiV1。浇口套的设计根据《中国模具设计大典》中表29.3-15，得出浇口套尺寸，D=100mm，D1=130mm，L=70mm。浇口套结构主要尺寸如图4-4所示。图4-4浇口套结构及主要尺寸4.1.3横浇道设计直浇道末端到内浇道之间的通道为横浇道。横浇道对金属液起到稳流和导向的作用，应保持一定长度[18]。所以横浇道设计是重中之重。为此本铝合金轮毂压铸模设计采用扇形横浇道方案，扇形浇道热量损失较小，加工便携，在各行业得到广泛应用。浇口中心部位流量较大，横浇道截面积需保持不变或收敛变化，这可以保证金属液在浇道内流速不变或匀加速形式。为了避免金属液在流动过程中产生涡流，一般采用收敛的截面形式。具体形式如图4-5所示。图4-5横浇道位置在进行横浇道设计时，应该注意保持横浇道厚度适中。如果横浇道过厚，会使金属液的冷却速度变慢；如果过薄，则会导致型腔内金属热量损耗过大；与此同时，横浇道还应该具备一定的长度，对尚在金属型腔内的金属液起到导向和稳流的作用。根据《中国模具设计大典》[20]中表29.3-20，将横浇道的类型选择为梯形横浇道。横浇道尺寸根据《中国模具设计大典》中公式29.3-8，29.3-9。（4-3）（4-4）由《中国模具设计大典》中表29.3-21，得出公式：（4-5）根据《中国模具设计大典》中表29.3-22，得出C1、C2分别为0.678、1.595。综合计算公式和实际设计情况得出D=17mm，W=59.2，其它主体尺寸视具体情况而定。横浇道主体尺寸见图4-6。图4-6横浇道截面积与主体尺寸4.2排溢系统设计宝马轮毂型腔均从内边的一段进料，但是金属液在进入型腔后，面临金属液将转向型腔的另一端的现象，由于金属液的转向，容易使液体紊乱或出现涡流的现象，所以在金属液填充的终端区域，还需设置较大的溢流槽来收集气体与夹渣[13]。4.2.1溢流槽设计宝马轮毂零件的溢流槽均分布在金属型腔周围每个型腔各设若干个溢流槽，作用如下。（1）排除型腔中的气体及容纳混有气体和涂料残渣的前流冷污金属液，防止压铸件产生冷隔、气孔和夹渣[13]；（2）防止局部产生涡流，与浇注系统一起控制金属液的流动状态，形成有利于避免压铸缺陷的充填条件[13]；（3）调节模具内部的温度场分布，改善模具的热平衡状态，以减少压铸件表面流痕、冷隔及浇不足现象[13]；（4）可以作为压铸件脱模时推杆推出的位置，可防止压铸件偏斜避免在压铸件表面留有推杆痕迹[13]；（5）设置在动模上的溢流槽，可增大压铸件对动模的包紧力，使压铸件在开模时随动一起带出[13]。将溢流槽设置在分型面上有利于铸件的拔模和排气，由于宝马轮毂零件选择的分型面，在定、动模两侧均有，其包紧力接近，因此特地将溢流槽动模一侧为了避免压铸件在开模时留在定模内，以增大对动模的包紧力，使压铸件在开模时随动模带出，溢流槽的截面积形状一般选用梯形[13]，通过查阅中国模具设计大典[20]，得出各溢流槽相同尺寸如表4-1所示。表4-1各溢流槽相同部分尺寸[21]高/mm起模斜度/°圆角半径/mm溢流槽16209溢流口1根据设计压铸方案实际情况，由压铸件平均壁厚和表面质量要求，查得溢流槽总容积为压铸件体积的25%。压铸件体积为2890cm3，故溢流槽总体积为722cm3。得出溢流槽位置数量和主要尺寸分布如图4-7所示。图4-7溢流槽主要尺寸及分布位置4.2.2排气槽设计型腔或溢流槽与大气的连接通道是排气槽。压铸生产时，金属液的充填速度非常快型腔的充填时间非常短，因此型腔中的空气及涂料挥发产生的气体的排除是一个极其重要的问题，为了使型腔中多余气体在压射时尽可能的被金属液排出，应将排气槽设置在金属液最后填充的部位，本次压铸模将排气槽采用直式设计在分型面处的溢流槽尾部[13]。根据压铸件结构特点，排气槽分布位置如图4-8所示，排气槽的尺寸如表4-2所示。表4-2排气槽尺寸[21]深度/mm宽度/mm排气槽0.150备注：排气槽离开型腔20mm后，深度增加为0.3mm，这样有助于提高排气效果。图4-8排气槽分布位置

