汽車輪轂的結構與模具設計

1、本科學生畢業(yè)設計汽車輪轂的結構與模具設計 院系名稱： 汽車與交通工程學院 專業(yè)班級： 車輛工程 07-9班 學生姓名： 顧立鵬 指導教師： 王國田 職 稱： 實驗師 黑 龍 江 工 程 學 院二一一年六月The Graduation Design for Bachelor's DegreeThe Structure of Automobile hub With Mold designCandidate：Gu LipengSpecialty：Vehicle EngineeringClass：07-9Supervisor：Experimental division. Wang Guotia

2、nHeilongjiang Institute of Technology2011-06·Harbin摘 要本文以汽車輪轂為研究對象，基于產(chǎn)品研究開發(fā)的一般流程，制定了產(chǎn)品結構設計、工藝方案設計、模具設計的技術路線。借助CAD等工具，對汽車輪轂結構設計與性能分析、并對模具造型、鑄造工藝等進行了設計。首先介紹了我國輪轂模具的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及我國模具發(fā)展的新技術，其次圍繞轎車輪轂模具進行設計，針對輪轂的結構特點，確定模具的型腔數(shù)目、分型面以及脫模機構。汽車輪轂的成型工藝方法較多，以擠壓鑄造生產(chǎn)輪轂的工藝方法現(xiàn)今多處于研究階段。本文根據(jù)擠壓鑄造的工藝特點，對汽車輪轂擠壓鑄造模具設計進行了分

3、析總結，并對模具型腔進行了結構設計，查閱模具設計手冊，完成模具的總體設計。同時充分利用計算機繪圖軟件對零件進行設計, 利用Pro/E對零件進行三維造型, 并實現(xiàn)零件的三維裝配和模具設計。通過本次設計，對模具整個設計過程有了較好的了解。關鍵詞：模具；鎂合金；汽車輪轂；擠壓鑄造 ；模具設計；低壓鑄造ABSTRACTThis paper mainly research on automobile wheelBased on the general process of product development，the technical route is made including product

4、structure，processscheme and mouldUsing the software of CAD， such as the structure design of automobile hub with performance analysis, mould modelling, casting process design, etc.China introduced the aluminum mold wheel status quo first time, development trends and China's development of new tec

5、hnologies die, followed aroundthe family car aluminum wheel design tool for the structural characteristics of wheel, the mold cavity to determine the number of surface as well as from mode institutions. The method about molding process of magnesium alloy wheel is multipleThe way ofmanufacturing auto

6、mobile wheel wim squeeze casting is not ripe on its research stageThispaper summarized main points of the squeeze casting mould，Check the manual mold design, mold choice to determine the structure of mold size, mold designcompleted. At the same time make full use of computer graphics software to des

7、ign parts using Pro / E sional modeling of parts and components to achieve thethree-dimensional assembly and mold design, Through this design, the entire design process of the mold with a better understanding.Key words: Mold；Magnesium Alloy；Automobile Wheel；Squeeze Casting；Mold Designing；Low Pessure

8、 Csting目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 引言11.2 輪轂國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀11.2.2 國外研究現(xiàn)狀21.3 研究的目的和意義31.4 設計的主要內(nèi)容5第2章 輪轂零件的結構設計72.1 輪轂模具設計的基本術語92.2 汽車輪轂模具方案的設計標準92.3 輪轂零件的3D設計102.3.1 主要外形尺寸的確定102.3.2 設計原則102.3.3 汽車輪轂輪廓三維實體生成102.3.4 汽車輪轂風孔的生成112.4 本章小結13第3章 輪轂成形工藝介紹143.1 輪轂成形的工藝特點143.2 現(xiàn)行的輪轂主要成形方法及其優(yōu)缺點143.2.1 金屬

9、型重力鑄造153.2.2 低壓鑄造153.2.3 壓鑄153.2.4 擠壓鑄造173.3 其他成形方法183.4 本章小結19第4章 輪轂成形工藝分析204.1 輪轂材料及性能特點204.2 低壓鑄造的性能特點204.3 工藝方案的確定214.4 擠壓鑄造工藝參數(shù)234.5 模具設計方案264.6 本章小結27第5章 輪轂鑄造模具的設計285.1 擠壓模具設計的基本原則285.2 擠壓鑄造模具的工藝參數(shù)295.2.1 汽車輪轂模具分模面的確定295.2.2 凹模設計345.2.3 凸模設計345.2.4 模板設計355.3 模具裝配365.4 本章小結37結論38參考文獻39致謝41附錄42第

10、1章 緒 論1.1 引言能源、環(huán)境和安全是當今備受關注的三大問題，也正是這三大問題制約了汽車工業(yè)的發(fā)展和汽車的普及。而汽車的安全性和可靠很大程度上取決于所用輪轂的性能和使用壽命。隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，新技術日新月異，模具的使用范圍已越來越廣，對模具的要求也越來越高，使模具技術及制造方式發(fā)生了根本性的變化，已經(jīng)從傳統(tǒng)的手工設計，從有經(jīng)驗的鉗工師傅為主導的技藝型生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變到了以數(shù)字化、信息化、自動化生產(chǎn)為特征的現(xiàn)代模具工業(yè)生產(chǎn)時代。輪轂是一個承受隨機疲勞載荷的旋轉(zhuǎn)薄殼結構，上面開有孔洞，附有加強筋，形狀復雜，轎車在行駛中所受到的各種載荷向輪轂的傳遞也十分復雜。因此，輪轂的幾何

