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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(xué)科綜合性應(yīng)用型新技術(shù)，是改造傳統(tǒng)模具生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，是一項(xiàng)高科技高效益的系統(tǒng)工程，現(xiàn)在已經(jīng)成為模具現(xiàn)代技術(shù)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(xué)和UGS聯(lián)合開發(fā)的PDW等等。論文應(yīng)用的是Pro/E以及其外掛軟件EMX進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是EMX中含括了國際上許多知名的模具廠商的標(biāo)準(zhǔn)模架數(shù)據(jù)庫，如香港的龍記(KLM)、日本的FUTABA等等，種類眾多直觀性強(qiáng)，可直接調(diào)用，還可以進(jìn)行開模模擬以及模具檢測，是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的CAE軟件。
近年來，我國模具技術(shù)有了很大發(fā)展，模具設(shè)計(jì)與制造水平有了很大的提高，大型、復(fù)雜、高效和長壽命模具的需求量大幅度增加。模具質(zhì)量明顯提高；模具交貨期縮短；模具CAD/CAM相當(dāng)廣泛地得到應(yīng)用。機(jī)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(shù)目分類有單凹模和多凹模等等。
模具在現(xiàn)代化生產(chǎn)中的作用主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：
（1） 在塑料、陶瓷、粉末冶金、鍛造和壓鑄等行業(yè)應(yīng)用的非常廣泛；
（2） 模具采用壓力加工產(chǎn)品，因此廣泛應(yīng)用于要求無切削的領(lǐng)域；
（3） 模具制造業(yè)同時(shí)也反映了一個(gè)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(jù)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(jìn)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(shè)備，一個(gè)完善的壓鑄模應(yīng)具備如下特點(diǎn)：
(1)有自動化的澆鑄系統(tǒng)和分模系統(tǒng)。
(2)能夠承受相應(yīng)壓鑄合金零件的應(yīng)力。
(3)能承受較高的熱應(yīng)力，即紅硬性要高。
(4)載荷均勻分布，機(jī)械效率高。
(5)結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jù)液力偶合器的型號可知其最大直徑是575mm和高為165mm，所對應(yīng)的模具應(yīng)屬于大型壓鑄模，根據(jù)相關(guān)模具手冊查詢壓鑄模的基本結(jié)構(gòu)如下圖1所示，接下來的任務(wù)就是計(jì)算確定模具各成形零件以及導(dǎo)向零件、支撐零件等的結(jié)構(gòu)尺寸。
圖1 模具基本結(jié)構(gòu)
第2章 模具的結(jié)構(gòu)
2.1模具的組成及作用
壓鑄模具的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由以下幾種零件組成：
1）成型零件2）導(dǎo)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(jù)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(jìn)入腔內(nèi)凝固成所要求的形狀；
2）導(dǎo)向零件：主要指的是導(dǎo)柱和導(dǎo)套，是起到導(dǎo)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(guān)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(qiáng)凸模強(qiáng)度的作用；而墊塊在模具分模時(shí)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(shè)計(jì)
3.1產(chǎn)品零件分析
3.1.1 壓鑄件材料分析
根據(jù)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(shù)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(zhì)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(qiáng)度降低程度低，不可熱處理強(qiáng)化，焊接性能好，切削性能好，加工性能、耐熱性能差成品應(yīng)在變質(zhì)處理下使用。應(yīng)用范圍：適于鑄造形狀復(fù)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(jī)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(jié)構(gòu)分析
根據(jù)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(gè)13mm的螺紋孔外還有6根加強(qiáng)筋等等，內(nèi)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(jù)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(diǎn)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(shè)備情況
3．2．1設(shè)備能力
盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件以提高模具的制造效率和更換性。
3．2．2設(shè)備情況
壓鑄設(shè)備采用EMX中的FUABA系列模具，壓鑄機(jī)的選用原則：
1．壓鑄模與壓鑄機(jī)的對應(yīng)關(guān)系：
1）壓鑄機(jī)應(yīng)具有保證鑄件成型和達(dá)到致密性要求的壓射比壓；
2）壓鑄機(jī)應(yīng)具有確保正常生產(chǎn)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(yīng)與壓鑄機(jī)相適應(yīng)，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(yīng)與壓鑄機(jī)模板安裝孔相適應(yīng)；
5）冷室壓鑄機(jī)壓室應(yīng)能容納每次壓鑄所需的金屬容液；
根據(jù)鋁合金的綜合性能可確定應(yīng)采用臥室冷室壓鑄機(jī)；模具在壓鑄生產(chǎn)前應(yīng)進(jìn)行充分的預(yù)熱，并在壓鑄過程中保持一定的溫度范圍，壓鑄生產(chǎn)中模具的溫度由加熱與冷卻系統(tǒng)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，其作用如下：
1）．使模具達(dá)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(nèi)部質(zhì)量；
2）．保證壓鑄合金填充時(shí)的流動性，具有良好的成型性和提高表面質(zhì)量；
3）．穩(wěn)定鑄件尺寸精度，改善力學(xué)性能；
4）．提高壓鑄生產(chǎn)率；
5）．降低模具熱交變應(yīng)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(guān)系式：
K（+）
式中：—壓鑄機(jī)有效的鎖模力（KN）；
K——安全系數(shù)，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(tǒng)、溢流排氣系統(tǒng)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(jì)算；
3．確定比壓
根據(jù)[10]-表29.1-3選擇，液力偶合器殼體根據(jù)工作需要應(yīng)當(dāng)屬于耐氣密性件，故應(yīng)選則p=80～120MPa。
4．計(jì)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(tǒng)與溢流排氣系統(tǒng)的面積（）
P——比壓（MPa）,取p=100MPa.
