汽車輪轂模具加工工藝設計

1、畢業(yè)論文題 目：德國奔馳特汽車鋁輪轂模具及數控加工工藝設計系 部：機械工程學院專 業(yè)：機械設計制造及其自動化班 級：機設0804 學號： 200802010405學生姓名：李斌彬指導老師姓名：陳蓉玲 關耀奇完成日期： 2012.06.08窿擊7種茅威畢業(yè)設計（論文）任務書 題目：德國奔馳特汽車鋁輪轂模具及數控加工工藝設計姓名 李斌彬 學院 機械工程 專業(yè) 機械設計制造及其自動化班級0804學號 05指導老師 關 耀 奇 職稱 副 教 授教研室主任一、基本任務及要求：1. 德國奔馳轎車鋁輪轂零件的3D設計;2. 德國奔馳轎車鋁輪轂零件鑄造模具的3D設計;3. 德國奔馳轎車鋁輪轂鑄造模具頂模零件加

2、工的工藝分析及工藝規(guī)程的編制;4.德國奔馳轎車鋁輪轂零件鑄造模具頂模的在XK714機床（FANUC 0i系統）上加工的 NC代碼數控銃削加工的 NC編程及刀路仿真;5. 撰寫文獻綜述（3000字、參考文獻 15篇以上）、開題報告;6. 撰寫設計說明書一份（字數15000字以上）;7. 畢業(yè)調研及撰寫畢業(yè)調研報告。二、進度安排及完成時間：1. 查閱資料、撰寫文獻綜述、撰寫開題報告（2.5周）;2. 畢業(yè)調研及撰寫畢業(yè)調研報告（1.5周）；3. 畢業(yè)設計（9周），其中：總體方案（1周），德國奔馳轎車鋁輪轂零件的三維造型（1周），德國奔馳轎車鋁輪轂零件鑄造模具的3D設計（2.5周），工程圖設計（3周

3、），底模零件的工藝設計、加工編程（1.5周）;4. 撰寫畢業(yè)設計說明書并將初稿交導師評閱（1.5周）;5. 指導老師評閱、學生修改及打印說明書（0.5周）;6. 評閱老師評閱設計說明書、學生準備答辯（0.5周）;7. 畢業(yè)答辯（0.5周）。誠信聲明本人聲明：1 、 本人所呈交的畢業(yè)設計 （論文） 是在老師指導下進行的研究工作及取得的研究成果；2 、 據查證， 除了文中特別加以標注和致謝的地方外， 畢業(yè)設計（論文）中不包含其他人已經公開發(fā)表過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機構的學位而使用過的材料；3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設計（論文）中的所有內容均真實、可信。作者簽名：年月日第 1 章 緒論

4、 161.1 引言 161.2 鋁合金輪轂的優(yōu)點 161.3 鋁合金輪轂的發(fā)展狀況 錯誤 ! 未定義書簽。1.3.1 國外鋁合金汽車輪轂發(fā)展狀況 錯誤 ! 未定義書簽。1.3.2 國內鋁合金汽車輪轂發(fā)展狀況 181.4 鋁合金輪轂的模具設計 181.5 鋁合金輪轂頂模的數控加工工藝分析 191.6 本文研究的主要內容 19第2章 鋁輪轂的3D設計 202.1 引言 202.2 輪轂方案的確定 212.3 鋁輪轂的設計 212.3.1 鋁輪轂的設計原則 222.3.2 鋁輪轂的設計原則 222.3.3 鋁輪轂的設計 22第3章：鋁輪轂壓鑄模具的3D設計 243.1 引言 243.2 鋁輪轂的壓鑄

5、模具設計 243.2.1 鋁輪轂擠壓模具設計前的相關知識 243.2.2 鋁輪轂的壓鑄模具的相關參數確定 263.2.3 鋁輪轂的壓鑄模具設計步驟 28第 4 章 鋁輪轂頂模加工工藝和數控編程364.1 引言 364.2 鋁輪轂頂模加工工藝分析 364.3 鋁輪轂頂模的毛坯、余量分析 374.3.1 毛坯的種類 374.4 鋁輪底模數控加工程序的編制 404.4.1 坐標系的建立 404.4.2 刀具起刀點的設置 404.4.3 夾具的選擇 404.4.4 刀具選擇 414.4.5 基準的選著 424.4.6 切削用量及切削液的選擇 434.5 鋁輪轂頂模加工工藝規(guī)程的編制 464.6 鋁輪轂

6、頂模數控加工 474.6.1 Pro/E NC 簡介 474.7 鋁輪轂頂模數控銑削加工及刀路仿真 504.7.1 鋁輪轂頂模數控銑削加工步驟 514.7.2 部分G代碼摘錄 57結 論 錯誤! 未定義書簽。參考文獻 59致 謝 61德國奔馳汽車鋁輪轂模具及數控加工工藝設計摘要： 鋁合金輪轂是當今汽車行業(yè)使用最廣的一種， 當今世界發(fā)達國家在汽車鋁合金輪轂的開發(fā)設計過程中普遍采用了CA鼓術，CAES術的推廣進一步推動與輪轂相適應的模具制造業(yè)的發(fā)展。 本論文是借助奔馳汽車鋁輪轂模具， 采用 pro/E 軟件，最終實現預期的目的。本文主要利用 pro/E 強大三維造型功能中的零件模塊實體特性和制造模

7、塊曲曲面特性，查閱模具設計手冊，選擇模架，確定模架的結構尺寸，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， 闡述了汽車輪轂實體模型及模具的設計并實現零件的三維裝配和模具設計， 最后進行數控加工仿真和后置處理。 通過本次奔馳汽車鋁輪轂的結構設計、 模具設計及模擬仿真， 和傳統的設計方法所需要的時間相比， 采用計算機虛擬輔助模具設計可打打縮短開發(fā)周期和生成成本。關鍵字： 奔馳汽車；鋁輪轂；模具設計，數控加工工藝。German Mercedes-Benz automotive aluminum wheels mold and CNC machining process desig

