汽车轮毂模具加工工艺设计.docx
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汽车轮毂模具加工工艺设计
毕业论文
题目:
德国奔驰特汽车铝轮
毂模具及数控加工工艺设计
系部:
机械工程学院
专业:
机械设计制造及其自动化
班级:
机设0804学号:
200802010405
学生姓名:
李斌彬
指导老师姓名:
陈蓉玲关耀奇
完成日期:
2012.06.08
毕业设计(论文)任务书
题目:
德国奔驰特汽车铝轮毂模具及数控加工工艺设计
姓名李斌彬学院机械工程专业机械设计制造及其自动化班级0804学号05
指导老师关耀奇职称副教授教研室主任
一、差不多任务及要求:
1.德国奔驰轿车铝轮毂零件的3D设计;
2.德国奔驰轿车铝轮毂零件铸造模具的3D设计;
3.德国奔驰轿车铝轮毂铸造模具顶模零件加工的工艺分析及工艺规程的编制;
4.德国奔驰轿车铝轮毂零件铸造模具顶模的在XK714机床(FANUC0i系统)上加工的NC代码数控铣削加工的NC编程及刀路仿真;
5.撰写文献综述(3000字、参考文献15篇以上)、开题报告;
6.撰写设计讲明书一份(字数15000字以上);
7.毕业调研及撰写毕业调研报告。
二、进度安排及完成时刻:
1.查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告(2.5周);
2.毕业调研及撰写毕业调研报告(1.5周);
3.毕业设计(9周),其中:
总体方案(1周),德国奔驰轿车铝轮毂零件的三维造型(1周),德国奔驰轿车铝轮毂零件铸造模具的3D设计(2.5周),工程图设计(3周),底模零件的工艺设计、加工编程(1.5周);
4.撰写毕业设计讲明书并将初稿交导师评阅(1.5周);
5.指导老师评阅、学生修改及打印讲明书(0.5周);
6.评阅老师评阅设计讲明书、学生预备答辩(0.5周);
7.毕业答辩(0.5周)。
诚信声明
本人声明:
1、本人所呈交的毕业设计(论文)是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果;
2、据查证,除了文中特不加以标注和致谢的地点外,毕业设计(论文)中不包含其他人差不多公开发表过的研究成果,也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料;
3、我承诺,本人提交的毕业设计(论文)中的所有内容均真实、可信。
作者签名:
日期:
年月日
第1章绪论5
1.1引言5
1.2铝合金轮毂的优点6
1.3铝合金轮毂的进展状况8
1.3.1国外铝合金汽车轮毂进展状况8
1.3.2国内铝合金汽车轮毂进展状况9
1.4铝合金轮毂的模具设计10
1.5铝合金轮毂顶模的数控加工工艺分析10
1.6本文研究的要紧内容11
第2章铝轮毂的3D设计12
2.1引言12
2.2轮毂方案的确定13
2.3铝轮毂的设计13
2.3.1铝轮毂的设计原则13
2.3.2铝轮毂的设计原则13
2.3.3铝轮毂的设计13
第3章:
铝轮毂压铸模具的3D设计16
3.1引言16
3.2铝轮毂的压铸模具设计16
3.2.1铝轮毂挤压模具设计前的相关知识16
3.2.2铝轮毂的压铸模具的相关参数确定18
3.2.3铝轮毂的压铸模具设计步骤20
第4章铝轮毂顶模加工工艺和数控编程27
4.1引言27
4.2铝轮毂顶模加工工艺分析27
4.3铝轮毂顶模的毛坯、余量分析28
4.3.1毛坯的种类28
4.3.2加工余量29
4.4铝轮底模数控加工程序的编制30
4.4.1坐标系的建立30
4.4.2刀具起刀点的设置31
4.4.3夹具的选择31
4.4.4刀具选择31
4.4.5基准的选着33
4.4.6切削用量及切削液的选择34
4.5铝轮毂顶模加工工艺规程的编制37
4.6铝轮毂顶模数控加工38
