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學(xué)士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明
本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含法律意義上已屬于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他學(xué)位申請(qǐng)的論文或成果。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。
作者簽名： 日期：
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作者簽名： 日期：
導(dǎo)師簽名： 日期：
附錄
摩托車后輪轂實(shí)體圖
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題目 摩托車后輪輪轂?zāi)＞咴O(shè)計(jì)
專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 078105329
學(xué) 生 姓 名 吳昊
指 導(dǎo) 教 師 羅海泉
填 表 日 期 2011 年 3 月 18 日
說 明
開題報(bào)告應(yīng)結(jié)合自己課題而作，一般包括：課題依據(jù)及課題的意義、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）、研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度、參考文獻(xiàn)等內(nèi)容。以下填寫內(nèi)容各專業(yè)可根據(jù)具體情況適當(dāng)修改。但每個(gè)專業(yè)填寫內(nèi)容應(yīng)保持一致。
1、 選題的依據(jù)及意義：
輪轂是摩托車上極為重要的行駛部件與安全部件，是摩托車與地面之間的傳力元件，起著承載、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)等作用。輪轂應(yīng)具有良好的綜合力學(xué)性能，在正常行駛過程中不應(yīng)發(fā)生變形和疲勞失效，并能在意外沖擊中充分吸收能量，以保證駕乘者安全。因此，如何以先進(jìn)的鑄造工藝來高效率、低成本的生產(chǎn)出高質(zhì)量的輪轂就成為了一個(gè)至關(guān)重要的問題。而在鑄造工藝中，鑄造輪轂的模具是更為關(guān)鍵的。模具成為輪轂的關(guān)鍵工藝裝備，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化也是輪轂生產(chǎn)的重中之重。
同時(shí)，摩托車輪轂是一個(gè)旋轉(zhuǎn)薄殼結(jié)構(gòu)零件，它的上面開有孔洞，附有加強(qiáng)筋，形狀復(fù)雜。若使用一般的普通加工，則難以加工出相應(yīng)的輪轂零件。即使加工出來了輪轂零件，也必定很難達(dá)到零件的要求。所以，應(yīng)采用數(shù)控加工方式才能保證其幾何形狀和使用要求。數(shù)控程序的編制就成為加工合格零件的前提。
在鑄造輪轂過程中，應(yīng)選擇何種鑄造方法，如何設(shè)計(jì)模具，以及如何避免鑄造缺陷，這些問題都成為了研究的主要對(duì)象。這些問題解決的好與壞直接關(guān)系到輪轂的質(zhì)量，所以，選擇這個(gè)題目進(jìn)行設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。
二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）：
早期輪轂均為鋼板沖壓加工成型的鋼輪轂，隨著制造技術(shù)的進(jìn)步及摩托車輕量化的逐漸發(fā)展，鋼輪轂逐漸被鋁合金輪轂所代替。目前的市場上鑄造鋁合金輪轂占據(jù)著主導(dǎo)地位。隨著摩托車輕量化和節(jié)能環(huán)保要求的逐步提高，現(xiàn)已有鑄造和鍛壓成型的鎂合金輪轂面世。
雖然目前已經(jīng)有鎂合金輪轂應(yīng)用于摩托車，但主要局限與賽車上，它不像鋁合金輪轂?zāi)菢舆M(jìn)行大批量生產(chǎn)，其原因主要是由于鎂與氧氣有極大的親和力，在液態(tài)下鎂可以劇烈氧化和燃燒，在熔煉和整個(gè)鑄造過程中必須在保護(hù)性氣體覆蓋下進(jìn)行，否則會(huì)燃燒引起事故。另外，鎂合金還極易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。所以，目前在摩托車輪轂鑄造方面廣泛采用的還是鋁合金材料。
我國與國外先進(jìn)車輪制造水平相比還有不小的差距。主要表現(xiàn)在鑄造設(shè)備、模具制造、澆注工藝、熔煉和材料等方面。
目前，國內(nèi)外生產(chǎn)輪轂的主要鑄造成型方法有金屬型重力鑄造、低壓鑄造、壓力鑄造和擠壓鑄造。其中，低壓鑄造是摩托車車輪生產(chǎn)的最佳方法之一，具有金屬液純凈、充型平穩(wěn)不易卷氣、組織致密、金屬液利用率高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。國內(nèi)外廣泛采用這種鑄造成型工藝生產(chǎn)摩托車輪轂。低壓鑄造最早由英國人E.F.LAKE于1910年提出并申請(qǐng)專利。其目的是解決重力鑄造中澆注系統(tǒng)充型和補(bǔ)縮的矛盾。
低壓鑄造真正被推廣應(yīng)用是在“二戰(zhàn)”以后，當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)低壓鑄造可解決厚大斷面鋁合金鑄件的壁厚效應(yīng)，即克服因壁厚增加力學(xué)性能急劇下降的缺點(diǎn)。1950年以后由于汽車工業(yè)的發(fā)展，使低壓鑄造工藝和設(shè)備有了一個(gè)新的飛躍。汽車輪轂由于質(zhì)量要求高，本身結(jié)構(gòu)又適于低壓鑄造，而且需求量大，因此極大地推動(dòng)了低壓鑄造技術(shù)的發(fā)展。英國在60年代率先發(fā)展低壓鑄造汽車輪轂，其后美國、日本、西德相繼發(fā)展了此項(xiàng)技術(shù)。我國在60年代開始對(duì)低壓鑄造進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，并逐漸用于生產(chǎn)。目前主要用于生產(chǎn)鋁、鎂合金鑄件，如氣缸體、氣缸蓋及活塞等形狀復(fù)雜、要求高的鑄件。有的單位還成功的用于鑄造壓氣機(jī)鋁合金活塞，其重量達(dá)200kg，平均壁厚40mm。此外，低壓鑄造用于鑄造重達(dá)30T銅合金船用螺旋槳和大型球墨鑄鐵曲軸。
由于低壓鑄造鑄件內(nèi)沒有氣泡，因而可以用熱處理方法大幅度提高鑄件材質(zhì)的力學(xué)性能，這一基本特點(diǎn)在未來的低壓鑄造設(shè)備中將得到充分保證和發(fā)展。另外，為了使低壓鑄件在更大壓力下得到補(bǔ)縮和凝固，低壓鑄造已向差壓鑄造方向發(fā)展。這種差壓鑄造工藝目前已有采用，但工藝裝備復(fù)雜，自動(dòng)化程度低。尚需進(jìn)一步簡化工藝裝備和提高自動(dòng)化程度。
日本等國已將低壓鑄造裝置發(fā)展成為通惰性保護(hù)氣體和采用電腦控制溫度、時(shí)間、鍋壓、氣壓的自動(dòng)化鑄造設(shè)備。這種新的鑄造方法被成為1LP法，是一種可以通氬氣等惰性氣體的低壓鑄造機(jī)。其工作過程是：先在密閉的空氣中熔化鋁合金，然后抽真空，對(duì)合金液進(jìn)行減壓脫氣精煉處理，以提高合金液的清靜度。接著用氬氣等惰性氣體注入坩鍋和鑄型罩內(nèi)，然后再向坩鍋內(nèi)增加氬氣壓力，使合金液沿升液管上行，進(jìn)入并充滿鑄型型腔保壓一段時(shí)間，待鑄件凝固、卸壓。同樣澆口內(nèi)未凝固的合金液沿升液管反向流入坩鍋內(nèi)。
