基于数值模拟技术的圆形电机盖压铸模具设计与制造正文大学学位论文.docx
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基于数值模拟技术的圆形电机盖压铸模具设计与制造正文大学学位论文
基于数值模拟技术的圆形电机盖压铸模具设计与制造
【摘要】本设计的对象为圆形电机盖，材料为ADC12，其壁厚不均，具有凹孔和凸台结构，无侧抽芯。
根据电机盖的结构特点，设计了三种浇注系统，通过Flow3D软件对整个金属流动过程进行模拟，确定了以扇形侧浇口进行进浇的方案。
根据此方案的金属流向和卷气位置设置排溢系统，经Flow3D验证合理。
同时，对模具的其它结构进行了设计，并对真空阀的安装位置和使用方式进行了讨论。
最后，对圆形电机盖模具的生产周期和生产成本进行了估算。
【关键词】圆形电机盖，Flow3D，浇注系统，卷气，排溢系统
Die-castingmolddesignandmanufacturingofcircularmotorcoverbasedonthenumericalsimulationtechnology
【Abstract】Thecircularmotorcover'srawmaterialisADC12，whichwitharecessedholeandbossstructure,nosidecore-pulling,anditswallthicknessisuneven.Accordingtothestructurecharacteristicsofthemotorcover,threekindsofgatingsystemwasdesigned,SimulatedthemetalflowprocessbyFlow3Dsoftware,anddeterminedtousethefansidegatepouringplan.Accordingtothemetalflowandthegasvolumelocationoftheplantosettheexhaustsystem,ithasbeenverifiedbyFlow3D,andisprovedreasonable.Atthesametime,designotherstructuralofthemouldanddiscussthemountingpositionandmannerofuseofthevacuumvalve.Finally,arrangetheproductcycleandaccountmoldcosttocircularmotorcovermould.
【keywords】thecircularmotorcover，Flow3D，gatingsystem，gasvolume，exhaustsystem
1前言
1.1压铸的概念
压铸，换个词来说就是压力铸造，其实是指在高压力、高速条件下将熔融的合金液体充填到模具型腔内，然后快速冷却，从而实现成型的一种精密的铸造方法。
高压和高速构成了压铸成型的两大特点，这两大特点是压铸与低压铸造、差压铸造和重力铸造等其他铸造方法的最根本区别。
1.2压铸铝合金在工业化中的应用及发展
铝合金保持了纯铝的质轻的特点，但力学性能比纯铝明显提高。
铝合金的密度仅为铁、铜、锌的1/3左右，具有较高的比强度和比刚度。
其高温力学性能很好，在低温下工作的同时保持的良好的力学性能，尤其是韧性，耐久性好、适用范围广。
而且，铝合金熔铸工艺简单，可以在多种压铸机上进行压铸。
其压铸件成型及切削加工性良好，是代替钢铁铸件的最具潜力的压铸合金材料。
因铝合金与铁有很大的亲和力，容易粘模。
故铝合金应在冷室压铸机上进行压铸[1]。
铝合金的铸造用途很广泛，主要生产结构件一般都与碰撞有关，例如汽车底盘零件、车身等；另外用于离合器壳体、发动机部件、转向器壳体、变速器壳体、后桥壳等壳体类零件的频率也是相当高的[2]。
