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第1章 緒論
1.1 壓鑄模具的概述
模具CAD/CAM作為一門多學(xué)科綜合性應(yīng)用型新技術(shù),是改造傳統(tǒng)模具生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù),是一項(xiàng)高科技高效益的系統(tǒng)工程,現(xiàn)在已經(jīng)成為模具現(xiàn)代技術(shù)的核心和重要發(fā)展方向。
目前,模具CAD/CAM軟件有許多種,例如,美國PTC公司的Pro/E以及其外掛軟件EMX、華中科技大學(xué)和UGS聯(lián)合開發(fā)的PDW等等。論文應(yīng)用的是Pro/E以及其外掛軟件EMX進(jìn)行模具設(shè)計(jì),其優(yōu)點(diǎn)是EMX中含括了國際上許多知名的模具廠商的標(biāo)準(zhǔn)模架數(shù)據(jù)庫,如香港的龍記(KLM)、日本的FUTABA等等,種類眾多直觀性強(qiáng),可直接調(diào)用,還可以進(jìn)行開模模擬以及模具檢測,是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的CAE軟件。
近年來,我國模具技術(shù)有了很大發(fā)展,模具設(shè)計(jì)與制造水平有了很大的提高,大型、復(fù)雜、高效和長壽命模具的需求量大幅度增加。模具質(zhì)量明顯提高;模具交貨期縮短;模具CAD/CAM相當(dāng)廣泛地得到應(yīng)用。機(jī)械零部件中60%的粗加工,80%的精加工要由模具來完成??梢哉f,模具是工業(yè)之母。
模具的分類種類很多,按模具的安裝方式分類有移動式、固定式、半固定式;按成型方法分有壓縮模、壓鑄模、注射模等等;按加料室的形式分類有敞開式、半封閉式和封閉式;按模具分型面的特征分類有垂直分型面和水平分型面;按凹模數(shù)目分類有單凹模和多凹模等等。
模具在現(xiàn)代化生產(chǎn)中的作用主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面:
(1) 在塑料、陶瓷、粉末冶金、鍛造和壓鑄等行業(yè)應(yīng)用的非常廣泛;
(2) 模具采用壓力加工產(chǎn)品,因此廣泛應(yīng)用于要求無切削的領(lǐng)域;
(3) 模具制造業(yè)同時(shí)也反映了一個(gè)國家的制造水平。
在模具行業(yè)中塑料模具和壓鑄模具占據(jù)了重要地位,而壓鑄模具中主要是以鋁合金、鋅合金、銅合金、錫合金為主要原料進(jìn)行壓鑄。
1.2 總體方案確定
壓鑄模具的作用是盡量一次成型零件,減少加工或完全去掉加工工藝而采用的一種成型設(shè)備,一個(gè)完善的壓鑄模應(yīng)具備如下特點(diǎn):
(1)有自動化的澆鑄系統(tǒng)和分模系統(tǒng)。
(2)能夠承受相應(yīng)壓鑄合金零件的應(yīng)力。
(3)能承受較高的熱應(yīng)力,即紅硬性要高。
(4)載荷均勻分布,機(jī)械效率高。
(5)結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠,拆裝維修方便。
液力偶合器N500A型的工作場所是礦山井下傳遞扭矩的一種安全裝置,其內(nèi)部除了傳動部分外還有一種液體——乳化液,這樣液力偶合器的殼體要求就需要密封性良好,殼體的其它地方由于外觀需要光滑即可。根據(jù)液力偶合器的型號可知其最大直徑是575mm和高為165mm,所對應(yīng)的模具應(yīng)屬于大型壓鑄模,根據(jù)相關(guān)模具手冊查詢壓鑄模的基本結(jié)構(gòu)如下圖1所示,接下來的任務(wù)就是計(jì)算確定模具各成形零件以及導(dǎo)向零件、支撐零件等的結(jié)構(gòu)尺寸。
圖1 模具基本結(jié)構(gòu)
第2章 模具的結(jié)構(gòu)
2.1模具的組成及作用
壓鑄模具的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由以下幾種零件組成:
1)成型零件2)導(dǎo)向零件3)定位零件4)支撐零件5)其它零件
1)成型零件:主要指的是凸模和凹模,根據(jù)它在模具中所處的位置可以確定它的作用是澆鑄合金液進(jìn)入腔內(nèi)凝固成所要求的形狀;
2)導(dǎo)向零件:主要指的是導(dǎo)柱和導(dǎo)套,是起到導(dǎo)向的作用的零件;
3)定位零件:主要指的是銷釘、螺栓等等,主要作用是鎖緊并固定零件間的位置關(guān)系,使其在模具中有固定不變的位置;
4)支撐零件:在模具中指的是支撐板和墊塊,除了起支撐作用外,支撐板還起到了增強(qiáng)凸模強(qiáng)度的作用;而墊塊在模具分模時(shí)的作用很大;
其它零件:只要指在模具中起到輔助作用的零部件。
第3章 壓鑄模具設(shè)計(jì)
3.1產(chǎn)品零件分析
3.1.1 壓鑄件材料分析
根據(jù)已知條件可得知壓鑄件的牌號是ZL102(ZAlSi12),其綜合性能及其他參數(shù)如下表1所示:
表1: ZL102(ZAlSi12)的綜合性能及鑄造方法
鑄造方法
合金狀態(tài)
HB
SB、JB、RB、
F
143MPa
4 MPa
50 MPa
J
F
153MPa
2 MPa
50 MPa
SB、JB、RB、
T2
133MPa
4 MPa
50 MPa
J
T2
143MPa
3 MPa
50 MPa
注:表中:S—砂型鑄造;J—金屬型鑄造;R—熔模鑄造;B—變質(zhì)處理;F—鑄態(tài);T2—退火
鋁合金ZL102(ZAlSi12)的主要性能:鑄造性能好,密度小,耐蝕性能好,可承受大氣、海水、二氧化碳、氯、硫、過氧化氫的腐蝕作用,隨壁厚的增加強(qiáng)度降低程度低,不可熱處理強(qiáng)化,焊接性能好,切削性能好,加工性能、耐熱性能差成品應(yīng)在變質(zhì)處理下使用。應(yīng)用范圍:適于鑄造形狀復(fù)雜,低載荷的薄壁零件及耐腐蝕和氣密性高,工作溫度低于200的零件,如船舶零件、儀表殼體、機(jī)器蓋等。其工藝性能見下表2(選[9]-表11-92):
表2: 鋁合金ZL102(ZAlSi12)的工藝性能(節(jié)選)
合金材料
適于鑄造方法
融化溫度范圍()
收縮率%
抗熱裂性
氣密性
流動性
凝固疏松傾向
切削性能
拋光性
線
性
體
積
ZL102
Y
527~600
0.9~1
3~3.5
優(yōu)
良
優(yōu)
優(yōu)
較差
差
3.1.2壓鑄件結(jié)構(gòu)分析
根據(jù)鑄件的零件圖可以看出,零件是一型號為N500A型的液力偶合器殼體,殼體外表面上除了有16個(gè)13mm的螺紋孔外還有6根加強(qiáng)筋等等,內(nèi)孔處鑲嵌了一塊鑄鐵(HT250),其作用是安裝軸承。
3.1.3壓鑄件的尺寸精度分析
根據(jù)零件圖的部分尺寸精度,形狀和位置精度分析,將分型面確定在I—I處比較合理圖2:
圖2 零件分型面選擇
這樣分型的優(yōu)點(diǎn)是凸模和凹模的加工方便,查[10]-表29.1-103得到凸模和凹模的表面粗糙度=0.4。
3.2了解模具制造及設(shè)備情況
3.2.1設(shè)備能力
盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件以提高模具的制造效率和更換性。
