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摩托车轮毂设计说明书
第1章绪论
1.1摩托车车轮发展概况
随着工业的飞速发展,摩托车工业也快速的壮大起来,摩托车成为了人们出行所使用的主要交通工具之一。
尤其是在发展中国家里,摩托车的拥有数量非常庞大。
在我国各大城市里,摩托车已经成为许多家庭的主要交通工具。
正是由于摩托车市场的庞大的需求量,从而促使了摩托车企业的快速发展,制造摩托车的工艺也在不断进步。
摩托车车轮是摩托车中极其重要的部件之一,它的质量好坏直接影响着摩托车行驶的安全和可靠。
早期的摩托车速度较低,其车轮结构为刚性连接,轮胎为高压胎。
随着轮胎及车轮技术的发展,低压轮胎逐渐取代了高压轮胎。
与此同时,低压轮胎又出现了无内胎轮胎。
目前,摩托车车轮主要有三种结构形式:
轮圈辐条组合式车轮、辐板式整体车轮和轻合金车轮。
轮圈辐条组合式车轮是一种传统的结构型式,该种车轮与早期刚性连接的车轮相比,减震性能较好。
但是,这种车轮受结构的限制,车轮的外形变化比较困难,不能适应摩托车外观造型日新月异的需要。
并且由于这种结构车轮受轮圈冲孔的限制,不能装配无内胎轮胎,使它的发展大受影响。
辐板式整体车轮分为辐板式整体钢车轮和辐板式整体铝车轮。
辐板式整体钢车轮主要用于中、低挡小轮摩托车。
其钢制轮圈的工艺方法是用钢板卷制后焊接成型,使用一段时间后,焊接部位易生锈造成无内胎车轮漏气。
辐板式整体铝车轮有质量小、铝辐板形状容易变化等优势。
另外,铝合金轮圈和铝辐板通过表面处理后,可以形成车轮所需要的各种颜色,满足了消费者对多种颜色的需求。
轻合金车轮是一种整体式车轮,主要有铝合金车轮和镁合金车轮。
镁合金车轮具有比铝合金车轮更诱人的潜在优势。
虽然目前镁合金车轮已经开始应用于摩托车,但主要局限于赛车上,它不能像铝合金车轮那样进行大批量生产,其主要是因为:
1) 镁与氧气有极大的亲和力,在液态下镁可以剧烈氧化和燃烧,在熔炼和整个铸造过程中必须在保护性气氛的覆盖下进行,否则会发生燃烧事故。
而目前的保护性气氛都涉及环保问题,不仅会破坏大气臭氧层,而且对人体危害性较大,且极易损坏设备和建筑物。
2) 镁合金的化学稳定性差,车轮在使用过程中极易发生腐蚀现象。
3) 目前,尚无公认的适合大批量生产的成套镁合金加工设备和工艺。
铝合金的初次登场是在 50 年代,铝合金车轮首次被用于追求高性能的赛车中。
因为铝合金车轮质量轻、散热性能好,并且具有良好的外观,所以,铝合金车轮逐步代替了钢制车轮。
铝合金车轮具有以下特点:
1)散热快、安全。
由于轿车在高速行驶时,轮胎与地面摩擦会产生较高的温度,制动盘和制动片摩擦会产生较高的温度,在这样的高温作用下,轮胎和制动片均会加速磨损和老化,制动效率下降,轮胎气压升高,易造成爆胎和刹车失灵的事故。
铝合金的传热系数比钢材大3倍,可将轮胎和制动盘上产生的热量迅速传导到空气中去,避免了轮子在高速运转下产生的种种弊病,从而增强了制动效能、提高了轮胎和制动盘的使用寿命、有效的保障了汽车的安全行驶。
2) 重量轻、节能。
铝材比重比钢材小,平均每只铝合金车圈比钢质车圈要轻2公斤左右,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。
减轻重量也就意味着节省燃料。
3) 舒适性好。
铝合金车圈是精密的铸造件,精加工表面达到80%到90%,失圆度和不平衡很小,特别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,提高了整车的舒适性。
4) 外观漂亮。