在二十世纪的中期，铝合金压铸件得到了很大的发展，在这之前人们经常使用铁来进行压铸的生产，然而当人们意识到铝合金的优点以后，铝合金基本可以用来替代铁来进行压铸，因此应该将铝合金压铸件放在在最重要的地方。
所以随着时间的推动，到现在为止铝合金已经成为了全球主要采用的压铸原始材料了。
本文主要从铝合金压铸，特别是在真空压铸这一方面来介绍工业生产的圆形电机盖的模具设计与制造。
1.3真空压铸技术介绍
1.3.1真空压铸的原理
真空压铸的基本原理主要是利用在设计出来的模具中开设集渣包，然后利用在模具上的排气通道将型腔内部连接到集渣包里面，最后在集渣包上开设相应的通道与真空装置相连接，使排气通道完整的链接到外部装置中。
1.3.2真空压铸的优点与缺点
真空压铸的优点主要有以下几点：
（1）经过真空压铸后的铸件其致密度较高，可进行热处理，它的力学性能较。
（2）真空压铸能消除由于型腔内部气孔造成的压铸件的表面缺陷，从而改善了铸件的表面质量。
（3）从铸型型腔抽出空气，显著地降低了充填反压力，并可在提高强度的条件下采用较低的比压（较常用的比压约低10％～15％）压铸出较薄的铸件，使铸件壁厚减小25％～50％。
（4）可减少浇注系统和排气系统尺寸。
（5）采用真空压铸法可提高生产率10％～20％。
在现代压铸机上可以在几分之一秒内抽成需要的真空度，并且随铸型中反压力的减少增大了铸件的结晶速度，缩短了铸件在铸型中停留的时间[3]。
真空压铸的缺点主要有以下两点：
（1）模具密封结构复杂，制造及安装较困难，因而成本较高。
（2）真空压铸法如控制不当，效果就不是很显著。
1.3.3真空压铸的国内外现状
随着国内外压铸技术的发展，国内压铸界在高真空压铸技术方面开发了一套具基于PLC和触摸屏的、在普通压铸机上使用的高真空控制系统。
此系统能和现有的压铸机相匹配，适应于压铸机的普通压铸（无真空）和高真空压铸工作模式，并且能对模具的密封状况及真空系统管路进行检测。
同时，在压铸过程中系统会自动化地监测模具型腔中的真空度、真空抽气管路的堵塞情况，以确保高真空压铸生产的可靠性和稳定性。
此系统现已在某汽车底盘保安零件的压铸生产中受到应用，满足了高真空压铸的要求。
这种技术的突破进一步说明了真空压铸在国内工业生产的进步与适用性[4]。
目前，市场上对于大部分压铸件的质量要求并不是很高，其中利润相对低薄在一定程度上限制了真空压铸的运用；但是如果是高端产品，真空技术依靠其技术上的优势可以有效的降低铸件中的气孔、优化金属液在型腔中的流动、加长压铸件和压铸模的工作寿命，使铸件获得良好的物理性能和工艺而生产出几乎接近完美的压铸产品[5]。
1.3.4真空压铸在本设计中的应用
目前，真空压铸主要用于生产要求耐压、机械强度高、尤其是要求热处理的高质量零件，如传动箱体、汽缸体等重要而结构复杂的铸件。
本设计中的零件结构虽然简单，但壁厚不均匀，在铝合金金属液充型过程会形成卷气、气孔等不良缺陷。
这会影响产品的后续加工以及质量，使得该电机盖的强度等力学性能达不到要求。
对于该电机盖也是属于大批量生产的，成品率的要求也较为严格，所以在压铸过程中可采用真空压铸技术抽真空。
通过查阅相关资料设计浇注系统，考虑使用CAE软件Flow3D来确定最佳的浇注方案，观察排气点，引出排气通道，并由此设计排溢系统，通过对试验结果运用多指标综合加权评分法分析，在最佳试验范围内获得最佳成型工艺参数组合，并且在气流终点利用真空阀进行抽真空，设计时把真空阀装置安装在模具的侧边，采用机械真空阀控制其的关闭，从而实现真空阀工作的排气功能，使产品的表面质量和性能达到一定的要求。
2圆形电机盖的工艺分析
2.1设计任务书
该电机盖所使用的压铸原材料是铝合金ADC12，其线收缩率为0.5%，利用PROE软件对其进行分析得出产品的质量约为370g，产品的三维图如图2-1所示：
图2-1圆形电机盖的三维图
2.2零件工艺分析
2.2.1零件结构分析
零件铸件具体结构、尺寸及质量成型等要求如图2-2所示：
图2-2圆形电机盖零件图
（1）铸件多个地方具有凹孔、凸台的结构，为对称零件，不需要抽芯机构。