8、nAbstract: Aluminumalloy wheel hub of automobile industry is the most widely used one, today's developed countries of the world in aluminium alloy wheel hub of vehicle development and design process of common used CAE technology, the CAE technology to further promote and the hub is adapted to th

9、e development of manufacturing molds. This paper is the use of Benz Auto Al wheel hub mold, using pro/E software, and eventually realize the intended purpose.In this paper, the use of pro/E powerful modeling function of part module entity properties and manufacturing module curved surface characteri

10、stics, refer to the Handbook of die design, selection of die mold structure, determine the size, complete mold design. At the same time, make full use of the computer drawing software for parts design, elaborated car hub entity model and mold design and Realization of3D assembly parts and die design

11、, the NC machining simulation and post processing. The Benz automobile aluminum wheel hub structure design, mold design and simulation, and the traditional design method the time required by the virtual computer aided compared, die design can be either shorten the development cycle and cost of produ

12、ction.Keywords: Mercedes-Benz cars; aluminum wheels; mold design, CNC machiningprocess.第 1 章 緒論1.1 引言在汽車工業(yè)發(fā)達的國家, 鋁輪轂的應用有很長的歷史 , 制造技術早已成熟。我國從 20 世紀 90 年代初期引進該項技術, 已有五家較大規(guī)模的汽車鋁輪轂廠,以外資、合資為主, 除供應國內市場, 部分產品返銷國外。對比鋼輪轂，鋁輪轂努力在行走系統采用輕質金屬材料（鋁、鎂）和有機材料（聚合材料），就成為減輕空車質量的有效措施1 。有資料表明，輪轂質量的減輕對于燃油經濟性的提高效果要比減輕汽車其它部件的

13、質量要大的多，而且試驗表明，汽車輪轂（輪輛、輪輻部分）在滿足其使用性能要求的基礎上存在著減輕質量的潛力2 。鋁合金輪轂降低了非載荷重量而提高了抓地性， 表現出史為精確的轉向動作和入彎性能； 減小了車輪等旋轉部分的熱慣性， 散熱性好， 改善了加速性和制動性； 因為吸收沖擊性能量，抗震性高于鋼輪;硬度高減小了過彎時輪胎/輪轂的傾斜度，增加了剛性。 此外還具有同心度高、 徑向端向跳動低、 車子乘駛平穩(wěn)、 受力合理、 耐腐蝕、造型美觀、裝配方便和制造周期短等優(yōu)點。輕了30%40%，可節(jié)約油耗5 %，汽車的振動程度可減輕12%， 加速時間可縮短7 % ,明顯提高了整車性能、在摩托車、 汽車行業(yè)鋁合金輪轂

14、得到了廣泛的應用， 其裝車比例逐年上升， 尤其是在轎車行業(yè)，整體式鋁合金輪轂幾乎一統天下 3 。1.2 鋁合金輪轂的優(yōu)點從單純的生產成本比較， 目前仍是鋼制輪轂最便宜， 但從輕量化和現代轎車產品的整體結構發(fā)展來考慮， 鋁合金輪轂的應用是必然趨勢， 這是由于它的諸多優(yōu)點決定的。1、散熱快： 轎車在高速行駛時,輪胎與地面摩擦會產生較高的溫度,制動盤和制動片摩擦也會產生較高的溫度,在這樣的高溫作用下,輪胎和制動片均會老化和加速磨損 ,制動效率下降 ,輪胎氣壓升高,爆胎和剎車失靈的事故就有可能發(fā)生。攝氏 20 度時,鋁熱容量大，導熱能力是鋼的5 倍，在當今車速不斷提高的情況下，意義非常重大。2、 重量

15、輕： 鋁材密度比鋼材小 ,鋁合金輪轂比同尺寸的鋼輪轂輕,平均每只鋁合金輪轂比鋼質輪轂要輕2 公斤左右 ,由于輪轂重量輕,轉動慣量小 ,汽車的加速性能得到提高,剎車性能同樣得到提高,提升車子加速能力之余更可降低油耗。 一輛轎車以 5 只車輪（包括一只后備車輪）計算可減輕重量10 公斤 7 。根據日本實驗,汽車重量每減輕1公斤 ,一年可節(jié)省12公升汽油,在同等耗油量下,可多跑600800米。引擎產生動能，傳動到輪胎時需克服的負荷是力矩，力矩二重量X距離的平方 ,所以重量只差 2 公斤,但力矩差卻相當大。3、強度大：強度大與重量輕是聯系在一起的 ,確切地說 ,應該是比強度大。 即同樣重量,鋁合金輪轂

16、要堅固耐用得多; 同樣強度,鋁合金輪轂要輕得多。鋁合金輪轂耐沖擊力、 抗張力及熱力等各項強度較鋼轂有過之而無不及,鋁合金輪轂的高硬度明顯地減小了轉彎時輪轂的變形10 。這對于安裝了高性能輪胎的車子尤為重要。因此,其在國防工業(yè)、航空工業(yè)扮演了極其重要的角色。4、舒適性好：鋁合金車轂是精密的鑄造件，精加工表面達8090%,失圓度和不平衡度很小 ,特別是鋁合金的彈性模數較小 ,抗振性好 ,能減少行駛中的車身振動。鋁合金輪轂具有吸收振動和反彈力量的金屬特性11 。5、造型美，易加工：鋁的工藝性（包括延展性、切削性能等）較好，便于軋、壓、鑄、鍛加工，容易獲得理想的幾何形狀，可以制造出結構復雜的輪轂，便于

