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第1章 緒論
1.1 壓鑄模具的概述
模具CAD/CAM作為一門多學科綜合性應用型新技術，是改造傳統模具生產的關鍵技術，是一項高科技高效益的系統工程，現在已經成為模具現代技術的核心和重要發(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、華中科技大學和UGS聯合開發(fā)的PDW等等。論文應用的是Pro/E以及其外掛軟件EMX進行模具設計，其優(yōu)點是EMX中含括了國際上許多知名的模具廠商的標準模架數據庫，如香港的龍記(KLM)、日本的FUTABA等等，種類眾多直觀性強，可直接調用，還可以進行開模模擬以及模具檢測，是一個綜合性很強的CAE軟件。
近年來，我國模具技術有了很大發(fā)展，模具設計與制造水平有了很大的提高，大型、復雜、高效和長壽命模具的需求量大幅度增加。模具質量明顯提高；模具交貨期縮短；模具CAD/CAM相當廣泛地得到應用。機械零部件中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；按凹模數目分類有單凹模和多凹模等等。
模具在現代化生產中的作用主要表現在以下3個方面：
（1） 在塑料、陶瓷、粉末冶金、鍛造和壓鑄等行業(yè)應用的非常廣泛；
（2） 模具采用壓力加工產品，因此廣泛應用于要求無切削的領域；
（3） 模具制造業(yè)同時也反映了一個國家的制造水平。
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備，一個完善的壓鑄模應具備如下特點：
(1)有自動化的澆鑄系統和分模系統。
(2)能夠承受相應壓鑄合金零件的應力。
(3)能承受較高的熱應力，即紅硬性要高。
(4)載荷均勻分布，機械效率高。
(5)結構簡單，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。根據液力偶合器的型號可知其最大直徑是575mm和高為165mm，所對應的模具應屬于大型壓鑄模，根據相關模具手冊查詢壓鑄模的基本結構如下圖1所示，接下來的任務就是計算確定模具各成形零件以及導向零件、支撐零件等的結構尺寸。
圖1 模具基本結構
第2章 模具的結構
2.1模具的組成及作用
壓鑄模具的結構如圖1所示，主要由以下幾種零件組成：
1）成型零件2）導向零件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入腔內凝固成所要求的形狀；
2）導向零件：主要指的是導柱和導套，是起到導向的作用的零件；
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凸模強度的作用；而墊塊在模具分模時的作用很大；
其它零件：只要指在模具中起到輔助作用的零部件。
第3章 壓鑄模具設計
3.1產品零件分析
3.1.1 壓鑄件材料分析
根據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，隨壁厚的增加強度降低程度低，不可熱處理強化，焊接性能好，切削性能好，加工性能、耐熱性能差成品應在變質處理下使用。應用范圍：適于鑄造形狀復雜，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壓鑄件結構分析
根據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13mm的螺紋孔外還有6根加強筋等等，內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了解模具制造及設備情況
3．2．1設備能力
盡量采用標準件以提高模具的制造效率和更換性。
3．2．2設備情況
壓鑄設備采用EMX中的FUABA系列模具，壓鑄機的選用原則：
1．壓鑄模與壓鑄機的對應關系：
1）壓鑄機應具有保證鑄件成型和達到致密性要求的壓射比壓；
2）壓鑄機應具有確保正常生產所需的鎖模力、開模力和推出力的能力；
3）壓鑄模的大小、厚度、開模距離等應與壓鑄機相適應，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、推出孔位置等均應與壓鑄機模板安裝孔相適應；
5）冷室壓鑄機壓室應能容納每次壓鑄所需的金屬容液；
根據鋁合金的綜合性能可確定應采用臥室冷室壓鑄機；模具在壓鑄生產前應進行充分的預熱，并在壓鑄過程中保持一定的溫度范圍，壓鑄生產中模具的溫度由加熱與冷卻系統進行控制和調節(jié)，其作用如下：
1）．使模具達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，提高鑄件內部質量；
2）．保證壓鑄合金填充時的流動性，具有良好的成型性和提高表面質量；
3）．穩(wěn)定鑄件尺寸精度，改善力學性能；
4）．提高壓鑄生產率；
5）．降低模具熱交變應力，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知如下關系式：
K（+）
式中：—壓鑄機有效的鎖模力（KN）；
K——安全系數，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、溢流排氣系統的面積的力（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計算；
3．確定比壓
根據[10]-表29.1-3選擇，液力偶合器殼體根據工作需要應當屬于耐氣密性件，故應選則p=80～120MPa。
4．計算脹型力
=
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%作為澆鑄系統與溢流排氣系統的面積（）
P——比壓（MPa）,取p=100MPa.