則=1.3=3375.74KN
=tan=0
A==3.14=0.26
根據(jù)==0.34和壓射比壓p=100MPa查[8]圖4-6-2知，取橫坐標(biāo)0.34向上引垂線交縱坐標(biāo)100MPa的水平線于一點(diǎn)，該點(diǎn)位置介于J1125和J1140兩種型號的壓鑄機(jī)之間，壓室直徑可取和mm.
按公式計(jì)算鎖型力，當(dāng)K=1及法向反壓力=0時(shí)
==1000.34=3375.74KN，查J1125型壓鑄機(jī)鎖型力為2500KN，遠(yuǎn)小于，故舍去；查J1140型壓鑄機(jī)鎖型力為4000KN，大于。查[3]-表4-21知J1140型壓鑄機(jī)的模具最大尺寸：長寬=760mm660mm,而零件的尺寸是575mm，J1140型壓鑄機(jī)根本無法滿足零件的要求需要重選之。根據(jù)[15]中查到外國的FUTABA的標(biāo)準(zhǔn)模架庫中有長寬=1000mm1000mm的，能滿足零件的需求，用之。所對應(yīng)的壓鑄機(jī)型號為：BN-T_4000-1600/3200型。
3．3確定模具基本結(jié)構(gòu)方案
3.3.1確定模型凹模數(shù)
根據(jù)壓鑄件的產(chǎn)量大小以及輪廓尺寸形狀及投影面積，壓鑄機(jī)的壓室容量，澆鑄系統(tǒng)設(shè)置和模具綜合成本等方面，可確定應(yīng)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(jù)[3]-表4-46查得初步確定應(yīng)用I型標(biāo)準(zhǔn)模架，其標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)見圖3。
圖3 FUTABA的標(biāo)準(zhǔn)模架（1000mm1000mm）
3.3.3確定分型面、澆鑄系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)
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(fù)雜。由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、澆鑄系統(tǒng)設(shè)計(jì)、塑件的結(jié)構(gòu)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(shí)應(yīng)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(shí)一般應(yīng)遵循以下幾項(xiàng)原則：
1) 分型面應(yīng)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(shí)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(zhì)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(cè)向抽芯的影響。
其中最重要的是第5）和第2）、第8）點(diǎn)。為了便于模具加工制造，應(yīng)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(gè)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(tǒng)
在壓鑄過程中，熔融合金在壓鑄機(jī)壓力作用下充填模具凹模的通道稱為澆鑄系統(tǒng)。澆鑄系統(tǒng)設(shè)置在定模一側(cè)，是由直澆道、橫澆道和內(nèi)澆口三個(gè)部分組成，有如下幾點(diǎn)作用：
1）澆鑄系統(tǒng)主要是引導(dǎo)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(shí)間與熔融合金通過內(nèi)澆口的速度起著主要的控制作用；
2）澆鑄系統(tǒng)是影響模具型腔填充狀態(tài)和鑄件內(nèi)部及表面質(zhì)量的主要因素；
3）澆鑄系統(tǒng)的合理與否，直接影響模具的壽命及生產(chǎn)效率。
澆鑄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：
1）設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)尺寸和形狀，必要時(shí)對內(nèi)澆口及橫澆道其尺寸要留有設(shè)計(jì)余地，待試模時(shí)修整定型；
3）澆口的進(jìn)口處不應(yīng)使金屬有正面沖擊和發(fā)生逆流現(xiàn)象；
4）澆口應(yīng)使金屬均勻地流入型腔，內(nèi)外澆口連接處截面變化應(yīng)均勻過渡；
5）外澆口截面積應(yīng)大于或等于內(nèi)澆口截面積；
6）對于薄壁及形狀復(fù)雜的零件，應(yīng)使內(nèi)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?yīng)留余量，待試模修整后定，根據(jù)上述設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)：
直澆道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：
1）直澆道直徑即澆口套直徑根據(jù)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(shí)，應(yīng)選擇合理的配合精度和配合間隙，同時(shí)壓室內(nèi)徑與澆口套內(nèi)徑應(yīng)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(nèi)孔處15～25mm范圍內(nèi)做出1°30`～2°的出模斜度；
5）與直澆道相接的橫澆道一般設(shè)置在澆口套上方，防止金屬液在壓射前留進(jìn)型腔；
6）壓室和澆口套內(nèi)孔表面粗糙度不大于0.4μm；
7）澆口套結(jié)構(gòu)形式查[8]-表5-3-8，見圖5。