另外，鑄造生產(chǎn)工藝流程長，工藝過程復(fù)雜，影響鑄件質(zhì)量的因素多。長期以來鑄造工藝多是靠人的經(jīng)驗(yàn)、習(xí)慣進(jìn)行，難以做到最佳工藝設(shè)計(jì)，也無法準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)地分析、預(yù)示和控制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的推廣應(yīng)用，鑄造行業(yè)也引進(jìn)了這一有效的信息處理手段。
鑄造工藝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)在鑄造行業(yè)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，即以鑄造凝固過程模擬為重點(diǎn)的鑄造工藝CAD、以鑄造模具設(shè)計(jì)為重點(diǎn)的鑄造工裝CAD和以鑄造設(shè)備的設(shè)計(jì)制造為重點(diǎn)的鑄造機(jī)械工程CAD。
3、 研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案：
一、研究內(nèi)容
設(shè)計(jì)原始資料: 1．摩托車后輪轂零件圖；
2．技術(shù)參數(shù) 車輪規(guī)格：MT2.5×10 ；
材料牌號(hào)：ZL101A；
設(shè)計(jì)技術(shù)要求： 1．生產(chǎn)綱領(lǐng)：250000件/年。
2. 要求外文資料翻譯忠實(shí)原文；
3. 要求設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)合理、滿足加工要求；
4. 要求圖紙?jiān)O(shè)計(jì)規(guī)范，符合制圖標(biāo)準(zhǔn)；
5. 要求畢業(yè)論文敘述條理清楚，設(shè)計(jì)計(jì)算正確，論文格式規(guī)范
本課題主要研究的是利用低壓鑄造成型方法來鑄造鋁合金輪轂，設(shè)計(jì)其相應(yīng)的鑄造模具，并對(duì)鑄造后輪轂的主要型面進(jìn)行處理。
論文的主要內(nèi)容有：
1．零件鑄造工藝分析；
2．零件毛坯方案選??；
3. 繪制輪轂平面和立體圖
4．設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)；
5．繪制模具裝配圖；
6．繪制上模及邊模模具圖；
7. 邊模的加工工藝設(shè)計(jì)
二、實(shí)驗(yàn)方案
本課題的主要研究內(nèi)容為設(shè)計(jì)摩托車后輪轂的模具。摩托車的輪轂屬于復(fù)雜零件，存在壁厚較薄的地方但由于零件的對(duì)稱度較好，所以使用低壓鑄造。相比較其它鑄造方式或低壓鑄造其它模具形式而言，其模具總體結(jié)構(gòu)沒有非常復(fù)雜的地方。
在輪轂的制造過程中，鑄件毛坯質(zhì)量對(duì)于鋁合金輪轂的整體質(zhì)量有著很大的影響。毛坯鑄造的好壞，直接影響輪轂的加工和其使用性能。而鑄件毛坯的質(zhì)量又取決于合金的選擇、模具質(zhì)量、熔煉工藝、合金變質(zhì)和熱處理等一系列工藝控制過程。在這其中，模具又是成型輪轂的關(guān)鍵工藝裝備，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化是輪轂生產(chǎn)的工藝關(guān)鍵
圖3-2所示的是輪轂低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)圖
這種低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)也是一種典型的模具結(jié)構(gòu)，是一種適用于常規(guī)機(jī)臺(tái)的低壓鑄造模具，它按系統(tǒng)也分為澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、頂出系統(tǒng)和成型系統(tǒng)，按模塊功能又可分為結(jié)構(gòu)件、成型件、標(biāo)準(zhǔn)件。成型件是參與制品成型的零件及部件，結(jié)構(gòu)件則為除成型件外的組成一副完整型腔模具的部分，它包含導(dǎo)向部分、頂出部分和模具固定連接部分。而在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中則將原成型件分解為成型鑲件和成型標(biāo)準(zhǔn)件。成型鑲件由圖3-2中上模鑲塊6、上模芯8、分流錐7、下模塊3及澆口套4等組成。
圖3-2 輪轂低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)
1. 下模板 2. 陶瓷澆口套 3. 下模塊 4. 澆口套 5. 側(cè)模 6. 上模鑲塊
7.分流錐 8. 上模芯 9. 模芯壓板 10. 上模體 11. 三角導(dǎo)向塊
12. 上模固定塊 13.推桿固定板 14. 推板 15.上模板
另外，該模具的側(cè)模為四開模，有三角導(dǎo)向塊，澆注系統(tǒng)采用陶瓷澆口套，使它的硬度大為提高。根據(jù)零件的復(fù)雜程度，加裝了模芯和模芯壓板。冷卻系統(tǒng)為風(fēng)冷，而對(duì)于不同的生產(chǎn)廠家及設(shè)備而言，另有導(dǎo)柱卡裝式模具結(jié)構(gòu)，冷卻系統(tǒng)也有循環(huán)水冷卻系統(tǒng)或風(fēng)、水共用系統(tǒng)
4、 目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度
1. 主要目標(biāo)
能夠解決一個(gè)零件在加工中的定位、夾緊以及工藝路線安排、工藝尺寸確定等問題，保證零件的加工質(zhì)量。同時(shí)能根據(jù)被加工零件的加工要求，應(yīng)用夾具設(shè)計(jì)的基本原理和方法，學(xué)會(huì)擬定夾具設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)出高效、經(jīng)濟(jì)合理而能保證加工質(zhì)量的夾具，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力。在工藝設(shè)計(jì)的過程中熟悉并應(yīng)用有關(guān)手冊(cè)、圖表等技術(shù)資料的能力以及進(jìn)一步培養(yǎng)識(shí)圖、制圖、編寫技術(shù)文件等基本技能。
2. 主要特色
1． 能較熟練應(yīng)用UG軟件及AutoCAD軟件
2． 有助于提升機(jī)械加工工藝規(guī)程和夾具設(shè)計(jì)能力
3． 與實(shí)際聯(lián)系緊密為今后走上崗位打下良好基礎(chǔ)
3. 工作進(jìn)度
1．繪制零件圖，收集、查閱有關(guān)資料，外文資料翻譯(6000字符)，撰寫開題報(bào) 告； 第1周-第4周
2． 零件鑄造工藝分析，選取零件毛坯方案；設(shè)計(jì)輪轂毛坯圖；
第5周-第6周
3． 計(jì)算確定模具主要零件相關(guān)參數(shù)，確定模具結(jié)構(gòu)；
第7周-第9周
4． 設(shè)計(jì)模具裝配圖，拆繪主要零件圖；
第10周-第13周
5. 撰寫畢業(yè)論文、畢業(yè)設(shè)計(jì)審查、畢業(yè)答辯。
第14周-第17周
五、參考文獻(xiàn)
[1]．董秀琦. 低壓及差壓鑄造理論領(lǐng)與實(shí)踐. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.1
[2]．鑄造工程師手冊(cè)編寫組.鑄造工程師手冊(cè). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1997.12
[3]．陳琦，彭兆弟主編.鑄造技術(shù)問題對(duì)策. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.3
[4]．曹瑜強(qiáng). 鑄造工藝及設(shè)備. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.10
[5]．何燦東. 汽車鋁合金車輪低壓鑄造模具的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì). 模具工業(yè)，2000年第10期