铝合金车圈外表是经抗腐蚀处理再静电粉体涂装,它可以铸成各种花式外形,让人感到有一种美观、精致和豪华的感觉。
有车族往往不惜重金更换自己中意的花式外形。
基于铝合金材料有众多的优点,我国摩托车工业也主要是生产铝合金车轮,本课题也采用应用广泛的铝合金材料做为摩托车轮毂的材料。
1.2我国压铸技术的发展
压铸工艺是一种高效率的少、无切削金属的成型工艺,从19世纪初期用铅锡合金压铸印刷机的铅字至今已有150多年的历史。
由于压铸工艺在现代工业中用于生产各种金属零件具有独特的技术特点和显著的经济效益,因此长期以来人们围绕压铸工艺、压铸模具及压铸机进行了广泛的研究,取得了可喜的成果。
中国压铸业不断追求技术进步,不断追求高品质生产。
压铸总体水平与国外先进水平相比虽有差距,但从某些经常用来评价压铸技术水平的指标来看,这种差距正在缩小。
压铸是一个高度依赖技术经验的行业,中国压铸专业人员不足、整体技术素质偏低。
无国界的市场,使我国压铸企业面临发展壮大的机会,同时也面临着日益激烈的竞争风险。
人才是企业生存和发展的根本,企业要不断地学习运用先进的生产技术,必须培养高素质的技术和管理人才。
只有这样,才能使中国压铸业取得更大进步。
1.3压力铸造基本知识
1)压力铸造原工艺过程
压力铸造(简称压铸)是在高压作用下将液态或半液态金属快速压入铸型中,并在压力下凝固而获得铸件的方法。
压铸所用的压力一般为30~70MPa,充型速度可达5~100m/s,充型时间为0.05~0.2s。
金属的压力铸造广泛用于汽车、冶金、机电、建材等行业。
目前90%的镁铸件和60%的铝铸件都采用压力铸造成型。
金属液在高压下以高速填充铸型,并在压力下冷却,是压铸区别于其他铸工艺的重要特征。
压力铸造的主要工序可分为:
合型、压射、顶出三个阶段。
压铸机的主要结构简图如图下所示。
图1.1压铸机主要结构简图
1—拉杆;2—合模座;3—动模座;4—定模座;5—压铸模
1.4压力铸造的特点
1)优点
① 生产率高,压铸机没小时可压铸50~150次,甚至有的可达500次;便于实现自动化或半自动化;
② 铸件的尺寸精度高,标准公差可达IT8~11;表面粗糙度低,Ra=0.8~3.2,可直接铸造出螺纹;
③ 由于在压力下凝固,且速度快,因此,铸件晶粒细小、表面紧实、强度和硬度高;
④ 便于采用镶铸法(嵌铸法)。
2)缺点
① 压铸时由于液态金属填充速度高,液态不稳定,故采用一般压铸法时,铸件易产生气孔,不能进行热处理;
② 对内凹复杂的铸件,压铸较为困难;
③ 高熔点合金(如铜,黑色金属),压铸型寿命较低;
④ 不宜小批量生产,其主要原因是压铸型制造成本高,压铸机生产效率高,小批量生产不经济。
1.5压铸应用范围和注意要点
① 压铸是实现少无切削加工的精密铸造技术,在汽车、航空、仪表、 国防等工业部门广泛用于非铁金属的小型、薄壁、形状复杂件的大批量生产。
② 铸件壁厚均匀,以3-4mm的壁厚为宜,最大壁厚应小于8mm,以防止缩孔、缩松等缺陷。
③ 铸件不宜进行热处理或在高温下工作,以免铸件内气孔中的气体膨胀而导致铸件变形或断裂。
④ 由于内部疏松,铸件塑性和韧性差,故它不适合于制造受冲击的零件。
⑤ 铸件应尽量避免机械加工,以防内部孔洞外漏。
第2章压铸件的工艺分析与设计
2.1压铸件的工艺分析
图2.1铸件
本课题中铸件如图2-1所示铸件的材料牌号为:
ZL104。
其合金牌号为:
ZAlSi9Mg该合金的铸造性能好,无热裂倾向、气密性高、线收缩小;但形成针孔的倾向较大熔炼工艺较复杂。
合金的耐蚀性好,切削加工性和焊接性一般。
铸造铝合金对各种铸造工艺的适应性都很好,可以用于砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、壳型铸造、低压铸造、压铸、连续铸造等。