直流道小端入口處與注射機(jī)噴嘴反復(fù)接觸，屬易損件，對材料要求較嚴(yán)，因而模具主流道部分常設(shè)計(jì)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(zhì)鋼材單獨(dú)進(jìn)行加工和熱處理。唧咀都是標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的噴嘴半徑為15，所以唧咀的為R15。
圖5 澆口套結(jié)構(gòu)形式
主流道襯套的固定：因?yàn)椴捎玫挠型羞缶?，所以用定位圈配合固定在模具的面板上，采用止轉(zhuǎn)螺釘定位。
（2）橫澆道和內(nèi)澆口的設(shè)計(jì)：
1）橫澆道是金屬液從直澆道留入內(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)，一般以扁梯形為主。橫澆道的設(shè)計(jì)原則如下：
①橫澆道截面積應(yīng)相等，不宜突然收縮和擴(kuò)張，以減少金屬流動阻力，達(dá)到均衡流速；
②應(yīng)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(yīng)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(jī)用模具其橫澆道必須設(shè)計(jì)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(shù)。
2）內(nèi)澆口是指金屬液進(jìn)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(diào)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(nèi)澆口的位置設(shè)計(jì)在壓鑄模設(shè)計(jì)中占有非常重要的地位。其設(shè)計(jì)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(chǎn)生氣孔；
②從內(nèi)澆口導(dǎo)入的合金，應(yīng)先填充型腔遠(yuǎn)端難以排氣的部位，再流向分型面以利于排氣；
③內(nèi)澆口的位置應(yīng)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(zhì)量要求較高的部位，不宜設(shè)置內(nèi)澆口，鑄件的螺紋位置也不宜設(shè)置外澆口；
⑤薄壁復(fù)雜件易采用較薄的內(nèi)澆口。
根據(jù)以上要求和零件的復(fù)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(nèi)澆口壁厚經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，如下圖6所示。
圖6 內(nèi)澆口及橫澆道連接圖
（3）溢流槽的設(shè)計(jì)：
溢流槽的作用：
1）存儲帶有雜質(zhì)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(shí)可起到調(diào)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(shí)，溢流槽處常作為引出氣體的起始點(diǎn)；
5）作為鑄件存放，運(yùn)輸及加工時(shí)的支承、吊掛、裝卡或定位的附加部分。
溢流槽的設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾方面：
1）金屬液在橫澆道內(nèi)或進(jìn)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(chǎn)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(nèi)澆口兩側(cè)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(chǎn)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(chǎn)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(gè)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(shè)計(jì)：
在壓鑄過程中，為了使空氣便于排除，確保鑄件成型，必須設(shè)計(jì)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(shè)置的排氣槽的形狀和尺寸參考書[12]-圖3-97進(jìn)行設(shè)計(jì)，查得鋁合金的排氣槽的參數(shù)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(dāng)排氣槽離開型腔20～30mm的距離后，寬度和深度可適當(dāng)增加。另外，推桿和復(fù)位桿與凸模之間的間隙也可作為排氣系統(tǒng)。
3抽心機(jī)構(gòu)的確定
由于零件外表面不存在側(cè)凸、側(cè)凹或側(cè)孔等特征，故不需要抽心機(jī)構(gòu)。
4模架與成型零件的分析
模架設(shè)計(jì)的要點(diǎn)：
1）磨架應(yīng)有足夠的剛性，在承受壓鑄機(jī)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(yùn)，并減輕壓鑄機(jī)負(fù)荷；
3）凹模的反壓力中心應(yīng)盡可能接近壓鑄機(jī)合模力的中心，以防壓鑄機(jī)受力不均造成鎖模不嚴(yán)；
4）模架在壓鑄機(jī)上的安裝位置應(yīng)與壓鑄機(jī)規(guī)格或通用模座規(guī)格一致；
5）為了便于模架的調(diào)運(yùn)和安裝，在動定模上應(yīng)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(shè)置導(dǎo)柱、導(dǎo)套、銷釘、緊固螺釘?shù)奈恢茫?
