铝合金支架压铸模具设计

摘 要

　　随着全球工业的高速发展，能源和资源日益减少，金属加工工业也在向着低能耗，高利用率，高生产率的方向进行转变。铝合金材料以其质量轻，比强度高，抗腐蚀性能好，回收利用率高逐渐替代钢材成为工业生产中的主力材料。

　　传统的金属型铝件铸造，材料利用率低，生产效率差，不符合大规模生产的需要。压力铸造属于精密铸造的一种，具有较高的产品精度，表面质量和生产效率，高度自动化的生产模式适合大规模工业生产，在铝合金铸造业中占据越来越重要的地位。

　　本文以某型号汽车油泵铝合金支架为研究对象，从压铸件形状特征，尺寸精度和结构要素等方面分析了压铸件的工艺性。根据已有设备 DCC-400 卧式冷压室压铸机制定了压铸生产的工艺参数，根据铸件形状特点，利用 UG NX 软件设计了铸件的浇注系统，采用三条等等宽内浇口进行浇注，将浇注系统模型导入至铸造模拟软件 ProCAST 中，以浇注温度，压射速度，模具预热温度作为考察参数，以铸件缩松缩孔率作为评价依据，采用正交实验法对模拟结果进行工艺分析，选择出最理想的工艺方案。最后得出，压射速度 1.33m/s，模具温度250℃，浇注温度 650℃时，铸件的质量最优，极差分析结果显示在此例中，对压铸件的影响最大的是压射速度。

　　工艺方案制定完毕后，进行压铸模具的设计，选择铸件侧面中部作为分型面；根据所选压铸机，计算了成型零件尺寸，并完成了成型及结构零件的设计；考虑到铸件的通孔特点，设计采用了斜销侧抽芯机构；分析了铸件推出时的需求，确定采用十根直径为φ8mm 的推杆组成的推出机构；描述了压铸机的材料选择和技术要求，并进行了模具的总装和过程模拟。

　　关键词：铝合金支架；模具设计；浇注系统；数值模拟；压铸工艺

Abstract

　　With the rapid development of the global industrial, energy and dwindling resources, metal processing industry also shift toward the direction of low-power, high utilization, high productivity. Because aluminum alloy has the advantages of light weight, high strength, good corrosion resistance, high recycling rates, so gradually replace steel as the main material in the industrial production. Traditional metal aluminum casting method does not meet the needs of large-scale production because of its material utilization is low, the production efficiency is poor. With high accuracy, surface quality and production efficiency advantages of pressurecasting occupy an increasingly important position in the aluminum casting industry.In this paper, an automotive oil pump aluminum bracket as the object of study, we analyzed the parts from the shape of the product characteristics, dimensional accuracy and structural characteristics. Developed a die-casting process parameters based on existing equipment DCC-400 die-casting machine. According to the characteristics of shape castings, casting gating system UG NX software design, the use of three equal width pouring gate and gating system model is imported to the casting simulation software ProCAST, pouring temperature, injection speed, mold temperature as the parameters of the inspection, casting shrinkage rate as a basis for evaluation, orthogonal experiment, the simulation results for process analysis to select the optimal process. The analysis of the results obtained when the injection speed is 1.33m / s, mold temperature is 250 ° C, and the pouring temperature is 650 ° C, the casting has the best quality. Range analysis results show that in this case, the impact on the quality of the part is injection speed.

　　After determine the process parameters, we began to mold design, choose the middle of the side of the casting parting surface; calculated according to the selected die-casting equipment forming part size, and molding and structural components of the design; taking into account the casting hole features, design angle pin side core-pulling mechanism; analysis of the demand for castings launched to determine the ten diameter of f8mm putting ejection mechanism; Keywords: Aluminum alloy bracket; Mold design; Gating system; Numerical simulation; Die-casting process.describes the choice of materials and technical requirements of the die-casting machine, and the mold assembly and process simulation.