（2）铸件壁厚不均，最大9mm，最小为2.5mm，平均壁厚为5mm。
（3）铸件质量为370g。
2.2.2零件材料分析
选取常见铝合金：
ADC12作为压铸材料。
ADC12具有良好的压铸性能，它保持了纯铝的质轻特点，但力学性能比纯铝明显提高。
其中，比强度和比刚度较高，高温力学性能也较好，其表面有一层致密的氧化膜，又具有一定的耐腐蚀能力[6-8]。
铝硅合金流动性能好，凝固温度范围窄，热脆性及收缩倾向小，不易产生裂纹，致密性好。
此外还有较好的耐腐蚀性、导热性、良好的力学性能以及较低的热膨胀性，适合压铸大型、薄壁、复杂及有密封性要求的压铸件，如液压泵壳体、箱盖、缸体等。
由于该铸件是大量生产的轻金属压铸件，因此在正常情况下能达到IT11~14的公差等级，但由于铸件的部分尺寸受分型面及型芯装配的影响从而增大了尺寸公差，因此选精度等级为IT13。
3分型面的设计及压铸机的初步确定
3.1分型面的设计
动模与定模的接触面，即将动模与定模分开的曲面，成为分型面。
一般情况下，压铸件和浇注系统凝料在完成压铸时由分型面开模取出。
因此，分型面的选择对压铸模的结构合理性和制造难易程度，对压铸生产的高效和可靠性和对操作的方便和安全性等等都起着关键的、决定性的影响。
分型面的选择与压铸件有关。
确定分型面时，应遵循以下基本原则：
（1）分型面的选择应便于压铸件的顺利脱模。
（2）分型面应选在压铸件外形最大轮廓处。
（3）分型面的选择应有利于浇注和排溢系统的布置和排气。
（4）分型面的选择应保证压铸件的尺寸精度和表面质量要求。
（5）分型面的选择应使模具结构简化且便于模具加工。
（6）分型面的选择应考虑压铸合金的性能，避免使压铸模具出现易损部位。
考虑到本电机盖壁厚不均匀，且电机盖上下端圆形开口处都存在圆弧结构，还有浇注系统的布置，因此本压铸件有上下两个分型面，分型方案如图3-1所示，箭头方向为工件顶出方向。
图3-1分型面示意图
分模后压铸件将留在动模部分，易于浇注系统和排溢系统的布置，这样的模具结构比较简单，且便于加工与制造。
3.2压铸机的初选
压铸机为压铸生产的基本设备之一，通过压铸机可以实现压铸过程中各种特性。
因此，对压铸机进行了解是进行压铸生产的前提。
在整个压铸模具的设计过程中，压铸机的选用非常关键，所以，熟知压铸机的特点、技术规格，才能选择合适的压铸机从而保证压铸生产的顺利进行[9]。
3.2.1压铸机的分类和选择
压铸机的类型一般根据生产状况确定，首先要考虑铸造合金种类，其次要考虑压铸件特征及质量要求等。
热式压铸机仅适用于锌合金、镁合金，铝合金及铜合金不能采用热式压铸机；而冷室压铸机可用于压铸铝、锌、镁、铜合金，冷室压铸机具有增压机构，使压铸件在高压压室的的条件下进行压铸，所以生产出的产品致密性较好，压铸件强度也较高。
对于壁厚大的压铸件及结构件，一般采用冷室压铸机进行生产。
本铸件的材料为铝硅合金，结合铸件的成型要求及上述压铸机的选择条件，决定选用卧室冷室压铸机进行生产。
卧式冷室压铸机具有如下特点：
（1）压室的中心线垂直于分型面，且呈水平分布；
（2）熔融金属液进入型腔后转折少，压力损耗小，增压机构能更好的发挥其作用；
（3）冷室卧式压铸机一般有偏心和中心两个浇注位置，或可任意调节两浇注位置，以便模具设计时选用；
（4）易于操作、方便维修，便于实现自动化；
（5）金属液在压室内与空气接触面积大，如若压射速度选择不当，使空气和其它夹渣卷入；
（6）设置中心浇道时，模具结构复杂。
3.2.2相关压铸参数的选用
压铸工艺的基本参数包括四个方面，即压力、速度、时间及温度。
3.2.2.1压铸压力的选择
压力是压铸工艺基本特征，又称压射比压，金属液的充填流动和压实都是在压力的作用下完成的，压力是确保铸件致密性的重要参数之一，压射比压应根据压铸件的形状、尺寸、复杂程度、壁厚、合金的特性来选取。
铝合金的压射比压范围如表3-1所示。
由于此圆形电机盖属于承载件，因此选择压射比压范围为50～80MPa，这里我们取60Mpa.