17、成形、易于裝潢，配合機械加工、表面涂敷及表面處理（氧化、噴丸、熱處理等 ）， 使它既提高了耐蝕性， 又表現了造型美。 由于鋁的熔點低， 易于再加工，使材料的再生利用率提高:再由于鋁容易切削加工，可以保證鋁制輪轂幾何尺寸精度高，不圓度、擺差小，動平衡好，從而可提高整車的平順性和舒適性。采用適當的工藝制造鋁輪轂，強度可滿足整車要求12 。6、效益好：由于鋁的價格比鋼的高，鋁輪轂制造工藝也比鋼輪轂的復雜，所以鋁輪轂初始成本較高。 然而， 鋁的含里在地殼金屬元素中列第一， 并且提煉技術的進步可促使價格下降， 而且采用鋁合金輪轂使汽車的自重顯著下降， 其帶來的經濟效益是顯而易見的.因此，采用鋁合金輪轂是

18、合算的。今天，鋁輪轂己成為汽車生產廠的原裝件或選裝件， 在美國以鋁制輪轂作為原裝件出廠的車輛約占總數的45%。我國鋁合金輪轂工業(yè)起步較晚，但發(fā)展速度是很快的13。自 1989年我國首家汽車鋁合金輪轂廠一秦皇島市戴卡鋁輪轂有限公司投產以來， 到 19%年，先后建立的汽車和摩托車鋁輪轂生產線己超過21 條，這些鋁合金輪轂廠大多是中外合資的，產品大多外銷 14 。7、安全性好：對于高速行駛的汽車來說，因輪胎著地摩擦、制動等發(fā)生的高溫爆胎、 制動效能降低等現象不足為奇。 而鋁合金的熱傳導系數是鋼、 鐵等的三倍，加上鋁合金車輪因其布局的特征， 極易將輪胎、 車底盤所發(fā)生的熱量排散在空氣中 15 。即使在

19、遠程高速行駛或下坡路持續(xù)剎車的環(huán)境下，亦能使汽車連結恰當的溫度。不單能使輪胎及剎車的鼓不易因經常高溫而老化，更能降低爆胎率。1.3.2 國內鋁合金汽車輪轂發(fā)展狀況國內于 20 世紀 80 年代中期開始涉足研制、生產和推廣使用鋁合金汽車輪轂,90 年代進入發(fā)展期。 1988 年戴卡輪轂制造有限公司建廠,1990 年廣東南海中南鋁合金輪轂廠投產 ,1991 年昆山六豐機械工業(yè)有限公司建廠,以后又陸續(xù)建成了不少鋁合金汽車輪轂制造廠。 目前 ,國內有鋁合金汽車輪轂制造廠40 余家 ,主要分布在江蘇、 浙江、 廣東、 福建、 山東、 河南、 河北、 吉林等地,年產能超過2500萬件。表 1 列出了國內鋁

20、合金汽車輪轂部分生產廠及產能20 。 2002年至今 ,由于中國汽車制造業(yè)的快速發(fā)展,跨國公司紛紛在中國投資設廠,或加入中國的鋁合金汽車輪轂的采購,中國鋁合金汽車輪轂產業(yè)出現了強勁的增長勢頭。據統計,2003年中國生產鋁合金汽車輪轂2300 萬只 ,出口 1200萬只 2004 年生產鋁合金汽車輪轂 2500 萬只 ,出口 1400 萬只。國內制造鋁合金汽車輪轂主要采用成本較低的低壓鑄造工藝,約占全部產量的80%;其次采用最簡單的重力鑄造工藝,占全部產量不足 20%;已有少數廠家采用擠壓鑄造工藝,在質量品質上取得了良好的效果。在鋁輪轂表面的加工方面,一般采用數控機床、高精度自動化柔性加工系統;

21、在表面涂裝方面,采用自動化涂裝工藝、噴粉涂裝工藝漸有替代噴漆之勢少數企業(yè)還采用先進的真空電鍍涂裝工藝。1.4 鋁合金輪轂的模具設計鋁輪是轎車行駛系的主要部件之一， 是汽車與地面之間的傳力元件， 起著承載、轉向、驅動、制動等作用。同時，鋁輪是一個承受隨機疲勞載荷的旋轉薄殼結構，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鋁輪的傳遞也十分復雜。 因此， 鋁輪的幾何形狀和力學特征的復雜性給研究工作帶來很大的困難。 鋁輪模具設計是保證轎車鋁輪質量的關鍵， 由于模具型面復雜， 幾何構造圖素和曲面造型獨傳統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

22、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。鋁輪模具設計可分兩步 21 ：(1)設計出符合要求的轎車鋁輪三維實體模型；(2)利用Pro/E 軟件提供的功能， 在鋁輪實體的基礎上進行三維造型， 設計出相應的鋁輪模具。1.5 鋁合金輪轂頂模的數控加工工藝分析根據上述設計好的鋁合金輪轂模具，采用Pro / E提供了 NC加工模塊，設置好 NC 加工所需的各種參數， 選擇相應的鋁輪頂模的加工工藝流程， 制定好相 應的加工工藝，需要考慮以下幾點 22-24 ：1) .毛坯的加工余量是否充分，批量生產時的毛坯余量是否穩(wěn)定。 數控加工 時，工件的加工面均應有較均勻充分的余量；2) .分析