同一牌号的合金,用不同工艺铸造,其力学性能有所不同。
ZL104属于铝硅合金,铝硅合金有良好的铸造性能,经变质处理和热处理后,有良好的力学性能和耐蚀性能,是应用最广的铝合金。
2.2压铸件的设计
2.2.1零件轮辋的主要形式
轮辋是摩托车轮毂与外轮胎直接接触的部件,它的几何形状较为复杂,并且已经形成了统一的标准。
根据国家标准,摩托车轮辋系列 GB13202—91,轮辋的类型分很多种,主要有圆柱型(WM 型)、5°斜底式(MT型)、斜底式(边式)、对开槽式以及深(槽)式。
本课题要求为圆柱型轮辋如下图所示:
图2-2轮辋
圆柱型胎圈座轮辋轮廓尺寸(WM型轮辋)见下表:
轮辋名义宽度代号
A
Bmin
C
G
0.5
H
Pmin
R1min
R2
R3max
R4min
R5min
1.10
28.0
5.0
50
7.0
7.0
3.0
1.5
5.5
1.5
5.0
7.0
1.20
30.5
5.5
5.5
9.0
6.0
1.35
34.0
6.5
6.0
10.0
7.5
3.5
2.0
6.5
1.40
36.0
8.0
10.0
1.50
38.0
7.5
6.5
10.5
8.0
4.0
2.0
7.0
2.0
5.5
11.5
1.60
40.5
7.5
12.0
4.5
8.0
6.0
13.0
1.85
47.0
8.5
10.5
14.0
9.0
5.0
12.5
7.0
15.0
2.15
55.0
7.5
18.5
2.50
63.5
9.5
3.0
19.0
2.75
70.0
10.5
12.0
11.0
3.0
3.00
76.0
该课题中轮辋R5=10mm、G=10.2mm、A=40.6mm、B=5mm。
2.2.2轮毂零件的分析
轮毂零件图如下图所示:
由零件图可以看出,该轮毂虽然结构较为复杂,但它的对称度很好,轮辋采用圆柱型(WM 型)。
轮毂有七个成51.43℃的条幅,轮毂中部设有花键连接,整体壁厚没有非常薄的地方,铸造性良好,且容易出模。
该轮毂的轮辋与轮盘整体成型,是一件式铝轮毂。
(a)(b)
图2.3轮毂零件(a)及三维图(b)
2.2.3压铸件的尺寸精度
压铸件的尺寸精度取决于压铸件的设计、模具结构以及模具制造的质量。
通常压铸件的尺寸精度比模具的精度低3~4级。
压铸件的尺寸稳定性取决于工艺因素、操作条件、模具修理次数及其使用期限等各个方面。
压铸件的尺寸精度一般按机械加工精度来选取,在满足使用要求的前提下,尽量选取较低的精度等级。
此外,同一压铸件上下部同部分的尺寸可按照实际使用要求选取不同的精度,以提高经济性。
1)长度尺寸
压铸件能达到的尺寸公差及配合尺寸公差等级由《压铸工艺与模具设计》表2—5得铝合金为12~13级配合尺寸公差等级为14级。
2)厚度尺寸
壁厚、肋厚受到分型面和活动成形零件的影响选取±0.04mm。
3)表面粗糙度
铸件的表面粗糙度取决于压铸模成形零件型腔表面的粗糙度,通常压铸件的表面粗糙度比模具相应成形表面的粗糙度高两个等级。
本模具为新模,压铸件的表面粗糙度应为GB1031—1983的Ra2.5~0.63um。
4)加工余量
机械加工余量是为了保证铸件机械加工面尺寸和零件加工精度,在设计铸件和铸造工艺时,预先增加并在机械加工时应予以切除的金属层厚度。
铸件的加工余量数值按照有加工要求的表面上最大基本尺寸和该表面距它的加工基准间尺寸两者中较大的尺寸所在尺寸范围,从铸件加工余量表中选取。
另外,铸件的不同加工表面,可以采用相同的加工余量数值。
在本轮毂铸件中,有加工要求表面中基本尺寸最大的为直径453.7,由《压铸工艺与模具设计》,选取加工余量等级为D~F,则根据直径453.7查表2—14,选取机加工余量为单边1.2mm。