4.6.1Pro/ENC简介38
4.7铝轮毂顶模数控铣削加工及刀路仿真40
4.7.1铝轮毂顶模数控铣削加工步骤40
4.7.2部分G代码摘录46
结论50
参考文献51
致谢53
德国奔驰汽车铝轮毂模具及数控加工工艺设计
摘要:
铝合金轮毂是当今汽车行业使用最广的一种,当今世界发达国家在汽车铝合金轮毂的开发设计过程中普遍采纳了CAE技术,CAE技术的推广进一步推动与轮毂相适应的模具制造业的进展。
本论文是借助奔驰汽车铝轮毂模具,采纳pro/E软件,最终实现预期的目的。
本文要紧利用pro/E强大三维造型功能中的零件模块实体特性和制造模块曲曲面特性,查阅模具设计手册,选择模架,确定模架的结构尺寸,完成模具的总体设计。
同时充分利用计算机绘图软件对零件进行设计,阐述了汽车轮毂实体模型及模具的设计并实现零件的三维装配和模具设计,最后进行数控加工仿真和后置处理。
通过本次奔驰汽车铝轮毂的结构设计、模具设计及模拟仿真,和传统的设计方法所需要的时刻相比,采纳计算机虚拟辅助模具设计可打打缩短开发周期和生成成本。
关键字:
奔驰汽车;铝轮毂;模具设计,数控加工工艺。
GermanMercedes-BenzautomotivealuminumwheelsmoldandCNCmachiningprocessdesign
Abstract:
Aluminumalloywheelhubofautomobileindustryisthemostwidelyusedone,today'sdevelopedcountriesoftheworldinaluminiumalloywheelhubofvehicledevelopmentanddesignprocessofcommonusedCAEtechnology,theCAEtechnologytofurtherpromoteandthehubisadaptedtothedevelopmentofmanufacturingmolds.ThispaperistheuseofBenzAutoAlwheelhubmold,usingpro/Esoftware,andeventuallyrealizetheintendedpurpose.
Inthispaper,theuseofpro/Epowerfulmodelingfunctionofpartmoduleentitypropertiesandmanufacturingmodulecurvedsurfacecharacteristics,refertotheHandbookofdiedesign,selectionofdiemoldstructure,determinethesize,completemolddesign.Atthesametime,makefulluseofthecomputerdrawingsoftwareforpartsdesign,elaboratedcarhubentitymodelandmolddesignandRealizationof3Dassemblypartsanddiedesign,theNCmachiningsimulationandpostprocessing.TheBenzautomobilealuminumwheelhubstructuredesign,molddesignandsimulation,andthetraditionaldesignmethodthetimerequiredbythevirtualcomputeraidedcompared,diedesigncanbeeithershortenthedevelopmentcycleandcostofproduction.
Keywords:
Mercedes-Benzcars;aluminumwheels;molddesign,CNCmachiningprocess.