[6]．潘曉濤等. 汽車鋁合金輪轂的低壓鑄造模具設(shè)計(jì). 機(jī)電工程技術(shù)，2005年第34卷第9期
[7]. Wilson, F.W.Die design handbook McGraw. 1990.6
8
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目： 摩托車后輪輪轂?zāi)＞咴O(shè)計(jì)
系 別 航空與機(jī)械工程系
專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班級(jí)學(xué)號(hào) 078105329
學(xué)生姓名 吳 昊
指導(dǎo)教師 羅 海 泉
二O一一 年 五 月
目 錄
1 緒論
1.1 摩托車車輪發(fā)展概況………………………………………………………… 1
1.2 鋁合金輪轂成形方法的選擇與對(duì)比………………………………………… 2
1.3 鋁合金輪轂鑄造方法的選擇和對(duì)比………………………………………… 3
1.4 國內(nèi)外低壓鑄造發(fā)展概況…………………………………………………… 4
2 低壓鑄造基本知識(shí)
2.1 低壓鑄造原理………………………………………………………………… 5
2.2 低壓鑄造工藝流程…………………………………………………………… 6
2.3 低壓鑄造的特點(diǎn)……………………………………………………………… 7
2.4 低壓鑄造工藝規(guī)范…………………………………………………………… 8
3 模具總體方案設(shè)計(jì)
3.1 鋁合金輪轂低壓鑄造模具一般方案………………………………………… 10
3.2 模具總體方案設(shè)計(jì)與對(duì)比…………………………………………………… 12
3.2.1 零件輪輞的主要形式………………………………………………………… 12
3.2.2 輪轂零件的分析……………………………………………………………… 13
3.2.3 鑄件毛坯的工藝分析………………………………………………………… 15
3.2.4 模具總體方案1……………………………………………………………… 16
3.2.5 模具總體方案2及與方案1的比較………………………………………… 17
3.3 模具的動(dòng)作方式……………………………………………………………… 18
3.3.1 模具的分模動(dòng)作方式………………………………………………………… 19
3.3.2 模具的合模復(fù)位動(dòng)作方式…………………………………………………… 20
4 模具設(shè)計(jì)
4.1 鑄件的材料及其性能………………………………………………………… 22
4.2 機(jī)械加工余量的確定………………………………………………………… 22
4.3 鑄件收縮率的確定…………………………………………………………… 22
4.4 起模斜度的確定……………………………………………………………… 23
4.5 分型面的確定………………………………………………………………… 23
4.6 模架的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 24
4.7 冒口的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 25
4.7.1 冒口設(shè)計(jì)的基本原則………………………………………………………… 25
4.7.2 冒口設(shè)置的原因……………………………………………………………… 25
4.7.3 冒口的設(shè)置與原理分析……………………………………………………… 26
4.8 推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)……………………………………………………………… 27
4.8.1 推出機(jī)構(gòu)的組成及特點(diǎn)……………………………………………………… 27
4.8.2 推出距離的計(jì)算……………………………………………………………… 28
4.8.3 推桿截面積的計(jì)算…………………………………………………………… 29
4.9 尺寸公差的確定……………………………………………………………… 31
4.10 涂料的使用…………………………………………………………………… 31
5 邊模的工藝路線
5.1 定位基準(zhǔn)的選擇……………………………………………………………… 33
5.1.1 精基準(zhǔn)的選擇原則…………………………………………………………… 33
5.1.2 粗基準(zhǔn)的選擇原則…………………………………………………………… 33
5.1.3 精基準(zhǔn)和粗基準(zhǔn)的確定……………………………………………………… 33
5.2 邊模表面加工工序的確定…………………………………………………… 34
5.2.1 加工工序順序的原則………………………………………………………… 34
5.2.2 加工階段的劃分……………………………………………………………… 34
5.2.3 邊模的工藝路線……………………………………………………………… 35
5.2.4 邊模的工藝規(guī)程……………………………………………………………… 35
6 總結(jié) …………………………………………………………………………… 37
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………… 38
致謝…………………………………………………………………………………… 39
附錄…………………………………………………………………………………… 40
南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
1 緒論
1.1摩托車車輪發(fā)展概況
隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，摩托車工業(yè)也快速的壯大起來，摩托車成為了人們出行所使用的主要交通工具之一。尤其是在發(fā)展中國家里，摩托車的擁有數(shù)量非常龐大。在我國各大城市里，摩托車已經(jīng)成為許多家庭的主要交通工具。正是由于摩托車市場的龐大的需求量，從而促使了摩托車企業(yè)的快速發(fā)展，制造摩托車的工藝也在不斷進(jìn)步。
摩托車車輪是摩托車中極其重要的部件之一，它的質(zhì)量好壞直接影響著摩托車行駛的安全和可靠。早期的摩托車速度較低，其車輪結(jié)構(gòu)為剛性連接，輪胎為高壓胎。隨著輪胎及車輪技術(shù)的發(fā)展，低壓輪胎逐漸取代了高壓輪胎。與此同時(shí)，低壓輪胎又出現(xiàn)了無內(nèi)胎輪胎。
目前，摩托車車輪主要有三種結(jié)構(gòu)形式：輪圈輻條組合式車輪、輻板式整體車輪和輕合金車輪。
輪圈輻條組合式車輪是一種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式，該種車輪與早期剛性連接的車輪相比，減震性能較好。但是，這種車輪受結(jié)構(gòu)的限制，車輪的外形變化比較困難，不能適應(yīng)摩托車外觀造型日新月異的需要。并且由于這種結(jié)構(gòu)車輪受輪圈沖孔的限制，不能裝配無內(nèi)胎輪胎，使它的發(fā)展大受影響。
輻板式整體車輪分為輻板式整體鋼車輪和輻板式整體鋁車輪。輻板式整體鋼車輪主要用于中、低擋小輪徑摩托車。其鋼制輪圈的工藝方法是用鋼板卷制后焊接成型，使用一段時(shí)間后，焊接部位易生銹造成無內(nèi)胎車輪漏氣。輻板式整體鋁車輪有質(zhì)量小、鋁輻板形狀容易變化等優(yōu)勢。另外，鋁合金輪圈和鋁輻板通過表面處理后，可以形成車輪所需要的各種顏色，滿足了消費(fèi)者對(duì)多種顏色的需求。
輕合金車輪是一種整體式車輪，主要有鋁合金車輪和鎂合金車輪。
鎂合金車輪具有比鋁合金車輪更誘人的潛在優(yōu)勢。雖然目前鎂合金車輪已經(jīng)開始應(yīng)用于摩托車，但主要局限于賽車上，它不能像鋁合金車輪那樣進(jìn)行大批量生產(chǎn)，其主要是因?yàn)椋?