則=1.3=3375.74KN
=tan=0
A==3.14=0.26
根據==0.34和壓射比壓p=100MPa查[8]圖4-6-2知，取橫坐標0.34向上引垂線交縱坐標100MPa的水平線于一點，該點位置介于J1125和J1140兩種型號的壓鑄機之間，壓室直徑可取和mm.
按公式計算鎖型力，當K=1及法向反壓力=0時
==1000.34=3375.74KN，查J1125型壓鑄機鎖型力為2500KN，遠小于，故舍去；查J1140型壓鑄機鎖型力為4000KN，大于。查[3]-表4-21知J1140型壓鑄機的模具最大尺寸：長寬=760mm660mm,而零件的尺寸是575mm，J1140型壓鑄機根本無法滿足零件的要求需要重選之。根據[15]中查到外國的FUTABA的標準模架庫中有長寬=1000mm1000mm的，能滿足零件的需求，用之。所對應的壓鑄機型號為：BN-T_4000-1600/3200型。
3．3確定模具基本結構方案
3.3.1確定模型凹模數
根據壓鑄件的產量大小以及輪廓尺寸形狀及投影面積，壓鑄機的壓室容量，澆鑄系統設置和模具綜合成本等方面，可確定應為一模一腔。
3.3.2選用通用模架和通用模座
殼體的厚度為165mm，根據[3]-表4-46查得初步確定應用I型標準模架，其標準結構見圖3。
圖3 FUTABA的標準模架（1000mm1000mm）
3.3.3確定分型面、澆鑄系統和排溢系統
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雜。由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、澆鑄系統設計、塑件的結構工藝性及精度、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應綜合分析比較，從幾種方案中優(yōu)選出較為合理的方案。選擇分型面時一般應遵循以下幾項原則：
1) 分型面應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) 對側向抽芯的影響。
其中最重要的是第5）和第2）、第8）點。為了便于模具加工制造，應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
在壓鑄過程中，熔融合金在壓鑄機壓力作用下充填模具凹模的通道稱為澆鑄系統。澆鑄系統設置在定模一側，是由直澆道、橫澆道和內澆口三個部分組成，有如下幾點作用：
1）澆鑄系統主要是引導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，填充時間與熔融合金通過內澆口的速度起著主要的控制作用；
2）澆鑄系統是影響模具型腔填充狀態(tài)和鑄件內部及表面質量的主要因素；
3）澆鑄系統的合理與否，直接影響模具的壽命及生產效率。
澆鑄系統的設計要點如下：
1）設計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）合理地選擇澆道結構尺寸和形狀，必要時對內澆口及橫澆道其尺寸要留有設計余地，待試模時修整定型；
3）澆口的進口處不應使金屬有正面沖擊和發(fā)生逆流現象；
4）澆口應使金屬均勻地流入型腔，內外澆口連接處截面變化應均勻過渡；
5）外澆口截面積應大于或等于內澆口截面積；
6）對于薄壁及形狀復雜的零件，應使內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?，但應留余量，待試模修整后定，根據上述設計要求及零件的形狀查[8]-表5-3-1確定選擇中心澆口。
（1）直澆道的設計：
直澆道的設計要點：
1）直澆道直徑即澆口套直徑根據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，應選擇合理的配合精度和配合間隙，同時壓室內徑與澆口套內徑應有一定同軸度要求；
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孔處15～25mm范圍內做出1°30`～2°的出模斜度；
5）與直澆道相接的橫澆道一般設置在澆口套上方，防止金屬液在壓射前留進型腔；
6）壓室和澆口套內孔表面粗糙度不大于0.4μm；
7）澆口套結構形式查[8]-表5-3-8，見圖5。
直流道小端入口處與注射機噴嘴反復接觸，屬易損件，對材料要求較嚴，因而模具主流道部分常設計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)質鋼材單獨進行加工和熱處理。唧咀都是標準件，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。由于注射機的噴嘴半徑為15，所以唧咀的為R15。
圖5 澆口套結構形式
主流道襯套的固定：因為采用的有托唧咀，所以用定位圈配合固定在模具的面板上，采用止轉螺釘定位。
（2）橫澆道和內澆口的設計：