11、形狀和力學特征的復雜性給研究工作帶來很大的困難。輪轂模具設計是保證轎車輪轂質(zhì)量的關鍵，由于模具型面復雜，幾何構造圖素和曲面造型獨特，傳統(tǒng)的模具設計及制造方法很難滿足要求。而采用Pro/E對汽車輪轂模型實體設計以及模具設計將解決這一設計難題，使得設計過程簡便、快捷、可靠。然而在當今汽車技術高速發(fā)展的時代，歐美、日本等國家基本壟斷了發(fā)達的汽車技術，我國在先進的汽車技術中處于落后與被動地位，因此，我國必須加大對汽車技術研發(fā)的力度，發(fā)明出更新更先進的技術，跟上世界各個汽車大國的技術水平。1.2 輪轂國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀為了節(jié)能降耗，減少廢氣排放，提高駕乘舒適度和車輛動力學性能。現(xiàn)代汽

12、車正在向輕量化方向發(fā)展，從結構材料的角度出發(fā)，實現(xiàn)車輛輕量化的主要手段是采用具有高比性能的輕質(zhì)材料替代傳統(tǒng)材料，目前廣泛應用于汽車輪轂的材料主要是鋁合金和鎂合金。隨著我們國家公路設施的迅猛發(fā)展，鋁合金輪轂開始在全國范圍內(nèi)得到推廣，并且發(fā)展迅速。2002年，我國轎車鋁合金輪轂的裝車率已接近45%。伴隨著中國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，我國鋁合金輪轂行業(yè)出現(xiàn)強勁增長勢頭。經(jīng)過十幾年的艱苦努力，年生產(chǎn)能力已超過了6500萬件。已成為了世界鋁合金輪轂生產(chǎn)大國。與世界先進水平相比，國內(nèi)企業(yè)在鋁合金輪轂的設計開發(fā)和制造技術方面尚存在較大的差距，總體的生產(chǎn)技術和裝備水平、產(chǎn)品的設計水平、產(chǎn)品的技術含量和質(zhì)量水平還有

13、待進一步的提高1。鎂合金是最輕的金屬結構材料，具有低價格，高比性能、比強度和比剛度。突出的阻尼減振性能等特點，將鎂合金用于汽車，摩托車結構，特別是高速運動構件能降低車輛自重及燃油消耗，降低車輛的振動和噪聲，提高車輛的加減速動力學特性，既能達到節(jié)能環(huán)保的目的，又能較顯著改善車輛的駕乘舒適度2。在國內(nèi)，上海汽車公司最早將鎂合金應用在汽車上，目前桑塔納轎車鎂合金變速器外殼年用鎂量達2000t以上。東風汽車公司開發(fā)的轎車用非承重鎂合金零件有變速箱殼、離合器殼、變速箱蓋等，其中鎂合金變速箱殼體質(zhì)量僅為3.3kg，取代了4.8kg的鋁合金殼體，年產(chǎn)量達到6萬件。長安汽車公司生產(chǎn)的變速器、上下箱體延伸體和缸

14、罩等7種零件已通過臺架試驗和道路試驗，2004年已大批量裝車進入市場。我國科技部也在“十五”國家科技攻關計劃中特別提出了“鎂合金開發(fā)應用和產(chǎn)業(yè)化”重大項目。輪轂的鑄造工藝有低壓鑄造法、重力鑄造法、壓力鑄造法、擠壓鑄造法、輪轂的成形工藝主要有擠壓鑄造和低壓鑄造。我國從20世紀六七十年代開始發(fā)展擠壓鑄造，20世紀九十年代，運用于摩托車行業(yè)，使擠壓鑄造得到了飛躍發(fā)展，已形成年生產(chǎn)300千萬只摩托車鋁輪轂的能力。目前國內(nèi)外生產(chǎn)的大型受力零件有：重25.50kg的坦克鋁合金負重輪以及大型載重汽車鋁輪轂等。我國低壓鑄造工藝發(fā)展得較晚，1955年天津拖拉機制造廠采用壓縮空氣緊密制造鋁合金型板，1958年上海

15、郵電器材廠應用了低壓鑄造工藝，六十年代這一工藝在北京、天津、上海、遼寧等地得到了一定程度的發(fā)展。1978年以來，一機部、六機部、八機部等相繼召開低壓鑄造經(jīng)驗交流會，介紹了國內(nèi)先進的低壓鑄造設備和工藝3。1.2.2 國外研究現(xiàn)狀國外對輪轂材料的研究發(fā)展的比較迅速。20世紀初，當鋼鐵制汽車輪轂已經(jīng)運用的很成熟的時候，一些賽車愛好者，為了追求速度與靈活性，而把汽車變得更加“輕量化”，就將鋼制輻條式輪轂與鋁質(zhì)軋制輪輞相結合的車輪裝上汽車。從此，汽車輪轂進入了另一個時代鋁合金輪轂時代。1945年以后，汽車廠商紛紛開展批量生產(chǎn)鋁合金輪轂的研究。德國是世界上最早開始制造鋁合金輪轂的國家早在20世紀20年代就