第5章压铸模具设计压铸模结构的设计主要由成型零件与结构零件的设计、模具结构的设计、推杆机构的设计、抽芯结构的设计和模具结构零件的设计组成[20]。又因为宝马轮毂结构存在抽芯结构，所以压铸模结构设计时还要加上抽芯系统设计。主要设计有：型腔和型芯尺寸、镶块、模板、垫块、导柱、导套、浇口套、斜滑块及楔紧块这些非标准件，压铸机应该根据浇注系统与排溢系统尺寸数据进行选择。5.1压铸机型号选择选择压铸机首先需要计算胀型力，并满足锁模力和胀型力关系式5-1[21]。（5-1）又根据《中国模具设计大典》公式： （5-2）经creo2.0的计算，投影面积之和是923所以胀模力4799.6KN又因为合模力(锁模力)实际压铸时要大于胀模力，根据参考选择压铸机J117C型卧室冷室压铸机[21]，锁模力为7000kN，经公式5-1校核，符合要求。J117C压铸机的其它参数如表5-1所示。表5-1J117C型卧式冷室压铸机锁模力kN7000铸件总面积cm2414~1996拉杆内间距（水平×垂直）mm750ⅹ750压射比压（小/大）Mpa35.6/169模具厚度（最小-最大）mm350~850一次金属浇入量kg10动模座板行程mm650空循环周期次/n≦14顶出行程mm150管路工作压力MPa14顶出力kN250电动机功率kW37压射力kN280~650重量kg39000压室直径mm（70）8090100外形尺寸（长×宽×高）mm8870ⅹ2620ⅹ31505.2成形零件的设计在压铸过程中，成形零件与高温的金属液接触，承受着高速金属液的冲击和摩擦，容易发生磨损、变形和开裂，以致成形零件的破坏。因此在设计压铸模时，必需保证压铸件的要求，考虑到压铸模的使用寿命。由于宝马轮毂的腔体结构较为复杂，若是使用镶拼式，则需要使用的镶块多且固定难度较大，因此采用整体式，将成形部分直接在模板上加工而成，然后嵌入到模板上。5.2.1成形零件的收缩率成形零件的收缩率和压铸件的结构特点、收缩方向、壁厚、阻碍收缩的条件、合金成分以及有关的工艺因素息息相关[22]。因此精确得出其收缩率是比较困难的，一般需要很全面地考虑对它造成影响的诸多因素，该压铸的成形零件部分的收缩率根据《中国模具设计大典》中表29.4-27中的推荐值进行选取，该压铸件的合金种类为铝硅铜合金，所以最终确定其收缩率为0.35%。5.2.2动定模的设计成形零部件直接接触金属液并决定压铸件几何形状的那部分尺寸，称为工作尺寸，工作尺寸一般包括前后模芯的径向尺寸、深度尺寸等[23]。保证压铸件尺寸精度的关键是成形零件的工作尺寸，因此要综合考虑诸多影响因素，并选取合适的公差，其材料选用SKD61。动模型腔定模（5-3）[21]模芯工作尺寸如公式（5-4）[21]所示。(5-3)式中：=，这里取。(5-4)式中：代入相关数据得出计算结构，最后得到定模、动模结构及主要尺寸具如图5-1，图5-2所示图5-1定模结构和主要尺寸图5-2动模结构及主要尺寸5.3结构零件的设计5.3.1导柱与导套的设计（1）导柱的设计要有一定的刚度，并且要保证动模和定模在安装和合模时位置正确。