23、毛坯在定位安裝方面的適應性；3) .分析毛坯余量的大小及均勻性。不同類型的零件要選用相應的數控機床加工，以發(fā)揮數控機床的特點和效率。 加工順序的安排應根據零件的結構和毛坯狀況，以及定位安裝與夾緊的需 要來考慮，重點是工件的剛性不被破壞。1.6 本文研究的主要內容本課題主要研究鋁輪轂的模具設計與加工， 具體內容是： 廣州本田家用轎車鋁輪轂零件的 3D 設計；廣州本田家用轎車鋁輪轂零件鑄造模具的 3D 設計；廣州本田家用轎車鋁輪轂零件鑄造模具底模零件加工的工藝分析及工藝規(guī)程的編制；廣州本田家用轎車鋁輪轂零件鑄造模具底模的在MV-610機床(S工NUMER工 K810D 系統 )上數控銑削加工的NC

24、 編程及刀路仿真。因此，要想順利完成設計必須首先復習以前所學與設計有關的專業(yè)知識， 并學以致用， 并學習與模具設計有關的知識。 另外， 還要學習一些設計中所用到的其它方面的知識， 如 Pro / E 和SINUMERIK81 OD系統的熟練運用，利用Pro / E強大三維造型功能中制造模 塊曲面特性來實現汽車輪轂模具的生成。通過 Pro/E生成二維圖形，經過處理后形成二維工程圖，并在MV-610 機床 (SINUMERIK810D 系統 )上數控銑削加工的NC 編程及刀路仿真廣州本田家用轎車鋁輪轂零件鑄造模具底模。第2章鋁輪轂的3D設計2.1 引言隨著科學技術的發(fā)展，計算機輔助設計技術正朝著高

25、度集成化發(fā)展，出現了計算機輔助CAD/CAM系統、CAD/CAE/CAM系統等，其中三維實體模型是重 要的基礎，三維實體模型不僅以其直觀明了的特點充分體現設計意圖，而且在三維實件模型基礎上可以進行裝配、干涉檢查、有限元分析、運動分析，對所設計 的產品進行鑄模設計，模擬加土、模擬裝配等計算機輔助設計工作，Pro/Engineer 的參數化設計在設計上給設計者提供了前所未有的簡易和靈活。Pro/Engineer操作軟件是美國參數技術公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE 一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數化著稱，是參數化技術的最早應用 者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要

26、地位，Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。是現今主流的 CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內產品設計領域占據重要位置。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鉞 金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。1、參數化設計相對于產品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復雜的幾何模型， 都可以分解成有限數量的構成特征， 而每一種構成特征，都可以用有限的參數完 全約束，這就是參數化的基本概念。2、基于特征建模Pro/E是基于特征的實體模型化系統，工程設計人員采用具有智能特性的基 于

27、特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易 改變模型。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活。3、單一數據庫（全相關）Pro/Engineer是建立在統一基層上的數據庫上，不像一些傳統的CAD/CAM系統建立在多個數據庫上。所謂單一數據庫，就是工程中的資料全部來自一個庫， 使得每一個獨立用戶在為一件產品造型而工作， 不管他是哪一個部門的。換言之， 在整個設計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環(huán) 節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC （數控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應在整個三維模型上。這種獨特

28、的數據結構 與工程設計的完整的結合，使得一件產品的設計結合起來。這一優(yōu)點，使得設計 更優(yōu)化，成品質量更高，產品能更好地推向市場，價格也更便宜。所以本文中采 用Pro/Engineer軟件進行輪轂的三維設計。2.2 輪轂方案的確定Pro/ENGINEER提供的設計理念將設計、制造、裝配以及生產管理融為一 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設計功 能為工程技術人員和生產管理人員在短期內完成高質量的產品開發(fā)提供了強有 力的工具。本論文以 Pro/ENGINEER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的開發(fā)， 實現模具設計的自動化，智能化，大大

29、 縮短了設計、數控編程的時間，從大大縮短了模具設計周期。另外， Pro/ENGINEER軟件具有的單一數據庫、參數化實體特征造型技術為實現并行工 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二維造型，并設計出相應的輪轂模 具。汽車輪轂由鋼圈，輪輻，風孔等組成。2.3 鋁輪轂的設計2.3.1 鋁輪轂的設計原則起模方便，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生。

30、零件的轉角處要留有鑄造圓角，以防止裂紋， 縮孔。要有合理的鑄件壁厚，其最薄的部分應保證液體金屬充滿。2.3.2 鋁輪轂的設計原則鑄件的最小壁厚：b =5-7mm,其平均壁厚為6mm鑄造內外圓角：R=2mm.汽車輪轂的受阻收縮率：0. 5%-1% ;鑄造斜度（拔模斜度）:a =50 0 302.3.3 鋁輪轂的設計Pro / E三維實體建模是利用其強大的三維造型功能中的零件模塊實體特性，遵循由線一面一實體的方式進行的，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。通過繪制直線，圓弧，自由曲線等基本因素， 并做拉伸、旋轉、鏡像、等距、剪切等操作最終生成所需的曲線外形，建立

31、輪轂 三維模型如下圖2.2所示。圖2.2汽車輪轂正面效果圖圖2.3汽車輪轂反面效果圖第3章：鋁輪轂壓鑄模具的3D設計3.1 引言壓鑄是制造業(yè)的一種工藝，能夠成型復雜的高精度的金屬制品，多用于汽 車制造，機械制造等。本課題是對鋁殼體進行模具設計并分析加工工藝。本模具考慮到年產量、工廠的設備及鑄件的精度要求，選擇一模一腔結構。以制 品的最大端面為分型面，使制品順利脫模。制品上還有散熱片，須進行側向抽芯。為了使動、定模能夠準確地動作，導向定位機構利用導柱與導套的配合。 頂出機 構是推桿推出的一次脫出機構?？紤]到零件的位置關系 ，冷卻水道采用循環(huán)式分 布，以便冷卻均勻、快速。鋁合金重量輕、強度高、成型

