铝合金轮毂压铸模具设计.doc

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XXXX大学

本科生毕业论文

姓名：

XX学号：

XX

学院：

专业：

设计题目：

铝合金轮毂压铸模具设计

专题：

指导教师：

XXX职称：

XXX

2012年6月XX

XXXX大学毕业设计任务书

学院专业年级

学生姓名

任务下达日期：

毕业设计日期：

毕业设计题目：

毕业设计专题题目：

毕业设计主要内容和要求：

院长签字：

指导教师签字：

XXXX大学毕业设计指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

指导教师签字：

XXXX大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

评阅教师签字：

XXXX大学毕业设计答辩及综合成绩

答辩情况

提出问题

回答问题

正确

基本

正确

有一般性错误

有原则性错误

没有

回答

答辩委员会评语及建议成绩：

答辩委员会主任签字：

年月日

学院领导小组综合评定成绩：

学院领导小组负责人：

年月日

摘要

轮毂是电动自行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。

近几年来半固态加工技术因其节能、高效、环保式生产以及成型件的高性能等诸多优点，得到了世界各国的广泛关注。

半固态铸造成形技术不但综合了铸造成形和锻压成形的优点。

而且部分产品的性能会接近甚至于达到锻压产品的性能。

因此，采用半固态挤压成形工艺来加工电动自行车轮毂将会是一个新的发展方向。

模具在半固态挤压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成品件质量的关键所在。

本文对电瓶车轮毂进行二维造型比较形象的展示轮毂的外形。

并主要从电动自行车轮毂的发展状况、铝合金的成型与铸造方法、半固态挤压成型工艺及特点，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半固态挤压模具的设计。

该款轮毂的材料采用了铝合金材料（ZL101A），分析了轮毂零件的特点。

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。

关键词：

轮毂;半固态挤压;模具设计

ABSTRACT

目录

一般部分

1绪论……………………………………………………………………………1

1.1压力铸造………………………………………………………………2

1.1.1典型的压铸填充理论………………………………………………2

1.1.2压力铸造的特点……………………………………………………2

1.1.3压铸生产过程简介………………………………………………2

1.2压铸业发展历史、现状及趋势……………………………………………3

1.2.1压铸的发展历史…………………………………………………………2

1.2.2我国压铸业的发展………………………………………………………2

1.2.3压铸产业的发展趋势……………………………………………………2

1.3本课题的研究内容及意义…………………………………………………4

1.3.1研究内容………………………………………………………………6

1.3.2开展本课题的意义……………………………………………………7

模具设计专题部分

3压铸件设计……………………………………………………………10

3.1压铸件基本结构设计………………………………………………………10

3.1.1壁厚和肋…………………………………………………………10

3.1.2铸造和圆角……………………………………………………11

3.1.3起模斜度………………………………………………………11

3.2压铸件结构设计的工艺性………………………………………………11

3.3压铸件技术要求……………………………………………………11

3.3.1尺寸精度…………………………………………………………11

3.3.2表面质量…………………………………………………………12

3.3.3机械加工余量……………………………………………………13

4压铸机的选用及相关计算与校核……………………………………………11

4.1确定压铸机的锁模力………………………………………………13

4.1.1计算主胀型力……………………………………………………………10

4.1.2计算锁模力………………………………………………………………10

4.1.3开模行程的核算…………………………………………………………10

5半固态挤压模具设计概述……………………………………………………11

5.1半固态挤压模具基本结构………………………………………………13

5.2分型面的设计……………………………………………………………15

5.3浇注系统的设计…………………………………………………………18

5.3.1浇注系统的结构与分类……………………………………………18

5.3.2内浇口的设计…………………………………………………19

5.3.3直浇道的设计…………………………………………………19

5.3.4横浇道的设计…………………………………………………19

5.4排溢系统的设计………………………………………………………19

5.4.1溢流槽的设计…………………………………………………20

5.4.2排气槽的设计…………………………………………………20

5.5模架的设计………………………………………………………………18

5.5.1模架的设计原则…………………………………………………18

5.6模具加热系统设计……………………………………………………19

5.7成形零件的设计………………………………………………………19

5.7.1半固态挤压件的收缩率…………………………………………20

5.7.2成形部分尺寸的计算………………………………………………20

5.8推出机构设计…………………………………………………………18

结论与展望…………………………………………………………37

参考文献……………………………………………………………………38

翻译部分

英文原文…………………………………………………………………40

中文译文…………………………………………………………………49

致谢…………………………………………………………………………59

一般部分

1绪论

1.1压力铸造

压铸是压力铸造的简称，是一种将处于熔融状态或半熔融状态的金属注入压铸机的压室，在高压力的作用下，以极高的速度充填在压铸模具的型腔内，并在高压下冷却凝固成型而获得铸件的高效益、高效率的精密铸造方法。