7）連接模板的緊固螺釘和定位銷釘?shù)闹睆胶蛿?shù)量，應(yīng)根據(jù)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(jī)的最小合模間距；
9）根據(jù)前面的設(shè)計(jì)和計(jì)算，已經(jīng)確定應(yīng)用EMX中的FUTABA標(biāo)準(zhǔn)模架，其結(jié)構(gòu)見圖3。
（1）加熱與冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：
1）加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：
加熱模具的熱源有煤氣、電熱、感應(yīng)及紅外線等。用煤氣加熱的結(jié)構(gòu)簡單。查[10]-表29.4-6可以確定鋁合金模具的預(yù)熱溫度為180～300。
2）冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：
模具的冷卻：要想提高壓鑄模生產(chǎn)效率以及壓鑄件的質(zhì)量和致密性，在很大程度上取決于模溫的調(diào)節(jié)。對于大中型或厚壁鑄件和大批量生產(chǎn)中，在連續(xù)操作時(shí)，為了保證鑄件優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，可在模具內(nèi)設(shè)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(fēng)冷和水冷兩種，其特點(diǎn)如下：
（1）風(fēng)冷的特點(diǎn)：
①風(fēng)冷法的風(fēng)力來自鼓風(fēng)機(jī)和壓縮空氣；
②模具內(nèi)部不需設(shè)置冷卻裝置；
③能將模具余料吹勻，并加速驅(qū)散涂料所揮發(fā)的氣體，減少鑄件氣孔；
④冷卻速度慢，生產(chǎn)效率低，用于要求散熱量較小的模具。
（2）水冷的特點(diǎn)：
①在模具內(nèi)增設(shè)冷卻水道，使循環(huán)水通入成型鑲塊或凸模內(nèi)。因此，增加了模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度；
②冷卻速度比風(fēng)冷要快，生產(chǎn)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(nèi)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(yīng)采用水冷比較合理，由于水冷使模具結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，現(xiàn)將水冷的設(shè)計(jì)方法簡述如下：
①冷卻水道要求布置在型腔內(nèi)溫度最高、熱量比較集中的區(qū)域，流路要暢通，無堵塞現(xiàn)象；
②模具鑲拼結(jié)構(gòu)上有冷卻水通過時(shí)，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(nèi)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(shè)置在模具下面或操作者的對面一側(cè)，其外徑尺寸應(yīng)統(tǒng)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(gè)凸模的冷卻通道的進(jìn)出口采用多通道結(jié)構(gòu)，以縮短水道的連接距離，便于控制每個(gè)凸模的溫度；
②單個(gè)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(nèi)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(yīng)布置在正對內(nèi)澆口的下方，否則加速內(nèi)澆口處的金屬液的凝固參見[21]-圖4-5-15a,其位置應(yīng)加以修整參見[21]-圖4-5-15b；
3.3.4成型零件的設(shè)計(jì)
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(dāng)零件的尺寸較小時(shí)一般用整體式，而大中型零件大都采用鑲拼式結(jié)構(gòu)。鑲拼式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是互換性好。鑲拼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：
1） 便于機(jī)械加工，以達(dá)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(qiáng)度和提高相對位置的穩(wěn)定性；
3） 不應(yīng)產(chǎn)生銳邊和薄壁；
4） 鑲拼間隙方向與出模方向應(yīng)該一致；
5） 有利于熱處理；
6） 便于維修和調(diào)換；
7） 不妨礙鑄件外觀，有利于飛邊去除；
根據(jù)以上原則參考零件的結(jié)構(gòu)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(xiàn)在計(jì)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(jì)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(biāo)注公差（mm）；
Δ`—凹模標(biāo)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(jīng)過計(jì)算得出L`=577.6 ，H`=165.6，而凹模嵌件的的壁厚根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)為45mm,查[3]-表4-34知，零件外出模斜度，內(nèi)出模斜度。
3.3.5定模套板的設(shè)計(jì)
定模套板的作用是固定凹模的模板，查[3]-表4-38知下列設(shè)計(jì)公式：
1 )套板高度 H=