16、開始用砂型鑄造賽車用鋁合金輪轂，其設計與制造技術一直走在世界的前列。20世紀50年代末，聯(lián)邦德國還只能少量的生產(chǎn)鋁合金輪轂，到了70年代后，他們開始在小汽車上大量使用鑄造鋁合金輪轂，開創(chuàng)了新的局面。世界各國近年來都高度重視對鎂合金的研究與開發(fā)，加強鎂合金在汽車等交通工具上的應用開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化研究。自1990年以來，美國、日本、德國、澳大利亞等國家相繼出臺了自己的鎂合金研究計劃，把鎂合金列為21世紀研究與開發(fā)的重點項目。北美是汽車用鎂量最大的地區(qū)，其次是歐洲、日本和韓國。在北美一些車型上，鎂合金用量大約為kg/輛， 美國通用、福特、克萊斯勒等三大汽車公司用鎂量均呈逐年增長趨勢。在歐洲一些車型上，

17、鎂合金用量大約為kg/輛4。國外的擠壓鑄造工藝是1937年由前蘇聯(lián)發(fā)明的，20世紀五六十年代，先后傳入我國和世界各地。擠壓鑄造技術的發(fā)展與擠壓鑄造機技術的發(fā)展密切相關。20世紀80年代，日本宇部公司開發(fā)成功HCSC和VSC系列擠壓鑄造機，日前已銷售300多臺；日本豐田公司的輪轂廠擁有14臺VSCl500VSCl800擠壓鑄造設備，年產(chǎn)400多萬只高檔汽車鋁輪；日本的日產(chǎn)汽車、馬自達、Art、Umold和Tosei等公司和美國SPX、Amcast等大公司也擁有擠壓鑄造生產(chǎn)廠或車間5。低壓鑄造最早由英國人E.F.LAKE于1910年提出并申請專利。其目的是解決重力鑄造中澆注系統(tǒng)充型和補縮的矛盾。低

18、壓鑄造真正被推廣應用時在“二戰(zhàn)”以后，由于有較高的補縮壓力和溫度梯度，有效地提高了厚大斷面鑄件的致密性。1950年以后由于汽車工業(yè)的發(fā)展，使抵押鑄造工藝和設備有了一個飛躍。汽車輪轂由于質(zhì)量要求高，本身結構又適于低壓鑄造，而且需求量大，因此極大地推動了低壓鑄造技術的發(fā)展。英國在60年代率先發(fā)展低壓鑄造汽車輪轂，其后美國、日本、西德相繼發(fā)展6。1.3 研究的目的和意義輪轂是車輛的重要運動部件，本文以汽車輪轂為研究對象，基于產(chǎn)品研究開發(fā)的一般流程，通過制定產(chǎn)品結構設計、工藝方案設計、模具設計的技術路線，熟練掌握汽車零件設計和開發(fā)的流程，通過借助CAD、CAE等工具，對汽車輪轂結構與性能、模具造型、鑄

19、造工藝等進行設計。汽車輪轂的成形工藝類型較多，以擠壓鑄造生產(chǎn)鎂合金輪轂的工藝方法現(xiàn)今多處于研究階段。通過研究擠壓鑄造的工藝特點，分析總結汽車輪轂擠壓鑄造模具要點，并通過對模具型腔進行結構設計，掌握汽車輪轂模具的設計過程了解鑄造的基本工藝，熟練應用Pro/E、CAD等繪圖軟件，并具有一定的實驗技能和生產(chǎn)實踐知識。資源和環(huán)境是己成為世界各國越來越突出的問題，為了節(jié)能降耗、減少廢氣排放、提高駕乘舒適度和車輛動力學的性能，現(xiàn)代汽車、摩托車等交通工具正在向輕量化方向發(fā)展。鎂合金是現(xiàn)已知的最輕金屬結構材料之一，具有多方面結構和性能的優(yōu)勢，越來越受到各國的青睞。輪轂作為車輛的重要運動部件，它的輕量化生產(chǎn)有著

20、非常重要的意義。而鎂合金由于其眾多優(yōu)點，成為輕量化發(fā)展的首選材料。但鎂合金在生產(chǎn)和應用中還存在著諸多缺點，如由于鎂元素活潑，鎂合金在熔煉和加工過程中極容易氧化燃燒，生產(chǎn)難度很大；鎂合金的生產(chǎn)技術還不成熟和完善，特別是鎂合金成形技術有待進一步發(fā)展；鎂合金的耐蝕性較差，高溫強度、蠕變性能較低等諸多問題，嚴重阻礙了鎂合金產(chǎn)品的生產(chǎn)7。鑄造模具市場異?；钴S，鑄造產(chǎn)業(yè)的高速增長帶來了鑄造模具制造工業(yè)的一片興旺。根據(jù)中國模具工業(yè)協(xié)會經(jīng)營管理委員會編制的全國模具專業(yè)廠基本情況統(tǒng)計，鑄造模具約占各類模具總產(chǎn)值5%，每年增長速度高達25%。模具是工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)用的重要工藝裝備，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，60%-90%的工