1）橫澆道是金屬液從直澆道留入內澆口的通道，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構特點有關，一般以扁梯形為主。橫澆道的設計原則如下：
①橫澆道截面積應相等，不宜突然收縮和擴張，以減少金屬流動阻力，達到均衡流速；
②應選擇梯形截面，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臥室冷壓室壓鑄機用模具其橫澆道必須設計在直澆道上方，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。
2）內澆口是指金屬液進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。內澆口的位置設計在壓鑄模設計中占有非常重要的地位。其設計原則：
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生氣孔；
②從內澆口導入的合金，應先填充型腔遠端難以排氣的部位，再流向分型面以利于排氣；
③內澆口的位置應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鑄件精度及表面質量要求較高的部位，不宜設置內澆口，鑄件的螺紋位置也不宜設置外澆口；
⑤薄壁復雜件易采用較薄的內澆口。
根據以上要求和零件的復雜程度，選擇[3]-表4-30中第一種。再查[8]-表5-3-19及表5-3-20查內澆口壁厚經驗數值，如下圖6所示。
圖6 內澆口及橫澆道連接圖
（3）溢流槽的設計：
溢流槽的作用：
1）存儲帶有雜質和冷污的金屬，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可起到調節(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，溢流槽處常作為引出氣體的起始點；
5）作為鑄件存放，運輸及加工時的支承、吊掛、裝卡或定位的附加部分。
溢流槽的設計要點主要表現在以下幾方面：
1）金屬液在橫澆道內或進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）內澆口兩側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）排氣槽的設計：
在壓鑄過程中，為了使空氣便于排除，確保鑄件成型，必須設計排氣槽。排氣槽的位置選擇原則上與溢流槽相同，在分型面上設置的排氣槽的形狀和尺寸參考書[12]-圖3-97進行設計，查得鋁合金的排氣槽的參數如下表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
當排氣槽離開型腔20～30mm的距離后，寬度和深度可適當增加。另外，推桿和復位桿與凸模之間的間隙也可作為排氣系統。
3抽心機構的確定
由于零件外表面不存在側凸、側凹或側孔等特征，故不需要抽心機構。
4模架與成型零件的分析
模架設計的要點：
1）磨架應有足夠的剛性，在承受壓鑄機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，并減輕壓鑄機負荷；
3）凹模的反壓力中心應盡可能接近壓鑄機合模力的中心，以防壓鑄機受力不均造成鎖模不嚴；
4）模架在壓鑄機上的安裝位置應與壓鑄機規(guī)格或通用模座規(guī)格一致；
5）為了便于模架的調運和安裝，在動定模上應有吊環(huán)螺釘；
6）鑲塊到模架邊緣的模面上需留有足夠的部位，以便設置導柱、導套、銷釘、緊固螺釘的位置；
7）連接模板的緊固螺釘和定位銷釘的直徑和數量，應根據受力大小取，位置分布均勻；
8）模具的總厚度必須大于所選用壓鑄機的最小合模間距；
9）根據前面的設計和計算，已經確定應用EMX中的FUTABA標準模架，其結構見圖3。
（1）加熱與冷卻系統的設計：
1）加熱系統的設計：
加熱模具的熱源有煤氣、電熱、感應及紅外線等。用煤氣加熱的結構簡單。查[10]-表29.4-6可以確定鋁合金模具的預熱溫度為180～300。
2）冷卻系統的設計：
模具的冷卻：要想提高壓鑄模生產效率以及壓鑄件的質量和致密性，在很大程度上取決于模溫的調節(jié)。對于大中型或厚壁鑄件和大批量生產中，在連續(xù)操作時，為了保證鑄件優(yōu)質高產，可在模具內設置水冷卻裝置，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冷和水冷兩種，其特點如下：
（1）風冷的特點：
①風冷法的風力來自鼓風機和壓縮空氣；
②模具內部不需設置冷卻裝置；
③能將模具余料吹勻，并加速驅散涂料所揮發(fā)的氣體，減少鑄件氣孔；
④冷卻速度慢，生產效率低，用于要求散熱量較小的模具。
（2）水冷的特點：
①在模具內增設冷卻水道，使循環(huán)水通入成型鑲塊或凸模內。因此，增加了模具結構的復雜程度；