1) 鎂與氧氣有極大的親和力，在液態(tài)下鎂可以劇烈氧化和燃燒，在熔煉和整個(gè)鑄造過程中必須在保護(hù)性氣氛的覆蓋下進(jìn)行，否則會(huì)發(fā)生燃燒事故。而目前的保護(hù)性氣氛都涉及環(huán)保問題，不僅會(huì)破壞大氣臭氧層，而且對(duì)人體危害性較大，且極易損壞設(shè)備和建筑物。
2) 鎂合金的化學(xué)穩(wěn)定性差，車輪在使用過程中極易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。
3) 目前，尚無公認(rèn)的適合大批量生產(chǎn)的成套鎂合金加工設(shè)備和工藝。
鋁合金的初次登場是在50年代，鋁合金車輪首次被用于追求高性能的賽車中。因?yàn)殇X合金車輪質(zhì)量輕、散熱性能好，并且具有良好的外觀，所以，鋁合金車輪逐步代替了鋼制車輪。
鋁合金車輪具有以下特點(diǎn)：
1) 散熱快、安全。由于轎車在高速行駛時(shí)，輪胎與地面摩擦?xí)a(chǎn)生較高的溫度，制動(dòng)盤和制動(dòng)片摩擦?xí)a(chǎn)生較高的溫度，在這樣的高溫作用下，輪胎和制動(dòng)片均會(huì)加速磨損和老化，制動(dòng)效率下降，輪胎氣壓升高，易造成爆胎和剎車失靈的事故。鋁合金的傳熱系數(shù)比鋼材大3倍，可將輪胎和制動(dòng)盤上產(chǎn)生的熱量迅速傳導(dǎo)到空氣中去，避免了輪子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下產(chǎn)生的種種弊病，從而增強(qiáng)了制動(dòng)效能、提高了輪胎和制動(dòng)盤的使用壽命、有效的保障了汽車的安全行駛。
2) 重量輕、節(jié)能。鋁材比重比鋼材小，平均每只鋁合金車圈比鋼質(zhì)車圈要輕2公斤左右，一輛轎車以5只車輪（包括一只后備車輪）計(jì)算可減輕重量10公斤。減輕重量也就意味著節(jié)省燃料。
3) 舒適性好。鋁合金車圈是精密的鑄造件，精加工表面達(dá)到80％到90％，失圓度和不平衡很小，特別是鋁合金的彈性模數(shù)較小，抗振性好，能減少行駛中的車身振動(dòng)，提高了整車的舒適性。
4) 外觀漂亮。鋁合金車圈外表是經(jīng)抗腐蝕處理再靜電粉體涂裝，它可以鑄成各種花式外形，讓人感到有一種美觀、精致和豪華的感覺。有車族往往不惜重金更換自己中意的花式外形。
基于鋁合金材料有眾多的優(yōu)點(diǎn)，我國摩托車工業(yè)也主要是生產(chǎn)鋁合金車輪，本課題也采用應(yīng)用廣泛的鋁合金材料做為摩托車輪轂的材料。
1.2鋁合金輪轂成形方法的選擇與對(duì)比
生產(chǎn)鋁合金輪轂的方法有鑄造法、鍛造法、沖壓法以及大直徑焊管輥壓輪圈法。
熱鍛鋁輪轂的應(yīng)用較早，多采用加工性、耐腐蝕性、切削性均較好的6061鋁合金。鍛造鋁輪轂的質(zhì)量好，但成本高，效率低，適于年產(chǎn)10萬件的生產(chǎn)規(guī)模，只模鍛輪盤效果較好。
沖壓法是將5454合金的板材深沖成圓筒，再去掉下底和上緣，得到無縫大直徑管坯，經(jīng)輥壓成型制得得輪圈性能好，但材料利用率僅為50％，且壁厚不均勻。
使用大直徑焊管輥壓輪圈法也能加工出性能高得鋁輪轂，但這種方法主要適合于制造二件式鋁輪轂。
鑄造法是目前鋁合金輪轂成型方法中非常成熟的一種成型方法，它擁有成套的制造鋁合金輪轂的設(shè)備和工藝，非常適合制造輪轂這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要求較高的重要部件，被廣泛的應(yīng)用于摩托車鋁合金輪轂的制造當(dāng)中。根據(jù)本課題零件材料為ZL101A，年生產(chǎn)綱領(lǐng)為50000件，應(yīng)選擇鑄造法來鑄造出該摩托車輪轂。
1.3鋁合金輪轂鑄造方法的選擇和對(duì)比
目前，國內(nèi)外生產(chǎn)輪轂的主要鑄造成型方法有壓力鑄造、金屬型重力鑄造、擠壓鑄造、和低壓鑄造。下面對(duì)現(xiàn)行各種主要輪轂鑄造成型方法進(jìn)行論述和比較。
壓力鑄造的特點(diǎn)是在高壓高速下充型，高壓下結(jié)晶。在這一過程中，金屬液容易卷入氣體、夾雜物。高壓射流會(huì)破碎氣體，形成彌散的小氣孔留在鑄件中，致使鑄件不能通過熱處理來提高強(qiáng)度。所以壓鑄一般適宜生產(chǎn)不需承受較大沖擊載荷的薄壁類殼體、外罩體，根本不適合制造作為摩托車重要安全部件的輪轂。
在輪轂的金屬型重力鑄造中，鑄件的凝固收縮補(bǔ)償只能通過建立順序凝固必需的溫度梯度來保證，因此必須在輪輻輪緣交接的熱結(jié)處及中心厚大部位設(shè)置冒口，導(dǎo)致金屬熔體工藝收得率較低，只有40％～60％。同時(shí)，由于補(bǔ)縮所需得溫度梯度及壓力均較低，該方法得工藝過程必須嚴(yán)格控制，否則容易產(chǎn)生縮孔、縮松、夾渣、氣孔等缺陷。相比于其他幾種利用壓力進(jìn)行充型和凝固的鑄造方法，該方法得到的輪轂鑄件外部和內(nèi)部質(zhì)量都較差。由于僅靠重力作用下結(jié)晶，所產(chǎn)生的輪轂組織致密度、抗拉強(qiáng)度和硬度低于差壓鑄造、低壓鑄造、擠壓鑄造和壓鑄等。其伸長率也遠(yuǎn)不及差壓鑄造和低壓鑄造。
擠壓鑄造是借助擠壓鑄機(jī)壓頭的機(jī)械壓力，把澆入鑄型的合金液擠壓成型，并在壓力下凝固。擠壓鑄造的輪轂，表面粗糙度低，結(jié)晶壓力高，組織致密。但是一般普通的油壓機(jī)的功能簡單，達(dá)不到擠壓鑄機(jī)的要求。另外，擠壓鑄造不如重力鑄造有澆注系統(tǒng)，也不如低壓鑄造的升液管進(jìn)液口在合金液中間有效避渣，其鑄件氧化夾渣嚴(yán)重。擠壓鑄造雖然結(jié)晶壓力大，但由于摩托車車輪特殊的結(jié)構(gòu)，輪輻處很多窄小的薄壁處凝固后失去補(bǔ)縮通道作用，輪輞局部得不到補(bǔ)縮。
低壓鑄造中，金屬液在數(shù)倍于大氣壓的壓力下進(jìn)行充型和保壓凝固，鑄件的致密度較高，縮孔縮松較少，產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量較好。并且由于該方法利用壓力進(jìn)行充型和補(bǔ)縮，一般不需在輪輻上設(shè)置冒口，并簡化了澆注系統(tǒng)，因此大大提高了金屬熔體的工藝收得率。低壓鑄造的“緩慢充型” 、“順序凝固”比壓鑄優(yōu)越而不易產(chǎn)生氣孔、補(bǔ)縮不足。它的“低壓充型” 、“增壓結(jié)晶”也比金屬型鑄造充型、補(bǔ)縮更好。