21、業(yè)產(chǎn)品需要使用模具，模具工業(yè)已經(jīng)成為工業(yè)發(fā)展的基礎，許多新產(chǎn)品的開發(fā)和研制在很大程度上都依賴于模具生產(chǎn)，特別是汽車、摩托車、輕工、電子、航空等行業(yè)尤為突出。而作為制造業(yè)基礎的機械行業(yè)，根據(jù)國際生產(chǎn)技術協(xié)會的預測，21世紀機械；制造工業(yè)的零件，其粗加工的75%和精加工的50%都將依靠模具完成，因此，模具工業(yè)已經(jīng)成為國民經(jīng)濟的重要基礎工業(yè)。模具工業(yè)發(fā)展的關鍵是模具技術的進步8。模具設計是保證轎車輪轂質(zhì)量的關鍵，由于模具型面復雜，幾何構造圖素和曲面造型獨特，傳統(tǒng)的模具設計及制造方法很難滿足要求。而采用Pro/E對汽車鋁輪模型實體設計以及模具設計將解決這一設計難題，使得設計過程簡便、快捷、可靠。擠壓鑄

22、造也稱為液態(tài)模鍛,是一種集鑄造和鍛造特點于一體的新工藝,該工藝是將一定量的熔融金屬液直接注入敞口的金屬模腔,隨后合模，通過沖頭以一定的壓力作用于液體金屬上,使之充填、成形和結晶凝固,并在結晶過程中產(chǎn)生一定量的塑性變形，從而獲得毛坯或零件的一種金屬加工方法。擠壓鑄造充型平穩(wěn),沒有湍流和不包卷氣體,金屬直接在壓力下結晶凝固,所以鑄件不會產(chǎn)生氣孔、縮孔和縮松等鑄造缺陷,且組織致密、晶粒細化,機械性能比低壓鑄造件高9。產(chǎn)品既有接近鍛件的優(yōu)良機械性能,又有精鑄件一次精密成形的高效率、高精度,且投資大大低于低壓鑄造法。擠壓鑄造特別適合于生產(chǎn)汽車工業(yè)中的安全性零件,汽車輪轂是一種要求較高的保安件,金屬型重力

23、鑄造、低壓鑄造、壓力鑄造工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品雖能滿足使用要求,但整體質(zhì)量比擠壓鑄造鋁輪轂相差一個檔次。日本已有相當部分的汽車輪轂采用擠壓鑄造工藝生產(chǎn),豐田汽車公司擁有十幾臺全自動擠壓鑄造設備,每臺設備不到2min 即可生產(chǎn)一件輪轂,從澆注金屬液到取出鑄件整個過程都由計算機來控制,自動化程度非常高。國內(nèi)也在廣東建造了一個現(xiàn)代化的擠壓鑄造汽車輪轂廠,已生產(chǎn)多種規(guī)格和型號的汽車鋁輪轂,經(jīng)鑒定產(chǎn)品質(zhì)量達到了國外同類產(chǎn)品先進水平。目前世界各國都把擠壓鑄造作為汽車鋁輪轂生產(chǎn)的方向之一。1.4 設計的主要內(nèi)容產(chǎn)品的開發(fā)，通常經(jīng)過以下幾道程序：產(chǎn)品結構設計、工藝方案設計、模具設計、產(chǎn)品試樣、大批生產(chǎn)，對于試樣不合格

24、的情況，則需要對模具、工藝方案甚至產(chǎn)品結構進行修整的工作。本文所研究的汽車輪轂的開發(fā)流程，分為以下幾個內(nèi)容：（1）輪轂結構設計（2）輪轂成形工藝研究現(xiàn)狀（3）輪轂成形工藝方案的確定（4）輪轂模具的設計輪轂擠壓鑄造的模具主要由凸模、凹模、上下模板和充型速度、澆注速度等組成。由于擠壓鑄造技術是使液態(tài)金屬在壓力作用下充型，并在高壓下凝固和產(chǎn)生塑性變形，所以能擠壓出各種形狀復雜的零件，本設計為了充分發(fā)揮擠壓鑄造技術的優(yōu)點，綜合考慮了各種因素，尤其是擠壓鑄造工藝參數(shù)、模具結構設計和零件設計，擠壓鑄造工藝包括涂料、模具溫度、澆注溫度、充型速度、澆注速度、加壓壓力、加壓開始時間、保壓時間、脫模、熱處理工藝參

25、數(shù)等。輪轂模具設計的流程圖如圖1.1所示實體設計建立模具工件設置收縮率模型檢測滿足要求?設計澆注系統(tǒng)創(chuàng)建分型面創(chuàng)建體積塊創(chuàng)建鑄模設置模具進料孔開模模擬、干涉檢測生成模座系統(tǒng)生成裝配圖和零件工程圖修改零件圖1.1 Pro/E模具設計流程圖第2章 輪轂零件的結構設計汽車輪轂主要由輪芯、輪輞、輪輻三部分構成由于輪輞按照國家標準(GB-T 3487- 2005汽車輪輞規(guī)格系列)規(guī)定的尺寸設計，對輪轂的結構再設計而言，就是通過調(diào)整輻板結構及其與外輪圈的過渡圓角。輪轂結構的基本知識：1、輪輞：與輪胎裝配配合，支撐輪胎的車輪部分。2、輪輻：與車軸輪轂實施安裝連接，支撐輪輞的車輪部分。3、偏距：輪輞中心面到輪

