机械设计制造及其自动化毕业设计铸模CAD设计及CAE成型仿真可编辑.docx
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机械设计制造及其自动化毕业设计铸模CAD设计及CAE成型仿真可编辑
机械设计制造及其自动化毕业设计--铸模CAD设计及CAE成型仿真
安徽建筑工业学院
毕业设计论文
专业机械设计制造及其自动化班级08机械一班
学生姓名学号08210010113
课题支撑架压铸模三维CAD设计
及CAE成型仿真
指导教师
支撑架压铸模CAD设计及CAE成型仿真
中文摘要
首先,分析支撑架压铸件的结构工艺,提出几种不同的压铸工艺方案,计算环形浇口尺寸、弯销尺寸、充填速度、温度、压实压力等工艺参数,完成压铸模结构设计。
然后,确定模具分型面和浇注系统,借助PRO/E三维软件,对支撑架零件三维造型,解决模具的结构设计。
在此基础上,应用CAE软件PROCAST仿真支撑架充填、凝固过程,优化压铸模具结构设计。
再次,绘制模具装配图、零件工程图,同时校核模具关键零件的强度。
最终表明该模具结构合理,制造工艺良好,工作稳定可靠。
关键词:
压铸模;环形浇口;弯销;分型面;Pro/E;CAE
SupportframeDie-CastingMouldCAD/CAE
ABSTRACT
Inthisthesis,firstly,thestructuresoftheSupportframedie-castingwereanalyzed.Thestructureofdiecastingdiewasdesignedthroughtheanalysisofvariousprocessplanningandthecalculationsoftechnologicalparametersofringgate,bentpin,speed,temperature,pressure,etc.Secondly,themoldpartingsurfaceandgatingsystemmustbedetermined.Byusing3DPRO/Esoftware,thedie-castingmodelandthemouldstructurehadbeendrawn.Onthebasis,thedesignofdie-castingmouldstructurewasoptimizedthroughtheapplicationofCAEsoftwarePROCASTsimulatingthepressurefillingandsolidificationcourse.Then,theMoldassemblydrawings,partsdrawingsweredrawnandthekeypartsintensitywascheckedFinally,theconclusionsshowthatthemoldstructureisreasonable,stable,reliableandthemouldhasgoodmanufacturingprocesses.
Keywords:
Die-castingmould;ringgate;bentpin;mouldsurface;Pro/E;CAE
第一章前言1
1.1课题的提出1
1.2国内外压铸研究的现状1
1.2.1国外压力铸造业的现状1
1.2.2国内压力铸造业的现状1
1.3设计的内容和目标2
1.3.2.重点需要研究的问题4
1.3.3.完成任务可能思路和方案4
1.3.4.设计的目标4
第二章支撑架压铸件的结构工艺性分析5
2.2压铸合金的化学成分和性能5
2.2压铸件的尺寸精度5
2.2.1.影响压铸件的精度的主要因素5
2.2.2.压铸件的轮廓性尺寸6
压铸件的轮廓性尺寸6
2.3压铸件的形位公差7
2.4壁厚8
2.5铸造圆角半径8
2.6脱模斜度8
2.7压铸件的表面质量8
2.8加工余量9
第三章金属压铸件压铸工艺10
3.1压力参数10
3.2速度参数11
3.3时间参数12
3.3.1.填充时间12
3.3.2.持压时间12
3.3.3.留模时间12
3.4温度参数12
3.4.1.浇注温度13
3.4.2模具温度13
3.5成型收缩率13
3.5.1.压铸件的收缩率的影响因素14
3.5.2.铝合金的计算收缩率14
3.6液态铝合金的密度14