在铸件的个别地方有些余量比1.2mm小,这种情况根据实际情况而定。
第3章压铸工艺
3.1压力
压力是使压铸件获得致密组织和轮廓的重要因素,压铸压力有压射力和压射比压两种形式。
3.1.1压射力
压射力是压铸机压射机构中推动压射活塞运动的力.它是反映压铸机功能的一个主要参数,压射力的大小,由压射缸的截面积和工作液的压力所决定.。
公式如下:
F=P×
{3—1}
式中:
F——压射力-压射力(N-牛)
P——压射油缸-压射油缸内工作液的压力(Pa-帕)
D——压射缸的直径(m-米)
π=3.1416
经计算的F=38423.46N
3.1.2比压及其选择
压射比压是压室内金属液单位面积上所受的力,即压铸件的压射力与压射冲头戴面积之比。
充填时的比压称压射比压,用于克服金属液在浇注系统及型腔中的流动阻力,特别是内交口处的阻力,使金属液在内浇口处达到需要的速度。
压射比压可按下式计算:
{3—2}
式中:
——压射比压,Pa
d——压射冲头或压室直径,m
表3.1压射比压的选择
合金
铸件厚度
3mm
铸件厚度
3mm
结构简单
结构复杂
结构简单
结构复杂
锌合金
30
50
50
60
铝合金
25
50
45
80
镁合金
30
50
50
80
铜合金
50
70
80
110
3.2速度
压铸过程中,速度受压力的直接影响,又与压力共同对内部质量、表面轮廓清晰度等起重要作用。
3.2.1压射速度
压射速度又称冲头速度,它是压室内的呀射冲头堆动金属液的移动速度,也是压射冲头速度。
如下表:
表3.2压铸件平均壁厚与填充时间及内浇口的速度
压铸件平均壁厚/mm
填充时间/ms
内浇口速度/(m/s)
1
10~14
46~55
1.5
14~20
44~55
2
18~26
42~50
2.5
22~32
40~48
平均壁厚为2.5mm,取填充时间为30ms,内浇口速度为40m/s。
由以下公式:
{3—3}
式中:
u——压射速度
V——型腔容积
n——型腔数
d——压射冲头直径
t——填充时间
经计算的u=22cm/s
3.3温度
合金浇注温度是指金属自压室进入型腔的平均温度。
由于对压室内的金属液温度测量不方便,通常用保温炉内的金属液温度表示。
3.3.1合金浇注温度
合金浇注温度是指金属液自压室进入型腔的平均温度。
由于对压室内的金属液温度测量不方便,通常用保温炉内的金属液温度表示。
浇注温度高能提供金属液流动性和压铸件表面质量,但同时影响模具寿命。
各种压铸合金的浇注温度如下表所示:
表3.3各种压铸合金的浇注温度
合金
铸件厚度
3mm
铸件厚度
3mm
结构简单
结构复杂
结构简单
结构复杂
锌合金
含铝
420~440
430~450
410~430
420~440
含铜
520~540
530~550
510~530
520~540
铝合金
含硅
610~650
640~700
590~630
610~650
含铜
630~650
640~720
600~640
620~650
含镁
640~680
660~700
620~660
640~680
镁合金
640~680
660~700
630~660
640~680
铜合金
普通黄铜
870~920
900~950
850~900
870~920
硅黄铜
900~940
930~970
890~920
900~940
由图可知含硅的铝合金壁厚在3~6mm可取620℃。
3.3.2模具的温度
在压铸过程中,模具需要一定的温度,模具的温度是压铸工艺中又一重要的因素,它对提高生产效率和获得优质铸件有着重要的作用。