②冷卻速度比風冷要快，生產效率高，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，所以冷卻方法應采用水冷比較合理，由于水冷使模具結構變得復雜，現將水冷的設計方法簡述如下：
①冷卻水道要求布置在型腔內溫度最高、熱量比較集中的區(qū)域，流路要暢通，無堵塞現象；
②模具鑲拼結構上有冷卻水通過時，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水管接頭盡可能設置在模具下面或操作者的對面一側，其外徑尺寸應統一，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，每個凸模的冷卻通道的進出口采用多通道結構，以縮短水道的連接距離，便于控制每個凸模的溫度；
②單個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，冷卻水道不應布置在正對內澆口的下方，否則加速內澆口處的金屬液的凝固參見[21]-圖4-5-15a,其位置應加以修整參見[21]-圖4-5-15b；
3.3.4成型零件的設計
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。當零件的尺寸較小時一般用整體式，而大中型零件大都采用鑲拼式結構。鑲拼式結構的優(yōu)點是互換性好。鑲拼結構的設計要點如下：
1） 便于機械加工，以達到成型部位的尺寸精度和組合部位的配合精度；
2） 保證鑲塊及凸模強度和提高相對位置的穩(wěn)定性；
3） 不應產生銳邊和薄壁；
4） 鑲拼間隙方向與出模方向應該一致；
5） 有利于熱處理；
6） 便于維修和調換；
7） 不妨礙鑄件外觀，有利于飛邊去除；
根據以上原則參考零件的結構形式最終采用圖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，現在計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 —制品標注公差（mm）；
Δ`—凹模標注公差（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；經過計算得出L`=577.6 ，H`=165.6，而凹模嵌件的的壁厚根據經驗數據應為45mm,查[3]-表4-34知，零件外出模斜度，內出模斜度。
3.3.5定模套板的設計
定模套板的作用是固定凹模的模板，查[3]-表4-38知下列設計公式：
1 )套板高度 H=
式中h—鑄件的高度（mm）；
c—系數，一般取0.5～0.7
H==275mm
2 )內框尺寸
式中—鑄件外輪廓尺寸；
e—常數，一般取20～50mm；
mm
3)套板外形尺寸：t按下式計算：
式中—套板?？蚝穸龋╟m）；
H—套板高度（cm）；
[σ]—材料的許用強度（×）；
—套板側面受到的總壓力（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側面承受的總壓力（N）；
=
=99.743mm，取t=100mm，單側加100 mm，則定模套板的總寬度為575+200=775 mm，
動模套板的設計方法同上，查[21]-表4-5-6確定之。
3.3.6支撐板的設計計算
支撐板是動模套板下面的板料，其作用是固定和加強，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??；
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） 當座板上的墊塊設置在支撐板長邊兩端時，則支撐板厚度取大值，反之取??；
4） 當采用不通套板時，套板底部厚度應為支撐板的0.8倍。
支撐板的加強形式，當墊塊間距大或支撐板厚度小時，可借助推板導柱或采用支柱，以增強對支撐板的支撐作用。支撐板的厚度按下式計算：
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計
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，推板的導柱直徑是φ40mm，推板螺釘是8 M16。
3.3.8導向零件的設計
導向零件的作用是引導動模按一定的方向移動，保證動、定模在安裝和合模時的準確對合，防止凹模、凸模錯位。最常用的導向零件是導柱和導套。
導柱和導套的設計要點：
1） 導柱和導套應具有足夠的剛度，保證動、定模在安裝合模時的準確位置；
2） 導柱要高出凸模的高度，以避免凸模在模具合模、搬運時受損；
3） 為了便于取出壓鑄件，導柱一般設置在定模上；
4） 模具采用卸料板卸料時，導柱設置在動模上，以便于卸料板在導柱上滑動進行卸料；
5） 臥室壓鑄機采用中心澆口的模具，導柱設置在動模上。
導柱的尺寸按下式計算：
① 導柱的直徑d：
式中d—導柱導滑段直徑（mm）；
k—比例系數，一般取0.7～0.9，當A>2.5×10 mm時，k=0.07；當A<0.4×10 mm時，k=0.09；其余取0.08；