另外，在低壓鑄造的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出一種差壓鑄造方法。這種方法比低壓鑄造充型更平穩(wěn)、補(bǔ)縮更充分、結(jié)晶壓力更大，因此差壓鑄造產(chǎn)品輪廓更清晰、組織更致密、力學(xué)性能提高較大。但是，由于國產(chǎn)差壓鑄造設(shè)備奇缺，工藝過程復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，很少用此方法生產(chǎn)摩托車輪轂。
所以，對(duì)各種鑄造方法進(jìn)行比較后，覺得低壓鑄造是制造摩托車鋁合金輪轂的最佳的成型方法。
1.4國內(nèi)外低壓鑄造發(fā)展概況
低壓鑄造與我們普遍應(yīng)用的金屬型鑄造、壓力鑄造、熔模精密鑄造等工藝相比較，它是一種新的特種鑄造。低壓鑄造工藝具有優(yōu)于其它鑄造工藝的獨(dú)特之處。
我國是從五十年代開始研究低壓鑄造的。它的發(fā)展非常迅速，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)僅有三十余年的時(shí)間。目前，國內(nèi)汽車、拖拉機(jī)、摩托車等制造廠已經(jīng)形成專業(yè)化的低壓鑄造車間，造船、電機(jī)、儀表、輕工和國防工業(yè)也廣泛采用了這種工藝，并由生產(chǎn)簡單件發(fā)展到了生產(chǎn)復(fù)雜件。
由于低壓鑄造工藝有著上馬快、投資少、占地小、容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。所以，我國的許多工廠和單位，可以成熟的運(yùn)用低壓鑄造工藝來生產(chǎn)高要求的鋁合金復(fù)雜鑄件。如生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)上的鋁合金汽缸體、汽缸頭、曲軸箱、活塞體等復(fù)雜鑄件。甚至有些單位已成功的運(yùn)用低壓鑄造法來澆注大型簿壁葉片復(fù)雜鑄件，實(shí)現(xiàn)了以鑄代鍛。
鋁合金產(chǎn)品由于具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱率好、吸收沖擊能力強(qiáng)以及不易生銹、外表美觀等優(yōu)點(diǎn)，近年來廣泛的應(yīng)用在航空、汽車及輕工業(yè)等領(lǐng)域中。低壓鑄造則主要應(yīng)用于鋁合金鑄件的產(chǎn)品上，隨著對(duì)鋁合金鑄件的質(zhì)量要求和性能要求越來越高，鋁合金低壓鑄造幾乎已成為一項(xiàng)必不可少的工藝，并在一定情況下代替了部分壓鑄鋁合金鑄件。
在國外，低壓鑄造的研究開始于二十世紀(jì)初期。第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，隨著航空工業(yè)的發(fā)展，英國廣泛地采用低壓鑄造生產(chǎn)技術(shù)要求較高地航空發(fā)動(dòng)機(jī)地汽缸等輕合金鑄件。并采用金屬型低壓鑄造，大量生產(chǎn)北美的汽車工業(yè)和電子轉(zhuǎn)子等重要鑄件。這樣，低壓鑄造工藝迅速擴(kuò)散到通用機(jī)械、紡織機(jī)械、儀表和商業(yè)產(chǎn)品等領(lǐng)域。
目前，國外的低壓鑄造設(shè)備，已由專業(yè)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，使低壓鑄造生產(chǎn)逐步向?qū)I(yè)化生產(chǎn)發(fā)展。專用的低壓鑄造設(shè)備的商品化，把低壓鑄造工藝技術(shù)提高到了一個(gè)較高的水平。
2 低壓鑄造基本知識(shí)
2.1低壓鑄造原理
低壓鑄造是液體金屬在壓力的作用下，完成充型及凝固過程而獲得鑄件的一種鑄造方法。它屬于一種特種鑄造工藝，由于低壓鑄造壓力較低（一般為20～60kPa），故稱之為低壓鑄造。就低壓鑄造的工藝氣壓而言，它是介于壓力鑄造和重力鑄造之間的一種新的澆注工藝。
圖2－1低壓鑄造工藝示意圖
1． 保溫爐 2.液態(tài)金屬 3.升液管 4.下型 5.滑套 6.導(dǎo)柱 7.頂板
8. 頂桿 9.上型 10.型腔 11.澆口 12.密封墊 13.坩鍋
低壓鑄造的裝置簡圖如圖2－1所示。鑄型由下型4和上型9組成，并安放在密封的保溫坩鍋13的上方，當(dāng)給密閉的容器坩鍋中通入干燥的壓縮空氣或惰性氣體時(shí)，氣體通過在金屬液面2上的壓力作用，使液態(tài)金屬沿升液管3自下而上上升，經(jīng)鑄型下方的澆口11緩慢而平穩(wěn)地充填型腔10，隨后在壓力作用下凝固。待型腔中的合金液體凝固成形后，即可解除坩鍋內(nèi)合金液體2表面的氣體壓力，使升液管3和澆口11中尚未凝固的合金液體靠自重流回坩鍋內(nèi)，完成一次澆注過程，經(jīng)脫模后便得到了所需的鑄件。
低壓鑄造的實(shí)質(zhì)是物理學(xué)中的帕斯卡原理在鑄造方面的具體運(yùn)用，根據(jù)帕斯卡原理有
PFH = PFH
式中：P—金屬液面上的壓力；
F—金屬液面上的受壓面積；
H—坩鍋內(nèi)液面下降的距離；
P—升液管中使金屬液上升的壓力；
F—升液管的內(nèi)截面積；
H—金屬液在升液管中上升的距離。
圖2－2 低壓鑄造原理示意圖
1.密封容器 2. 金屬液 3. 升液管 4.密封蓋 5.澆口
6. 鑄件7. 鑄型 8.緊固件 9.通氣管
由圖2－2可知：由于F遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 F，因此，當(dāng)坩鍋中液面下降高度H 時(shí)，只要在坩鍋中金屬液面上施加一個(gè)很小的壓力，升液管中的金屬液就能上升一個(gè)相當(dāng)?shù)母叨菻。這也就是“低壓”的來源。
低壓鑄造所用的鑄型可以是金屬型、干砂型、濕砂型、石膏型、石墨型、熔模型殼和陶瓷型等。
2.2 低壓鑄造工藝流程
通常低壓鑄造的工藝流程為：
1) 金屬的熔煉及模具的準(zhǔn)備；
2) 澆注前的準(zhǔn)備:包括坩鍋密封（裝配密封蓋），升液管中的扒渣，測量液面高度，密封性試驗(yàn)，配模，緊固模具等；
3) 澆注：包括升液，充型，結(jié)晶凝固，放氣解壓等四個(gè)過程；
4) 脫模：包括松型脫模和取件。
升液管上涂料
升液管的加熱和裝配
密封蓋準(zhǔn)備
熔化
除氣
精煉
爐前檢驗(yàn)
金屬的熔煉
砂模造型造芯
金屬型準(zhǔn)備：
表面清理
噴刷涂料
排氣道檢查
裝配檢查
模具預(yù)熱
調(diào)節(jié)開合型速度和開合型的順序控制（并調(diào)節(jié)控制鑄件凝固后的靜止時(shí)間）