3.2.2設(shè)備情況
壓鑄設(shè)備采用EMX中的FUABA系列模具,壓鑄機(jī)的選用原則:
1.壓鑄模與壓鑄機(jī)的對應(yīng)關(guān)系:
1)壓鑄機(jī)應(yīng)具有保證鑄件成型和達(dá)到致密性要求的壓射比壓;
2)壓鑄機(jī)應(yīng)具有確保正常生產(chǎn)所需的鎖模力、開模力和推出力的能力;
3)壓鑄模的大小、厚度、開模距離等應(yīng)與壓鑄機(jī)相適應(yīng),以確保模具的安裝和開模后取出制品零件;
4)壓鑄模的定位孔、澆道直徑、推出孔位置等均應(yīng)與壓鑄機(jī)模板安裝孔相適應(yīng);
5)冷室壓鑄機(jī)壓室應(yīng)能容納每次壓鑄所需的金屬容液;
根據(jù)鋁合金的綜合性能可確定應(yīng)采用臥室冷室壓鑄機(jī);模具在壓鑄生產(chǎn)前應(yīng)進(jìn)行充分的預(yù)熱,并在壓鑄過程中保持一定的溫度范圍,壓鑄生產(chǎn)中模具的溫度由加熱與冷卻系統(tǒng)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié),其作用如下:
1).使模具達(dá)到較好的熱平衡和改善鑄件順序凝固條件,使鑄件凝固速度均勻并有利于壓力傳遞,提高鑄件內(nèi)部質(zhì)量;
2).保證壓鑄合金填充時(shí)的流動性,具有良好的成型性和提高表面質(zhì)量;
3).穩(wěn)定鑄件尺寸精度,改善力學(xué)性能;
4).提高壓鑄生產(chǎn)率;
5).降低模具熱交變應(yīng)力,提高模具使用壽命
2.鎖模力的確定
鎖模力的作用是為了克服壓鑄過程中的反壓力,以鎖緊模具的分型面,防止合金液體飛濺,保證鑄件尺寸精度。
查[10]-式29.1-4知如下關(guān)系式:
K(+)
式中:—壓鑄機(jī)有效的鎖模力(KN);
K——安全系數(shù),一般K取1.25;
—主脹型力,作用在分型面上的投影面積,包括澆鑄系統(tǒng)、溢流排氣系統(tǒng)的面積的力(KN)按式[10]-29.1-5算;
—分脹型力,作用在滑塊斜楔上的法向分力所引起的脹型力之和(KN);按式[10]-29.1-6計(jì)算;
3.確定比壓
根據(jù)[10]-表29.1-3選擇,液力偶合器殼體根據(jù)工作需要應(yīng)當(dāng)屬于耐氣密性件,故應(yīng)選則p=80~120MPa。
4.計(jì)算脹型力
=
式中:—同上;
A——鑄件在分型面上的投影面積,多腔則為各投影面積之和,一般另加30%作為澆鑄系統(tǒng)與溢流排氣系統(tǒng)的面積()
P——比壓(MPa),取p=100MPa.
則=1.3=3375.74KN
=tan=0
A==3.14=0.26
根據(jù)==0.34和壓射比壓p=100MPa查[8]圖4-6-2知,取橫坐標(biāo)0.34向上引垂線交縱坐標(biāo)100MPa的水平線于一點(diǎn),該點(diǎn)位置介于J1125和J1140兩種型號的壓鑄機(jī)之間,壓室直徑可取和mm.
按公式計(jì)算鎖型力,當(dāng)K=1及法向反壓力=0時(shí)
==1000.34=3375.74KN,查J1125型壓鑄機(jī)鎖型力為2500KN,遠(yuǎn)小于,故舍去;查J1140型壓鑄機(jī)鎖型力為4000KN,大于。查[3]-表4-21知J1140型壓鑄機(jī)的模具最大尺寸:長寬=760mm660mm,而零件的尺寸是575mm,J1140型壓鑄機(jī)根本無法滿足零件的要求需要重選之。根據(jù)[15]中查到外國的FUTABA的標(biāo)準(zhǔn)模架庫中有長寬=1000mm1000mm的,能滿足零件的需求,用之。所對應(yīng)的壓鑄機(jī)型號為:BN-T_4000-1600/3200型。
3.3確定模具基本結(jié)構(gòu)方案
3.3.1確定模型凹模數(shù)
根據(jù)壓鑄件的產(chǎn)量大小以及輪廓尺寸形狀及投影面積,壓鑄機(jī)的壓室容量,澆鑄系統(tǒng)設(shè)置和模具綜合成本等方面,可確定應(yīng)為一模一腔。
3.3.2選用通用模架和通用模座
殼體的厚度為165mm,根據(jù)[3]-表4-46查得初步確定應(yīng)用I型標(biāo)準(zhǔn)模架,其標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)見圖3。
圖3 FUTABA的標(biāo)準(zhǔn)模架(1000mm1000mm)
3.3.3確定分型面、澆鑄系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)
1確定分型面
凸凹模接觸的面就是分型面,如何確定分型面,需要考慮的因素比較復(fù)雜。由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、澆鑄系統(tǒng)設(shè)計(jì)、塑件的結(jié)構(gòu)工藝性及精度、嵌件位置形狀以及推出方法、模具的制造、排氣、操作工藝等多種因素的影響,因此在選擇分型面時(shí)應(yīng)綜合分析比較,從幾種方案中優(yōu)選出較為合理的方案。選擇分型面時(shí)一般應(yīng)遵循以下幾項(xiàng)原則:
1) 分型面應(yīng)選在塑件外形最大輪廓處;
2) 便于塑件順利脫模,盡量使塑件開模時(shí)留在動模一邊;
3) 保證塑件的精度要求;
4) 滿足塑件的外觀質(zhì)量要求;
5) 便于模具加工制造;
6) 對成型面積的影響;
7) 對排氣效果的影響;
8) 對側(cè)向抽芯的影響。
其中最重要的是第5)和第2)、第8)點(diǎn)。為了便于模具加工制造,應(yīng)盡是選擇平直分型面工易于加工的分型面。如圖2所示,采用I-I這樣一個(gè)平直的分型面,凹模做成平的就行了,膠位全部做在凸模,大大簡化了模具的加工,見圖2。查[3]-表4-22中的眾多分型面的種類中選擇“平直分型”。
2確定澆鑄系統(tǒng)
在壓鑄過程中,熔融合金在壓鑄機(jī)壓力作用下充填模具凹模的通道稱為澆鑄系統(tǒng)。澆鑄系統(tǒng)設(shè)置在定模一側(cè),是由直澆道、橫澆道和內(nèi)澆口三個(gè)部分組成,有如下幾點(diǎn)作用:
1)澆鑄系統(tǒng)主要是引導(dǎo)熔融合金以一定的方式充填滿模具型腔,并對熔融合金的流態(tài),流向,排氣條件,模具熱分布,壓力傳遞,填充時(shí)間與熔融合金通過內(nèi)澆口的速度起著主要的控制作用;
2)澆鑄系統(tǒng)是影響模具型腔填充狀態(tài)和鑄件內(nèi)部及表面質(zhì)量的主要因素;
3)澆鑄系統(tǒng)的合理與否,直接影響模具的壽命及生產(chǎn)效率。
澆鑄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下:
1)設(shè)計(jì)前首先要掌握熔融合金的流態(tài)規(guī)律,了解熔融合金充填特性;
2)合理地選擇澆道結(jié)構(gòu)尺寸和形狀,必要時(shí)對內(nèi)澆口及橫澆道其尺寸要留有設(shè)計(jì)余地,待試模時(shí)修整定型;
3)澆口的進(jìn)口處不應(yīng)使金屬有正面沖擊和發(fā)生逆流現(xiàn)象;
4)澆口應(yīng)使金屬均勻地流入型腔,內(nèi)外澆口連接處截面變化應(yīng)均勻過渡;
5)外澆口截面積應(yīng)大于或等于內(nèi)澆口截面積;