表3-1常用的压铸合金压射比压推荐值（MPa）
铸件类型
合金种类
锌合金
铝合金
镁合金
铜合金
一般件
一般件
13～20
30～50
30～50
40～50
承载件
20～30
50～80
50～80
50～80
耐气密性件
25～40
80～100
80～100
—
电镀件
20～30
—
—
—
3.2.2.2压铸速度的选择
与压射比压一样，充填速度也是压铸工艺的主要参数之一，充填速度的高低直接影响压铸件的内部和外观质量。
充填速度过小会使铸件的轮廓不清，甚至不能成形。
充填速度选择过大，会引起铸件粘型并使铸件内部气孔率增加，使力学性能下降。
一般应遵循的原则：
对于厚壁或者内部质量要求较高的铸件应选择较低的充填速度，对于薄壁或者表面质量要求高的铸件以及复杂的铸件应选择较高的充填速度[10]。
常用充填速度如表3-2、表3-3所示。
表3-2不同合金常用的冷室压铸充型速度
合金种类
铝合金
锌合金
镁合金
铜合金
充型速度/（m/s）
20～60
30～50
40～90
20～50
表3-3基于压铸件壁厚的冷室压铸充型速度
平均厚度/mm
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
充型速度/（m/s）
46~55
42~50
38~46
34~42
32~40
30~37
28~34
26~32
根据表3-2和表3-3以及此电机盖的平均厚度，选择充填速度为32m/s。
3.2.2.3压铸温度的选择
温度是压铸工艺中的热因素，主要涉及金属液的浇注温度和压铸模具温度。
（1）浇注温度。
浇注温度是指金属液进入浇注系统或型腔时的温度。
各种合金的推荐浇注温度如表3-4。
表3-4各种压铸合金的推荐浇注温度
铝合金
浇注温度/℃
铝硅系
620～690
铝硅铜系
630～720
铝镁系
620～700
本压铸件的材料为ADC12，属于铝硅系，因此浇注温度范围是620~690℃，初选680℃。
（2）压铸模具工作温度。
压铸模具温度对压铸件质量、尺寸精度及压铸模具寿命都有影响。
通常，压铸模具温度控制在浇注温度的1/3左右，薄壁、结构复杂的压铸件可适当调高。
推荐的压铸模具温度如表3-5。
.