32、性好、價格適中、回收率高，縣有塑料與鎂合金等無法比擬的綜合優(yōu)勢。壓鑄的流動性流動性是指合金液體充填鑄型的能力。流動性的大小決定合金能否鑄造復 雜的鑄件。在鋁合金中共晶合金的流動性最好。影響流動性的因素很多，主要是成分、溫度以及合金液體中存在金屬氧化物、 金屬化合物及其他污染物的固相顆粒，但外在的根本因素為澆注溫度及澆注壓力（俗稱澆注壓頭）的高低。實際生產中，在合金已確定的情況下，除了強化熔煉工藝（精煉與除渣）外, 還必須改善鑄型工藝性（砂模透氣性、金屬型模具排氣及溫度） ，并在不影響鑄 件質量的前提下提高澆注溫度，保證合金的流動性鋁制輪轂因具有重量輕、散熱性能好、壽命長、安全可靠、生產簡單、外

33、型 美現、圖案豐富多彩、尺寸精確、平穩(wěn)性好等優(yōu)點，從而得到越來越廣泛的應用， 發(fā)展?jié)摿艽蟆?.2 鋁輪轂的壓鑄模具設計3.2.1 鋁輪轂擠壓模具設計前的相關知識壓力鑄造是目前成型有色金屬鑄件的重要成型工藝方法。壓鑄的工藝特點是 鑄件的強度和硬度較高，形狀較為復雜且鑄件壁較薄，而且生產率極高。壓鑄模具是壓力鑄造生產的關鍵， 壓鑄模具的質量決定著壓鑄件的質量和精度， 而模具設計直接影響著壓鑄模具的質量和壽命。 因此， 模具設計是模具技術進步的關鍵，也是模具發(fā)展的重要因素。壓鑄的主要優(yōu)點是：(1)鑄件的強度和表面硬度較高。由于壓鑄模的激冷作用，又在壓力下結晶，因此，壓鑄件表面層晶粒極細，組織致密，

34、所以表面層的硬度和強度都比較高。壓鑄件的抗拉強度一般比砂型鑄件高25%30%，但收縮率較低。(2)生產率較高。壓力鑄造的生產周期短，一次操作的循環(huán)時間約5 s3 min ,這種方法適于大批量生產。 雖然壓鑄生產的優(yōu)勢十分突出， 但是， 它也有一些明顯的缺點： (1)壓鑄件表層常存在氣孔。這是由于液態(tài)合金的充型速度極快，型腔中的氣體很難完全排除， 常以氣孔形式存留在鑄件中。 因此， 一般壓鑄件不能進行熱處理， 也不宜在高溫條件下工作。 這是由于加熱溫度高時， 氣孔內的氣體膨脹，導致壓鑄件表面鼓包，影響質量與外觀。同樣，也不希望進行機械加工，以免鑄件表面顯露氣孔。 (2) 壓鑄的合金類別和牌號有所

35、限制。 目前只適用于鋅、鋁、鎂、銅等合金的壓鑄。而對于鋼鐵材料，由于其熔點高，壓鑄模具使用壽命短， 故鋼鐵材料的壓鑄很難適用于實際生產。 至于某一種合金類別， 由于壓鑄時的激冷產生劇烈收縮，因此也僅限于幾種牌號的壓鑄。 (3) 壓鑄的生產準備費用較高。由于壓鑄機成本高，壓鑄模加工周期長、成本高，因此壓鑄工藝只適用于大批量生產。以下介紹的便是壓鑄行業(yè)中出現的新工藝技術。 (1) 真空壓鑄：真空壓鑄是利用輔助設備將壓鑄型腔內的空氣抽除且形成真空狀態(tài)， 并在真空狀態(tài)下將金屬液壓鑄成形的方法。其真空度通常在380600毫米汞柱的范圍內，可以通過機械泵獲得。 而對于薄壁與復雜的鑄件， 真空度應該更高。

36、由于型腔抽氣技術的圓滿解決，真空壓鑄在20 世紀 50 年代曾盛行一時，但后來應用不多。目前，真空壓鑄只用于生產要求耐壓、 機械強度高或要求熱處理的高質量零件， 其今后的發(fā)展趨向是解決厚壁鑄件和消除熱節(jié)部位的縮孔， 從而更有效地應用于可熱處理和可焊接的零件。 真空壓鑄的特點是： 顯著減少了鑄件中的氣孔， 增大了鑄件的致密度， 提高了鑄件的力學性能， 并使其可以進行熱處理。 消除了氣孔造成的表面缺陷， 改善了鑄件的表面質量。 可減小澆注系統和排氣系統尺寸。 由于現代壓鑄機可以在幾分之一秒內抽成需要的真空度， 并且隨著鑄型中反壓力的減小， 增大了鑄件的結晶速度， 縮短了鑄件在鑄型中的停留時間。 因

37、此， 采用真空壓鑄法可提高生產率10%20%.采用真空壓鑄時，鎂合金減少了形成裂紋的可能性（裂紋時鎂合金壓鑄時很難克服的缺陷之一，經常發(fā)生在型腔通氣困難的部位） ，提高了它的力學性能，特別是可塑性。（ 2）充氧壓鑄：國外在分析鋁合金壓鑄件的氣泡時發(fā)現，其中氣體體積分數的90%為氮氣，而空氣中的氮氣體積分數應為80%，氧氣的體積分數為20%。這說明氣泡中部分氧氣與鋁液發(fā)生了氧化反應。因此出現了充氧壓鑄的新工藝9 。充氧壓鑄是消除鋁合金壓鑄件氣孔，提高鑄件質量的一個有效途徑。 所謂充氧壓鑄是在鋁液充填型腔， 用氧氣充填壓室和型腔，以置換其中的空氣和其他氣體， 當鋁金屬液充填時， 一方面通過排氣槽排