3.7压铸用涂料14
3.7.1.压铸涂料的作用14
3.7.2.对涂料的要求14
3.8压铸件的后处理15
3.8.1.压铸件的清理15
3.8.2.压铸件浸渗处理15
3.8.3.压铸件的表面处理15
3.8.4.压铸件的热处理16
3.8.5.压铸件的整形处理16
第四章铸件基本参数的计算与压铸机的选用17
4.1压铸机的种类和特点17
4.1.1.热室压铸机17
4.1.2.卧式冷压室压铸机17
4.1.3.立式冷压室压铸机18
4.1.4.全立式冷压室压铸机18
4.1.5.本次设计压铸机种类选用18
4.2确定型腔数目及布置形式18
4.3确定压实压力18
4.4压铸机锁模力的确定19
4.5计算胀型力20
4.6核定投影面积21
4.7初步选定压铸机21
第五章压铸模分型面的设计23
第六章浇注系统和溢流、排气系统的设计24
6.1浇注系统的分类24
6.2内浇口的设计26
6.3直浇道的设计27
6.4横浇道的设计29
6.5溢流槽的设计30
6.3排气槽的设计32
6.4预测可能出现的压铸缺陷及处理方法32
第七章压铸模抽芯机构的设计34
7.1常用抽芯机构的类型34
7.2抽芯力和抽芯距的确定34
7.2.1影响抽芯力的因素35
7.2.2抽芯力的估算35
7.3.1弯销的设计38
第八章模架与成形零件的设计43
8.1模架的设计43
8.2成形零件的结构设计43
8.3加热与冷却系统的设计49
8.4推出机构的设计51
8.5复位机构的设计52
第九章模具的总体结构设计53
9.1压铸模的技术要求53
9.2压铸模外形和安装部位的技术要求53
第十章校核模具与压铸机的相关尺寸57
10.1锁模力的校核57
10.2铸件最大投影面积校核57
10.3压室容量校核57
10.4模具尺寸的的校核58
9.5压实压力的校核58
10.6开模行程的校核58
第十一章压铸CAE数值模拟分析59
11.1概述59
11.2模拟分析过程59
11.3结果分析67
第十二章结论72
参考文献74
致谢75
附录一科技文献翻译76
附录二毕业设计任务书103
第一章前言
1.1课题的提出
压力铸造是近代金属加工工艺中,发展较快的一种先进的铸造方法。
液态金属在高速高压作用下射入紧锁的模具型腔内,并保压、结晶直至凝固,形成半成品或成品[2]。
压力铸造作为一种终形和近终形的成形方法,具有生产效率高、经济指标优良、压铸件尺寸精度高和互换性好等特点。
在制造业获得了广泛的应用和迅速的发展,压铸件已成为许多产品的重要组成部分。
随着轿车、摩托车、内燃机、电子通信、仪器仪表、家用电器和五金等行业的飞速发展,压铸件的功能和应用领域不断扩大,从而促进了压铸技术不断发展,压铸合金品质不断提高。
在压力铸造中,一般作用于原料上的压力在20~200MPa,充型时浇口处初始速度为15~70m/s,充型时间仅为0.01~0.20s。
正是由于这种特殊充型方式及凝固方式,导致压力铸造具有自身独特的特点:
1可以得到薄壁、形状复杂但轮廓清晰的铸件;
2铸件精度高、尺寸稳定、加工余量少、表面光洁;
3铸件组织致密、具有较好的力学性能;
4生产效率高。
压力铸造的生产周期短,一次操作的循环时间约5s~3min,这种方法适于大批量生产;
5压力铸造采用镶铸法可以省去装配工序并简化制造工艺;
6材料利用率高;
1.2国内外压铸研究的现状
1.2.1国外压力铸造业的现状
压铸技术涉及到机械制造、液压传动、材料、冶金、自动化、计算机、化工、电子、传感器、检测、电气等诸多学科并正在向边缘学科渗透。
随着以上诸多学科的发展和工业技术的进步,压铸技术也取得了突飞猛进的发展,具体表现为:
1压铸机及外围设备整体性能和控制系统水平的大幅度提高。
2计算机模拟技术在压铸中的广泛应用,加深了对压铸充型、凝固过程规律的认识。
3压铸型材质和制造技术的发展,提高了压铸型使用寿命和压铸件质量。
4薄壁压铸件成形技术的开发与应用,为实现轻量化的目标创造了条件。
5压铸型涂料的开发,改善了铸型润滑特性,提高了压铸件表面质量。
1.2.2国内压力铸造业的现状
压铸模在我国约起始于20世纪40年代,但在工业上大量应用压铸件是始于20世纪50年代,即1958年以后。
至20世纪90年代,我国的压铸技术达到相当水平,已自行设计和制造出成系列的、性能优良的压铸机。