导柱应该具备很好的韧性以及很好抗弯曲强度的性质[20]，所以它的材料选择GCr15，并对其进行热处理，在热处理完毕之后其硬度为50-55HRC。导柱的高度要大于型芯高度，导柱的固定部分在进行与模板的配合选用H7/m6的过度配合。根据《中国模具设计大典》中公式29.4-10[21]。（5-5）其中已知A=640000，K取0.09，则D=72mm综合考虑动定模板实际情况，取导柱直径为100mm，总共设置4根。（2）导套的设计导柱与导套需要相互配合，也设置为4根，分别放置在动定模套板的四角。导套的材料与导柱相同，也选用GCr15。导套与动模套板的配合为H7/k6。导柱导套结构及主要尺寸见图5-3，图5-4。图5-3导柱结构及主要尺寸图5-导套结构及主要尺寸5.3.2动定模套板的设计动定模套板是压铸模结构零件构成的重要部分[24]，模具的各个部位按照一定的规律和位置在模板内加以安装和固定，模板按照其组合的位置及作用分为座板、套板和支撑板等。宝马轮毂的模板组成主要有镶嵌定模的定模套板，镶嵌动模的动模套板，在其后依次紧跟着推出机构的推板、推板固定板。要求动定模套板的厚度H，须根据压铸件高度h来确定，k为经验系数，通常取0.5~0.67。计算公式为如5-6[21]所示。（5-6）动定模套板尺寸应与动定模尺寸保持一致的同时，还应满足以下要求。（1）压铸工艺方面，浇注系统、排溢系统所需的位置，尤其是卧室压铸机上所使用的压铸模，一般模套的中心位置应该偏离模体中心L（2）模具结构方面，要留出安装导向零件、复位零件及连接螺钉位置（3）模具强度方面，模板会因为拉伸、弯曲、压缩等应力状态而产生变形，影响压铸件的尺寸精度，所以还需要留有足够的侧壁和底部厚度综合上述要素，最后得到的动定模套板结构及主要尺寸如图5-5、5-6所示。图5-5定模套板结构及主要尺寸图5-6动模套板结构及主要尺寸5.3.3动定模座板的设计根据《中国模具设计大典》[21]中表29.4-46，确定本设计中，两底板的尺寸为，主要尺寸如图5-7和5-8所示。图5-7定模座板主要尺寸图5-8动模座板主要尺寸5.3.4支撑板的设计其计算公式[21]：（5-7）式中：因此计算支撑板厚度：mm图5-9为支撑板主要尺寸。图5-9支撑板主要尺寸5.3.5推板与推板固定板的设计推板与推板固定板的尺寸根据模具的结构来确定[25]。其中推板厚度确定为22mm，推板固定板厚度确定为16mm。其长度和宽度根据《中国模具设计大典》中表29.4-47，最终确定长度A为800mm，宽度B为800mm。推板与推板固定板的长宽一致，其材料选用45号钢。推板与推板固定板结构和主要尺寸如图5-10，5-11所示。图5-10推板结构及主要尺寸图5-11推板固定板结构及主要尺寸5.3.6垫块的设计根据《中国模具设计大典》中表29.4-50，垫块模式采用整体式：最终确定为L=200mm，B=1440mm，H=80mm，设置为两个垫块进行工作。其材料选用45号钢。垫块结构及主要尺寸如图5-12所示。图5-12垫块结构及主要尺寸第6章抽芯机构的设计抽芯机构的组件的性能必须满足以下几点：（1）高耐磨性：滑块表面硬度必须大于HRC50，以保证其耐磨性能。（2）硬度差：行位与其配合的零件之间必须有HRC5~10的差值，下模镶件采用预硬模具钢8407，其他与行位有接触的零件均采用TOOLOX44耐磨钢。