開關(guān)型控制臺(tái)
坩鍋的密封
（裝配密封蓋）
扒去升液管中的浮渣
測量液面高度
做密封性試驗(yàn)
并澆注試棒
配模 合型
澆注
升液 充型 保壓 放氣
脫模取件
清理工作臺(tái)面和升液管內(nèi)浮渣
鑄件清理
通過氣動(dòng)元件來調(diào)節(jié)澆注各階段的壓力參數(shù)，以控制其澆注工藝
氣動(dòng)控制臺(tái)
成品
圖2－3 低壓鑄造工藝操作過程
通過圖2－3可以了解低壓鑄造的工藝流程的操作過程。這些工藝中不同工序之間的相互作用，直接影響鑄件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。有些工序若操作不慎，會(huì)增加不必要的時(shí)間浪費(fèi)，降低勞動(dòng)生產(chǎn)效率，例如坩鍋密封不好，會(huì)使氣體泄漏，影響進(jìn)氣壓力參數(shù)的正?？刂疲孤﹪?yán)重的需要反工。模具裝配不當(dāng)，澆注時(shí)會(huì)漏箱跑火，不僅使鑄件報(bào)廢，嚴(yán)重的還會(huì)使整天的生產(chǎn)受到影響。
2.3低壓鑄造的特點(diǎn)
由于液態(tài)金屬是在壓力推動(dòng)下進(jìn)入型腔，并在壓力作用下結(jié)晶凝固進(jìn)行補(bǔ)縮，其充型過程既與重力鑄造法不同，也不同于高壓高速充型的壓力鑄造。低壓鑄造形成了某些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。其主要特點(diǎn)如下：
1) 液態(tài)金屬充型比較平穩(wěn)。由于低壓鑄造采用底注式充型，且充型速度容易控制，相對(duì)減少了液態(tài)金屬澆注時(shí)的飛濺、對(duì)型壁和型芯的沖刷及氧化夾雜等鑄造缺陷。同時(shí)，型腔內(nèi)液流與氣流方向一致，減小了產(chǎn)生氣孔缺陷的可能性。
2) 鑄件成形性好。低壓鑄造時(shí)液態(tài)金屬是在外界壓力作用下強(qiáng)迫流動(dòng)的，提高了液態(tài)金屬的充填性，有利于形成輪廓清晰、表面光潔的鑄件，這對(duì)于薄壁葉片和大型復(fù)雜薄壁鑄件的成形更為有利。
3) 鑄件組織致密、力學(xué)性能高。因?yàn)殍T件是在壓力作用下結(jié)晶凝固，大幅度提高了補(bǔ)縮效果，從而提高了鑄件的力學(xué)性能。如鑄件的抗拉強(qiáng)度和硬度比重力鑄造提高約10％左右。由于鑄件組織致密，鑄件的氣密性、耐壓性都得到提高，這對(duì)于要求耐壓和防滲漏的鑄件具有明顯效果。
4) 提高了液態(tài)金屬的工藝出品率。由于低壓鑄造利用壓力充型和補(bǔ)縮，簡化了澆冒口系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使工藝出品率可提高到90％左右。
5) 生產(chǎn)效率高，加工余量小，機(jī)械加工工時(shí)少。
6) 低壓鑄造對(duì)鑄型材料沒有特殊的要求，凡可作為鑄型的各種材料，都可以用作為低壓鑄造的鑄型材料。
7) 設(shè)備簡單、便于制造、投資少、占地面積小、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)。
8) 改善了澆注時(shí)的勞動(dòng)條件。在低壓鑄造的澆注過程中，操作人員只要控制氣閥或按動(dòng)電鈕就可以進(jìn)行了。同時(shí)，澆包置于密封的壓力罐中，也減少了高溫合金液對(duì)人體的熱輻射，有利于工人的健康。
同時(shí)，低壓鑄造的缺點(diǎn)是坩鍋和升液管長時(shí)間被液態(tài)金屬侵蝕，使用壽命較短。另外，鋁合金液容易增鐵。
2.4 低壓鑄造工藝規(guī)范
低壓鑄造的工藝規(guī)范包括預(yù)壓、充型、增壓、保壓、模具預(yù)熱溫度、澆注溫度，以及模具的涂料等內(nèi)容。
1) 預(yù)壓和預(yù)壓速度
預(yù)壓壓力是指當(dāng)金屬液面上升到澆口附近所需要的壓力。金屬液在升液管內(nèi)的上升速度應(yīng)盡可能快，同時(shí)也需要避免金屬液在進(jìn)入澆口時(shí)不致產(chǎn)生噴濺。
2) 充型壓力和充型速度
充型壓力是指使金屬液充型上升到鑄型頂部所需的壓力。在充型階段，金屬液面上的升壓速度就是充型速度。
3) 增壓和增壓速度
金屬液充滿型腔后，再繼續(xù)增壓，使鑄件的結(jié)晶凝固在一定大小的壓力作用下進(jìn)行，這時(shí)的壓力叫結(jié)晶壓力。結(jié)晶壓力越大，補(bǔ)縮效果越好，最后獲得的鑄件組織也愈致密。但通過結(jié)晶增大壓力來提高鑄件質(zhì)量，不是任何情況下都能采用的。
4) 保壓時(shí)間
保壓時(shí)間是指型腔壓力增至結(jié)晶壓力后，并在結(jié)晶壓力下保持一段時(shí)間，直到鑄件完全凝固所需要的時(shí)間。如果保壓時(shí)間不夠，鑄件未完全凝固就卸壓，型腔中的金屬液將會(huì)全部或部分的回流，造成鑄件報(bào)廢。如果保壓時(shí)間過久，則澆口殘留過長，這不僅降低了工藝收得率，而且還會(huì)造成澆口被堵死，使鑄件出型困難，故生產(chǎn)中必須選擇適宜的保壓時(shí)間。
5) 鑄型溫度及澆注溫度
低壓鑄造時(shí)，因?yàn)榻饘僖后w的填充條件得到改善，且金屬液體直接自密封保溫坩鍋進(jìn)入鑄型，故澆注溫度一般比重力鑄造澆注溫度低10～20℃。當(dāng)采用金屬型鑄造鋁合金鑄件時(shí)，鑄型的工作溫度為200～250℃。鑄造復(fù)雜的薄壁鑄件時(shí)，鑄型的工作溫度可以提高到300～350℃。
6) 涂料
在金屬型低壓鑄造時(shí)，為了提高其壽命及鑄件質(zhì)量，必須刷涂料。涂料應(yīng)均勻，涂料厚度要根據(jù)鑄件表面光潔度、鑄件結(jié)構(gòu)及鑄件的冷卻方向來確定。此外，保溫坩鍋也應(yīng)噴涂涂料。因升液管長期浸在液體金屬中，增加了鋁合金溶液中的含鐵量，降低了鑄件的力學(xué)性能。所以，應(yīng)先將升液管的內(nèi)、外表面預(yù)熱至200℃左右，再涂刷一層較厚的涂料。
3 模具總體方案設(shè)計(jì)
3.1 鋁合金輪轂低壓鑄造模具一般方案
在輪轂的制造過程中，鑄件毛坯質(zhì)量對(duì)于鋁合金輪轂的整體質(zhì)量有著很大的影響。毛坯鑄造的好壞，直接影響輪轂的加工和其使用性能。而鑄件毛坯的質(zhì)量又取決于合金的選擇、模具質(zhì)量、熔煉工藝、合金變質(zhì)和熱處理等一系列工藝控制過程。在這其中，模具又是成型輪轂的關(guān)鍵工藝裝備，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化是輪轂生產(chǎn)的工藝關(guān)鍵。