国产压铸机从一般小型到5000kN、6300kN、8000kN、10000kN、12500kN、及16000kN的大型压铸机均有生产。
但与国外相比,我国压力铸造业仍然存在很多不足,主要表现在以下方面。
1国外压射系统始终在不断地改进,平均5~8年就有一次重大改进。
而我国压射部分的所有压射参数的调节均为人工手动,无参数显示系统配套,给压铸工艺规范的实施造成困难,因而压铸件的质量无法保证,也难以实现自动化。
2液压系统无法实现压铸机的自动控制。
而国外有名的压铸机公司在这方面早已普遍应用。
3国产压铸机大都存在漏油的现象,主要原因是密封件质量差和加工质量问题。
4刚性是影响压铸机精度的重要因素,以前我国压铸机压射性能较差,人们集中精力研究压射系统的性能,而忽视了强度、精度的提高。
5压铸模使用寿命短。
6模具可靠性较差。
7生产率低由于国产模具使用可靠性不稳定,生产中故障多,返修量大,班产量不如进口模具高。
8我国在压铸模的设计和制造方面,进展较为缓慢。
在压铸模设计中,目前仍主要依靠设计人员的经验。
9外观质量不理想。
国产压铸件往往线条不清晰,水流纹不理想,表面粗糙度差。
与进口压铸件对比,差距明显。
1.3设计的内容和目标
本课题的主要内容、重点解决的问题,完成任务可能思路和方案。
1.3.1.毕业设计论文主要内容
1英文资料翻译一份不少于5000汉字。
2压铸件三维建模、CAE成型仿真及模具设计。
按照充填理论以及经验公式对压铸件零件的成形工艺性进行分析,校核其尺寸的合理性。
支撑架零件的二维、三维结构图如图1-1,图1-2所示。
图1-1支撑架压铸零件二维结构
图1-2支撑架压铸零件三维图
3对浇注系统的选择与计算,压铸机型号的选择。
根据压铸件的形状及精度要求,设计浇注系统的尺寸,尤其是内浇道尺寸的选择。
4对加热以及冷却系统的设计
根据压铸件及浇道系统的数量、布置形式,计算加热功率以及冷却水道的尺寸、数量。
5进行初步数值模拟仿真成型,优化模具结构。
6选择合理的模具结构,绘制装配图。
根据模具结构的选择和绘制,应该以生产批量的大小、零件的复杂程度、精度以及使用要求等方面综合考虑,绘制压铸模三维装配图。
7绘制压铸模二维装配图以及型腔、型芯等工程图的绘制。
8对主要模具工作零件型腔、型芯进行制造工艺编制包括数控加工程序;
1.3.2.重点需要研究的问题:
1依据液态金属充填理论,通过研究支撑架压铸件的充填、凝固顺序,设计合理的压铸工艺;
2CAD设计该件的压铸模具,优化设计模具结构;
3对主要的零件型腔、型芯等强度校核,完成绘制装配图和零件工程图;
4对主要模具工作零件型腔、型芯等进行制造工艺编制包括数控加工程序;
5进行初步数值模拟成型;
6对大学阶段的知识进行总结和应用,培养创新能力。
1.3.3.完成任务可能思路和方案:
由于支撑架压铸件结构较复杂,尺寸精度要求较高,支撑架零件材料为YL112,表面质量和内部质量要求严格等特点,成型时要保证压铸件的质量,克服成型缺陷,因此对压铸件的成型工艺选择要求科学、合理,压铸模结构具有良好的工艺性。
为提高生产效率且保证零件质量,预采用一模两腔,对称分布在浇注系统两侧成型。
根据零件的结构,零件上两处处都需要抽芯,侧抽芯可以通过多种方法来实现,譬如:
采用斜导柱抽芯机构、弯销抽芯机构、斜滑块抽芯机构、齿轮齿条抽芯机构、液压抽芯机构等。
分型面的选择也有多种方案:
1.3.4.设计的目标:
由于支撑架压铸件结构较复杂,尺寸精度要求较高,支撑架的零件材料为YL112,表面质量和内部质量要求严格等特点,成型时要保证压铸件的质量,克服成型缺陷,因此对压铸件的成型工艺选择要求科学、合理,压铸模结构具有良好的工艺性。
利用三维设计软件设计模具的装配结构,通过液态金属充填理论和数值仿真模拟合理设计浇注系统和优化设计参量。
通过本毕业设计,掌握压铸原理及模具结构,掌握压铸模设计的步骤,模具制造工艺的编制能力,具有较强的从事压铸工艺及模具技术工作的能力,组织模具生产管理的能力。
第二章支撑架压铸件的结构工艺性分析
压铸件的结构工艺性分析是压铸生产技术中的重要部分,主要涉及压铸合金性能分析、压铸工艺对铸件要求、压铸件的技术要求、压铸件的工艺性能等。
压铸件的结构工艺性是否合理,对模具的结构、压铸件的质量、生产成本有着直接的影响。
如果压铸件的结构不合理,不仅模具结构复杂,且质量无法得到保证,甚至造成生产困难
2.2压铸合金的化学成分和性能