A—模具分型面上的表面積（mm）；
=40.7 mm
根據需要取d=71 mm。
② 導滑段長度：
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計算，即=120mm，
③ 導柱固定端的直徑：
（6～10）mm
則有：= 71+8=79 mm，取=80 mm。
④ 導柱固定段長度：
=1.5×71=106.5 mm
⑤ 導柱臺階直徑：
（6～8）mm=87 mm
⑥ 導柱臺階厚度：
mm，取10mm；
⑦ 引導段長度：
mm，取10mm。
導柱的結構見圖9：
圖9 導柱的結構及尺寸參數
導套的主要尺寸：
① 導套的內孔直徑D：
與選用的導柱導滑段直徑d相同，即D=71mm；
② 導套內孔直徑：
mm；
③ 導套外徑：
mm；
④ 導套臺階外徑：
=88mm；
⑤ 導滑段長度：
mm；
式中—比例系數， ，其中當d小時，取大值；
⑥導套總長度：為裝配導套的模板厚度減去3～5 mm，=195 mm；
導套的結構參見圖10：
圖10 導套結構及參數
導柱導套一般都布置在模座板的四個角上，保持導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錯位，可將其中一根導柱取不等分分布。在導柱導套配合時常常需要導滑，導滑的形式是在導柱的導滑段開兩到三個半徑為3的導油槽。查[21]知，導柱導套的中心線與模板之間的距離。
3.3.9頂桿的設計計算
頂桿也叫推出桿，是開模后將零件推出的裝置，根據鑄件被推出時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。推桿的尺寸計算公式查[21]-式4-7-1知，
1） 推桿截面計算公式：
式中—推桿前端截面積（mm）；
—推桿承受的總推力（N）；
—推桿數量；
—鑄件的許用應力，(MPa)同鋁合金取=50 MPa；
≈1963.50 mm
而有：
則知： ≈25mm
根據以上計算和查[10]-表29.6-8的推桿形狀如下圖11所示：
注：圖中l(wèi)的長度根據需要確定
圖11 推桿結構形狀
3.3.10水線的設計
查[10]-表29.4-8知如下經驗值：
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，此時壓力大約為20～120MPa，保壓時間5～20s，每次壓射時間間隔大約為20～75s，凹模表面受到高溫高速的鋁液的沖刷，產生較大應力。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因素，即是否發(fā)生黏膜和凹模表面是否出現龜裂。
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；足夠的強度、塑性及耐熱性能；良好的導熱性；低的熱脹系數；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，但因含鎢量高導熱性下降，容易在模具凹模表面中出現冷熱疲勞裂紋。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。這與壓鑄機的結構、性能（如壓射力、壓射速度、建壓和增壓時間、液壓沖擊波等）和正常工作狀態(tài)、模具結構的合理程度、壓鑄工藝參數的選用、合金熔煉的質量以及壓鑄操作方面的多種因素有關。
要消除壓鑄見的種種缺陷，必須首先識別缺陷，并分析壓鑄件產生缺陷的原因，然后才能迅速而準確地采取有效的措施。檢驗前，應了解壓鑄件的用途和技術要求，以便正確的檢查鑄件的表面或內部質量。
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、鑄件結構不良、有熱節(jié)、壁厚結構不均、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、改進結構、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、延長持壓時間和留模時間；
4）夾雜：特征是鑄件表面或內部形狀不規(guī)則的，內有雜物的孔穴，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、注意壓鑄模清理、石墨做涂料時必須拌均并純凈；
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、改進澆口設計；
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 經濟性分析
模具的經濟性一直都是行業(yè)追求的目標，也是模具行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，經濟性主要表現在以下幾點：
1）從選材方面：選擇通用的材料可以降低耗材的成本；