根據(jù)輪轂零件的不同，鑄造輪轂的方法也不盡相同，其模具的總體方案也要根據(jù)零件的實(shí)際情況而定。如果輪轂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，則需要模具增加相應(yīng)的成型鑲塊，其頂出裝置也要根據(jù)零件的復(fù)雜程度來設(shè)計(jì)。在冷卻系統(tǒng)方面，也要根據(jù)實(shí)際情況，可采用有循環(huán)水冷卻系統(tǒng)或風(fēng)、水共用系統(tǒng)以及風(fēng)冷等方式。在排氣系統(tǒng)方面，由于模具結(jié)構(gòu)的差異，其排氣方式也有很多不同之處。
下面是鋁合金輪轂低壓鑄造的兩種模具結(jié)構(gòu)：
例如，圖3-1所示的是200整體式鋁合金輪轂低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)。
圖中可以看出，在這個(gè)模具中采用了上下模冷卻環(huán)組件的設(shè)計(jì)，使鑄型的冷卻充分。設(shè)計(jì)了分流錐，使金屬液充型速度加快。上模連接環(huán)使上模與上模座很好的連接。
圖3-1 整體式鋁合金輪轂低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)圖
1.下模冷卻環(huán)組件 2.下模 3.側(cè)模 4.鐵澆口套
5.上模冷卻環(huán)組件 6.上模 7.分流錐 8.上模連接環(huán)
該模具屬于典型的金屬型型腔模具。模具包括成型系統(tǒng)、鑄型排氣系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和頂出系統(tǒng)五大組成部分。在澆口與分流錐之間，設(shè)置有過濾網(wǎng)，分流錐設(shè)計(jì)為（平）圓頂，以頂住過濾網(wǎng)，過濾網(wǎng)一模一件以濾渣，還可避免紊流。
本模具冷卻位置在輪轂的熱節(jié)處，模具外圍設(shè)置保溫棉，以均衡冷卻過程，模具采用水冷卻方式。冷卻部位主要集中在車輪輪輻、中心澆口處，而輪輞部位則無須冷卻系統(tǒng)。
在模具的上方設(shè)置有吊耳機(jī)構(gòu)，便于將模具吊裝到鑄造機(jī)上。在頂出系統(tǒng)的設(shè)置中，設(shè)置了相應(yīng)的頂桿系統(tǒng)，將鑄件在模具分模時(shí)頂出鑄型。
另外，圖3-2所示的是輪轂低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)圖
這種低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)也是一種典型的模具結(jié)構(gòu)，是一種適用于常規(guī)機(jī)臺(tái)的低壓鑄造模具，它按系統(tǒng)也分為澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、頂出系統(tǒng)和成型系統(tǒng)，按模塊功能又可分為結(jié)構(gòu)件、成型件、標(biāo)準(zhǔn)件。成型件是參與制品成型的零件及部件，結(jié)構(gòu)件則為除成型件外的組成一副完整型腔模具的部分，它包含導(dǎo)向部分、頂出部分和模具固定連接部分。而在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中則將原成型件分解為成型鑲件和成型標(biāo)準(zhǔn)件。成型鑲件由圖3-2中上模鑲塊6、上模芯8、分流錐7、下模塊3及澆口套4等組成。
圖3-2 輪轂低壓鑄造模具結(jié)構(gòu)
1. 下模板 2. 陶瓷澆口套 3. 下模塊 4. 澆口套 5. 側(cè)模 6. 上模鑲塊
7.分流錐 8. 上模芯 9. 模芯壓板 10. 上模體 11. 三角導(dǎo)向塊
12. 上模固定塊 13.推桿固定板 14. 推板 15.上模板
另外，該模具的側(cè)模為四開模，有三角導(dǎo)向塊，澆注系統(tǒng)采用陶瓷澆口套，使它的硬度大為提高。根據(jù)零件的復(fù)雜程度，加裝了模芯和模芯壓板。冷卻系統(tǒng)為風(fēng)冷，而對(duì)于不同的生產(chǎn)廠家及設(shè)備而言，另有導(dǎo)柱卡裝式模具結(jié)構(gòu)，冷卻系統(tǒng)也有循環(huán)水冷卻系統(tǒng)或風(fēng)、水共用系統(tǒng)。
3.2 模具總體方案設(shè)計(jì)與對(duì)比
3.2.1 零件輪輞的主要形式
輪輞是摩托車輪轂與外輪胎直接接觸的部件，它的幾何形狀較為復(fù)雜，并且已經(jīng)形成了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，摩托車輪輞系列GB13202—91，輪輞的類型分很多種，主要有圓柱型（WM型）、5°斜底式（MT型）、斜底式（直邊式）、對(duì)開槽式以及深（槽）式。
圖3-3 所示的是5°斜底式圈座輪輞（MT型），這種型號(hào)的輪輞適用于代號(hào)標(biāo)志系列和公制80、90和100系列的摩托車輪胎。它的特點(diǎn)是，輪輞的外形是由一些半徑較小的圓弧組成，并且在輪輞上有凸峰（R5.5處）和斜度（5°±1°）。這些特點(diǎn)可以使輪輞與外輪胎的連接有很好的穩(wěn)定性。
圖3-3 5°斜底式圈座輪輞（MT型）
圖3-4 所示的是圓柱型圈座輪輞（WM型），這種輪輞適用于代號(hào)標(biāo)志系列，也適用于公制80、90和100系列的摩托車輪胎。這種型號(hào)的輪輞底部由弧形代替了MT型底部平底的形式，但沒有凸峰和外形線傾斜的設(shè)計(jì)，在與外部輪胎相連接時(shí)，穩(wěn)定性沒有那么好。
圖3-4 圓柱型圈座輪輞（WM型）
3.2.2 輪轂零件的分析
輪轂零件圖如圖3-5所示。
由零件圖可以看出，該輪轂雖然結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但它的對(duì)稱度很好，輪輞采用5度斜底式圈座輪輞（MT型）。輪轂有三個(gè)成120度的加強(qiáng)筋，輪轂中部設(shè)有花鍵連接，整體壁厚沒有非常薄的地方，鑄造性良好，且容易出模。該輪轂的輪輞與輪盤整體成型，是一件式鋁輪轂。
圖3-5 鋁合金輪轂零件圖
圖3-6 鋁合金輪轂零件實(shí)體圖