26、輻安裝面間的距離。有正偏距、零偏距、負偏距之分。4、輪緣：保持并支撐輪胎方向的輪輞部分。5、胎圈座：與輪胎圈接觸，支撐維持輪胎半徑方向的輪輞部分。6、槽底：為方便輪胎裝拆，在輪輞上留有一定深度和寬度的凹坑。7、氣門孔：安裝輪胎氣門嘴的孔。詳細的輪轂結構可見圖2.1所示整體式車輪結構。 圖2.1 整體式車輪 表2.1 輪轂結構的基本知識1輪輞寬度10螺栓孔節(jié)圓直徑2輪輞名義直徑11螺栓孔直徑3輪緣 12輪輻安裝面4胎圈座13安裝面直徑5凸峰14后距6槽底15輪輻7氣門孔16輪輞8偏距17輪輞中心線9中心孔LB型輪輞輪轂應符合圖2.2圖2.2 輪輞LB型輪廓A 輪輞標定寬度 153B 輪緣寬度 1

27、3D 輪輞標定直徑 358G 輪緣高度 17H 槽底深度 25L 槽底寬度 22M 槽的位置尺寸 39P 胎圈座寬度 22 輪緣接合半徑 R11.8 胎圈座角度 2.1 輪轂模具設計的基本術語（1）參考模型：設計模型中的最終產(chǎn)品，本文中為汽車輪轂的最終三維實體模型。（2）工件：在工程上為毛坯，即為加工對象，其幾何形狀由設計者對整個模具的數(shù)控加工的可行性以及成本等因素決定。（3）制造模型：由參考模具和工件組成，為后面的模具的生成提供模板。2.2 汽車輪轂模具方案的設計標準Pro/E提供的設計理念將設計、制造、裝配以及生產(chǎn)管理融為一體, 賦予“設計”完整的概念。它提供的強大功能尤其是曲面造型和模具

28、設計功能為工程技術人員和生產(chǎn)管理人員在短期內(nèi)完成高質(zhì)量的產(chǎn)品開發(fā)提供了強有力的工具。本論文以Pro/E為開發(fā)平臺, 以并行工程為思想, 最終完成對擠壓鑄造模具智能設計系統(tǒng)的開發(fā),實現(xiàn)模具設計的自動化, 智能化, 大大縮短了設計、數(shù)控編程的時間, 從而縮短了模具設計周期10。另外, Pro/E軟件具有的單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化實體特征造型技術為實現(xiàn)并行工程提供了可靠的技術保證。輪轂模具設計可分為兩步： 設計出符合要求的輪轂三維實體模型。根據(jù)輪轂的三維模型設計出輪轂模具。其中，輪轂實體設計是關鍵，直接涉及到模具的結構及尺寸精度。然后利用Pro/E軟件提供的功能，在實體的基礎上進行三維造型，并設計出相應的

29、輪轂模具。汽車輪轂由鋼圈，輪輻，風孔等組成。其主要結構如圖2.3所示：圖2.3 汽車輪轂結構外形圖2.3 輪轂零件的3D設計由于汽車輪轂外形表面的不規(guī)則，所以在進行鑄造時應充分考慮設計過程中輪轂主要外形尺寸確定的合理性以及一般原則。2.3.1 主要外形尺寸的確定鑄件的最小壁厚：=5-7mm，其平均壁厚為6mm。鑄造內(nèi)外圓角：R=2mm汽車輪轂的受阻收縮率：0.5%-1%鑄造斜度(拔模斜度)：=5º30´2.3.2 設計原則起模方便，在起模方向上留有結構斜度。鑄件的壁厚盡可能均勻，減少和消除應力，防止縮孔和裂紋缺陷的產(chǎn)生。零件的轉(zhuǎn)角處要留有鑄造圓角，以防止裂紋，縮孔。要有合理

30、的鑄件壁厚，其最薄的部分應保證液體金屬充滿。2.3.3 汽車輪轂輪廓三維實體生成Pro/E三維實體建模是利用其強大三維造型功能中的零件模塊實體特性，遵循由線-面-實體的方式進行的，汽車輪轂的外形三維實體的生成，其關鍵在于外形尺寸在Pro/E中的實現(xiàn)。通過繪制直線，圓弧，自由曲線等基本因素，并做拉伸、旋轉(zhuǎn)、鏡像、等距、剪切等操作最終生成所需的曲線外形，如圖2.4所示。設計中出現(xiàn)的偏差或數(shù)據(jù)不精確造成曲線，曲面不光滑或曲面結合不好的現(xiàn)象可以通過【特征/編輯定義】命令對其進行外形尺寸的修改11。圖2.4 輪轂實體建模2.3.4 汽車輪轂風孔的生成風孔的三個側(cè)面均為不規(guī)則曲面，其中一個側(cè)面為汽車輪轂的

