基于数值模拟技术的圆形电机盖压铸模具设计与制造毕业设计论文(编辑修改稿)

基于数值模拟技术的圆形电机盖压铸模具设计与制造毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 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。 真空压铸技术介绍 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。 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 2 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。 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]。 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。 3 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 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 %， 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 21所示： 图 21 圆形电机盖的三维图 零件工艺分析 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 22 所示： 4 图 22 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 ，平均壁厚为 5mm。 （ 3） 铸件质 量为 370g。 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 [68]。 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 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 5 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 31 所示 ，箭头方向为工件顶出方向。 图 31 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。 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]。 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。 6 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。 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。 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 31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 31 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 — — — 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 7 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表 33所示。 表 32 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 33 基于压铸件壁厚的冷室压铸充型速 度 平均厚度 /mm 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 32和表 33以及此电机盖的平均厚度，选择充填速度为 32m/s。 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 34。 表 34 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 35。 . 表 35 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℃。 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 8 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 36 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 2 3 4 ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 5 6 7 8 9 10 ～ ～ ～ ～ ～ ～ 本壳体属于复杂较大铸件。