式中h—鑄件的高度（mm）；
c—系數(shù)，一般取0.5～0.7
H==275mm
2 )內(nèi)框尺寸
式中—鑄件外輪廓尺寸；
e—常數(shù)，一般取20～50mm；
mm
3)套板外形尺寸：t按下式計(jì)算：
式中—套板?？蚝穸龋╟m）；
H—套板高度（cm）；
[σ]—材料的許用強(qiáng)度（×）；
—套板側(cè)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(cè)面承受的總壓力（N）；
=
=99.743mm，取t=100mm，單側(cè)加100 mm，則定模套板的總寬度為575+200=775 mm，
動模套板的設(shè)計(jì)方法同上，查[21]-表4-5-6確定之。
3.3.6支撐板的設(shè)計(jì)計(jì)算
支撐板是動模套板下面的板料，其作用是固定和加強(qiáng)，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，反之取小；
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(dāng)座板上的墊塊設(shè)置在支撐板長邊兩端時(shí)，則支撐板厚度取大值，反之取??；
4） 當(dāng)采用不通套板時(shí)，套板底部厚度應(yīng)為支撐板的0.8倍。
支撐板的加強(qiáng)形式，當(dāng)墊塊間距大或支撐板厚度小時(shí)，可借助推板導(dǎo)柱或采用支柱，以增強(qiáng)對支撐板的支撐作用。支撐板的厚度按下式計(jì)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(qiáng)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(shè)計(jì)
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(dǎo)柱直徑是φ40mm，推板螺釘是8 M16。
3.3.8導(dǎo)向零件的設(shè)計(jì)
導(dǎo)向零件的作用是引導(dǎo)動模按一定的方向移動，保證動、定模在安裝和合模時(shí)的準(zhǔn)確對合，防止凹模、凸模錯(cuò)位。最常用的導(dǎo)向零件是導(dǎo)柱和導(dǎo)套。
導(dǎo)柱和導(dǎo)套的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：
1） 導(dǎo)柱和導(dǎo)套應(yīng)具有足夠的剛度，保證動、定模在安裝合模時(shí)的準(zhǔn)確位置；
2） 導(dǎo)柱要高出凸模的高度，以避免凸模在模具合模、搬運(yùn)時(shí)受損；
3） 為了便于取出壓鑄件，導(dǎo)柱一般設(shè)置在定模上；
4） 模具采用卸料板卸料時(shí)，導(dǎo)柱設(shè)置在動模上，以便于卸料板在導(dǎo)柱上滑動進(jìn)行卸料；
5） 臥室壓鑄機(jī)采用中心澆口的模具，導(dǎo)柱設(shè)置在動模上。
導(dǎo)柱的尺寸按下式計(jì)算：
① 導(dǎo)柱的直徑d：
式中d—導(dǎo)柱導(dǎo)滑段直徑（mm）；
k—比例系數(shù)，一般取0.7～0.9，當(dāng)A>2.5×10 mm時(shí)，k=0.07；當(dāng)A<0.4×10 mm時(shí)，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(jù)需要取d=71 mm。
② 導(dǎo)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(jì)算，即=120mm，
③ 導(dǎo)柱固定端的直徑：
（6～10）mm
則有：= 71+8=79 mm，取=80 mm。
④ 導(dǎo)柱固定段長度：
=1.5×71=106.5 mm
⑤ 導(dǎo)柱臺階直徑：
（6～8）mm=87 mm
⑥ 導(dǎo)柱臺階厚度：
mm，取10mm；
⑦ 引導(dǎo)段長度：
mm，取10mm。
導(dǎo)柱的結(jié)構(gòu)見圖9：
圖9 導(dǎo)柱的結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)
導(dǎo)套的主要尺寸：
① 導(dǎo)套的內(nèi)孔直徑D：
與選用的導(dǎo)柱導(dǎo)滑段直徑d相同，即D=71mm；
② 導(dǎo)套內(nèi)孔直徑：
mm；
③ 導(dǎo)套外徑：
mm；
④ 導(dǎo)套臺階外徑：
=88mm；
⑤ 導(dǎo)滑段長度：
mm；
式中—比例系數(shù)， ，其中當(dāng)d小時(shí)，取大值；
⑥導(dǎo)套總長度：為裝配導(dǎo)套的模板厚度減去3～5 mm，=195 mm；
導(dǎo)套的結(jié)構(gòu)參見圖10：
圖10 導(dǎo)套結(jié)構(gòu)及參數(shù)
導(dǎo)柱導(dǎo)套一般都布置在模座板的四個(gè)角上，保持導(dǎo)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(shí)錯(cuò)位，可將其中一根導(dǎo)柱取不等分分布。在導(dǎo)柱導(dǎo)套配合時(shí)常常需要導(dǎo)滑，導(dǎo)滑的形式是在導(dǎo)柱的導(dǎo)滑段開兩到三個(gè)半徑為3的導(dǎo)油槽。查[21]知，導(dǎo)柱導(dǎo)套的中心線與模板之間的距離。
3.3.9頂桿的設(shè)計(jì)計(jì)算
頂桿也叫推出桿，是開模后將零件推出的裝置，根據(jù)鑄件被推出時(shí)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(jì)算公式查[21]-式4-7-1知，
1） 推桿截面計(jì)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(shù)量；
—鑄件的許用應(yīng)力，(MPa)同鋁合金取=50 MPa；
≈1963.50 mm
而有：
則知： ≈25mm
根據(jù)以上計(jì)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(jù)需要確定