压铸合金是压铸生产的要素之一,要生产优良的压铸件,除了要有合理的结构设计和成型设计、设计完善的压铸模和工艺性能优越的压铸机外,还需要有性能优良的合金。
本次设计要求的材料为压铸铝合金YL112,压铸铝合金是目前应用最广泛的压铸材料,而大多使用高硅铝合金。
因为它们允许有相当数量的杂质,可以用旧铝作回收利用,提高原材料的利用率。
压铸铝合金的主要特点有:
①密度较小,比强度高;
②在高温和常温下都具有良好的力学性能,尤其时冲击韧性好;
③有较好的导电性和导热性。
机械切削性能也很好;
④耐腐蚀性能好;
⑤具有良好的压铸性能,较好的表面粗糙度以及较小的热裂性。
但是,铝合金的体积收缩率较大,在压铸件冷却凝固时易在最后凝固处形成较大的集中缩孔。
同时铝合金对模具具有较强的黏附性,在脱出压铸件时,会产生黏附现象。
压铸铝合金YL112的化学成分和力学性能见表2-1
表2-1压铸铝合金的化学成分和力学性能(摘自GB/T15115-1994)
合金牌号合金代号化学成分质量分数(%)力学性能(不低于)
SiCuMnMgFeNiTiZnPbSnAlδ%硬度HBS
YZALSi9Cu2YL1127.5~9.53.0~4.0--1.2--1.20.10.1其余240185
2.2压铸件的尺寸精度
2.2.1.影响压铸件的精度的主要因素[7]:
①压铸件的空间轮廓尺寸;
②基本尺寸;
③模具结构对该尺寸的影响,主要取决于分型面或活动成形的锁紧状况及脱模斜度;
④合金种类;
⑤设计模具选用收缩率与该尺寸实际表现收缩率的差值;
⑥压铸工艺参数的变动,主要是模温和脱模时的铸件温度;
⑦模具直至达到工作寿命,制造维修对其精度的保证;
⑧压铸机合模系统的结构精度和刚性。
2.2.2.压铸件的轮廓性尺寸
压铸件的轮廓性尺寸大小以空间对角线来表示。
空间对角线取自外切铸件最大轮廓的四方体,其值按式2-1[2]求得,一律取整数:
2-1
式中?
?
空间对角线mm;
a?
?
长度mm;
b?
?
宽度mm;
c?
?
高度mm。
=
=81mm
根据空间对角线的尺寸,精密压铸件高精度尺寸推荐公差见表2-2
表2-2高精度尺寸推荐公差
相近公差等级空间对角线L/mm合金种类基本尺寸/mm
GB/T1800.3
-19981818~
3030~
5050~
8080~
120120~180
IT10~50铝合金0.070.080.1050~1800.110.130.160.190.220.25
根据空间对角线的尺寸,精密压铸件严格尺寸推荐公差见表2-3
表2-3严格尺寸推荐公差
相近公差等级空间对角线L/mm合金种类基本尺寸/mm
GB/T1800.3
-19981818~3030~5050~8080~120120~180
IT11~50铝合金0.110.130.16
IT1250~1800.180.210.250.300.350.40
根据空间对角线的尺寸,精密压铸件一般尺寸推荐公差见表2-4
表2-4一般尺寸推荐公差
相近公差等级空间对角线L/mm合金种类尺寸类别基本尺寸/mm
GB/T1800.4
-19991818~3030~5050~8080~120120~180
(JS12+JS13)/2~50铝合金A0.110.140.16B0.210.240.26
JS1350~180A0.140.170.200.230.270.32
B0.240.270.300.330.370.42
注:
A类尺寸表示不受分型面和活动型芯影响的尺寸;
B类尺寸表示受分型面和活动型芯影响的尺寸。
高精度尺表示寸有:
、。
严格尺寸有:
、、64、40
余下的全为一般尺寸,其中A类尺寸:
28、15、40
B类尺寸:
、120、160、
于是得:
、、、、、、、、、
2.3压铸件的形位公差
1压铸件的平行度公差:
见表2-5。
表2-5压铸件的平行度公差单位:
mm
名义尺寸两个半型内的公差
<250.15
>25~630.2
>63~1600.3
2压铸件的同轴度公差:
见表2-6。
表2-6压铸件的同轴度公差单位:
mm
名义尺寸同一半型内的公差
>18~500.15
>50~1200.25
2.4壁厚
压铸件的合理壁厚取决于铸件的具体结构,合金性能和压铸工艺等许多因素,为了满足各方面的要求,以正常、均匀壁厚为佳。
大面积的薄壁成型比较困难;壁厚过大或严重不均匀则易产生缩陷及裂纹。
随着壁厚的增加,压铸件材料力学性能明显下降。