表3-5推荐的压铸模具工作温度（单位：
℃）
合金
锌合金
铝合金
镁合金
压铸模具温度
150～200
210～300
240～300
初选模具工作温度为255℃。
3.2.2.4压铸时间的选择
压铸工艺中的时间参数包括充填时间、保压时间和留模时间三个部分。
（1）充填时间
自液态金属开始进入型腔起到充满型腔止，所需的时间称为充填时间。
充填时间长短取决于铸件的体积的大小和复杂程度。
对大而简单的铸件，充填时间要相对长些，对复杂和薄壁铸件充填时间要短些。
表3-6铸件的平均壁厚与充填时间的推荐值（单位：
s）
铸件平均壁厚b/mm
充填时间t/s
铸件平均壁厚b/mm
充填时间t/s
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0.01～0.014
0.014～0.020
0.018～0.026
0.022～0.032
0.028～0.040
0.034～0.050
0.040～0.060
5
6
7
8
9
10
0.048～0.072
0.056～0.064
0.066～0.100
0.076～0.116
0.088～0.138
0.100～0.160
本壳体属于复杂较大铸件，铸件平均壁厚约为5mm，参考表3-6，其充填时间为0.040～0.060s，取充填时间为0.05s。
（2）保压时间
从液态金属充填型腔到内浇口完全凝固时，继续在压射冲头作用下的持续时间，称为持压时间。
持压的作用是使压力传递给未凝固的金属，保证铸件在压力下结晶，以获得致密的组织。
持压时间的长短取决于铸件的材质和壁厚，参考表3-7。
表3-7生产中常用的持压时间（单位：
s）
合金
铸件壁厚<2.5mm
铸件壁厚2.5～6mm
锌合金
铝合金
镁合金
铜合金
1～2
1～2
1～2
2～3
3～7
3～8
3～8
5～10
参考表3-7，壳体壁厚平均为5mm，较大，其持压时间为3～8s，取6s。
（3）留模时间
在完成充填和保压阶段后，为了保证零件得以达到要求的冷却效果以及避免在过热的情况下露置在空气中的过分冷却需要对其进行考虑相关的停留时间。
从压射终了到压铸模打开的时间，称为留模时间[11]。
留模时间应根据铸件的合金性质、铸件壁厚和结构特性参考表3-8选择。
表3-8各种压铸合金常用停留时间
合金
铸件壁厚<3mm
铸件壁厚3～4mm
铸件壁厚>5mm
锌合金
铝合金
镁合金
铜合金
5～10
7～12
7～12
8～15
7～12
10～15
10～15
15～20
20～25
25～30
15～25
25～30
壳体的铸件平均壁厚约为5mm，参考表3-8，其留模时间为10～15s，取13s。
对于上述对的时间分析，在对零件压铸的过程中的时间t约为：
（3—1）
总结上述参数的设计，我们将各参数罗列如表3-9，以便接下来的设计使用：
表3-9压铸工艺参数表
压力（Mpa）
速度（m/s）
温度（℃）
时间（s）
浇注温度
模具温度
充填时间
保压时间
留模时间
60
32
680
255
0.05
6
13
3.2.3压铸机吨位的确定
3.2.3.1胀型力的计算
胀型力的计算一般包括主胀型力和分胀型力，由于本铸件采用了侧抽芯机构，所以我们需要考虑分胀型力。
（1）主胀型力的计算
主胀型力的计算公式为：
（3-2）
式中：
F主－主胀型力（kN）；
A－铸件在分型面上的总投影面积，一般增加30％作为浇注系统和溢流排气系统的面积（cm2），A＝245.5×130％＝319.15cm2；
p－压射比压（MPa），取p=60MPa
经过计算得：
F主=2074.475KN。
3.2.3.2锁模力的计算
锁模力是选用压铸机时首要确定的参数，其作用主要是为了克服压射时的反压力，及胀型力，以锁紧模具的分型面，防止因模具松动，引起金属液飞溅、伤人，保证铸件的尺寸精度[12]。
锁模力的计算公式为：
（3-4）
式中，F锁是压铸机应有的锁模力（KN）；F主是主胀型力（KN）；F分是分胀型力（KN），K是安全系数（一般取K＝1.25）。
经过计算得：
F锁≥2593.09KN