圖11 推桿結(jié)構(gòu)形狀
3.3.10水線的設(shè)計(jì)
查[10]-表29.4-8知如下經(jīng)驗(yàn)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(shí)壓力大約為20～120MPa，保壓時(shí)間5～20s，每次壓射時(shí)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(chǎn)生較大應(yīng)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(gè)因素，即是否發(fā)生黏膜和凹模表面是否出現(xiàn)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(qiáng)度、塑性及耐熱性能；良好的導(dǎo)熱性；低的熱脹系數(shù)；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(dǎo)熱性下降，容易在模具凹模表面中出現(xiàn)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(jī)的結(jié)構(gòu)、性能（如壓射力、壓射速度、建壓和增壓時(shí)間、液壓沖擊波等）和正常工作狀態(tài)、模具結(jié)構(gòu)的合理程度、壓鑄工藝參數(shù)的選用、合金熔煉的質(zhì)量以及壓鑄操作方面的多種因素有關(guān)。
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(chǎn)生缺陷的原因，然后才能迅速而準(zhǔn)確地采取有效的措施。檢驗(yàn)前，應(yīng)了解壓鑄件的用途和技術(shù)要求，以便正確的檢查鑄件的表面或內(nèi)部質(zhì)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(dāng)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(jié)構(gòu)不良、有熱節(jié)、壁厚結(jié)構(gòu)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(jìn)結(jié)構(gòu)、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(tǒng)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(tǒng)、延長持壓時(shí)間和留模時(shí)間；
4）夾雜：特征是鑄件表面或內(nèi)部形狀不規(guī)則的，內(nèi)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(shí)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(nèi)、注意壓鑄模清理、石墨做涂料時(shí)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(jìn)澆口設(shè)計(jì)；
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(jīng)濟(jì)性分析
模具的經(jīng)濟(jì)性一直都是行業(yè)追求的目標(biāo)，也是模具行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，經(jīng)濟(jì)性主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：
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(shè)計(jì)方面：選擇軟件化設(shè)計(jì)這樣可以縮減模具的設(shè)計(jì)周期，軟件的設(shè)計(jì)還可以進(jìn)行開模模擬、模具的各項(xiàng)參數(shù)分析，從所得到的參數(shù)中很容易的看出模具設(shè)計(jì)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(gè)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(xiàn)復(fù)雜的曲面，所以現(xiàn)在許多的模具廠都采用數(shù)控機(jī)床來加工模具，它可以降低工人師傅的勞動強(qiáng)度、節(jié)省加工時(shí)間等等；
論文采用了Pro/E軟件進(jìn)行模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)，這樣可以在設(shè)計(jì)的同時(shí)還可以將每個(gè)零件進(jìn)行應(yīng)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(shè)計(jì)方面，由于此液力偶合器所生產(chǎn)的廠家用的是低壓澆鑄，它可能出現(xiàn)的問題是沒澆鑄時(shí)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(yīng)用了通用的鑲塊式模架，它的特點(diǎn)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(shí)間和加工費(fèi)用。
數(shù)字化設(shè)計(jì)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(jié)論