6)對于薄壁及形狀復(fù)雜的零件,應(yīng)使內(nèi)澆口厚度及寬度先選最小值,厚度寬度越小,射入速度越大,效果越好。但對于厚壁零件可使?jié)部诤穸燃皩挾确糯螅珣?yīng)留余量,待試模修整后定,根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求及零件的形狀查[8]-表5-3-1確定選擇中心澆口。
(1)直澆道的設(shè)計(jì):
直澆道的設(shè)計(jì)要點(diǎn):
1)直澆道直徑即澆口套直徑根據(jù)鑄件所需比壓來確定;
2)直澆道厚度及余料厚度一般取直徑的~;
3)壓室與澆口套宜制成一體,如分開制造時(shí),應(yīng)選擇合理的配合精度和配合間隙,同時(shí)壓室內(nèi)徑與澆口套內(nèi)徑應(yīng)有一定同軸度要求;
4)為了便于直澆道余料的脫模,可在澆口套靠近分型面的一端內(nèi)孔處15~25mm范圍內(nèi)做出1°30`~2°的出模斜度;
5)與直澆道相接的橫澆道一般設(shè)置在澆口套上方,防止金屬液在壓射前留進(jìn)型腔;
6)壓室和澆口套內(nèi)孔表面粗糙度不大于0.4μm;
7)澆口套結(jié)構(gòu)形式查[8]-表5-3-8,見圖5。
直流道小端入口處與注射機(jī)噴嘴反復(fù)接觸,屬易損件,對材料要求較嚴(yán),因而模具主流道部分常設(shè)計(jì)成可拆卸更換的主流道襯套形式(俗稱澆口套,或稱唧咀),以便有效的選用優(yōu)質(zhì)鋼材單獨(dú)進(jìn)行加工和熱處理。唧咀都是標(biāo)準(zhǔn)件,只需去買就行了。常用唧咀分為有托唧咀和無托唧咀兩種下圖為前者,有托唧咀用于配裝定位圈。唧咀的規(guī)格有Φ15,Φ20等幾種。由于注射機(jī)的噴嘴半徑為15,所以唧咀的為R15。
圖5 澆口套結(jié)構(gòu)形式
主流道襯套的固定:因?yàn)椴捎玫挠型羞缶?,所以用定位圈配合固定在模具的面板上,采用止轉(zhuǎn)螺釘定位。
(2)橫澆道和內(nèi)澆口的設(shè)計(jì):
1)橫澆道是金屬液從直澆道留入內(nèi)澆口的通道,其作用是是從直澆道流來的金屬液能以一定的溫度t、壓力p、速度v平穩(wěn)地過渡到內(nèi)澆口,使金屬液成理想流向充填凹模。橫澆道的截面形狀和鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān),一般以扁梯形為主。橫澆道的設(shè)計(jì)原則如下:
①橫澆道截面積應(yīng)相等,不宜突然收縮和擴(kuò)張,以減少金屬流動阻力,達(dá)到均衡流速;
②應(yīng)選擇梯形截面,盡量不選用圓形截面,以改善填充及排氣條件;
③橫澆道應(yīng)保持一定的長度,并且要有一定的厚度,不要過薄及過厚;
④臥室冷壓室壓鑄機(jī)用模具其橫澆道必須設(shè)計(jì)在直澆道上方,以防止壓射前金屬液自動留入型腔;
⑤橫澆道順著熔融合金流動方向研磨,不大于0.4μm;
查[3]-表4-29確定橫澆道的尺寸參數(shù)。
2)內(nèi)澆口是指金屬液進(jìn)入型腔前橫澆道后端至鑄件之間的通道入口,他的作用是調(diào)整橫澆道輸送的合金液的流速,使之成為理想的流態(tài)而充滿型腔。內(nèi)澆口的位置設(shè)計(jì)在壓鑄模設(shè)計(jì)中占有非常重要的地位。其設(shè)計(jì)原則:
①熔融合金流入型腔后,不宜立即封閉分型面,以防止排氣不良而使鑄件未能填滿而產(chǎn)生氣孔;
②從內(nèi)澆口導(dǎo)入的合金,應(yīng)先填充型腔遠(yuǎn)端難以排氣的部位,再流向分型面以利于排氣;
③內(nèi)澆口的位置應(yīng)選擇在充滿型腔各部位都具有最短流程的位置處,避免直接沖擊凸模;
④鑄件精度及表面質(zhì)量要求較高的部位,不宜設(shè)置內(nèi)澆口,鑄件的螺紋位置也不宜設(shè)置外澆口;
⑤薄壁復(fù)雜件易采用較薄的內(nèi)澆口。
根據(jù)以上要求和零件的復(fù)雜程度,選擇[3]-表4-30中第一種。再查[8]-表5-3-19及表5-3-20查內(nèi)澆口壁厚經(jīng)驗(yàn)數(shù)值,如下圖6所示。
圖6 內(nèi)澆口及橫澆道連接圖
(3)溢流槽的設(shè)計(jì):
溢流槽的作用:
1)存儲帶有雜質(zhì)和冷污的金屬,也起過渡排氣的作用;
2)可容納充填中形成的渦流和冷隔的金屬液體;
3)布置在模型溫度低的部位時(shí)可起到調(diào)節(jié)模型凹模溫度場分布的作用;
4)對于真空壓鑄和定向抽氣壓鑄時(shí),溢流槽處常作為引出氣體的起始點(diǎn);
5)作為鑄件存放,運(yùn)輸及加工時(shí)的支承、吊掛、裝卡或定位的附加部分。
溢流槽的設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾方面:
1)金屬液在橫澆道內(nèi)或進(jìn)入凹模后最先沖擊部位;
2)受金屬液沖擊的凸模背面;
3)兩股或多股金屬液相匯合,容易產(chǎn)生渦流裹氣或氧化夾雜的區(qū)域;
4)由于型腔形狀所形成的渦流部位;
5)金屬液最后填充的部位;
6)需要改善金屬液流態(tài)抑制渦流、紊流的部位;
7)內(nèi)澆口兩側(cè)或其他金屬液不能直接充填的死角區(qū)域;
8)大平面上容易產(chǎn)生缺陷集中的部位;
9)型腔溫度較低的部位;
10)鑄件壁厚過薄難以充填的部位;
11)鑄件壁厚過厚易產(chǎn)生縮孔、疏松的部位;
12)其他排氣條件不良的部位。
溢流槽的尺寸:溢流槽的容積和單個(gè)溢流槽的尺寸參見書[3]-表4-31-1見圖7。
圖7 鋁合金所用溢流槽尺寸
(4)排氣槽的設(shè)計(jì):
在壓鑄過程中,為了使空氣便于排除,確保鑄件成型,必須設(shè)計(jì)排氣槽。排氣槽的位置選擇原則上與溢流槽相同,在分型面上設(shè)置的排氣槽的形狀和尺寸參考書[12]-圖3-97進(jìn)行設(shè)計(jì),查得鋁合金的排氣槽的參數(shù)如下表3所示。
表3 排氣槽的尺寸(節(jié)選)
合金種類
排氣槽深度(mm)
排氣槽寬度(mm)
說明
鋁合金(ZL102)
0.10~0.15
8~25
排氣槽在離開凹模20~30mm處,可將其深度增加至0.3~0.4mm,以提高排氣效果
當(dāng)排氣槽離開型腔20~30mm的距離后,寬度和深度可適當(dāng)增加。另外,推桿和復(fù)位桿與凸模之間的間隙也可作為排氣系統(tǒng)。
3抽心機(jī)構(gòu)的確定
由于零件外表面不存在側(cè)凸、側(cè)凹或側(cè)孔等特征,故不需要抽心機(jī)構(gòu)。
4模架與成型零件的分析
模架設(shè)計(jì)的要點(diǎn):
1)磨架應(yīng)有足夠的剛性,在承受壓鑄機(jī)鎖模力的情況下不發(fā)生變形;
2)模架不宜過于笨重,以便裝卸、修理和搬運(yùn),并減輕壓鑄機(jī)負(fù)荷;
3)凹模的反壓力中心應(yīng)盡可能接近壓鑄機(jī)合模力的中心,以防壓鑄機(jī)受力不均造成鎖模不嚴(yán);
4)模架在壓鑄機(jī)上的安裝位置應(yīng)與壓鑄機(jī)規(guī)格或通用模座規(guī)格一致;
5)為了便于模架的調(diào)運(yùn)和安裝,在動定模上應(yīng)有吊環(huán)螺釘;
6)鑲塊到模架邊緣的模面上需留有足夠的部位,以便設(shè)置導(dǎo)柱、導(dǎo)套、銷釘、緊固螺釘?shù)奈恢茫?