2.5铸造圆角半径
铸造圆角可以使金属液流畅,气体容易排出,并可避免因锐角而产生裂纹,内圆角取值为取1mm。
2.6脱模斜度
脱模斜度大小与铸件几何形状如高大或深度、壁厚机型腔或型芯表面形状如粗糙度、加工纹路方向有关。
取支撑架内表面脱模斜度β1°。
2.7压铸件的表面质量
用新模具压铸可以获得Ra0.8m表面粗糙度的压铸件。
在模具正常使用寿命内,铝合金压铸件大致在Ra3.2~Ra6.3m范围。
支撑架内表面为Ra1.6~Ra3.2m;外表面为Ra3.2~Ra6.3m。
2.8加工余量
当压铸件的尺寸精度与形位公差达不到设计要求而需要机械加工时,应优先考虑精整加工,以便保留其强度较高的致密层。
加工余量,见表2-7。
表2-7机械加工余量单位:
mm
尺寸~30>30~50>50~80>80~120>120~180>180~260>260~360>360~500
每面余量0.30.40.50.60.70.81.01.2
第三章金属压铸件压铸工艺
压铸工艺是将模具、压铸机和铸件结构与合金特点等三大要素有机地结合并加以运用的过程。
压铸生产中最重要过程就是液态金属充填的过程,是许多因素共同作用的过程。
影响充型的主要因素是压力、速度、温度和时间。
各工艺因素是相互影响和制约的,调整某一工艺因素时,必然引起与之相应的工艺因素发生变化,并可能反过来影响已经调整的工艺因素。
因此,要对这些工艺参数进行调整、控制和选择,是个工艺参数协调在最佳状态,满足压铸生产的需要,才能生产出合格的铸件。
3.1压力参数
压力是使压铸件获得组织致密和轮廓清晰的重要因素,是由压铸机提供的,其大小取决于压铸机的结构及功率。
压力的表示形式有压射力和压射比压两种。
为了提高铸件的致密度,提高压射比压无疑是必要的,但是压射比压过高,会使型腔受金属液的冲刷和粘模的倾向严重,降低模具的使用寿命;压射比压过低会导致逐渐组织不致密和轮廓不清晰。
因此,应根据铸件的特点和合金的不同来选择合适的压射比压。
选择压射比压时考虑的主要因素见表3-1
表3-1压射比压选择的主要考虑因素
因素选择条件说明
铸件结构特性壁厚薄壁件压射比压选高些,厚壁件增压比压选高些
形状复杂程度复杂件压射比压选高些
工艺合理性工艺合理性好,压射比压选低些
合金材料特性凝固温度范围凝固温度范围大,增压比压选高些
流动性流动性好,压射比压选低些
合金材料特性密度密度大,压射比压、增压比压均选高些
比强度比强度,增压比压选高些
浇注系统浇道阻力浇道阻力大,压射比压、增压比压均选高些
浇道散热条件浇道散热条件好,压射比压选高些
排溢系统排气道布局排气道布局合理,压射比压选高些
排气道截面积排气道截面积足够大,压射比压、增压比压均选低些
内浇口速度要求内浇口速度要求内浇口速度大,压射比压选高些
温度合金与模具温差温差大,压射比压选高些
压射比压是压射过程中金属液在压室中单位面积所受到的压力。
它是压铸机的压射力与压射冲头截面积之比。
铝合金常用压射比压的推荐值范围见表3-2。
表3-2常用压射比压的推荐值范围单位:
MPa
压铸合金铸件壁厚3mm铸件壁厚3mm
简单件复杂件简单件复杂件
铝合金25~3535~4545~6060~70
3.2速度参数
压射中速度的表示形式有压射速度和充型速度两种。
压射速度是指压射冲头的移动速度,充型速度是指金属液流经模具内浇道的线速度。
充型速度与压射比压的内在关系由流体力学原理表示如下:
(3-1a)
由于液能量态合金的粘性以及在流经模具浇注系统时会因摩擦而引起损失,上式应改写为:
(3-1b)
式中?
金属液流经内浇道的充型速度(m/s);
?
施加给金属液的压射比压(Pa);
?
金属液密度();
?
浇口系数。
充型速度对压铸件的表面粗糙度和内部组织的致密度有很大影响。
铝合金充型速度见表3-3和表3-4。
表3-3不同合金充型速度速度的推荐值[2](单位:
m/s)
压铸合金简单壁厚单件一般件复杂壁厚件
铝合金25~3535~4545~60
表3-4不同壁厚铸件充型速度的推荐值[2](单位:
m/s)
铸件平均壁厚11.522.5
充型速度(m/s)46~5544~5342~5040~48
在本次设计中取金属液的填充速度为30m/s
3.3时间参数
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