31、內(nèi)壁圓周面，另外的兩個曲面的尺寸確定是要考慮風孔的分布及拔模斜度因素的影響。在鋼圈的兩端和中間適當位置各建立一平面，根據(jù)風孔的尺寸和拔模斜度定出三條曲線，使用【插入基準曲線/邊界混合工具】生成風孔的外形輪廓曲面，并與汽車輪轂的內(nèi)壁圓周面組合(merge)，然后用【實體化】命令移除曲組內(nèi)側(cè)的材料，得到風孔的外形結構,如圖2.5所示，輪轂內(nèi)側(cè)圖如圖2.6所示。圖2.5 生成風孔曲面圖2.6 輪轂內(nèi)側(cè)圖2.7 輪轂實體2.4 本章小結本章主要介紹了輪轂零件的基本知識、結構設計和輪轂零件的三維建模，引出了輪轂模具的方案。根據(jù)國家標準(GB-T 3487- 2005汽車輪輞規(guī)格系列)規(guī)定的尺寸設計輪轂的

32、基本尺寸，根據(jù)輪轂的尺寸利用Pro/E進行三維實體建模。第3章 輪轂成形工藝介紹輪轂是汽車上極為重要的安全性能結構件。早期輪轂均為鋼板沖壓加工成型,后隨制造技術的進步及汽車摩托車輕量化的要求逐漸發(fā)展為鑄造鋁合金輪轂。目前的市場上鑄造鋁合金輪轂占據(jù)著主導地位。隨著汽車輕量化和節(jié)能環(huán)保要求的逐步提高,現(xiàn)已有鑄造和鍛壓成形的鎂合金輪轂面世。3.1 輪轂成形的工藝特點根據(jù)擠壓鑄造模具設計的一般要點和設計程序，對鎂合金汽車輪轂的擠壓鑄造模具進行設計。從模具材料、擠壓鑄造機的選擇、模具結構等幾個方面進行設計，并運用Pro/E軟件對模具型腔進行幾何建模。4.6 本章小結 本章主要介紹了輪轂的兩種成形方法，相

33、互對比確定了擠壓鑄造工藝為工藝方案，并確定了擠壓鑄造的工藝參數(shù)。又進行了對輪轂成形工藝的具體分析，和模具設計的基本方案。為下面設計輪轂成型工藝的模具設計提供了好的平臺。第5章 輪轂鑄造模具的設計轎車輪轂模具的生成是利用Pro/E強大三維造型功能中制造模塊曲面特性實現(xiàn)的。以上述三維實體模型為設計模型中的參考模型,參考模型和工件為后面模具的生成提供模板。模具的生成首先將參考模型轉(zhuǎn)換為制造模型，根據(jù)參考模型結構來確定工件的外形尺寸，在轎車鋁輪的模具設計中，考慮轎車鋁輪不規(guī)則的輪廓表面以及中空的結構特點和數(shù)控加工的可行性，將轎車鋁輪的工件設計為正方體，并使轎車鋁輪模型設計在該工件中。另外確定轎車鋁輪模

34、具還要考慮到參考模型受阻收縮的影響，取收縮率s0.5%，在【模具】菜單中依次選擇【收縮】/【按尺寸】選項,打開【按尺寸收縮】對話框,在其中設置收縮率為0.005,然后按回車鍵確認,可得到放大（1s）的參考模型23。5.1 擠壓模具設計的基本原則(1)鑄造收縮率 鑄件凝固過程中,會產(chǎn)生隨溫度下降而導致線收縮和液固相轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生體收縮。由于在擠壓鑄造過程中,鋁液在壓力的作用下與型壁緊密接觸,可僅考慮線收縮而忽略體收縮。并且根據(jù)輪轂的自身結構,將該輪轂鑄造收縮率設計為0. 5%。(2)加工余量 采用擠壓鑄造工藝可獲得高的尺寸精度和表面光潔度。設計時在鑄件外側(cè)、上端和下端設有2 mm的加工余量,為了便于

35、施壓,輪轂下部的內(nèi)孔設計為盲孔,擠壓鑄造后由機加形成。(3)鑄造圓角 按照擠壓鑄造工藝的要求,鑄件所有直角設計為半徑為2 mm的鑄造圓角。(4)配合間隙及長度陰、陽模和陽模外套之間的間隙要適當。過小則因裝配誤差而相碰,且不利于排出氣體;過大則鋁液易通過間隙噴出。因此設計陰,陽模的配合間隙為0. 150. 20 mm,配合長度為30 mm。(5)排氣在陽模外套上留有半徑為2 mm、長度為20 mm的排氣槽8條,擠壓鑄造時,留在陽模外套導向部分的少量氣體,可通過排氣槽排出。(6)起模斜度根據(jù)輪轂自身結構,鑄件外側(cè)在冷卻過程中有脫離型壁的趨勢,起模斜度設計為3°,鑄件內(nèi)側(cè)冷卻時趨于包緊型芯

36、,起模斜度設計為5°。(7)模具材料為了防止與鋁液接觸的模具表面產(chǎn)生熱疲勞裂紋, 陰、陽模、陽模外套和頂塞均采用4Cr5MoSiV1模具鋼制造,熱處理后硬度(HRC)為4852,型腔表面需進行氮化處理。導柱、導套采用T10鋼熱處理后硬度(HRC)為5257,模座、壓板等構件采用45鋼調(diào)質(zhì)處理,處理后硬度(HRC)為2832。5.2 擠壓鑄造模具的工藝參數(shù)5.2.1 汽車輪轂模具分模面的確定根據(jù)轎車輪轂的結構將模具設計為采用3個分模面，共需4個模具，其中個1/2 圓周模具為生成轎車輪轂外圓周表面，其余2個為生成汽車輪轂輪輻的上下型箱。在創(chuàng)建形成輪輻及風孔的上下箱分模面時，要在汽車輪轂的