模具温度的选择,应根据铸件的形状大小和结构特点,合金的性质与浇注条件等各个方面的因素综合考虑。
推荐的模具的预热温度及工作温度如下表所示:
表3.4推荐的模具工作温度表
合金类型
模具预热温度(℃)
模具工作温度(℃)
锌合金
120~160
160~200
镁合金
150~180
180~250
铝合金
150~180
180~260
铜合金
200~250
250~300
取模具预热温度为150℃,工作温度为200℃。
3.4压铸机的选择
3.4.1压铸机的分类
压铸机通常按压室的手热条件的不同分为冷压室压铸机和热压室压铸机两大类。
冷压室压铸机又因为压室和模具放置的位置和方向不同分为卧式、立体式和全立式3种。
3.4.2压铸机的选用
1)卧式室压铸机的特点
冷室压铸机规格型号全面,对产品尺寸及合金种类的适应范围广,生产操作简便,生产效率高,可与自动化周边设备联机实现自动化生产,压射行程的分段控制、调节容易实现,对不同要求的压铸件工艺的满足性好。
2)热压铸机的特点
热室压铸机结构简单,操作方便,易于实现自动化生产;不需要浇铸程序,工序简单,生产效率高;热损失少,金属损耗少;金属液始终在密闭通道中,氧化夹杂物不易卷入,进入型腔的金属液干净,铸件质量好;压射比压小,压射过程中没有增压段;压室、冲头、鹅颈管、喷嘴等热作件寿命短,更换不方便。
3)立式压铸机的特点
立式压铸机的金属液压射过程中卷入气体少;方便于中心浇铸系统设置;维修与操作麻烦,生产过程中有切断和料饼推出程序,生产效率低;以中小型机为主,生产过程中用量较少;目前立式压铸机主要用于电机转子等特殊产品的压铸生产。
随着卧室冷室压铸机压射性能的不断提高,为提高生产效率,目前微电机转子已越来越多的采用卧式冷室压铸机生产。
3.5压铸机锁模力的计算
压铸时,为保证铸件尺寸精度和内部质量,并防止金属飞溅,必须锁紧模具分型面。
应按模具计算锁模力,选用压铸机。
计算公式如下:
Fs>Ffa)
=p∑A
p =4Fy/πD2y
=p∑A1tanα{4—1}
式中 :
Fs——需压铸机锁模力(N);
K——系数,一般取1~1.3,壁薄复杂件取大值;
——压铸时的反压力(N);
——有横抽芯时作用于滑块禊紧面上的法向反压力(见下图 (N);
p——压铸机压射比压(下表) (MPa);
∑A——铸件、浇注系统、余料、溢流槽在分型面上投影面积的总和(mm2);
Fy——压铸机压射力(N);
Dy——压室直径(mm);
∑A1——活动型芯成形端面投影面积总和(mm2);
表3.5常用压射比压 (MPa)
合金
铸件厚度
3mm
铸件厚度
3mm
结构简单
结构复杂
结构简单
结构复杂
锌合金
30
50
50
60
铝合金
25
50
45
80
镁合金
30
50
50
80
铜合金
50
70
80
110
经计算的Fs=1953.42KN
由下表可查:
表3.6压铸机的常见参数
压铸机的常见参数
选用J1125C型压铸机
3.5.1合模距离的校核
每台压铸机都有最小合模距离Hmin和最大开模距离Hmax两个尺寸,根据铸件形状、浇注系统和模具结构来核算是否满足取出铸件的要求,即压铸机的最大开模距离减去模具总厚度留有能取出铸件的距离。
压铸机和模后能严密的锁紧模具分型面,因此要求合模后模具的总厚度应大于压铸机的最小合模距离,一般约为20mm。
由下式:
{4—2}
式中:
Hmin——压铸机最小合模距离(mm);
——压铸机最大开模距离(mm);
L——压铸机动模座板的行程(mm);
——定模部分的厚度(mm);
——动模部分的厚度(mm);
——铸件推出距离(mm):
——铸件及浇道总高度(mm);
经计算合理
第4章压铸模的设计
4.1压铸模的基本结构
压铸模由定模和动模两部分组成。