7)連接模板的緊固螺釘和定位銷釘?shù)闹睆胶蛿?shù)量,應(yīng)根據(jù)受力大小取,位置分布均勻;
8)模具的總厚度必須大于所選用壓鑄機(jī)的最小合模間距;
9)根據(jù)前面的設(shè)計(jì)和計(jì)算,已經(jīng)確定應(yīng)用EMX中的FUTABA標(biāo)準(zhǔn)模架,其結(jié)構(gòu)見圖3。
(1)加熱與冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì):
1)加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì):
加熱模具的熱源有煤氣、電熱、感應(yīng)及紅外線等。用煤氣加熱的結(jié)構(gòu)簡單。查[10]-表29.4-6可以確定鋁合金模具的預(yù)熱溫度為180~300。
2)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì):
模具的冷卻:要想提高壓鑄模生產(chǎn)效率以及壓鑄件的質(zhì)量和致密性,在很大程度上取決于模溫的調(diào)節(jié)。對于大中型或厚壁鑄件和大批量生產(chǎn)中,在連續(xù)操作時(shí),為了保證鑄件優(yōu)質(zhì)高產(chǎn),可在模具內(nèi)設(shè)置水冷卻裝置,使熱量隨著冷卻水循環(huán)流動而迅速排出。
模具的冷卻方法有風(fēng)冷和水冷兩種,其特點(diǎn)如下:
(1)風(fēng)冷的特點(diǎn):
①風(fēng)冷法的風(fēng)力來自鼓風(fēng)機(jī)和壓縮空氣;
②模具內(nèi)部不需設(shè)置冷卻裝置;
③能將模具余料吹勻,并加速驅(qū)散涂料所揮發(fā)的氣體,減少鑄件氣孔;
④冷卻速度慢,生產(chǎn)效率低,用于要求散熱量較小的模具。
(2)水冷的特點(diǎn):
①在模具內(nèi)增設(shè)冷卻水道,使循環(huán)水通入成型鑲塊或凸模內(nèi)。因此,增加了模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度;
②冷卻速度比風(fēng)冷要快,生產(chǎn)效率高,控制比較方便;
③要求控制冷卻水的溫度和防止在水道內(nèi)沉淀物的沉積;
④用于要求散熱量大的模具。
由于液力偶合器的殼體模具是屬于大型模具,所以冷卻方法應(yīng)采用水冷比較合理,由于水冷使模具結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜,現(xiàn)將水冷的設(shè)計(jì)方法簡述如下:
①冷卻水道要求布置在型腔內(nèi)溫度最高、熱量比較集中的區(qū)域,流路要暢通,無堵塞現(xiàn)象;
②模具鑲拼結(jié)構(gòu)上有冷卻水通過時(shí),要求采取密封措施,防止泄露。對于組合式薄片鑲塊的冷卻通道,可采用銅管或鋼管,裝配在鑲塊中,鋼管可兼作鑲塊的定位銷,水管內(nèi)徑一般取10~18;
③冷卻水道直徑,推薦為8~16,其孔壁距離澆口或凹模的壁面一般取10~15mm。
④水管接頭盡可能設(shè)置在模具下面或操作者的對面一側(cè),其外徑尺寸應(yīng)統(tǒng)一,以便接裝水路膠管。
冷卻水道的布置形式有以下幾種:
①成排凸模冷卻通道的布置形式參[21]-圖4-5-10,每個(gè)凸模的冷卻通道的進(jìn)出口采用多通道結(jié)構(gòu),以縮短水道的連接距離,便于控制每個(gè)凸模的溫度;
②單個(gè)凸模冷卻通道的布置形式見[21]-圖4-5-11;
③分流器冷卻通道的布置形式見[21]-圖4-5-12a、b;
④澆口套螺旋式冷卻通道的布置形式見[21]-圖4-5-13;
⑤組合薄片鑲塊冷卻通道的布置形式見[21]-圖4-5-14;
⑥內(nèi)澆口下部的冷卻通道的布置形式見[21]-圖4-5-15a、b、c;
此外,冷卻水道不應(yīng)布置在正對內(nèi)澆口的下方,否則加速內(nèi)澆口處的金屬液的凝固參見[21]-圖4-5-15a,其位置應(yīng)加以修整參見[21]-圖4-5-15b;
3.3.4成型零件的設(shè)計(jì)
壓鑄模的成型零件主要是指凸模和凹模。成型零件的形式分為整體式和鑲拼式。當(dāng)零件的尺寸較小時(shí)一般用整體式,而大中型零件大都采用鑲拼式結(jié)構(gòu)。鑲拼式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是互換性好。鑲拼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下:
1) 便于機(jī)械加工,以達(dá)到成型部位的尺寸精度和組合部位的配合精度;
2) 保證鑲塊及凸模強(qiáng)度和提高相對位置的穩(wěn)定性;
3) 不應(yīng)產(chǎn)生銳邊和薄壁;
4) 鑲拼間隙方向與出模方向應(yīng)該一致;
5) 有利于熱處理;
6) 便于維修和調(diào)換;
7) 不妨礙鑄件外觀,有利于飛邊去除;
根據(jù)以上原則參考零件的結(jié)構(gòu)形式最終采用圖8所示的形式:
1—ZL102;2—凹模嵌件;3—定模板;4—定模套板
圖8 凹模與定模套板的固定形式
如上圖所示的定位形式,現(xiàn)在計(jì)算凹模嵌件的凹模尺寸,查[10]-表29.4-22鑲塊尺寸推薦值表中查零件的φ=575mm在500~600之間,零件的高度H=165mm查[3]-表4-33得到凸模與凹模尺寸計(jì)算式:
式中K—合金收縮率,查[3]表4-33-1知鋁合金的收縮率為
(0.4~0.6)%,一般取K=0.6%;
L`、H`—凹模寬度及深度尺寸(mm);
L 、H —制品寬度及高度尺寸(mm);
Δ —制品標(biāo)注公差(mm);
Δ`—凹模標(biāo)注公差(mm);
上式中的Δ`的確定查[10]知,模具的制造公差是成形鑄件公差值的,即Δ`=()Δ;經(jīng)過計(jì)算得出L`=577.6 ,H`=165.6,而凹模嵌件的的壁厚根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)為45mm,查[3]-表4-34知,零件外出模斜度,內(nèi)出模斜度。
3.3.5定模套板的設(shè)計(jì)
定模套板的作用是固定凹模的模板,查[3]-表4-38知下列設(shè)計(jì)公式:
1 )套板高度 H=
式中h—鑄件的高度(mm);
c—系數(shù),一般取0.5~0.7
H==275mm
2 )內(nèi)框尺寸
式中—鑄件外輪廓尺寸;
e—常數(shù),一般取20~50mm;
mm
3)套板外形尺寸:t按下式計(jì)算:
式中—套板??蚝穸龋╟m);
H—套板高度(cm);