3.2.3.3浇入合金液重量的计算
铸件净重G1=370g，浇注系统按铸件30%算，G2=370×0.3=111g
浇入金属液总重G总=370+111=481g。
3.2.3.4压铸机的选用
根据锁模力的大小，参考压铸模设计手册，选择J1140顺德华大压铸机厂卧式冷压室压铸机，该压铸机锁模力为4000KN。
根据压力机的参数选择压室直径为φ60mm，相关参数如表3-10。
表3-10顺德华大压铸机厂卧室冷室压铸机J1140参数
顺德华大压铸机厂卧室冷室压铸机J1140参数
合模力F合/kN
拉杆间的内尺寸A×B/mm
动型座板行程L行/mm
压铸型厚度H模/mm
压射力F压/kN
压室直径D/mm
最大金属浇注量G浇/kg
4000
755×655
450
300～750
400
60
4.5
最大铸造面积A/cm2
压铸件顶出力F顶/kN
铸件顶出行程S顶/mm
系统工作压力P工/MPa
一次空循环时间t/s
机器总重W/t
机器外形尺寸mm
（长×宽×高）
1250
180
120
12
10
16.5
7325×1850×2400
4基于Flow3D的浇注系统的设计
在压力作用下将金属熔体充填至型腔的通道，成为浇注系统。
该系统对金属熔体的流动方向、压力的传递、充填的时间、充填速度、模具的热分散和排气条件等方面起着重要的控制和调节作用，决定着金属熔体流动的状态，是影响压铸件质量的重要因素。
因此，正确设计浇注系统是提高铸件质量、稳定压铸生产的关键之一。
上述所选的卧室冷室压铸机的浇注系统由直浇道、横浇道和内浇口三部分组成，余料与直浇道合为一体。
开模时，压铸件与整个浇注系统随动模一起脱离定模，之后，由设置在动模上的推出机构将压铸件推出。
同时压铸件的结构特点、技术要求、合金种类及其特性，压铸机类型及特点都是设计浇注系统时要考虑的因素[13-15]。
浇注系统设计包括三个基本内容：
1）浇口位置的确定。
2）浇注系统类型的选择。
3）浇注系统各部分的形状及尺寸确定。
卧式冷室压铸机的浇注系统一般结构直浇道、横浇道、内浇口三个部分，基本结构如图4-1所示。
4-1卧式冷室压铸机浇注系统的组成
浇注系统一般采用反向设计顺序，即先从内浇口开始，根据压铸件特征及工艺参数首先确定内浇口尺寸。
依据内浇口尺寸，使用一定的扩大系数，计算横浇道尺寸。
最后进行直浇道设计，其尺寸与横浇道匹配。
这种设计顺序保证以内浇口尺寸为基准，便于设计调整，减少过程反复。
4.1内浇口设计
内浇口是指横浇道到型腔的一段通道。
其作用是使横浇道输送出来的低速金属熔体加速，并形成理想的流态，充填型腔。
设计内浇口时，主要是确定内浇口的位置和方向以及内浇口的截面尺寸，预计金属液在填充过程中的流态，并分析可能出现的死角区或裹气部位，从而在适当部位设置有效的溢流槽和排气槽。
4.1.1内浇口类型的选择
常用的内浇口大致可分为下列几种类型：
侧向内浇口、中心式浇口、顶浇口、环形浇口、缝隙浇口、多支浇口和点浇口。
其中侧向内浇口适合于盘盖类、型腔不太深的壳体类压铸件，而且此种浇口去除方便，适应性强，因此选择此类型的内浇口。
4.1.2内浇口截面积计算
内浇口速度和填充时间直接由内浇口的截面面积决定。
当内浇口的速度一定时，若内浇口的截面积过大，型腔内的气体会由于金属液充填型腔的时间过短而来不及排出，导致产品产生气孔等压铸缺陷。
反之，填充时间被延长，部分金属液在充填过程中冷却过快，则会产生充不满的现象。
显然，确定内浇口的截面积是整个模具设计过程中的一个非常重要的步骤。
确定内浇口截面积有多种方法，其中经验是计算过程中非常重要的因素。
下面选用公式法进行计算。
Ambass公式
Ag=KW1/2（4-1）
式中Ag——浇口面积（mm2）;
K——质量系数；
W——填充质量（通过内浇口的合金液质量）（g）；由PROE分析模拟得铸件净重W1=370g，排溢系统按铸件30%算，W2=370×0.3=111g，浇入金属液总重W=W1+W2=370+11
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