壓鑄模具的設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是材料的選擇，機(jī)械加工工藝和熱處理工藝，它屬于機(jī)械制造和金屬材料之間的交叉學(xué)科，也正是因?yàn)檫@樣，它對模具設(shè)計(jì)人員的綜合素質(zhì)要求很高，本文的獨(dú)特之處在于本文利用了現(xiàn)代化軟件這個(gè)工具，并結(jié)合所掌握的理論知識進(jìn)行模具設(shè)計(jì)的各種工作，如：零件3D CAD模型的建立、收縮率設(shè)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(biāo)準(zhǔn)模架的調(diào)用等等。利用現(xiàn)代化的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)很多，最為重要的就是它可以大大減少設(shè)計(jì)人員的勞動強(qiáng)度和減少了產(chǎn)品的研發(fā)周期、提高了生產(chǎn)效率。
雖然設(shè)計(jì)參考了二十余本資料，但由于設(shè)計(jì)者的水平有限加之設(shè)計(jì)時(shí)間倉促，所在設(shè)計(jì)時(shí)難免會出現(xiàn)一些問題，懇請各位老師給予批評指正。
致謝
在設(shè)計(jì)過程中，得到了許多老師的熱心指導(dǎo)，特別是我的指導(dǎo)老師宋勝偉老師，給我提供了實(shí)習(xí)的場所并且給我提供了許多資料，在他的關(guān)心和指導(dǎo)下，我順利完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)，在此表示忠心的感謝。
尊敬的各位老師：
我是黑龍江科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院02級機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)的學(xué)生劉成柱，臨近畢業(yè)，我非常感謝這大學(xué)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(xué)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(shè)計(jì)中，我體會到了扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)是做好設(shè)計(jì)的前提，縝密的思維和精確的數(shù)據(jù)更是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。通過畢業(yè)前為期幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)中院里各領(lǐng)導(dǎo)為我們提供了很多的方便。
感謝我的導(dǎo)師宋勝偉教授在這次設(shè)計(jì)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(shí)間對我進(jìn)行悉心指導(dǎo)，本次設(shè)計(jì)任務(wù)比較艱巨。正是有了你們的幫助，才使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shù)化設(shè)計(jì)
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(diǎn)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(shí)現(xiàn)對雙圓弧齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)，為對雙圓弧齒輪的進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)。
關(guān)鍵字：雙圓弧齒輪 Pro/E 參數(shù)化設(shè)計(jì) Pro/Toolkit Visual C++
引言：參數(shù)化設(shè)計(jì)是指通過改變圖形中的一部分或幾部分的尺寸參數(shù)，自動的完成對零件圖形相關(guān)部分的改動，從而實(shí)現(xiàn)對圖形的驅(qū)動。參數(shù)化設(shè)計(jì)有以下幾則好處：1）節(jié)省不必要的花費(fèi)，繪圖人員只需調(diào)入零件庫后輸入?yún)?shù)即可應(yīng)用；2）可以無數(shù)次的修改參數(shù)來滿足不同規(guī)格的零件裝配等的需求，降低勞動強(qiáng)度，提高工作效率。
基于Pro/E的參數(shù)化設(shè)計(jì)可以通過以下三個(gè)途徑完成：1）利用插件設(shè)計(jì)即Pro/Toolkit和Visual C++共同完成的的編制，其優(yōu)點(diǎn)是零件參數(shù)化可以實(shí)現(xiàn)真正的模塊化，但由于所需的專業(yè)知識特別強(qiáng)，設(shè)計(jì)人員必須具備機(jī)械專業(yè)的知識和CAX，而且對面向?qū)ο蠡木幊蹋╒isual C++）也必須熟練掌握，這給機(jī)械行業(yè)人員帶來巨大困難，所以插件設(shè)計(jì)只適合于專業(yè)開發(fā)Pro/E等軟件外掛的人員應(yīng)用；2）基于家族表（Family Table）平臺上的參數(shù)化設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是以表格的形式出現(xiàn)，操作簡單，使用方便，但設(shè)計(jì)的通用性低，使用零件標(biāo)準(zhǔn)變化不大的場合；3）基于Pro/E界面上的Program平臺上的參數(shù)化設(shè)計(jì)，他的優(yōu)點(diǎn)以上優(yōu)點(diǎn)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(xué)者只要懂以上兩種語句的應(yīng)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(shí)現(xiàn)對雙圓弧齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)的，在此基礎(chǔ)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(shè)計(jì)、應(yīng)力應(yīng)變分析打下基礎(chǔ)。
1． 確定繪制雙圓弧齒輪的基本參數(shù)