[σ]—材料的許用強(qiáng)度(×);
—套板側(cè)面受到的總壓力(N),=;
P—壓射比壓(×);
—鑄件在L面的投影長度(cm);
h—鑄件高度(cm);
—套板B側(cè)面承受的總壓力(N);
=
=99.743mm,取t=100mm,單側(cè)加100 mm,則定模套板的總寬度為575+200=775 mm,
動模套板的設(shè)計(jì)方法同上,查[21]-表4-5-6確定之。
3.3.6支撐板的設(shè)計(jì)計(jì)算
支撐板是動模套板下面的板料,其作用是固定和加強(qiáng),選擇支撐板厚度的原則是:
1) 鑄件分型面投影面積大,支撐板厚度取較大,反之取小;
2) 在投影面相同的情況下,壓射比壓大,支撐板厚度較大,反之取??;
3) 當(dāng)座板上的墊塊設(shè)置在支撐板長邊兩端時(shí),則支撐板厚度取大值,反之取??;
4) 當(dāng)采用不通套板時(shí),套板底部厚度應(yīng)為支撐板的0.8倍。
支撐板的加強(qiáng)形式,當(dāng)墊塊間距大或支撐板厚度小時(shí),可借助推板導(dǎo)柱或采用支柱,以增強(qiáng)對支撐板的支撐作用。支撐板的厚度按下式計(jì)算:
式中t—支撐板厚度(cm);
S—墊塊距離(cm);
L—支撐板長度(cm);
P—壓射比壓(MPa);
A—鑄件及溢流槽的分型面上的投影(cm);
—材料許用彎曲強(qiáng)度(MPa),一般取160 MPa;
支撐板材料一般用45#,回火狀態(tài)。
則有:
= =146.35mm,
按圖3所示,取t=160 mm。
3.3.7推桿固定板與推板的設(shè)計(jì)
查[21]-表4-5-41確定,推板固定板的寬度是540mm,高度是20mm;再查[21]-表4-5-42確定,推板的寬度是540mm,高度是40mm,推板的導(dǎo)柱直徑是φ40mm,推板螺釘是8 M16。
3.3.8導(dǎo)向零件的設(shè)計(jì)
導(dǎo)向零件的作用是引導(dǎo)動模按一定的方向移動,保證動、定模在安裝和合模時(shí)的準(zhǔn)確對合,防止凹模、凸模錯(cuò)位。最常用的導(dǎo)向零件是導(dǎo)柱和導(dǎo)套。
導(dǎo)柱和導(dǎo)套的設(shè)計(jì)要點(diǎn):
1) 導(dǎo)柱和導(dǎo)套應(yīng)具有足夠的剛度,保證動、定模在安裝合模時(shí)的準(zhǔn)確位置;
2) 導(dǎo)柱要高出凸模的高度,以避免凸模在模具合模、搬運(yùn)時(shí)受損;
3) 為了便于取出壓鑄件,導(dǎo)柱一般設(shè)置在定模上;
4) 模具采用卸料板卸料時(shí),導(dǎo)柱設(shè)置在動模上,以便于卸料板在導(dǎo)柱上滑動進(jìn)行卸料;
5) 臥室壓鑄機(jī)采用中心澆口的模具,導(dǎo)柱設(shè)置在動模上。
導(dǎo)柱的尺寸按下式計(jì)算:
① 導(dǎo)柱的直徑d:
式中d—導(dǎo)柱導(dǎo)滑段直徑(mm);
k—比例系數(shù),一般取0.7~0.9,當(dāng)A>2.5×10 mm時(shí),k=0.07;當(dāng)A<0.4×10 mm時(shí),k=0.09;其余取0.08;
A—模具分型面上的表面積(mm);
=40.7 mm
根據(jù)需要取d=71 mm。
② 導(dǎo)滑段長度:
的最小長度取=(1.5~2.0)d,一般按高出分型面上凸模高度的12~20mm計(jì)算,即=120mm,
③ 導(dǎo)柱固定端的直徑:
(6~10)mm
則有:= 71+8=79 mm,取=80 mm。
④ 導(dǎo)柱固定段長度:
=1.5×71=106.5 mm
⑤ 導(dǎo)柱臺階直徑:
(6~8)mm=87 mm
⑥ 導(dǎo)柱臺階厚度:
mm,取10mm;
⑦ 引導(dǎo)段長度:
mm,取10mm。
導(dǎo)柱的結(jié)構(gòu)見圖9:
圖9 導(dǎo)柱的結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)
導(dǎo)套的主要尺寸:
① 導(dǎo)套的內(nèi)孔直徑D:
與選用的導(dǎo)柱導(dǎo)滑段直徑d相同,即D=71mm;
② 導(dǎo)套內(nèi)孔直徑:
mm;
③ 導(dǎo)套外徑:
mm;
④ 導(dǎo)套臺階外徑:
=88mm;
⑤ 導(dǎo)滑段長度:
mm;
式中—比例系數(shù), ,其中當(dāng)d小時(shí),取大值;
⑥導(dǎo)套總長度:為裝配導(dǎo)套的模板厚度減去3~5 mm,=195 mm;
導(dǎo)套的結(jié)構(gòu)參見圖10:
圖10 導(dǎo)套結(jié)構(gòu)及參數(shù)
導(dǎo)柱導(dǎo)套一般都布置在模座板的四個(gè)角上,保持導(dǎo)柱之間有最大的開檔尺寸,便于取出鑄件。為了防止動定模在裝配時(shí)錯(cuò)位,可將其中一根導(dǎo)柱取不等分分布。在導(dǎo)柱導(dǎo)套配合時(shí)常常需要導(dǎo)滑,導(dǎo)滑的形式是在導(dǎo)柱的導(dǎo)滑段開兩到三個(gè)半徑為3的導(dǎo)油槽。查[21]知,導(dǎo)柱導(dǎo)套的中心線與模板之間的距離。
3.3.9頂桿的設(shè)計(jì)計(jì)算
頂桿也叫推出桿,是開模后將零件推出的裝置,根據(jù)鑄件被推出時(shí)所作用的的部位不同,推桿推出形狀也各異,一般有平面形、圓錐形、凹面形、凸面形等等。推桿的尺寸計(jì)算公式查[21]-式4-7-1知,
1) 推桿截面計(jì)算公式:
式中—推桿前端截面積(mm);
—推桿承受的總推力(N);
—推桿數(shù)量;
—鑄件的許用應(yīng)力,(MPa)同鋁合金取=50 MPa;
≈1963.50 mm
而有:
則知: ≈25mm
根據(jù)以上計(jì)算和查[10]-表29.6-8的推桿形狀如下圖11所示:
注:圖中l(wèi)的長度根據(jù)需要確定
圖11 推桿結(jié)構(gòu)形狀
3.3.10水線的設(shè)計(jì)
查[10]-表29.4-8知如下經(jīng)驗(yàn)值:
水道與凹模表面的距離19mm;
水道直徑D=6~14 mm;
水道間距mm;
水道與推桿孔距離13mm;
水管取2寸的,即D=11.1 mm;
則水咀過孔直徑是15mm。
3.3.11最終的模具裝配如下:
圖12 模具裝配圖
第4章 模具材料及熱處理
鋁合金壓鑄模具材料的選擇,鋁合金壓鑄模具的服役條件:鋁合金壓鑄模具的服役條件比較苛刻,鋁合金熔液的溫度通常在650~700左右,以40~180m/s的速度流入型腔,此時(shí)壓力大約為20~120MPa,保壓時(shí)間5~20s,每次壓射時(shí)間間隔大約為20~75s,凹模表面受到高溫高速的鋁液的沖刷,產(chǎn)生較大應(yīng)力。目前,我國壓鑄模具的失效形式大多是熱疲勞裂紋所致。隨著模具壽命的提高,模具受液態(tài)鋁合金的熔損粘蝕作用將成為模具失效的主要形式。因此,鋁合金壓鑄模具的壽命決定于兩個(gè)因素,即是否發(fā)生黏膜和凹模表面是否出現(xiàn)龜裂。