2）從設計方面：選擇軟件化設計這樣可以縮減模具的設計周期，軟件的設計還可以進行開模模擬、模具的各項參數分析，從所得到的參數中很容易的看出模具設計的是否合理，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、行腔都會出現復雜的曲面，所以現在許多的模具廠都采用數控機床來加工模具，它可以降低工人師傅的勞動強度、節(jié)省加工時間等等；
論文采用了Pro/E軟件進行模具的數字化設計，這樣可以在設計的同時還可以將每個零件進行應力分析，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；另外從模具的設計方面，由于此液力偶合器所生產的廠家用的是低壓澆鑄，它可能出現的問題是沒澆鑄時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：論文應用了通用的鑲塊式模架，它的特點是加工方便，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間和加工費用。
數字化設計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。
結論
壓鑄模具的設計的重點是材料的選擇，機械加工工藝和熱處理工藝，它屬于機械制造和金屬材料之間的交叉學科，也正是因為這樣，它對模具設計人員的綜合素質要求很高，本文的獨特之處在于本文利用了現代化軟件這個工具，并結合所掌握的理論知識進行模具設計的各種工作，如：零件3D CAD模型的建立、收縮率設置后的零件模型、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準模架的調用等等。利用現代化的軟件進行設計的優(yōu)點很多，最為重要的就是它可以大大減少設計人員的勞動強度和減少了產品的研發(fā)周期、提高了生產效率。
雖然設計參考了二十余本資料，但由于設計者的水平有限加之設計時間倉促，所在設計時難免會出現一些問題，懇請各位老師給予批評指正。
致謝
在設計過程中，得到了許多老師的熱心指導，特別是我的指導老師宋勝偉老師，給我提供了實習的場所并且給我提供了許多資料，在他的關心和指導下，我順利完成了畢業(yè)設計，在此表示忠心的感謝。
尊敬的各位老師：
我是黑龍江科技學院機械工程學院02級機械設計制造及其自動化專業(yè)的學生劉成柱，臨近畢業(yè)，我非常感謝這大學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)前的論文設計中，我體會到了扎實的專業(yè)基礎是做好設計的前提，縝密的思維和精確的數據更是設計成功的關鍵。通過畢業(yè)前為期幾個月的畢業(yè)設計，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。
感謝在這次設計中院里各領導為我們提供了很多的方便。
感謝我的導師宋勝偉教授在這次設計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間對我進行悉心指導，本次設計任務比較艱巨。正是有了你們的幫助，才使我的畢業(yè)設計得以順利完成，謝謝你們！
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基于Pro/E平臺上的雙圓弧齒輪的參數化設計
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，以實現對雙圓弧齒輪的參數化設計，為對雙圓弧齒輪的進一步研究打下基礎。
關鍵字：雙圓弧齒輪 Pro/E 參數化設計 Pro/Toolkit Visual C++
引言：參數化設計是指通過改變圖形中的一部分或幾部分的尺寸參數，自動的完成對零件圖形相關部分的改動，從而實現對圖形的驅動。參數化設計有以下幾則好處：1）節(jié)省不必要的花費，繪圖人員只需調入零件庫后輸入參數即可應用；2）可以無數次的修改參數來滿足不同規(guī)格的零件裝配等的需求，降低勞動強度，提高工作效率。
基于Pro/E的參數化設計可以通過以下三個途徑完成：1）利用插件設計即Pro/Toolkit和Visual C++共同完成的的編制，其優(yōu)點是零件參數化可以實現真正的模塊化，但由于所需的專業(yè)知識特別強，設計人員必須具備機械專業(yè)的知識和CAX，而且對面向對象化的編程（Visual C++）也必須熟練掌握，這給機械行業(yè)人員帶來巨大困難，所以插件設計只適合于專業(yè)開發(fā)Pro/E等軟件外掛的人員應用；2）基于家族表（Family Table）平臺上的參數化設計，其優(yōu)點是以表格的形式出現，操作簡單，使用方便，但設計的通用性低，使用零件標準變化不大的場合；3）基于Pro/E界面上的Program平臺上的參數化設計，他的優(yōu)點以上優(yōu)點兼而有之，只需簡單的編程語句，如：賦值語句和條件語句就可以，初學者只要懂以上兩種語句的應用即可。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實現對雙圓弧齒輪的參數化設計的，在此基礎上可以建立零件的3D CAD模型，為雙圓弧齒輪的傳動、仿真、優(yōu)化設計、應力應變分析打下基礎。