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(gè)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(gè)方程段表示（方程各參數(shù)參見參考文獻(xiàn)[1]）：
式中個(gè)參數(shù)：
——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(diǎn)齒厚
——凸齒連接點(diǎn)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(biāo)系為圖1所示）
2． 確定雙圓弧齒輪齒廓實(shí)體及參數(shù)
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(biāo)和半徑，根據(jù)上面四個(gè)式子求得結(jié)果如下表：
表1 各圓弧的參數(shù)列表
區(qū)段
圓心橫坐標(biāo)
圓心縱坐標(biāo)
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(gè)齒的形成
以拉伸的方式繪制一個(gè)圓，單擊工具/編程，輸入相應(yīng)的關(guān)系式：
在INPUT和END INPUT 中間輸入以知參數(shù)表達(dá)式，如：
TOOTH_NUMBER NUMBER=20
“輸入齒數(shù)Z：”
模數(shù)（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(guān)系式與條件語句（條件語句的作用是確定在不同的模數(shù)范圍內(nèi)所使用的不同關(guān)系式），如：當(dāng)模數(shù)在3到6之間時(shí)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(guān)閉記事本。
表1中完成了四個(gè)圓的繪制，再于以（0, HA）、（0.5πm,HA）、（0.5πm,- HF）、（0,-HF）為頂點(diǎn)的矩形進(jìn)行布爾運(yùn)算，就得到了雙圓弧齒輪右半個(gè)齒廓，如圖1所示。再以鏡像方式得到了一個(gè)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(shù)
再將上面的個(gè)數(shù)據(jù)利用鼠標(biāo)右鍵的屬性改稱如下的格式：
d70=ha d61=ea d56=ρa(bǔ) 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(zhuǎn)一個(gè)螺旋角度后，在投影到原來的面上，保存為*2.sec文檔后關(guān)閉窗口。在繪制圓柱，如圖3所示，比在關(guān)系史中插入如下關(guān)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(xiàng)”，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(gè)側(cè)面，確定，在第一個(gè)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(zhuǎn)中輸入0，再用鼠標(biāo)將其拖至參考曲線上，單際確定，然后畫第二和第三個(gè)，方法是：比例都是1，但第二個(gè)旋轉(zhuǎn)負(fù)7.5度，第三個(gè)旋轉(zhuǎn)負(fù)15度，單擊確定按鈕，完成混合。在出現(xiàn)的對話框中輸入36.22和36.22完成。如圖4所示：
在關(guān)系中插入如下關(guān)系：
d658=d0/2
d622=d0/2
d656= spiral_angle/2
d657= spiral_angle
然后關(guān)閉關(guān)系對話框。
圖3 參數(shù)化齒輪圓柱的繪制
圖4 一個(gè)齒廓的成型
這是一個(gè)齒形的參數(shù)等式（等式左側(cè)的參數(shù)各個(gè)計(jì)算機(jī)的顯示不同只需輸入相應(yīng)參數(shù)即可）。
4． 再利用陣列命令將其以圓周方向陣列20個(gè)，如圖5。然后進(jìn)行相應(yīng)的切槽工作，在切材料時(shí)需要如下關(guān)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(shù)驅(qū)動
參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本手段就是有程序驅(qū)動和參數(shù)驅(qū)動，程序驅(qū)動是通過幾何模型的特點(diǎn)確定主參數(shù)和尺寸關(guān)系，從而使只要輸入幾何參數(shù)就可生成所需的模型。尺寸驅(qū)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(shù)化設(shè)計(jì)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(jù)輸入的法面模數(shù)m確定齒輪各參數(shù)值，并賦予相應(yīng)的參數(shù)；2）根據(jù)表1和矩形坐標(biāo)對圓弧進(jìn)行布爾運(yùn)算；3）進(jìn)行鏡像計(jì)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(jié)束語
參數(shù)化設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是給工程技術(shù)人員帶來極大的方便，是未來CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢。建立3D CAD模型，這對模型進(jìn)行有限元分析（FEA）及優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)動仿真和應(yīng)力應(yīng)變的分析等一系列后期工作打下基礎(chǔ)，而且在快速原型技術(shù)（RPM）等現(xiàn)代制造技術(shù)中發(fā)揮著巨大作用。
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