38、出氧氣，另一方面噴散的鋁液與沒有排除的氧氣發(fā)生化學反應而產生三氧化二鋁質點， 分散在壓鑄件內部， 從而消除不加氧時鑄件內部形成的氣孔。 這種三氧化二鋁質點顆粒細小，約在1m以下，其重量占鑄件總重量的0.1%0.2%,不影響力學性能，并可使鑄件進行熱處理10 。 （ 3）精速密壓：鑄精速密壓鑄是一種精確地、快速的和密實的壓鑄方法， 又稱套筒雙沖頭壓鑄法。 國外在 20 世紀 60年代中期開始在壓鑄生產中應用這一方法。 精密速壓鑄法在很大程度上消除了氣孔和縮松這兩種壓鑄件的基本缺陷， 從而提高了壓鑄件的使用性能， 擴大了壓鑄件的應用范圍。（ 4）半固態(tài)壓鑄：半固態(tài)壓鑄是當金屬液在凝固時，進行強烈的

39、攪拌，并在一定的冷卻速率下獲得50%左右甚至更高的固體組分漿料，并將這種漿料進行壓鑄的方法。 半固態(tài)壓鑄的出現， 為解決鋼鐵材料壓鑄模壽命低的問題提供了一個方法， 而且對提高鑄件質量、 改善壓鑄機鴨舌系統的工作條件， 都有一定的作用，所以是用途的一種新工藝 模具梯度的確定，梯度是指模具輪輞型腔部分自上而下由薄增厚的趨勢， 這種趨勢符合順序凝固要求。 基本所有低壓模具的澆冒口均開在輪轂的中部，由輪輻向四周補縮， 由最遠端、 最薄處向冒口處順序凝固， 越向冒口方向厚度越大，可以保證凝固時有較好的鋁液補縮通道。輪輞型腔尺寸由 8.78mm, 9.19mm、 9.9mm到10.32mmg步增大，即符合

40、梯度要求。輪輛型腔的尺寸，在可以穩(wěn)定成 。3.2.2 鋁輪轂的壓鑄模具的相關參數確定合理的模具設計， 是取得高效率和高效益最重要的一環(huán)。 低壓模具在設計時，應該考慮模具的梯度、 模具的壁厚、 冷卻系統的分布等因素， 還要考慮輪轂的造型特征對鑄造性能的影響， 經綜合分析， 合理配置后， 才能達到事半功倍的效果。型的基礎上， 尺寸越小越好， 這樣可以減少加上量， 保留更多結晶組織致密的部分，防止因縮松、縮孔等缺陷而產生的漏氣現象，同時增加鋁液利用率，減輕毛坯重量。 在確定輪輞厚度及梯度時， 輪輞寬度是另一個需要考慮的因素， 輪輞寬度大，則與冒口距離愈遠，可考慮適當增加輪輞壁厚與梯度。(2) 模具壁

41、厚， 模具型腔由底模、 頂模及邊模封閉而成， 模具壁厚即指此三部分的厚度。 在充型過程的初始階段， 鑄件的散熱主要是熱傳導， 即由模具本身吸收熱量，而吸熱量的多少，取決于模具的質量（ 在模具溫升固定的前提下吸熱量與物質質量成正比） ，模具升溫吸熱，鋁液降溫散熱，兩者達到熱平衡時，以傳導散熱為主的散熱方式基本停止。 在這個階段， 由于熱傳導散熱很快， 而模具與鋁液間有較大溫差， 鋁液在凝固時有激冷效果， 此時在鑄件外表層凝固的組織致密， 力學性能好。 按此種狀況推斷， 增大模具賠厚可以獲得相對較長時間的激冷效應， 囚而獲得較大厚度的優(yōu)質組織層。 頂模及邊模成型車輪的輪輞， 由于輪輞本身厚度較小，

42、 模具壁厚太厚可能會導致輪輞各處的冷熱不均， 產生鑄造缺陷。因此頂、 邊模厚度以保證模具強度為主， 同時兼顧輪輞的成型因素， 目按一般經驗,上模取壁厚2530mmz宜，邊模取30mmfc右為宜。底模與上模成型輪轂的輪輻部分， 輪輻的強度對車輪來說至關重要， 按照一般經驗， 如果加大底模厚度，應該可以獲得較深的激冷層，從而增強輪輻的力學性能。由此進行了試驗驗證。選擇輪輻較寬、較厚的輪型，將底模厚度設計為45mm共生產50件試件，鑄造過程成型艱難， x 光探傷輪輻與輪姻相接處縮孔較大。在對50 件進行熱處理后，半成品力學性能米像預期的增大， 與按常規(guī)賠厚生產的相似輪型基本持平。 切削加上后進行氣密

43、性試驗時出現大量報廢，共漏氣27 只，漏氣位置分布在輪姻的各部分， 輪輻與輪姻相接處有較大渣孔。 經分析， 過大的模具賠厚使筋條整體冷卻速度加快（ 底模吸熱量較大） ， 致使冒口向輪輞的補縮通道過早被阻塞， 由于補縮不足而發(fā)生輪輻與輪姻相接處有較大縮孔， 以及產生輪姻縮松缺陷而引發(fā)氣密性報廢嚴重的現象。 在經歷完以傳導散熱為主的散熱方式后， 冷卻方式轉變?yōu)閷α骱洼椛洹?由于底模過厚， 對鋁液熱量向外散失不利， 底模冷卻系統對鋁液的冷卻影響也相應減弱， 也就是說， 在后來的冷卻過程， 外界冷卻囚素囚對輪轂內部溫度場的影響減弱， 從而對輪轂合理成型的控制相應減弱， 筋條部分在后來的冷卻過程中結晶出