鋁合金壓鑄模具用鋼,主要性能要求具備高的回火抗力和冷熱疲勞抗力;足夠的強(qiáng)度、塑性及耐熱性能;良好的導(dǎo)熱性;低的熱脹系數(shù);良好的抗熔融金屬的損傷性能等等,在工藝性能中,特別要求改善熱處理變形性及具有良好的滲氮(或碳氮共滲)工藝性能。目前,我國常用的鋁合金壓鑄模具用鋼有4Cr5MoSiV1(H13) 和3Cr2W8V等等,3Cr2W8V鋼的抗回火能力和熱穩(wěn)定性最好,具有高的耐熱性,但因含鎢量高導(dǎo)熱性下降,容易在模具凹模表面中出現(xiàn)冷熱疲勞裂紋。4Cr5MoSiV1(H13)的抗回火能力及穩(wěn)定性稍次于3Cr2W8V,但熱疲勞抗力高于3Cr2W8V,壽命也長。
鋁合金壓鑄模具的熱處理工藝流程:鍛造→球化退火→粗加工→精加工→最終熱處理(淬火、回火)→鉗修→拋光→滲碳(或碳氮共滲)→裝配。
第5章 壓鑄件缺陷的分析
壓鑄件的缺陷很多,缺陷形成的原因也是多方面的。這與壓鑄機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能(如壓射力、壓射速度、建壓和增壓時(shí)間、液壓沖擊波等)和正常工作狀態(tài)、模具結(jié)構(gòu)的合理程度、壓鑄工藝參數(shù)的選用、合金熔煉的質(zhì)量以及壓鑄操作方面的多種因素有關(guān)。
要消除壓鑄見的種種缺陷,必須首先識別缺陷,并分析壓鑄件產(chǎn)生缺陷的原因,然后才能迅速而準(zhǔn)確地采取有效的措施。檢驗(yàn)前,應(yīng)了解壓鑄件的用途和技術(shù)要求,以便正確的檢查鑄件的表面或內(nèi)部質(zhì)量。
鑄件常見的缺陷分析及其改善措施如下:
1)氣孔:特征是表面光滑形狀規(guī)則或不規(guī)則的孔洞,形成原因是金屬澆入溫度太高、熔料不干凈、壓射充滿度小、壓鑄模涂料過多等等,改善措施是保證正確的溫度、干燥凈化爐料、提高充滿度、適當(dāng)減少涂料;
2)縮孔:特征是形狀不規(guī)則,表面粗糙,暗色的空洞,形成的原因是鑄件凝固收縮、壓射比壓不足、鑄件結(jié)構(gòu)不良、有熱節(jié)、壁厚結(jié)構(gòu)不均、余量餅太薄、溢流槽容量不足或溢流口太薄、金屬澆鑄溫度過高,改善措施是提高壓射比壓、改進(jìn)結(jié)構(gòu)、消除熱節(jié)、增厚余量餅、加大溢流槽容量或增厚溢口、控制澆鑄溫度盡可能降低;
3)氣泡:形成原因是金屬也夾裹氣體過多、金屬液溫度過高、壓鑄模溫度過高、壓鑄涂料多、澆鑄系統(tǒng)不合理排氣不暢、開模過早,改善措施是增加缺陷部位的溢流槽和排氣孔、減少沖頭速度、保證正確溫度、控制壓鑄溫度、減少和涂勻涂料、修改澆鑄系統(tǒng)、延長持壓時(shí)間和留模時(shí)間;
4)夾雜:特征是鑄件表面或內(nèi)部形狀不規(guī)則的,內(nèi)有雜物的孔穴,形成原因是爐料不凈、合金凈化不足或熔渣未除凈、舀取合金液時(shí)帶入熔渣及氧化物壓鑄模不清潔、涂料石墨夾雜太多,改善措施是保證爐料干凈、合金凈化、防止熔渣及氣體混入勺內(nèi)、注意壓鑄模清理、石墨做涂料時(shí)必須拌均并純凈;
5)冷隔花紋:特征是金屬冷接或搭接鑄件表面有不規(guī)則的光滑條紋、鑄件形狀不完整,形成原因是金屬溫度過低、沖頭速度過慢、儲氣瓶氮壓過低、壓鑄模溫度過低、排氣不良、沖頭壓室磨損、澆口不合理發(fā)生噴濺式分股入凹模、壓射比壓不定,改善措施是保證正確金屬液溫度、檢查控溫裝置、確定正確壓射速度并使之恒定、提高壓射比壓、改進(jìn)澆口設(shè)計(jì);
6)粘模:金屬粘附壓鑄模表面,形成原因是金屬液溫度過高、壓鑄模溫度過高或過低鑄體或澆道未凝,改善措施是保持正確的澆鑄溫度或鑄模溫度、增加壓鑄模冷卻速度。
第6章 經(jīng)濟(jì)性分析
模具的經(jīng)濟(jì)性一直都是行業(yè)追求的目標(biāo),也是模具行業(yè)發(fā)展的必然趨勢,經(jīng)濟(jì)性主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):
1)從選材方面:選擇通用的材料可以降低耗材的成本;
2)從設(shè)計(jì)方面:選擇軟件化設(shè)計(jì)這樣可以縮減模具的設(shè)計(jì)周期,軟件的設(shè)計(jì)還可以進(jìn)行開模模擬、模具的各項(xiàng)參數(shù)分析,從所得到的參數(shù)中很容易的看出模具設(shè)計(jì)的是否合理,而且修改方便;
3)從加工方面:模具的加工是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié),它直接影響著模具加工零件的精度,除此之外,很多的凸模、行腔都會出現(xiàn)復(fù)雜的曲面,所以現(xiàn)在許多的模具廠都采用數(shù)控機(jī)床來加工模具,它可以降低工人師傅的勞動強(qiáng)度、節(jié)省加工時(shí)間等等;
論文采用了Pro/E軟件進(jìn)行模具的數(shù)字化設(shè)計(jì),這樣可以在設(shè)計(jì)的同時(shí)還可以將每個(gè)零件進(jìn)行應(yīng)力分析,以確定所選擇的材料的尺寸是否合理,這樣做既直觀又簡單;另外從模具的設(shè)計(jì)方面,由于此液力偶合器所生產(chǎn)的廠家用的是低壓澆鑄,它可能出現(xiàn)的問題是沒澆鑄時(shí)合金液自動流入行腔,這樣對鑄件有很大的影響,論文采用的是臥室壓力鑄造,見圖1。從圖上可以看出,行腔在橫澆道的上方避免了上述缺陷。在模架的選用方面:論文應(yīng)用了通用的鑲塊式模架,它的特點(diǎn)是加工方便,還能夠隨零件的變化,它只需換用不同的成型部分即可,節(jié)省了不必要的模架加工時(shí)間和加工費(fèi)用。
數(shù)字化設(shè)計(jì)不僅僅是給模具行業(yè)帶來了很大的效益,在其他行業(yè)也是如此。
結(jié)論
壓鑄模具的設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是材料的選擇,機(jī)械加工工藝和熱處理工藝,它屬于機(jī)械制造和金屬材料之間的交叉學(xué)科,也正是因?yàn)檫@樣,它對模具設(shè)計(jì)人員的綜合素質(zhì)要求很高,本文的獨(dú)特之處在于本文利用了現(xiàn)代化軟件這個(gè)工具,并結(jié)合所掌握的理論知識進(jìn)行模具設(shè)計(jì)的各種工作,如:零件3D CAD模型的建立、收縮率設(shè)置后的零件模型、零件合理性的檢測、零件收縮率的檢測、水線的分析與處理以及標(biāo)準(zhǔn)模架的調(diào)用等等。利用現(xiàn)代化的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)很多,最為重要的就是它可以大大減少設(shè)計(jì)人員的勞動強(qiáng)度和減少了產(chǎn)品的研發(fā)周期、提高了生產(chǎn)效率。