定模固定在压铸机定模安装板上,定模上有形成直浇道的浇口套,浇口套与压铸机的喷嘴或压室相接;动模固定在压铸机动模安装板上,并随动模安装板作开合模移动。
合模时,动模与定模闭合构成型腔和浇注系统,金属液在高压下充满型腔。
开模时,动模与定模分开,借助设在动模上的推出机构将压铸件推出。
压铸模的结构组成较复杂,结构形式多种多样,图1.1所示模具为典型压铸模的结构组成,根据模具上各个零件所起的作用,压铸模分为以下几个部分:
图
4.1压铸模的结构组成
1——定模板;2——螺钉;3——锁紧块;4——斜滑块;5——螺钉;6——定模镶块;7——封水环;8——浇口套;9——动模型芯;10——分流锤;11——导柱;12——导套;13——垫块;14——推杆固定板;15——复位杆;16——推板;17——动模座板;18——定模镶块;19——止水环:
20——推杆;21——动模型芯;22——动模板;23、24、25——螺钉;26——滑块推拉杆;27——气缸
4.2分型面的选择
选择铸件的分型面涉及铸件的形状和技术要求、浇注系统和溢流系统的布置、铸造工艺条件、铸造模具的结构和制造成本、模具的热平衡等因素,这些因素难以兼顾,故应综合这些因素来考虑分型面的确定。
选择分型面应注意如下要点:
1)开模时保持铸件随动模移动方向脱出定模;
2)有利于浇注系统、溢流系统和排气系统的布置;
3)要求不影响铸件的尺寸精度;
4)简化模具结构;
5)避免铸造机承受临界负荷,并要考虑铸造合金的性能;
在选择铸件的分型面时要综合考虑以上要点,从而确定分型面。
另外,分型面有如下分类。
1)在单分型面类别中又分为直线型、倾斜型、折线型以及曲线型分型面。
2)在多分型面中又分为双分型面、三分型面以及组合分型面
根据以上选择分型面的方法,选择铝合金铸件的分型面如下图所示:
图4.2分型面示意图
上图所示的是铸件模具的分型面示意图。
图中黑色粗线代表了分型面,这种设计对本铸件来说比较合适。
上、下模具在分模时均不会影响铸件,且分型面在铸件断面轮廓较大的地方,属于直线型单分型面。
另外,分型面在上、下模内的深度也不深,有利于铝合金液体顺畅的进入型腔,这样设置模具结构简单。
4.3浇注系统
浇注系统的结构。
浇注系统主要由直浇道、横浇道、内浇口、和余料组成。
压铸机的不同,浇注系统就有所不同。
本课题选用下图浇注系统:
图4.3浇注系统结构
1——直浇道2——横浇道3——内浇口
1)口位置的确定
由于铸件的几何中心有通孔,所以采用中心浇口。
2)浇口设计
内浇口是浇注系统最终的一段,直接与型腔相通。
它的作用是使横浇道输送的低速金属液变为高速输入型腔中,并使之形成理想的流态而顺序地填充至型腔。
内浇口的位置、形状和大小可以决定金属液的流速、流向和流态,对铸件质量有直接关系。
薄的内浇口,金属液流速高,对填充薄壁和形状复杂零件有利,能获得外形清晰的铸件。
但过薄会使金属液呈喷雾状高速流入型腔,与空气混合在一起,金属液滴与型腔接触后很快地凝固,在铸件表面形成麻点和气泡,并由于冲刷型面,容易和型腔产生黏附现象;内浇口增厚,金属液流入速度相对降低,有利于排除型腔中的气体及传递静压力,使铸件结晶致密,表面粗糙度低。
但内浇口过厚会使流速过分降低,延长填充时间,金属液温度下降,使之与型腔接触表面形成硬皮,造成铸件轮廓不清晰,成型不良,并给切除浇注系统时增加困难。
内浇口的尺寸确定可由以下公式算的:
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- 摩托车 轮毂 设计 说明书
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