　　随着全球工业的高速发展，能源和资源日益减少，金属材料加工工业也顺时而动，向着高效率，高附加值，低能耗，低污染的方向发展，比起传统的钢铁材料，铝合金材料具有明显的优势，在世界经济高速发展的今天，铝合金因其符合降低能源与能源消耗、改善环保、降低成本与提高经济效益的世界经济发展的需要，代替钢材成为了人民生活和经济部门基础的材料地位。

　　压铸件的尺寸和质量，取决于压铸机的功率。由于压铸机的功率不断增大，压铸件外形尺寸可以从几毫米到 1～2m;质量可以从几克到数十千克，现在国外已经可以生产直径 2m，重量达 50kg 的压铸件。压铸件已广泛地应用在国民经济的各行各业中，如兵器、汽车与摩托车、航空航天产品、电器仪表、无线电通信器件、计算机、农业机具、医疗器械、洗衣机、电视机、电冰箱、钟表、照相机、日用五金件以及建筑装饰件等各种产品的零部件的生产方面[1]。压力铸造过程是一个非常复杂的流动、传热以及传质的过程[2]。与传统的铸造技术相比，压力铸造是一种新型的铸造技术分支[3]。压铸成型具有生产效率高，自动化程度高，铸件质量稳定，表面精度高等等有点，虽然相对于传统铸造手段而言，其模具成本比较高昂，在大批量生产中，金属模压铸成型的优势要远远大于模具成本带来的不利影响，更低的综合成本使其更加适合用于大批量生产。

　　近年来，汽车工业的飞速发展给压铸成型的生产带来了机遇。出于社会对可持续发展和和环境保护的要求，汽车工业必须寻求更加环保，轻量，节能的材料。压铸铝合金铸件相比较于传统的钢铁件而言，在保证强度的同时，可降低 30%以上的质量，同时，压铸铝合金件还具有良好的散热性，适用于应用越来越广泛的涡轮增压汽车，提高了汽车的行车安全性。专业人士指出:汽车工业突飞猛进，有效推动压铸生产持续增长，这将进一步推动压铸铝合金的发展[4]。

　　因此，在我国汽车行业高速发展的当下，铝合金压铸行业有着广阔的市场前景。国内的压铸行业经历了半个多世纪的发展，已经发展为具有很大规模的产业，并保持每年 8%～12%的高速增长态势，但是生产单位的综合竞争力，主要问题表现在技术研发的投资远远落后于生产规模的投资，经营方式落后跟不上市场发展的脚步。从总体看，我国压铸工业水平还比较落后，主要表现在压铸件占总体铸造件的比率小，压铸生产工艺还比较落后，自动化程度不高，大型压铸件生产能力较差等，而这些差距也为我国压铸业发展提供了广阔的空间。

　　随着社会生产力的不断进步，轻量化、精确化、高效化、数字化及清洁化是未来铸造等材料成形加工技术的重要发展方向。下面简要介绍压铸新技术的发展。压铸件充型时存在的主要问题是高速压射下带来的紊流和卷气，如果型腔内气体没有完全排出将会导致压铸件内部出现气孔和疏松等缺陷。这种缺陷对压铸件的性能和外观产生不利影响，同时也导致铝合金压铸件无法进行热处理。为了解决这个问题，国内外采用了一些新的工艺措施。

　　真空压铸 压铸件产生气孔的一个重要原因是气体溶解于金属液中，由于压力铸造的特性，铸件凝固速度非常快，导致气体无法排除形成气孔，通过利用辅助设备将压铸模型腔内的空气抽除，在真空状态下将金属液压铸成型，可以显着降低压铸件中的气孔，增大压铸件的致密度，提高了压铸件的表面质量和力学性能，使压铸件能够实现热处理，从而进一步提高铸件的性能。

　　加氧压铸和定向抽气加氧压铸 简称 Pore Free Die Casting，在铝金属液充填型腔之前，在压室和型腔中使用氧气充填并排出其他气体。压射时通过排气槽排出氧气，而未排出的氧气与铝液发生化学反应产生 Al2O3小颗粒，分散在逐渐内部，减少铸件内部含气量，不影响力学性能，并可使压铸件进行热处理。

　　精速密压铸 当金属液开始填充，铸件外壳凝固后，压射冲头便无法前进精速密压铸采用的压铸机有一大一小两个冲头。压射动作开始时，大、小冲头同时进行压射，当铸件外壳凝固后，小冲头继续前进 50～152mm，把压室内部未凝固的金属液压入型腔，起压实和补缩作用。

　　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，并在一定的冷却速度下获得一半或更高的固体组分的浆料，用这种浆料进行压铸的方法。与全液态金属压铸相比，半固态压铸充填时少喷溅、无湍流、卷入空气少、收缩小以至于压铸件不易出现缩松和缩孔，大大提高了压铸件的质量；此外，小的热冲击也提高了压铸模的使用寿命。