雖然設(shè)計(jì)參考了二十余本資料,但由于設(shè)計(jì)者的水平有限加之設(shè)計(jì)時(shí)間倉促,所在設(shè)計(jì)時(shí)難免會出現(xiàn)一些問題,懇請各位老師給予批評指正。
致謝
在設(shè)計(jì)過程中,得到了許多老師的熱心指導(dǎo),特別是我的指導(dǎo)老師宋勝偉老師,給我提供了實(shí)習(xí)的場所并且給我提供了許多資料,在他的關(guān)心和指導(dǎo)下,我順利完成了畢業(yè)設(shè)計(jì),在此表示忠心的感謝。
尊敬的各位老師:
我是黑龍江科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院02級機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)的學(xué)生劉成柱,臨近畢業(yè),我非常感謝這大學(xué)四年來老師們對我的教育和培養(yǎng)。從各位老師身上我不僅學(xué)到了知識,更明白了很多做人的道理。尤其是在畢業(yè)前的論文設(shè)計(jì)中,我體會到了扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)是做好設(shè)計(jì)的前提,縝密的思維和精確的數(shù)據(jù)更是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。通過畢業(yè)前為期幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì),我相信在今后的工作中無論遇到怎樣的困難和挫折,我都會一一克服。
感謝在這次設(shè)計(jì)中院里各領(lǐng)導(dǎo)為我們提供了很多的方便。
感謝我的導(dǎo)師宋勝偉教授在這次設(shè)計(jì)中給我的很大的幫助。
最后衷心感謝院里各位老師在百忙中仍抽出時(shí)間對我進(jìn)行悉心指導(dǎo),本次設(shè)計(jì)任務(wù)比較艱巨。正是有了你們的幫助,才使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)得以順利完成,謝謝你們!
參考文獻(xiàn)
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基于Pro/E平臺上的雙圓弧齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)
摘要:雙圓弧齒輪是一種具有凹凸齒廓嚙合的高效齒輪,其優(yōu)點(diǎn)是承載能力高,制造工藝簡單,成本低。利用Pro/E中的Program編程,以實(shí)現(xiàn)對雙圓弧齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì),為對雙圓弧齒輪的進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)。
關(guān)鍵字:雙圓弧齒輪 Pro/E 參數(shù)化設(shè)計(jì) Pro/Toolkit Visual C++
引言:參數(shù)化設(shè)計(jì)是指通過改變圖形中的一部分或幾部分的尺寸參數(shù),自動的完成對零件圖形相關(guān)部分的改動,從而實(shí)現(xiàn)對圖形的驅(qū)動。參數(shù)化設(shè)計(jì)有以下幾則好處:1)節(jié)省不必要的花費(fèi),繪圖人員只需調(diào)入零件庫后輸入?yún)?shù)即可應(yīng)用;2)可以無數(shù)次的修改參數(shù)來滿足不同規(guī)格的零件裝配等的需求,降低勞動強(qiáng)度,提高工作效率。
基于Pro/E的參數(shù)化設(shè)計(jì)可以通過以下三個(gè)途徑完成:1)利用插件設(shè)計(jì)即Pro/Toolkit和Visual C++共同完成的的編制,其優(yōu)點(diǎn)是零件參數(shù)化可以實(shí)現(xiàn)真正的模塊化,但由于所需的專業(yè)知識特別強(qiáng),設(shè)計(jì)人員必須具備機(jī)械專業(yè)的知識和CAX,而且對面向?qū)ο蠡木幊蹋╒isual C++)也必須熟練掌握,這給機(jī)械行業(yè)人員帶來巨大困難,所以插件設(shè)計(jì)只適合于專業(yè)開發(fā)Pro/E等軟件外掛的人員應(yīng)用;2)基于家族表(Family Table)平臺上的參數(shù)化設(shè)計(jì),其優(yōu)點(diǎn)是以表格的形式出現(xiàn),操作簡單,使用方便,但設(shè)計(jì)的通用性低,使用零件標(biāo)準(zhǔn)變化不大的場合;3)基于Pro/E界面上的Program平臺上的參數(shù)化設(shè)計(jì),他的優(yōu)點(diǎn)以上優(yōu)點(diǎn)兼而有之,只需簡單的編程語句,如:賦值語句和條件語句就可以,初學(xué)者只要懂以上兩種語句的應(yīng)用即可。由于其編程簡單易懂,所以非常適合大眾化的編程來開發(fā)簡單的通用化模塊,是非專業(yè)開發(fā)人員的好工具。
文中是通過Pro/E中的Program實(shí)現(xiàn)對雙圓弧齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)的,在此基礎(chǔ)上可以建立零件的3D CAD模型,為雙圓弧齒輪的傳動、仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)、應(yīng)力應(yīng)變分析打下基礎(chǔ)。
1. 確定繪制雙圓弧齒輪的基本參數(shù)
圖1所示為GB12759-91型雙圓弧齒輪的基本輪廓
圖1 用Pro/E繪制的雙圓弧齒輪齒廓圖
上圖中可以看到,一個(gè)完整的雙圓弧齒廓是由八段圓弧組成的,這八段圓弧所在的圓的方程可由下列四個(gè)方程段表示(方程各參數(shù)參見參考文獻(xiàn)[1]):
式中個(gè)參數(shù):
——凸齒齒廓圓弧半徑
——凸齒齒廓圓心偏移量
——凸齒齒廓圓心移距量
——齒頂高
——凸齒接觸點(diǎn)齒厚
——凸齒連接點(diǎn)高