用该方式成型的铸件，常常成为压铸件。

目前压铸所采用的金属主要是各种合金，其中铝合金占比例最高（30%～60%），锌合金次之（在国外，锌合金铸件绝大部分为压铸件）。

镁合金是近几年国际上比较关注的合金材料，铜合金仅占压铸件总量的1%～2%。

1.1.1典型的压铸填充理论

压铸过程中金属液的填充形态与铸件致密度、气孔率、力学性能和表面粗糙度等质量因素密切相关，在极短的填充瞬间其受到压铸件结构、填充速度、比压、温度、内浇口与压铸件端面厚度之比、合金液的黏度及表面张力、浇注系统的形状等的制约。

长期以来人们对此进行广泛的研究，提出了一些论点，但这些论点都是在特定的实验条件下得到的，有一定的局限性，要求人们在应用中具体情况具体分析，使填充理论进一步完善和深化。

目前局域代表性的金属充填理论有三种：

喷射充填理论、全壁厚充填理论和三阶段充填理论。

①喷射填充理论

该理论是1932年由佛罗梅尔（L.Frommer）在矩形截面型腔一端开设浇口，研究锌合金压铸填充过程中得到的。

他认为液体金属的填充过程遵循流体力学定律，并且有摩擦和涡流现象；液体金属填充矩形型腔时的运动特性和内浇道截面积与型腔截面积之比有关。

佛罗梅尔认为：

当液流在速度、压力不变时，保持内浇口截面的形状喷射至对面型壁，成为喷射阶段；由于对面型壁的阻碍，部分金属呈涡流状返回，部分金属向所有其他方向喷射并沿型腔壁由四面向内浇口方向折回，成为涡流阶段。