37、參考模型內(nèi)部創(chuàng)建一個輔助的曲面。曲面與汽車輪轂鋼圈內(nèi)壁和輪輻內(nèi)壁相切，以保證上下箱開合時不會發(fā)生干涉，同時在設計該曲面時要考慮到拔模斜度的影響，否則模具的分離會失敗24。用該曲面與風孔的內(nèi)側(cè)面以及輪輻的上頂面組合，生成上模分模面。在【模具】菜單中依次選擇【分型面】/【創(chuàng)建】選項,在打開的【分型面名稱】中輸入shangmo,然后在打開的曲面定義菜單中依次選擇【增加】/【復制】和【完成】選項選取輪轂內(nèi)側(cè)表面, 如圖5.1所示。圖5.1 復制內(nèi)側(cè)面在復制對話框中選擇【填充環(huán)】/【環(huán)】/【增加】,選取需要填充的靠破孔的邊界曲線,單擊確定按鈕完成。Pro/E生成分模面的功能很強大，可在已生成的曲面sha

38、ngmu上進行增加(add)，組合(merge)等得到符合要求的分模面,如圖5.2所示。以相同的方法可以得到下模分模面,如圖5.3所示。圖5.2 上模分型面圖5.3 底模分型面單擊菜單管理器中的【模具/分型面/創(chuàng)建】，輸入分型面的名稱，單擊【確定】按鈕。單擊【增加/拉伸/完成】，在屬性中選擇單側(cè)拉伸，選擇工件一個側(cè)面為繪圖面,選擇與它垂直的任一平面為基準,之后按【草繪】按鈕,在草繪面上畫一條直線,之后【】退出,定義拉伸方向,拉伸深度選擇到曲面,單擊【確定】生成側(cè)模分型面.最后生成的側(cè)模分型面如圖5.4所示.圖5.4 側(cè)模分型面圖5.5 底模分型面圖5.6 模具分解圖通過實踐，生成輪轂模具的分型

39、面易造成分型失敗，主要原因是分型面上的破孔未被填補。當制品上有孔特征時，在內(nèi)分型面曲面上這些特征常常以獨立邊界曲線(破孔)而存在。這些破孔的存在，使得分型面不能與工件完全相交，是造成模具體積塊分割失敗的主要原因。所以如果采用傳統(tǒng)的方式來生成輪轂模具分型面必需對分型面上的破孔進行修補才能達到分型面閉合的目的。修補破孔的方法如下：(1)定義“環(huán)閉合”填補破孔，這種填補破孔的方法僅適用于由Skirt或Shadow方式構建的簡易式分型面。(2)定義“填充環(huán)”填補破孔，這種通過定義填充環(huán)填補破孔的方法是最快的，也是最方便的，適用于多數(shù)破孔的填補。在復制完成曲面后，可直接利用填充環(huán)選項來填補破孔。(3)構

40、建曲面片填補破孔，這種填補破孔的方法原理比較簡單，但當破孔較多時，構建曲面片的數(shù)量多，計算機的運算量大，所需的時間長，操作過程也比較繁瑣，所以這種方式主要適用于少數(shù)破孔的填補。1澆道的尺寸設計澆道的形狀和尺寸對于不同的充型方式是不同的。直接充型方式的澆道，其形狀及尺寸都較簡單。一般與液鍛件連接處的形狀相似或為圓形均可，基尺寸為連接處的80左右。澆道的形狀及尺寸對間接充型的合金液的流動情況有很大的影響。因此，澆道的形狀及尺寸的設計是否正確，將直接影響到液鍛件的鑄造質(zhì)量。它的大小，可以調(diào)整合金液的充型速度與充型時間。橫截面積大，它的充型速度低，充型時間短，對直接式充型是有利的。而對于間接式充型，如

41、果充型速度過低或過高、充型時間過長或過短，都會影響鑄造質(zhì)量。對于壓鑄的間接充型方式，可按下式計算，即式中 一壓頭橫載面積，；一充型進壓頭的移動速度，m/s；一合金液的充型速度，m/s(根據(jù)厚度可選0.51.5ms)。2.溢流槽和排氣槽的設計與直接擠鑄模不同，間接擠鑄模必須在模具適當部位開設溢流槽和排氣槽，且應與澆注系統(tǒng)同時考慮，三者關系緊密，均直接影響制件及金屬的充填過程，生產(chǎn)實踐證明，有效地從型腔中排除氣體、涂料殘渣以及混有氣體的被污染的金屬液體，對提高制件質(zhì)量有著重要的意義。溢流槽應開設在最先流入型腔的金屬液流程的末端，以容納冷污金屬，集存混有氣體和涂料的殘渣等，達到穩(wěn)流和防止渦流的目的，