第1章绪论
1.1引言
在汽车工业发达的国家,铝轮毂的应用有专门长的历史,制造技术早已成熟。
我国从20世纪90年代初期引进该项技术,已有五家较大规模的汽车铝轮毂厂,
以外资、合资为主,除供应国内市场,部分产品返销国外。
对比钢轮毂,铝轮毂努力在行走系统采纳轻质金属材料(铝、镁)和有机材料(聚合材料),就成为减轻空车质量的有效措施[1]。
有资料表明,轮毂质量的减轻关于燃油经济性的提高效果要比减轻汽车其它部件的质量要大的多,而且试验表明,汽车轮毂(轮辆、轮辐部分)在满足其使用性能要求的基础上存在着减轻质量的潜力[2]。
铝合金轮毂降低了非载荷重量而提高了抓地性,表现出史为精确的转向动作和入弯性能;减小了车轮等旋转部分的热惯性,散热性好,改善了加速性和制动性;因为汲取冲击性能量,抗震性高于钢轮;硬度高减小了过弯时轮胎/轮毂的倾斜度,增加了刚性。
此外还具有同心度高、径向端向跳动低、车子乘驶平稳、受力合理、耐腐蚀、造型美观、装配方便和制造周期短等优点。
轻了30%—40%,可节约油耗5%,汽车的振动程度可减轻12%,加速时刻可缩短7%,明显提高了整车性能、在摩托车、汽车行业铝合金轮毂得到了广泛的应用,其装车比例逐年上升,尤其是在轿车行业,整体式铝合金轮毂几乎一统天下[3]。
1.2铝合金轮毂的优点
从单纯的生产成本比较,目前仍是钢制轮毂最廉价,但从轻量化和现代轿车产品的整体结构进展来考虑,铝合金轮毂的应用是必定趋势,这是由于它的诸多优点决定的。
1、散热快:
轿车在高速行驶时,轮胎与地面摩擦会产生较高的温度,制动盘和制动片摩擦也会产生较高的温度,在如此的高温作用下,轮胎和制动片均会老化和加速磨损,制动效率下降,轮胎气压升高,爆胎和刹车失灵的事故就有可能发生。
摄氏20度时,铝热容量大,导热能力是钢的5倍,在当今车速不断提高的情况下,意义特不重大。
2、重量轻:
铝材密度比钢材小,铝合金轮毂比同尺寸的钢轮毂轻,平均每只铝合金轮毂比钢质轮毂要轻2公斤左右,由于轮毂重量轻,转动惯量小,汽车的加速性能得到提高,刹车性能同样得到提高,提升车子加速能力之余更可降低油耗。
一辆轿车以5只车轮(包括一只后备车轮)计算可减轻重量10公斤[7]。
依照日本实验,汽车重量每减轻1公斤,一年可节约12公升汽油,在同等耗油量下,可多跑600~800米。
引擎产生动能,传动到轮胎时需克服的负荷是力矩,力矩=重量×距离的平方,因此重量只差2公斤,但力矩差却相当大。
3、强度大:
强度大与重量轻是联系在一起的,确切地讲,应该是比强度大。
即同样重量,铝合金轮毂要牢固耐用得多;同样强度,铝合金轮毂要轻得多。
铝合金轮毂耐冲击力、抗张力及热力等各项强度较钢毂有过之而无不及,铝合金轮毂的高硬度明显地减小了转弯时轮毂的变形[10]。
这关于安装了高性能轮胎的车子尤为重要。
因此,其在国防工业、航空工业扮演了极其重要的角色。
4、舒适性好:
铝合金车毂是周密的铸造件,精加工表面达80~90%,失圆度和不平衡度专门小,特不是铝合金的弹性模数较小,抗振性好,能减少行驶中的车身振动。
铝合金轮毂具有汲取振动和反弹力量的金属特性[11]。
5、造型美,易加工:
铝的工艺性(包括延展性、切削性能等)较好,便于轧、压、铸、锻加工,容易获得理想的几何形状,能够制造出结构复杂的轮毂,便于成形、易于装潢,配合机械加工、表面涂敷及表面处理(氧化、喷丸、热处理等),使它既提高了耐蚀性,又表现了造型美。
由于铝的熔点低,易于再加工,使材料的再生利用率提高:
再由于铝容易切削加工,能够保证铝制轮毂几何尺寸精度高,不圆度、摆差小,动平衡好,从而可提高整车的平顺性和舒适性。
采纳适当的工艺制造铝轮毂,强度可满足整车要求[12]。
6、效益好:
由于铝的价格比钢的高,铝轮毂制造工艺也比钢轮毂的复杂,因此铝轮毂初始成本较高。
然而,铝的含里在地壳金属元素中列第一,同时提炼技术的进步可促使价格下降,而且采纳铝合金轮毂使汽车的自重显著下降,其带来的经济效益是显而易见的.因此,采纳铝合金轮毂是合算的。