44、現粗大和偏析增大的趨勢， 反而削弱了筋條的強度。 因此， 過大的底模厚度是不可取的，模具底模賠厚減到25mmi內，上述就問題基本可以解決。 在選擇底模賠厚時， 以考慮利于外界冷卻條件對內部溫度場的控制為主， 因此取底模賠厚一般在2025mmz宜。(3) 冷卻系統，冷卻系統在模具設計中占有相當重要的位置，通過附加冷卻影響模具的溫度場，是后期控制達到順序凝固的關鍵因素。一般冷卻分為風冷、 水冷及風水混冷三種方式。 而無論哪種冷卻方式， 都可以達到較好的冷卻目的。 水冷方式冷卻速度快， 可在一定程度上提高輪轂的力學性能， 但需要解決冷卻管路由于頻繁的熱脹冷縮而產生的開裂問題， 因此在管路焊接上藝上要

45、求較高； 風冷是較為常用的冷卻方式。 冷卻風管分為上模風管、 下模風管及邊模風管， 在個別需要強冷卻的部位， 可以鉆出風管孔， 將風管通入到模具里， 更為接近型腔， 以便有更好的冷卻效果； 冷卻的關鍵是確定合適的冷卻位置、 冷卻順序和冷卻強度。 對冷卻風管的布置方位， 底模冷卻風管的布置原則是： 正對筋條， 集中冷卻輪轂法蘭盤及輪輻與輪姻相接處的熱節(jié)部位； 上模風管的布置與底模類似， 而邊模則一般正對輪輻與輪姻相接處加風管即可。 冷卻順序和強度的控制即是對冷卻開啟先后和單位時間內冷卻風管的空氣流量的控制， 決定著冷卻順序和單位時間內帶走熱量程度的強弱。 這對保證順序冷卻起著至關重要的作用， 也

46、是現場上藝調整的最大任務。 對于如今較先進的輪轂鑄造機械， 可以對風冷流量進行精確的自動控制， 因而可以保證上藝的穩(wěn)定性以保證產品品質的穩(wěn)定性。(4) 不同正面造型輪轂的模具設計概要， 不同的輪轂正面造型， 會使輪輻的多少、寬窄、粗細等差別較大，因而整個鑄造過程的溫度場會有相當大的差異，相應在由澆冒口向輪姻及耳部補縮時也會有不同的效果。 在進行模具設計時， 應具體情況具體分析。 從模具結構設計上克服筋條出現鑄造缺陷如縮松， 縮孔， 凝固時間較長，導致結晶粗大，偏析嚴重，在熱處理后力學性能，特別是延伸率較低。 解決的方法主要是調整后期的冷卻上藝， 即通過對筋條的冷卻時間和強度進行調整，為適應這種

47、調整，需將底模設計的厚度減小，一般不高于22mm以利于外界冷卻因素對內部溫度場的影響。3.2.3 鋁輪轂的壓鑄模具設計步驟步驟1創(chuàng)建模具模型(1) 打開 pro/e 之后，選著【文件】中【新建】命令，在彈出的【新建】對話框里選著 【類型】選項組中選著 【制造】 單選按鈕， 在【子類型】 選項組中選著 【鑄造型腔】單選按鈕，在【名稱】文本框中輸入模具模型，取消【使用缺省模塊】復選框，單擊【確認】按鈕。(2)在【新文件選項】對話框中選著公制模板，單擊【確定】，單擊【添加參照模型】按鈕，選著第二章中建立的輪轂模型，在彈出的【創(chuàng)建參照模型】對話框 中單擊【確定】按鈕。(3)在【布局】對話框中選著【坐標

48、系類型】菜單管理器，然后再【動態(tài)】命令， 設置好【參照模型方向】對話框，單擊【確認】按鈕。(4)在系統提示組件的絕對精度值時候單擊 【確定】按鈕，然后選著【完成/返回】 命令添加參照模型，工作區(qū)域內將加載參照模型。如圖 3.1所示圖3.1加載的參照模型(5)單擊【自動工件】按鈕，系統將彈出【自動工件】對話框，選著坐標系作為 模具原點，從【形狀】下拉列表中選取工件形狀為【標準矩形】，接受默認的工件名稱。(6)在【偏移】選項組中設置各方向的偏移值，并按輸入鍵確定，單擊【確定】按鈕完成工件的創(chuàng)建，其圖形結果如圖 3.2所示：圖3.2創(chuàng)建毛坯工件在【鑄造】菜單中選著【收縮】中的【按尺寸】命令，再選著任

49、一參照模型, 則系統彈出【按尺寸收縮】對話框，在對對話框中選著收縮公式為 1+S。(8)在【所有尺寸】項后設置各個方向的收縮率值為0.005。單擊【確定】按鈕，完成收縮特征的設置。步驟2一創(chuàng)建砂芯分型面單擊【分型面】按鈕，在【曲線選項】菜單管理器中選著【旋轉】中的【完成】命令。設置草圖平面為參照模型的DTM2平面，草繪方向參照為(MAIN_PARTING_PLN)繪制草圖，如圖3.3所示：圖3.3繪制草圖(2)對所建立的模型進行鏡像處理，繼續(xù)對分型面進行鏡像操作，然后對單個輪 轂進行內部曲面操作，進行復制，黏貼和填充，再選著分型面邊連，在選著【編 輯】和【延伸】命令，在【延伸】操控板中單擊【到

50、平面】選著工件底面為延伸 截止面，最后在【曲面選項】菜單管理中選著【拉伸】和【完成】命令，設置盲 孔深度為10.0,單擊確定，可以得到拉伸分型面 步驟3添加澆注系統(1)在【模具】菜單中選擇【特征】中的【型腔組件】，然后再選著【實體】中 【切減材料】命令，在彈出的菜單中選著【拉伸】中【實體】的【完成命令】設置草繪參照方向，選著深度方式為【盲孔】10.0,單擊【確認】。(2)選著剛創(chuàng)建的拉伸特征，選擇【編輯】和【鏡像】命令，選著鏡像平面，單 擊【確定】按鈕，其結果如圖3.4所示。圖3.4澆注系統步驟4創(chuàng)建模具型腔(1)單擊【分割工件】按鈕，選著【兩個體積塊】中【所有模塊】，單擊【完成】命令，單擊