42、它與排氣槽配合，能迅速排除型腔中的氣體，增強排氣效果，減少制件表面花紋、冷隔及難成型等缺陷。對有型芯的制件，溢流槽應開設在受金屬液流沖擊的型芯背面，或多股液流匯合之處。因為型芯背面區(qū)域是多股金屬液的匯合處，是金屬液充填過程中被型芯阻礙而形成的“死區(qū)"，同時也是形成氣孔、夾渣缺陷的地方，在此處布置溢流槽可將氣體、夾渣導出型腔，防止形成渦流。汽車輪轂擠壓鑄造過程中，金屬液流程的末端為輪輞邊緣遠離輪輻的一側(cè)，在此處動模與側(cè)模的分模面上設置相應的溢流槽，有助于輪轂的成型。排氣槽通常布置在溢流槽的后面，特殊情況下，也可單獨布置在型腔某個部位。排氣槽按下述基木原則設置：(1)盡量設置在分模面上，

43、以減少制件上的飛邊毛刺。(2)當排氣量很大時，一般是增加排氣槽數(shù)量和寬度，切忌增加深度，以防金屬液向外噴濺或堵死排氣槽。擠鑄鎂合金時一排氣槽深度通常為0.100.15mm。寬度為1525mm。(3)可利用型芯頭或推桿的間隙排除型腔深處的氣體。(4)排氣槽的總截面積，一般不應小于內(nèi)澆道截面積的50，但也不應超過內(nèi)澆道截面積之和。5.2.2 凹模設計凹模是獲得液鍛件形狀和尺寸的重要工作零件，根據(jù)液鍛方式,同時考慮到液鍛件的脫模以及模具加工制造等方面的問題，不能在垂直方向直接脫模,所以將凹模設計成垂直分型式。設計時,應遵守如下原則:液鍛件易于從模具內(nèi)取出;便于加工;各部分壁厚不宜相差太大,以避免熱處

44、理時產(chǎn)生變形;可分凹模的拼塊數(shù)目應盡可能少;安裝要可靠,接合面處要仔細加工,接合面處的輪廓不允許倒角或圓角,以免合金液從接合處飛濺出來或形成毛刺.凹模與模板的定位采用導軌的形式連接.圖5.7 凹模5.2.3 凸模設計凸模在擠壓鑄造中除了形成液鍛件的形狀和尺寸外,還起著加壓液鍛的作用。因此，凸模也是液鍛模中十分重要的零件之一。本凸模設計采用整體式，連接方式為直裝式，利用窩座和銷定位。上模如圖5.8所示，底模的設計將在后面著重介紹。凸模尺寸計算公式：L=L1+L2+L3+L4式中 L凸模長度，350mm； L1由邊鍛件本身尺寸決定的長度，60 mm；L2導入長度，137mm；L3自由長度，決定于模

45、具結構和擠壓機封閉高度79 mm；L4裝配長度，74 mm。圖5.8上模5.2.4模板設計模板是擠壓模的連接零件，擠壓模的所有其它零件，通過螺釘，銷釘?shù)攘慵b在其上，組成一套擠壓模，在通過模板裝在擠壓機上。模板的結構形式如圖5.9和5.10所示。模板的技術條件：（1） 模板的上、下表面必須保持平行，其平行度偏差按表查出。（2） 模板的上、下表面有平面度的要求，其平面度允許偏差按表查出。（3） 模板的材料為45鋼。熱處理要求為調(diào)質(zhì)處理，硬度為220250HB圖5.9 上模板圖5.10 下模板5.3 模具裝配設計完各零件后，要進行總體的裝配，如圖5.11所示圖5.11 模具裝配圖5.4 本章小結

46、本章主要對汽車輪轂的模具結構進行了設計，對模具結構的設計主要是針對其型腔組件，采用了三片兩開式開模結構，設計成一個上模，一個下橫和兩個側(cè)模。其中通過理論和相關實際經(jīng)驗參數(shù)，對模具的澆道、溢流槽、捧氣槽等進行了設計，并對輪轂模具進行了三維建模。結 論本文通過輪轂的結構與模具設計，對此作了全面的分析，在此期間主要完成了如下工作：1 調(diào)查研究了國內(nèi)外汽車輪轂鑄造模具研究現(xiàn)狀，總結了我國現(xiàn)有模具工業(yè)和國際的差距，提出了改進的建議。2 明確要求，完成整體方案設計。從提出論文起，就廣泛的查閱資料，深入的了解輪轂的性能，結構設計要求等，明確模具的加工工藝流程，并通過資料總結出模具加工過程中的利弊，從而完成了

47、本論文的整體設計方案。3 鑄件三維造型，根據(jù)輪轂尺寸參數(shù)，用Pro/e軟件繪制鑄件三維圖形。 4 模具設計。通過輪轂尺寸參數(shù)，完成了整套模具設計，并在模具設計過程中提出了創(chuàng)新的思想和方法，為以后的模具生產(chǎn)、設計提供了借鑒和參考。在此期間采用了基于特征的實體造型方法和基于機械加工的造型方法。設計以Pro/E軟件作為造型的工具。分析對比了輪轂成型的各種工藝，確定了對鎂合金輪轂進行擠壓鑄造生產(chǎn)的工藝路線，并結合擠壓鑄造的特點，對輪轂擠壓鑄造模具型腔進行了設計，建立了三維模型。擠壓鑄造是一種集鑄造和鍛造特點于一體的新工藝, 特別適合于形狀復雜、帶有多孔或臺階形狀類零件的成形，也是一種具有較寬的適用性、較大推廣價值及很有發(fā)展前途的工藝。