　　铝合金支架压铸模具整体设计：

铸件立体图

铸件分型面设置

常见抽芯机构的结构组成

推杆结构

复位机构的动作过程

模具开合模示意图

实际产品缺陷示意图

目录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 铝合金制造业的发展概况
　　　　1.2 压铸技术的发展状况
　　　　　　1.2.1 压铸技术发展方向
　　　　　　1.2.2 压铸模具设计技术的现状
　　　　1.3 铸造过程数值模拟技术技术研究情况
　　　　　　1.3.1 铸造数值模拟的发展趋势与前景
　　　　　　1.3.2 国内外铸造数值模拟的应用现状
　　　　1.4 本课题的主要工作内容及课题创新点
　　　　　　1.4.1 研究、消化产品图
　　　　　　1.4.2 对压铸件进行工艺分析
　　　　　　1.4.3 拟定模具总体设计的初步方案
　　　　　　1.4.4 绘制零件图纸
　　　　　　1.4.5 制定模拟工艺
　　　　1.5 课题研究的创新点
　　第二章 压铸数值模拟技术的理论基础
　　　　2.1 铸造过程模拟的主要内容
　　　　　　2.1.1 铸件充型过的程数值模拟
　　　　　　2.1.2 铸件凝固过程的数值模拟
　　　　　　2.1.3 铸造应力场数值模拟
　　　　　　2.1.4 铸件微观组织数值模拟
　　　　2.2 金属液体流动的理论基础
　　　　　　2.2.1 弗洛梅尔(Frommer)理论
　　　　　　2.2.2 布兰特(Brandt)理论
　　　　　　2.2.3 巴顿理论
　　　　2.3 铸造模拟软件 ProCAST 介绍
　　　　2.4 ProCAST 软件的运用
　　　　　　2.4.1 ProCAST 的适用范围
　　　　　　2.4.2 ProCAST 软件的模拟流程
　　　　　　2.4.3 数学模型的建立
　　　　　　2.4.4 边界条件的设置
　　　　　　2.4.5 压铸设备的选择
　　　　　　2.4.6 压铸铝合金选择
　　　　　　2.4.7 压铸参数的选择
　　第三章 压铸过程数值模拟和结果分析
　　　　3.1 浇注系统建模
　　　　　　3.1.1 内浇口的设计
　　　　　　3.1.2 浇口套的结构
　　　　　　3.1.3 浇注系统零件的材料和硬度的要求
　　　　　　3.1.4 排溢系统设计
　　　　3.2 压铸过程的模拟步骤
　　　　　　3.2.1 模型的导入
　　　　　　3.2.2 网格划分
　　　　　　3.2.3 材料赋值
　　　　　　3.2.4 模拟运算
　　　　　　3.2.5 模拟后处理
　　　　3.3 模拟分析结果的分析方案
　　　　　　3.3.1 正交试验设计方法
　　　　　　3.3.2 压铸参数选取和水平的确定
　　　　3.4 数值模拟结果分析
　　　　　　3.4.1 铸件充型过程
　　第四章 压铸模具的整体设计
　　　　4.1 压铸模设计的指导思想和主要内容
　　　　　　4.1.1 设计压铸模基本设计思想
　　　　　　4.1.2 压铸模设计的主要内容
　　　　4.2 铸件工艺性分析
　　　　　　4.2.1 铸件立体图及工程图
　　　　4.3 铸件分型面确定
　　　　4.4 压铸机型号的选择
　　　　　　4.4.1 确定压铸机的锁模力
　　　　4.5 成型零件设计
　　　　　　4.5.1 成型收缩率
　　　　　　4.5.2 脱模斜度
　　　　　　4.5.3 成型尺寸计算
　　　　　　4.5.4 型腔尺寸计算
　　　　　　4.5.5 型芯尺寸计算
　　　　　　4.5.6 中心距位置尺寸计算
　　　　4.6 侧抽芯机构的设计
　　　　　　4.6.1 侧抽芯系统概述
　　　　　　4.6.3 抽芯力和抽芯距离
　　　　　　4.6.4 斜销抽芯机构
　　　　4.7 其他零件的设计
　　　　　　4.7.1 模框尺寸计算
　　　　　　4.7.2 推出板的设计
　　　　　　4.7.3 模框导向的尺寸
　　　　　　4.7.4 推出机构的设计
　　　　4.8 压铸模的材料选择及技术要求
　　　　　　4.8.1 压铸模的材料选择
　　　　　　4.8.2 压铸模的技术要求
　　　　4.9 产品缺陷实例汇总
　　第六章 论文总结
　　参考文献
　　硕士期间发表论文

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