今天,铝轮毂己成为汽车生产厂的原装件或选装件,在美国以铝制轮毂作为原装件出厂的车辆约占总数的4~5%。
我国铝合金轮毂工业起步较晚,但进展速度是专门快的[13]。
自1989年我国首家汽车铝合金轮毂厂一秦皇岛市戴卡铝轮毂有限公司投产以来,到19%年,先后建立的汽车和摩托车铝轮毂生产线己超过21条,这些铝合金轮毂厂大多是中外合资的,产品大多外销[14]。
7、安全性好:
关于高速行驶的汽车来讲,因轮胎着地摩擦、制动等发生的高温爆胎、制动效能降低等现象不足为奇。
而铝合金的热传导系数是钢、铁等的三倍,加上铝合金车轮因其布局的特征,极易将轮胎、车底盘所发生的热量排散在空气中[15]。
即使在远程高速行驶或下坡路持续刹车的环境下,亦能使汽车连结恰当的温度。
不单能使轮胎及刹车的鼓不易因经常高温而老化,更能降低爆胎率。
1.3.2国内铝合金汽车轮毂进展状况
国内于20世纪80年代中期开始涉足研制、生产和推广使用铝合金汽车轮毂,90年代进入进展期。
1988年戴卡轮毂制造有限公司建厂,1990年广东南海中南铝合金轮毂厂投产,1991年昆山六丰机械工业有限公司建厂,以后又陆续建成了许多铝合金汽车轮毂制造厂。
目前,国内有铝合金汽车轮毂制造厂40余家,要紧分布在江苏、浙江、广东、福建、山东、河南、河北、吉林等地,年产能超过2500万件。
表1列出了国内铝合金汽车轮毂部分生产厂及产能[20]。
2002年至今,由于中国汽车制造业的快速进展,跨国公司纷纷在中国投资设厂,或加入中国的铝合金汽车轮毂的采购,中国铝合金汽车轮毂产业出现了强劲的增长势头。
据统计,2003年中国生产铝合金汽车轮毂2300万只,出口1200万只2004年生产铝合金汽车轮毂2500万只,出口1400万只。
国内制造铝合金汽车轮毂要紧采纳成本较低的低压铸造工艺,约占全部产量的80%;其次采纳最简单的重力铸造工艺,占全部产量不足20%;已有少数厂家采纳挤压铸造工艺,在质量品质上取得了良好的效果。
在铝轮毂表面的加工方面,一般采纳数控机床、高精度自动化柔性加工系统;在表面涂装方面,采纳自动化涂装工艺、喷粉涂装工艺渐有替代喷漆之势少数企业还采纳先进的真空电镀涂装工艺。
1.4铝合金轮毂的模具设计
铝轮是轿车行驶系的要紧部件之一,是汽车与地面之间的传力元件,起着承载、转向、驱动、制动等作用。
同时,铝轮是一个承受随机疲劳载荷的旋转薄壳结构,上面开有孔洞,附有加强筋,形状复杂,轿车在行驶中所受到的各种载荷向铝轮的传递也十分复杂。
因此,铝轮的几何形状和力学特征的复杂性给研究工作带来专门大的困难。
铝轮模具设计是保证轿车铝轮质量的关键,由于模具型面复杂,几何构造图素和曲面造型独传统的模具设计及制造方法专门难满足要求。
而采纳Pro/E对汽车铝轮模型实体设计以及模具设计将解决这一设计难题,使得设计过程简便、快捷、可靠。
铝轮模具设计可分两步[21]:
(1)设计出符合要求的轿车铝轮三维实体模型;
(2)利用Pro/E软件提供的功能,在铝轮实体的基础上进行三维造型,设计出相应的铝轮模具。
1.5铝合金轮毂顶模的数控加工工艺分析
依照上述设计好的铝合金轮毂模具,采纳Pro/E提供了NC加工模块,设置好NC加工所需的各种参数,选择相应的铝轮顶模的加工工艺流程,制定好相应的加工工艺,需要考虑以下几点[22-24]:
1).毛坯的加工余量是否充分,批量生产时的毛坯余量是否稳定。
数控加工时,工件的加工面均应有较均匀充分的余量;
2).分析毛坯在定位安装方面的适应性;
3).分析毛坯余量的大小及均匀性。
不同类型的零件要选用相应的数控机床加工,以发挥数控机床的特点和效率。
加工顺序的安排应依照零件的结构和毛坯状况,以及定位安装与夹紧的需要来考虑,重点是工件的刚性不被破坏。
1.6本文研究的要紧内容
本课题要紧研究铝轮毂的模具设计与加工,具体内容是:
广州本田家用轿车铝轮毂零件的3D设计;广州本田家用轿车铝轮毂零件铸造模具的3D设计;广州本田家用轿车铝轮毂零件铸造模具底模零件加工的工艺分析及工艺规程的编制;广州本田家用轿车铝轮毂零件铸造模具底模的在MV-610机床(S工NUMER工K810D系统)上数控铣削加工的NC编程及刀路仿真。
因此,要想顺利完成设计必须首先复习往常所学与设计有关的专业知识,并学以致用,并学习与模具设计有关的知识。
另外,还要学习一些设计中所用到的其它方面的知识,如Pro/E和SINUMERIK81OD系统的熟练运用,利用Pro/E强大三维造型功能中制造模块曲面特性来实现汽车轮毂模具的生成。
通过Pro/E生成二维图形,通过处理后形成二维工程图,并在MV-610机床(SINUMERIK810D系统)上数控铣削加工的NC编程及刀路仿真广州本田家用轿车铝轮毂零件铸造模具底模。
第2章铝轮毂的3D设计
2.1引言
随着科学技术的进展,计算机辅助设计技术正朝着高度集成化进展,出现了计算机辅助CAD/CAM系统、CAD/CAE/CAM系统等,其中三维实体模型是重要的基础,三维实体模型不仅以其直观明了的特点充分体现设计意图,而且在三维实件模型基础上能够进行装配、干涉检查、有限元分析、运动分析,对所设计的产品进行铸模设计,模拟加土、模拟装配等计算机辅助设计工作,Pro/Engineer的参数化设计在设计上给设计者提供了前所未有的简易和灵活。
Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司(PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。
Pro/Engineer软件以参数化著称,是参数化技术的最早应用者,在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位,Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。
是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一,特不是在国内产品设计领域占据重要位置。
Pro/E采纳了模块方式,能够分不进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等,保证用户能够按照自己的需要进行选择使用。
1、参数化设计
相关于产品而言,我们能够把它看成几何模型,而不管多么复杂的几何模型,都能够分解成有限数量的构成特征,而每一种构成特征,都能够用有限的参数完全约束,这确实是参数化的差不多概念。
2、基于特征建模
Pro/E是基于特征的实体模型化系统,工程设计人员采纳具有智能特性的基于特征的功能去生成模型,如腔、壳、倒角及圆角,您能够随意勾画草图,轻易改变模型。
这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。
3、单一数据库(全相关)
Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上,不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。
所谓单一数据库,确实是工程中的资料全部来自一个库,使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作,不管他是哪一个部门的。
换言之,在整个设计过程的任何一处发生改动,亦能够前后反应在整个设计过程的相关环节上。
例如,一旦工程详图有改变,NC(数控)工具路径也会自动更新;组装工程图如有任何变动,也完全同样反应在整个三维模型上。
这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合,使得一件产品的设计结合起来。
这一优点,使得设计更优化,成品质量更高,产品能更好地推向市场,价格也更廉价。