——凸齒工藝角
——連接圓弧半徑
——凹齒齒廓圓心偏移量
——凹齒齒廓圓弧半徑
——凹齒齒廓圓心移距量
——凹齒工藝角
——齒跟高
——齒跟圓半徑
(注:坐標(biāo)系為圖1所示)
2. 確定雙圓弧齒輪齒廓實(shí)體及參數(shù)
為了完成對雙圓弧齒輪基本齒廓的繪制,需要四段圓弧的圓心坐標(biāo)和半徑,根據(jù)上面四個(gè)式子求得結(jié)果如下表:
表1 各圓弧的參數(shù)列表
區(qū)段
圓心橫坐標(biāo)
圓心縱坐標(biāo)
半徑
凸齒圓弧段
-
過渡圓弧段
凹齒圓弧段
齒跟圓弧段
3. 草繪雙圓弧齒輪輪廓及單個(gè)齒的形成
以拉伸的方式繪制一個(gè)圓,單擊工具/編程,輸入相應(yīng)的關(guān)系式:
在INPUT和END INPUT 中間輸入以知參數(shù)表達(dá)式,如:
TOOTH_NUMBER NUMBER=20
“輸入齒數(shù)Z:”
模數(shù)(MODULE)、壓力角(PRESSURE_ANGLE)、齒厚(WIDTH)、螺旋角(SCREW_ANGLE)的輸入方式與之相同。
在RELATIONS和END RELATION之間輸入關(guān)系式與條件語句(條件語句的作用是確定在不同的模數(shù)范圍內(nèi)所使用的不同關(guān)系式),如:當(dāng)模數(shù)在3到6之間時(shí)輸入下列條件句:
RELATIONS
.
.
.
ELSE
IF MODULE>=3&MODULE<6
ρf =1.41*MODULE
EF=0.0285*MODULE
LF=0.6994*MODULE
δ2=9°19′30″
SFK=1.9643* MODULE
RGF=0.5043* MODULE
ELSE
.
.
.
END IF
END RELATION
輸入完成后,保存后關(guān)閉記事本。
表1中完成了四個(gè)圓的繪制,再于以(0, HA)、(0.5πm,HA)、(0.5πm,- HF)、(0,-HF)為頂點(diǎn)的矩形進(jìn)行布爾運(yùn)算,就得到了雙圓弧齒輪右半個(gè)齒廓,如圖1所示。再以鏡像方式得到了一個(gè)完整的齒廓。保存草繪文檔為chikuo.sec。
接下來繪制雙圓弧齒輪的齒外輪廓如圖2所示
圖2 pro/e草繪的雙圓弧齒闊及各參數(shù)
再將上面的個(gè)數(shù)據(jù)利用鼠標(biāo)右鍵的屬性改稱如下的格式:
d70=ha d61=ea d56=ρa(bǔ) d55=rj d75=hja d74=la d58=0.5*m*pi d59=rgf d71=hf d16=lf d18=ρf等等
將其旋轉(zhuǎn)一個(gè)螺旋角度后,在投影到原來的面上,保存為*2.sec文檔后關(guān)閉窗口。在繪制圓柱,如圖3所示,比在關(guān)系史中插入如下關(guān)系式:
D1=module*tooth_number-2*HF
D0= module*face_width
然后利用混合的方式草繪截面:再“插入”里單擊“混合”中的“伸出項(xiàng)”,在瀑布式菜單中一次選“平行”“規(guī)則截面”“光滑”“完成”,單擊圓柱的一個(gè)側(cè)面,確定,在第一個(gè)截面草繪中單擊“從文件”選擇剛剛保存的*2.sec格式的草繪文件在比例中輸入1,在旋轉(zhuǎn)中輸入0,再用鼠標(biāo)將其拖至參考曲線上,單際確定,然后畫第二和第三個(gè),方法是:比例都是1,但第二個(gè)旋轉(zhuǎn)負(fù)7.5度,第三個(gè)旋轉(zhuǎn)負(fù)15度,單擊確定按鈕,完成混合。在出現(xiàn)的對話框中輸入36.22和36.22完成。如圖4所示:
在關(guān)系中插入如下關(guān)系:
d658=d0/2
d622=d0/2
d656= spiral_angle/2
d657= spiral_angle
然后關(guān)閉關(guān)系對話框。
圖3 參數(shù)化齒輪圓柱的繪制
圖4 一個(gè)齒廓的成型
這是一個(gè)齒形的參數(shù)等式(等式左側(cè)的參數(shù)各個(gè)計(jì)算機(jī)的顯示不同只需輸入相應(yīng)參數(shù)即可)。
4. 再利用陣列命令將其以圓周方向陣列20個(gè),如圖5。然后進(jìn)行相應(yīng)的切槽工作,在切材料時(shí)需要如下關(guān)系式:在INPUT和END INPUT中插入
SHAFT_DIA NUMBER
"Enter the shaft diameter:"
KEY_HEIGHT NUMBER
"Enter the key height:"
KEY_WIDTH NUMBER
"enter the key width:"
在RELATIONS和END RELATIONS中插入
D667=key_width
D666=key_height
D665=shaft_dia/2
最后得到了模型的整體3D CAD視圖,見下圖6。
圖5 陣列完的齒輪3D CAD模型
圖6 完整的雙圓弧齒輪的3D模型
5. 參數(shù)驅(qū)動
參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本手段就是有程序驅(qū)動和參數(shù)驅(qū)動,程序驅(qū)動是通過幾何模型的特點(diǎn)確定主參數(shù)和尺寸關(guān)系,從而使只要輸入幾何參數(shù)就可生成所需的模型。尺寸驅(qū)動主要完成用戶編程或交互式輸入,從而生成的模型。
6. 參數(shù)化設(shè)計(jì)的框圖
利用Pro/E的Program生成的雙圓弧齒輪的基本步驟如下:1)根據(jù)輸入的法面模數(shù)m確定齒輪各參數(shù)值,并賦予相應(yīng)的參數(shù);2)根據(jù)表1和矩形坐標(biāo)對圓弧進(jìn)行布爾運(yùn)算;3)進(jìn)行鏡像計(jì)算和陣列最終得到所需的雙圓弧齒輪的3D CAD模型,其程序框圖如下:
7. 結(jié)束語
參數(shù)化設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是給工程技術(shù)人員帶來極大的方便,是未來CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢。建立3D CAD模型,這對模型進(jìn)行有限元分析(FEA)及優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)動仿真和應(yīng)力應(yīng)變的分析等一系列后期工作打下基礎(chǔ),而且在快速原型技術(shù)(RPM)等現(xiàn)代制造技術(shù)中發(fā)揮著巨大作用。
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