1． 確定繪制雙圓弧齒輪的基本參數
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方程段表示（方程各參數參見參考文獻[1]）：
式中個參數：
——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
——凸齒接觸點齒厚
——凸齒連接點高
——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：坐標系為圖1所示）
2． 確定雙圓弧齒輪齒廓實體及參數
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和半徑，根據上面四個式子求得結果如下表：
表1 各圓弧的參數列表
區(qū)段
圓心橫坐標
圓心縱坐標
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齒的形成
以拉伸的方式繪制一個圓，單擊工具/編程，輸入相應的關系式：
在INPUT和END INPUT 中間輸入以知參數表達式，如：
TOOTH_NUMBER NUMBER=20
“輸入齒數Z：”
模數（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之間輸入關系式與條件語句（條件語句的作用是確定在不同的模數范圍內所使用的不同關系式），如：當模數在3到6之間時輸入下列條件句：
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，保存后關閉記事本。
表1中完成了四個圓的繪制，再于以（0, HA）、（0.5πm,HA）、（0.5πm,- HF）、（0,-HF）為頂點的矩形進行布爾運算，就得到了雙圓弧齒輪右半個齒廓，如圖1所示。再以鏡像方式得到了一個完整的齒廓。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
再將上面的個數據利用鼠標右鍵的屬性改稱如下的格式：
d70=ha d61=ea d56=ρa d55=rj d75=hja d74=la d58=0.5*m*pi d59=rgf d71=hf d16=lf d18=ρf等等
將其旋轉一個螺旋角度后，在投影到原來的面上，保存為*2.sec文檔后關閉窗口。在繪制圓柱，如圖3所示，比在關系史中插入如下關系式：
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”，在瀑布式菜單中一次選“平行”“規(guī)則截面”“光滑”“完成”，單擊圓柱的一個側面，確定，在第一個截面草繪中單擊“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，在旋轉中輸入0，再用鼠標將其拖至參考曲線上，單際確定，然后畫第二和第三個，方法是：比例都是1，但第二個旋轉負7.5度，第三個旋轉負15度，單擊確定按鈕，完成混合。在出現的對話框中輸入36.22和36.22完成。如圖4所示：
在關系中插入如下關系：
d658=d0/2
d622=d0/2
d656= spiral_angle/2
d657= spiral_angle
然后關閉關系對話框。
圖3 參數化齒輪圓柱的繪制
圖4 一個齒廓的成型
這是一個齒形的參數等式（等式左側的參數各個計算機的顯示不同只需輸入相應參數即可）。
4． 再利用陣列命令將其以圓周方向陣列20個，如圖5。然后進行相應的切槽工作，在切材料時需要如下關系式：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． 參數驅動
參數化設計的基本手段就是有程序驅動和參數驅動，程序驅動是通過幾何模型的特點確定主參數和尺寸關系，從而使只要輸入幾何參數就可生成所需的模型。尺寸驅動主要完成用戶編程或交互式輸入，從而生成的模型。
6． 參數化設計的框圖
利用Pro/E的Program生成的雙圓弧齒輪的基本步驟如下：1）根據輸入的法面模數m確定齒輪各參數值，并賦予相應的參數；2）根據表1和矩形坐標對圓弧進行布爾運算；3）進行鏡像計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． 結束語
參數化設計的最大優(yōu)點是給工程技術人員帶來極大的方便，是未來CAD技術的發(fā)展趨勢。建立3D CAD模型，這對模型進行有限元分析（FEA）及優(yōu)化設計、運動仿真和應力應變的分析等一系列后期工作打下基礎，而且在快速原型技術（RPM）等現代制造技術中發(fā)揮著巨大作用。
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