涡流中容易卷入空气及涂料燃烧产生的气体，使压铸件凝固后形成0.1～1mm的孔洞，降低了压铸件的致密度。

②全壁厚填充理论

该理论是1937年由勃兰特（W.G.Brandt）用0.5～2mm厚的内浇口（且与压铸件厚度之比为0.1～0.6）研究铝合金压铸填充过程中得到的。

勃兰特认为，金属液经内浇口进入型腔后，即扩展至型壁后沿整个型壁截面向前填充，直到充满为止。

③三阶段填充理论

该理论是1944--1952年由巴顿（H.KBarton）提出来的。

巴顿认为，填充过程是包含力学、热力学和流体力学因素的复合问题，大致可分为三个阶段。

第一阶段：

受内浇口截面限制的金属射入型腔后，首先冲击对面型壁，沿型腔表面向各方向扩展，并形成压铸件表面的薄壳层，在型腔转角处产生涡流。

第二阶段：

后续金属液沉积在薄壳层内的空间里，直至填满，凝固曾逐渐向内延伸，液相逐渐减少。

第三阶段：

金属液完全充满型腔后，与浇注系统和压室构成一个封闭的水力学系统，在压力作用下，补充熔融金属，压实压铸件。

以上是早期的三种典型的填充理论。

由于压铸过程中，压铸件的填充是在极短的时间内完成的，并且过程是不连续的，变化迅速，压铸件是不透明的，因而不可能直接观察到压铸件内填充过程。

此外，填充过程还与压射工艺参数、压铸件和内浇道的形状及两者截面积之比、压铸合金的性能等因素有关。

因此，对填充理论一直存在着不同的看法。

1.1.2压力铸造的特点

高压力和高速度是压铸中熔融合金充填成型过程的两大特点，也是压铸与其他铸造方法最根本的区别所在。

压铸中常用的压射比压在几兆帕至几十兆帕范围内，有时甚至高达500MPa。

其充填速度一般在0.5～70m/s范围内，它的充填时间很短，一般为0.01～0.2s，最短的仅为千分之几秒。

因此，利用这种方法生产的产品有着其独特的优点。

可以得到薄壁、形状复杂但轮廓清晰的铸件。

其压铸出的最小壁厚：

锌合金为0.3mm；铝合金为0.5mm。

铸出孔最小直径为0.7mm。

铸出螺纹最小螺距0.75mm。

对于形状复杂，难以或不能用切削加工制造的零件，即使产量小，通常也采用压铸生产，尤其当采用其他铸造方法或其他金属成型工艺难以制造时，采用压铸生产最为适宜。

铸件的尺寸精度和表面粗糙度要求很高。

铸件的尺寸精度为IT12～IT11面粗糙度一般为3.2～0.8μm，最低可达0.4μm。

因此，个别压铸件可以不经过机械加工或仅是个别部位加工即可使用[1黄]。

压铸的主要优点是：

（1）铸件的强度和表面硬度较高。

由于压铸模的激冷作用，又在压力下结晶，因此，压铸件表面层晶粒极细，组织致密，所以表面层的硬度和强度都比较高。

压铸件的抗拉强度一般比砂型铸件高25%～30%，但收缩率较低。

（2）生产率较高。

压力铸造的生产周期短,一次操作的循环时间约5s～3min,这种方法适于大批量生产。

虽然压铸生产的优势十分突出，但是，它也有一些明显的缺点：

（1）压铸件表层常存在气孔。

这是由于液态合金的充型速度极快，型腔中的气体很难完全排除，常以气孔形式存留在铸件中。

因此，一般压铸件不能进行热处理，也不宜在高温条件下工作。

这是由于加热温度高时，气孔内的气体膨胀，导致压铸件表面鼓包，影响质量与外观。

同样，也不希望进行机械加工，以免铸件表面显露气孔。

（2）压铸的合金类别和牌号有所限制。

目前只适用于锌、铝、镁、铜等合金的压铸。

而对于钢铁材料，由于其熔点高，压铸模具使用寿命短，故钢铁材料的压铸很难适用于实际生产。

至于某一种合金类别，由于压铸时的激冷产生剧烈收缩，因此也仅限于几种牌号的压铸。

（3）压铸的生产准备费用较高。

由于压铸机成本高，压铸模加工周期长、成本高，因此压铸工艺只适用于大批量生产[2]

1.1.3压铸生产过程简介

图1压铸工艺过程流程图

1.2压铸业发展历史、现状及趋势

1.2.1压铸的发展历史

压铸始于19世纪，其最初被用于压铸铅字。

早在1822年，威廉姆·乔奇（WillamChurch）博士曾制造一台日产1.2～2万铅字的铸造机，已显示出这种工艺方法的生产潜力。

1849年斯图吉斯（J.J.Sturgiss）设计并制造成第一台手动活塞式热室压铸机，并在美国获得了专利权。

1885年默根瑟（Mersen-thaler）研究了以前的专利，发明了印字压铸机，开始只用于生产低熔点的铅、锡合金铸字，到19世纪60年代用于锌合金压铸零件生产。

压铸广泛应用于工业生产还只是上世纪初，用于现金出纳机、留声机和自行车的产品生产。

1904年英国的法兰克林（H.H.Franklin）公司开始用压铸方法生产汽车的连杆轴承，开创了压铸零件在汽车工业中应用的先例。

1905年多勒（H.H.Doehler）研制成功用于工业生产的压铸机、压铸锌、锡、铜合金铸件。

随后瓦格纳（Wagner）设计了鹅颈式气压压铸机，用于生产铝合金铸件。

这种压铸机是利用压缩空气推送铝合金经过一个鹅颈式通道压入模具内，但由于密封、鹅颈通道的粘咬等问题,这种机器没有得到推广应用。

但这种设计是生产铝合金铸件的第一次尝试。

20世纪20年代美国的Kipp公司制造出机械化的热室压铸机，但铝合金液有浸蚀压铸机上钢铁零部件的倾向，铝合金在热室压铸机上生产受到限制。

1927年捷克工程师约瑟夫·波拉克（JesefPfolak）设计了冷压室压铸机，由于贮存熔融合金的坩锅与压射室分离，可显著地提高压射力，使之更适合工业生产的要求，克服了气压热压室压铸机的不足之处，从而使压铸技术向前迈出重要一步[3]。

20世纪50年代大型压铸机诞生，为压铸业开拓了许多新的领域。

随着压铸机、压铸工艺、压铸型及润滑剂的发展，压铸合金也从铅合金发展到锌、铝、镁和铜合金，最后发展到铁合金，随着压铸合金熔点的不断增高而使压铸件应用范围也不断扩大[4]。