他们通过不同的热处理方式可以达到此项要求。（3）加工性：除行位以外的零件都是单一简单结构零件，热处理变形小，可加工性优异。而行位的成型部分可以通过电火花加工，其余结构对于传统加工也容易保证其加工精度。（4）配合要求：行位与压板有相对运动，其配合采用H7/f7的间隙配合。与下模镶件的的配合以保证不溢料尽量保证动作稳定灵活。详细见模具总装的配合要求。6.1抽芯力与抽芯距离距的确定6.1.1估算抽芯力根据《中国模具设计大典》[21]中公式29.5-1：（6-1）式中： 已知A=101cm，l上=23cm，l下=23cm，p=12MPa，μ=0.25，α=2°。可以得出F上=F下5991kN6.1.2抽芯距的计算公式如下[21]：（6-2）式中：已知=50，=50mm，所以=50+5=55mm6.2斜导柱分型抽芯机构的设计抽芯机构示意图如图6-1所示。图6-1斜导柱分型抽芯机构示意图在抽芯方向与分型面平行的情况下，斜角的选择与抽芯力的大小、抽芯行程的长短、斜销承受的弯曲应力以及开模阻力有关[21]。最终确定斜角α为22°。材料采用优质钢材T8A，淬火硬度HRC55～60。6.2.1斜导柱直径的估算根据《中国模具设计大典》[21]中公式29.5-8： 或 （6-3）式中：根据《中国模具设计大典》[21]中表29.5-10得到F弯=1.062F。已知F上=5991kN，F下=5991kN。可得F弯上=F弯下=6362.44kN。最终可以得出d=30mm，固定端直径D=d+（6~8）mm=40mm。6.2.2斜销长度的确定根据《中国模具设计大典》[21]中公式29.5-9： （6-4）式中：已知D=40mm，d=30mm，α=20°，H=100mm，S抽=55mm，最终得出L=289mm。6.3滑块的设计滑块是连接活动型芯来进行抽芯运动的部件[21]。根据《中国模具设计大典》中表29.5-36，进行滑块L的确定，L=l1+l2+l3+l4。最终确定L=550mm。其材料选用4Cr5MoSiV1。滑块主要尺寸如图6-2所示。图6-2滑块主要尺寸6.4楔紧块的设计楔紧块的定义是用来防止金属液冲入时使滑块后移的部件。其尺寸为长400mm，宽232mm，高200mm。台阶部分尺寸为长400mm，宽100mm，高100mm。楔紧块材料为T8A钢，热处理：淬火45~50HRC。楔紧块主要尺寸如图6-3所示。图6-3楔紧主要尺寸第7章压铸模具总体结构的设计压铸模具的基本结构通常包括：模具零件结构、推出和复位机构、浇注系统、侧抽芯机构和模架。除了以上机构外，模具内还有用于定各种零件的内六角螺栓及销钉等。三维图如7-1所示，二维图如图7-2所示。图7-1模具总装图图7-2模具总装图压铸机校核8.1压室容量的核算压射比压和压室尺寸应该根据初步选得的压铸机型号来确定，根据核算压室容量来判定其每次浇注能否满足要求，满足要求关系式如公式8-1所示，压室容量计算公式如公式8-2所示。（8-1）—压室容量（kg）；—每次浇注金属液重量（kg）；（8-2）其中数据D室=10cm，L=15cm，ρ=2.7g/cm³经creo2.0软件测量可知，铸件质量、浇注系统和排溢系统总体积为4407mm³，金属液体密度ρ=2.7g/cm³，算得每次浇注的金属液重量G浇=11.9kg。根据公式（8-2）计算得G室=21kg。所以G室＞G浇，所以压室容量规格能满足每次金属浇注量。8.2模具厚度核算在压铸模具设计完毕后，还应该对模具厚度进行校核，具体公式如（