因此本文中采纳Pro/Engineer软件进行轮毂的三维设计。
2.2轮毂方案的确定
Pro/ENGINEER提供的设计理念将设计、制造、装配以及生产治理融为一体,给予“设计”完整的概念。
它提供的强大功能尤其是曲面造型和模具设计功能为工程技术人员和生产治理人员在短期内完成高质量的产品开发提供了强有力的工具。
本论文以Pro/ENGINEER为开发平台,以并行工程为思想,最终完成对挤压铸造模具智能设计系统的开发,实现模具设计的自动化,智能化,大大缩短了设计、数控编程的时刻,从大大缩短了模具设计周期。
另外,Pro/ENGINEER软件具有的单一数据库、参数化实体特征造型技术为实现并行工程提供了可靠的技术保证。
轮毂模具设计可分为两步:
①设计出符合要求的轮毂三维实体模型。
②依照轮毂的三维模型设计出轮毂模具。
其中,轮毂实体设计是关键,直接涉及到模具的结构及尺寸精度。
然后利用Pro/E软件提供的功能,在实体的基础上进行二维造型,并设计出相应的轮毂模具。
汽车轮毂由钢圈,轮辐,风孔等组成。
2.3铝轮毂的设计
2.3.1铝轮毂的设计原则
起模方便,在起模方向上留有结构斜度。
铸件的壁厚尽可能均匀,减少和消除应力防止缩孔和裂纹缺陷的产生。
零件的转角处要留有铸造圆角,以防止裂纹,缩孔。
要有合理的铸件壁厚,其最薄的部分应保证液体金属充满。
2.3.2铝轮毂的设计原则
铸件的最小壁厚:
b=5-7mm,其平均壁厚为6mm。
铸造内外圆角:
R=2mm.
汽车轮毂的受阻收缩率:
0.5%-1%;
铸造斜度(拔模斜度):
a=50°30″。
2.3.3铝轮毂的设计
Pro/E三维实体建模是利用其强大的三维造型功能中的零件模块实体特性,遵循由线一面一实体的方式进行的,汽车轮毂的外形三维实体的生成,其关键在于外形尺寸在Pro/E中的实现。
通过绘制直线,圆弧,自由曲线等差不多因素,并做拉伸、旋转、镜像、等距、剪切等操作最终生成所需的曲线外形,建立轮毂三维模型如下图2.2所示。
图2.2汽车轮毂正面效果图
图2.3汽车轮毂反面效果图
第3章:
铝轮毂压铸模具的3D设计
3.1引言
压铸是制造业的一种工艺,能够成型复杂的高精度的金属制品,多用于汽车制造,机械制造等。
本课题是对铝壳体进行模具设计并分析加工工艺。
本模具考虑到年产量、工厂的设备及铸件的精度要求,选择一模一腔结构。
以制品的最大端面为分型面,使制品顺利脱模。
制品上还有散热片,须进行侧向抽芯。
为了使动、定模能够准确地动作,导向定位机构利用导柱与导套的配合。
顶出机构是推杆推出的一次脱出机构。
考虑到零件的位置关系,冷却水道采纳循环式分布,以便冷却均匀、快速。
铝合金重量轻、强度高、成型性好、价格适中、回收率高,县有塑料与镁合金等无法比拟的综合优势。
压铸的流淌性
流淌性是指合金液体充填铸型的能力。
流淌性的大小决定合金能否铸造复杂的铸件。
在铝合金中共晶合金的流淌性最好。
阻碍流淌性的因素专门多,要紧是成分、温度以及合金液体中存在金属氧化物、金属化合物及其他污染物的固相颗粒,但外在的全然因素为浇注温度及浇注压力(俗称浇注压头)的高低。
实际生产中,在合金已确定的情况下,除了强化熔炼工艺(精炼与除渣)外,还必须改善铸型工艺性(砂模透气性、金属型模具排气及温度),并在不阻碍铸件质量的前提下提高浇注温度,保证合金的流淌性
铝制轮毂因具有重量轻、散热性能好、寿命长、安全可靠、生产简单、外型美现、图案丰富多彩、尺寸精确、平稳性好等优点,从而得到越来越广泛的应用,进展潜力专门大。
3.2铝轮毂的压铸模具设计
3.2.1铝轮毂挤压模具设计前的相关知识
压力铸造是目前成型有色金属铸件的重要成型工艺方法。
压铸的工艺特点是铸件的强度和硬度较高,形状较为复杂且铸件壁较薄,而且生产率极高。
压铸模具是
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