1.2.2我国压铸业的发展

我国压铸工业在近半个世纪的发展中有了长足的进步。

作为一个新兴产业，其每年都以8%～12%的良好势头快速发展。

目前，我国拥有压铸厂点及相关企业2600余家，压铸机近万台，年产压铸件50余万吨。

其中铝压铸件占67.0%、锌压铸件31.2%、铜压铸件1.0%、镁压铸件0.8%。

我国的压铸厂点及相关企业中，压铸厂点2000余家，占企业总数的80%以上，压铸机及辅助设备企业、模具企业、原辅材料企业近398家，占13.7%，科研、大专院校、学会等其他单位合计112个，占总数的3.8%[5]。

压铸机生产方面，我国约有压铸机生产企业20多个，年生产能力超过1000台，压铸机的供应能力很强。

其中的中小型压铸机的质量较好，大型压铸机、实时控制的高性能的压铸机仍需进口，2000吨以上的压铸机正在研制中[5]。

种种情况表明，中国的压铸产业已经相当庞大。

但是，与压铸强国相比，中国的压铸业还有着较大的差距。

中国压铸企业的规模较小，企业素质不高，技术水平落后，生产效率较低。

虽然与美国、日本等压铸先进国家相比，我国压铸件的生产占有一定的数量优势，但我国压铸企业以小型工厂为主，因此在管理水平和工作效率上，较之有很大的差距。

另外，虽然我国生产的中小型压铸机质量较好，但大型压铸机、实时控制的高性能的压铸机仍需进口，每年进口压铸机100台以上[6]。

由此可见，我国不能算作压铸强国，只能是压铸大国。

近年来，由于中国工业的迅速发展，压铸产业已经逐渐向很多市场迈进。

以中国的轿车工业压铸市场为支柱，中国的压铸业已经向摩托车行业、农用车行业、基础设施建设市场、玩具市场、家电产业等多个方向快速拓展，其势头方兴未艾[7]。

1.2.3压铸产业的发展趋势

由于整个压铸过程都是在压铸机上完成，因此，随着对压铸件的质量、产量和扩大应用的需求，开始对压铸设备提出新的更高的要求，传统压铸机已经不能满足这些要求，因此，新型压铸机以及新工艺、新技术应运而生。

例如，为了消除压铸件内部的气孔、缩孔、缩松，改善铸件的质量，出现了双冲头（或称精、速、密）压铸；为了压铸带有镶嵌件的铸件及实现真空压铸，出现了水平分型的全立式压铸机；为了提高压射速度和实现瞬时增加压射力以便对熔融合金进行有效地增压，以提高铸件的致密度，而发展了三级压射系统的压铸机。

又如，在压铸生产过程中，除装备自动浇注、自动取件及自动润滑机构外，还安装成套测试仪器，对压铸过程中各工艺参数进行检测和控制。

它们是压射力、压射速度的显示监控装置和合型力自动控制装置以及电子计算机的应用等[8]。

以下介绍的便是压铸行业中出现的新工艺技术。

（1）真空压铸

真空压铸是利用辅助设备将压铸型腔内的空气抽除且形成真空状态，并在真空状态下将金属液压铸成形的方法。

其真空度通常在380～600毫米汞柱的范围内，可以通过机械泵获得。

而对于薄壁与复杂的铸件，真空度应该更高。

由于型腔抽气技术的圆满解决，真空压铸在20世纪50年代曾盛行一时，但后来应用不多。

目前，真空压铸只用于生产要求耐压、机械强度高或要求热处理的高质量零件，其今后的发展趋向是解决厚壁铸件和消除热节部位的缩孔，从而更有效地应用于可热处理和可焊接的零件。

真空压铸的特点是：

显著减少了铸件中的气孔，增大了铸件的致密度，提高了铸件的力学性能，并使其可以进行热处理。

消除了气孔造成的表面缺陷，改善了铸件的表面质量。

可减小浇注系统和排气系统尺寸。

由于现代压铸机可以在几分之一秒内抽成需要的真空度，并且随着铸型中反压力的减小，增大了铸件的结晶速度，缩短了铸件在铸型中的停留时间。

因此，采用真空压铸法可提高生产率10%～20%.采用真空压铸时，镁合金减少了形成裂纹的可能性（裂纹时镁合金压铸时很难克服的缺陷之一，经常发生在型腔通气困难的部位），提高了它的力学性能，特别是可塑性。