51、【分割】對話框，繼續(xù)對較大的模具體積進行分割，直至分割完成， 最后在【模具】菜單中選著【鑄造模具】中【高級實用工具】中的【切除】命令，然后選著切除對象，單擊【確定】按鈕，完成即可得到模具型腔如圖3.5所示:圖3.5模具型腔圖步驟五一模具單元后處理由前面的操作完成了模具型腔的創(chuàng)建， 得到了模具的凹凸模。接下來將對模 具元件進一步處理，在型腔元件上創(chuàng)建溢流槽，創(chuàng)建澆口套、分流錐元件等。其 中分流錐有如下作用：1、以分流錐導入的金屬液，能夠均勻地流向分型面，氣體及金屬液前面冷 污金屬幾乎可以同時達到分型面，并排到溢流槽中，確保鑄件質量。2、直澆道內的金屬液經分流錐導入型腔， 流程最短，易于形成薄壁件

52、鑄件， 并避免了金屬液對型芯的直接沖擊。壓鑄模的熱量分布均勻，有利于鑄件的凝固，鑄件收縮均勻，不易翹曲和變 形。(1)在【模具】菜單中選擇【模具軟件】中的【創(chuàng)建】，彈出【元件創(chuàng)建】，然后 在子類型中選著【實體】單選按鈕，進行一系列操作，進入模型樹中選著【打開】 命令，繪制澆口套草圖，單擊【確定】，并在【圓角工具】工具中得到開口邊緣， 在【設置】上滑板中設置圓角類型，單擊確定按鈕?？梢缘玫綕部谔兹鐖D3.6所示：圖3.6澆口套(2)在模型中單擊澆口套右鍵，在彈出快捷菜單中選著【編輯定義】命令，在【元件放置】添加三個約束，單擊確定，具裝配效果圖如圖3.7所示：圖3.7澆口套的裝配圖(3)對分流錐元件

53、進行創(chuàng)建，其過程與澆口套一樣如下，在【模具】菜單中選擇 【模具軟件】中的【創(chuàng)建】，彈出【元件創(chuàng)建】，然后在子類型中選著【實體】單選按鈕，進行一系列操作，進入模型樹中選著【打開】命令，繪制澆口套草圖， 單擊【確定】，并在【圓角工具】工具中得到開口邊緣，在【設置】上滑板中設 置圓角類型，單擊確定按鈕?？梢缘玫椒至麇F如圖3.8所示：圖3.8分流錐(4)在模型中單擊分流錐右鍵，在彈出快捷菜單中選著【編輯定義】命令，在【元件放置】添加三個約束，單擊確定，具裝配效果圖如圖3.9所示：圖3.9分流錐裝配圖(5)最后對型腔元件進行處理，添加溢流槽，對溢流槽進行整列處理，就可以得到由本次模具設計得到輪轂的效果圖

54、如圖3.10所示：圖3.10輪轂與模具的效果圖第 4 章 鋁輪轂頂模加工工藝和數控編程4.1 引言鋁合金輪轂的主要生產上藝有兩種： 鑄造和鍛造。 鍛造輪轂與鑄造輪轂相比，其金相組織是破碎晶粒與鍛態(tài)組織， 而后者是枝晶狀晶粒與鑄態(tài)組織。 相較而言，鍛造車輪的模具比鑄造貴得多，也更難開模，但鍛造車輪的力學性能要高30%50%， 相應價格也要高很多 ; 從生產上藝來看， 采用鑄造上藝更容易大量生產， 目價格低廉， 市場需求量更大。 另外， 也有個別廠家使用旋壓法和焊接組裝法成形。旋壓法是將輪轂的一部分鑄出， 并留出相應的余量， 然后再采用擠壓的方法成形，這需要專用的設備和生產線，在國內使用的較少;

55、焊接組裝法一般只鑄造或鍛造輪輻，輪姻用成型卷材卷制，然后將輪輻、輪輞焊接成輪轂，可大大減輕重量，降低生產成本，但工藝較復雜，日本在該技術方面已經相當成熟。4.2 鋁輪轂頂模加工工藝分析模具頂模是鋁輪擠壓鑄造裝備的關鍵零件， 它的加工質量不僅決定該模具的裝配質量， 還關系到鋁輪毛坯生產質量， 最終影響到汽車的安全行駛。 鋁輪頂模總體結構不算復雜， 主體為回轉體， 上部有形狀基本規(guī)則的加強筋， 并有四個固定用孔。毛坯壓鑄成形，以減少加工量和重量，也可以采用鍛造型材。頂模的主要加工技術要求為： 頂模與側模配合處的尺寸精度為 h8； 各模具的圓柱體同軸度要求為0.2mn尺寸精度要求為IT8,全圓弧形表面粗糙度為Ra3.2mm且不能有明顯的接刀痕跡；頂模工作部分的表面粗糙度為Ra1.6,假如頂模的要求比較高，可以適當的提高其表面精度；頂模工作表面不允許有任何的表面缺陷 ( 如裂紋、發(fā)裂、剝落及各種孔洞 ) ；為了不影響模具成型的精度，頂模和澆注系統不允許有倒角或圓角， 以免產生毛刺或合金液飛濺。 頂模在粗加工后， 最好進行一次去應力退火，半精加工后進行調質處理，然后再進行精加工。針對上述要求，不難看出該零件的加工