（2）充氧压铸

国外在分析铝合金压铸件的气泡时发现，其中气体体积分数的90%为氮气，而空气中的氮气体积分数应为80%，氧气的体积分数为20%。

这说明气泡中部分氧气与铝液发生了氧化反应。

因此出现了充氧压铸的新工艺[9]。

充氧压铸是消除铝合金压铸件气孔，提高铸件质量的一个有效途径。

所谓充氧压铸是在铝液充填型腔，用氧气充填压室和型腔，以置换其中的空气和其他气体，当铝金属液充填时，一方面通过排气槽排出氧气，另一方面喷散的铝液与没有排除的氧气发生化学反应而产生三氧化二铝质点，分散在压铸件内部，从而消除不加氧时铸件内部形成的气孔。

这种三氧化二铝质点颗粒细小，约在1μm以下，其重量占铸件总重量的0.1%～0.2%,不影响力学性能，并可使铸件进行热处理[10]。

（3）精速密压铸

精速密压铸是一种精确地、快速的和密实的压铸方法，又称套筒双冲头压铸法。

国外在20世纪60年代中期开始在压铸生产中应用这一方法。

精密速压铸法在很大程度上消除了气孔和缩松这两种压铸件的基本缺陷，从而提高了压铸件的使用性能，扩大了压铸件的应用范围。

（4）半固态压铸

半固态压铸是当金属液在凝固时，进行强烈的搅拌，并在一定的冷却速率下获得50%左右甚至更高的固体组分浆料，并将这种浆料进行压铸的方法。

半固态压铸的出现，为解决钢铁材料压铸模寿命低的问题提供了一个方法，而且对提高铸件质量、改善压铸机鸭舌系统的工作条件，都有一定的作用，所以是用途的一种新工艺[11]。

1.3本课的研究内容及意义

1.3.1研究内容

在该模具设计中，主要完成以下任务：

1）完成铝合金轮毂压铸模具设计的装配图及零件图。

2）要求该压铸模具具有温度控制功能，通过温度控制影响凝固过程，以取得减少内应力的效果。

1.3.2开展本课题的意义

模具是压铸件生产的主要工具，因此在设计模具时应尽量注意使模具总体结构及模具零件结构合理，安全可靠，便于制造生产，压铸模浇排系统需合理设计。

模具的加工、装配要到位，配合需适当，压铸模具的优化也是一个重要方面。

压铸模具的优良程度很大程度上取决浇注系统以及排溢系统的设计。

压铸生产中，因为模具浇道形状、浇口与排溢口位置及压铸力等控制参数选择不合理导致压铸件缩孔、冷隔或者气孔等缺陷的情况常有出现。

而对浇道和排溢口的形状、大小、位置以及压铸机压射工艺参数经过优化后可以大大减少这些缺陷[3]。

综上所述，压铸模具的合理设计对于生产出高质量的铸件具有重要意义。

模具设计专题部分

3挤压件设计

铸件的结构设计是半固态挤压生产中首先遇到的工作，其设计的合理性和工艺适用性直接影响到后续工作的顺利进行。

设计的半固态挤压件除了要满足使用要求之外，还要满足成形工艺要求，并且还要尽可能的做到模具结构简单、生产成本低，以获得设计本身的工艺性、可制造性、经济性、合理性。

3.1挤压件的基本结构设计

挤压件的基本结构设计包括壁厚，肋、铸孔、铸造圆角、脱模斜度、螺纹、齿轮、铆钉头、网纹、图案等等的设计。

在该模具设计中仅需进行壁厚、肋、铸造圆角和脱模斜度的设计。

3.1.1壁厚和肋

在设计半固态挤压件时，往往以为壁越厚，半固态挤压件的强度和刚度就越容易得到保证，性能也就越好；但是，实际上对于半固态挤压件而言，

挤压件壁厚增加，内部气孔、缩孔等缺陷也随之增加，故在保证挤压件有足够强度和刚度的前提下，应尽量减少厚度并保持各截面的厚薄均匀一致。

对挤压件的厚壁处，为了避免缩松等缺陷，应通过减薄壁厚并增设加强肋肋解决。

所以在满足产品使用性能要求的前提下，采用均匀的、适当的壁厚才会以最低的金属消耗取得良好的成型性和工艺性。

铝合金压铸件的