3.2.3 鑄件毛坯的工藝分析
鑄件毛坯的工藝性，是指鑄件毛坯對(duì)鑄造工藝的適應(yīng)性，即鑄件毛坯的形狀結(jié)構(gòu)等是否符合鑄造工藝的要求。鑄件毛坯的工藝性好壞，直接影響鑄件的質(zhì)量、材料利用率、生產(chǎn)率、模具制造難易、模具壽命、操作方式及鑄造設(shè)備的選用。
鑄件毛坯的形狀結(jié)構(gòu)要適合于模具的脫模，在鑄件的脫模方向上不能有阻礙鑄件脫開的凸臺(tái)、斜度等結(jié)構(gòu)。若存在少部分這種情況，則要求模具能夠采用鑲塊，來輔助鑄件的脫模。只有滿足了脫模這個(gè)基本條件，才可以說鑄件毛坯的結(jié)構(gòu)形狀基本上合理。但即使鑄件模具通過鑲塊的輔助能夠脫模，但這種鑄件毛坯的工藝結(jié)構(gòu)還是不夠合理。實(shí)際中應(yīng)盡量避免鑄件毛坯出現(xiàn)這種有阻礙鑄件脫模的結(jié)構(gòu)，盡量使鑄件毛坯的形狀結(jié)構(gòu)簡單，甚至要求鑄件毛坯在脫模方向上的結(jié)構(gòu)形狀有一定的傾斜度，這樣就更有利于鑄件毛坯的脫模。
另外，在鑄件毛坯的形狀結(jié)構(gòu)中，不同型面的連接處要有一定的圓弧過渡，這個(gè)工藝要求是為了模具制造的方便以及脫模的方便。
圖3-7 鑄件毛坯圖
圖3-7所示的是輪轂鑄件的毛坯圖，與輪轂零件圖（圖3-5）相比，該毛坯中將一些不利于鑄造成型的地方增加了余量。如不鑄造處花鍵處的臺(tái)階，制動(dòng)襯套處的臺(tái)階和凹槽也不易直接鑄造出來。另外，輪輞與輪轂中部相連的加強(qiáng)筋處，一些地方都有圓弧過渡。
輪轂鑄件毛坯圖中的其它地方的結(jié)構(gòu)形狀還是比較合理的，沒有影響鑄件脫模的地方，毛坯的鑄造工藝性良好。
3.2.4 模具總體方案1
摩托車輪轂屬于復(fù)雜零件，存在壁厚較薄的地方。但由于零件的對(duì)稱度較好，又是使用低壓鑄造，所以，相比較其它鑄造方式或低壓鑄造其它模具形式而言，其模具總體結(jié)構(gòu)沒有非常復(fù)雜的地方，如復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)。
根據(jù)低壓鑄造的特點(diǎn)，并結(jié)合本零件的結(jié)構(gòu)，在模具中不需設(shè)置結(jié)構(gòu)復(fù)雜的冒口，澆注系統(tǒng)也大為簡化。澆注系統(tǒng)有很多種形式，按金屬液導(dǎo)入方式分為切向澆注、徑向澆注；按澆口位置分為中心澆注、頂澆注和側(cè)澆口；按澆口形狀分為環(huán)形澆口、縫隙澆口和點(diǎn)澆口；按橫澆道過渡區(qū)形式分為扇形澆道系統(tǒng)和錐形切線澆道系統(tǒng)。
圖3-7 所示的是方案1的模具裝配圖，該方案采用中心澆注方式，鋁液通過模具底部的澆注口進(jìn)入型腔。橫澆道由輪轂自身的三個(gè)加強(qiáng)筋來代替，由于鑄件中輪輞部分沒有特別細(xì)小的型腔，所以也沒有設(shè)置直澆道和內(nèi)澆道。澆口形式非常簡單，只設(shè)置了澆注過道和過道外環(huán)。通過鑄型本身的形狀，即可使鋁合金液體充分充滿鑄型，液體也不會(huì)產(chǎn)生紊流。
圖3-8 模具裝配圖（方案1）
在模具中使鑄件從模具的成型零件中脫出的機(jī)構(gòu)，稱為推出機(jī)構(gòu)。推出機(jī)構(gòu)一般由推出元件（如推桿、推管、卸料板、成型推塊、斜滑塊等）、復(fù)位元件、限位元件、導(dǎo)向元件、結(jié)構(gòu)元件等組成。推出機(jī)構(gòu)的基本傳動(dòng)形式分為：機(jī)動(dòng)推出、液壓推出器推出和手動(dòng)推出三種。本方案中，由于鑄件形狀對(duì)稱，強(qiáng)度適中，便于推出，所以采用了機(jī)動(dòng)推出方式。
推出機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，按動(dòng)作分為直線推出、旋轉(zhuǎn)推出、擺動(dòng)推出；按機(jī)構(gòu)形式分為推桿推出、推管與推叉推出、卸料板推出、斜滑塊推出及其他推出機(jī)構(gòu)。在本鑄型中沒有管狀的部件，也沒有較大的平面，所以不易采用推管、推叉推出機(jī)構(gòu)和卸料板推出機(jī)構(gòu)。由于鑄型有圓環(huán)狀型面，利于推桿進(jìn)行推出和布置推桿的位置。所以推桿推出機(jī)構(gòu)是本方案最佳的選擇，其他機(jī)構(gòu)基本都不適宜。另外，鑄件的外形比較規(guī)則，沒有比較復(fù)雜的幾何形狀，主要以直線型線型為主，所以動(dòng)作方式采用直線推出方式。
壓鑄模的動(dòng)模與定模的結(jié)合表面通常稱為分型面。模具一般只有一個(gè)分型面，但有時(shí)由于鑄件結(jié)構(gòu)的特殊性，或者為滿足壓鑄生產(chǎn)的工藝要求，往往需要再增加一個(gè)或兩個(gè)輔助分型面。分型面一般分為單分型面和多分型面，單分型面又分為直線、傾斜、折線和曲面分型面。多分型面則分為雙分型面、三分型面以及組合分型面。分析本課題的輪轂零件后，認(rèn)為零件形狀對(duì)稱，故采用直線型單分型面。
另外，由于在該輪轂鑄件的輪輞結(jié)構(gòu)中，輪輞中部的直徑尺寸比外圍的直徑尺寸要小。所以在模具的設(shè)計(jì)中就不能只采用上下模合模方式，如果采用這種方式，則當(dāng)在鑄件凝固后開模的過程中，鑄件無法和模具脫開，顯然是不合理的設(shè)計(jì)。介于這種情況，在方案1中除了使用了上、下模，還采用了邊模的設(shè)計(jì)。將邊模設(shè)計(jì)成輪輞的外型形狀，這樣在開模的過程中就不會(huì)產(chǎn)生鑄件無法脫開模具的情況，解決了設(shè)計(jì)不合理的問題。
在本方案中，輪轂的形狀不很復(fù)雜，鑄造工藝性好，其鑄件對(duì)模具溫度控制的要求不高，模具溫度在較大范圍內(nèi)變動(dòng)仍能生產(chǎn)出合格的鑄件。另外，該模具中沒有特別容易過熱的部位，如沒有直澆道、型芯、凸出部位等需要考慮快速冷卻的地方。再加上模具的散熱性比較好。所以，本方案中的冷卻方式不必采用水冷等方式，采用風(fēng)冷就能滿足模具散熱的要求。模具內(nèi)不必采用冷卻裝置，結(jié)構(gòu)簡單。
3.2.5 模具總體方案2及與方案1的比較
圖3-8所示的是模具總體方案2，方案2與方案1的主要不同之處是在鑄件的型腔位置方面。方案1中，鑄型中部有待充型的空間較大，澆口澆注的面積較大，有利于鋁合金液體迅速的充型，輪輞外圈部分也能較快的充滿鋁合金液。這種設(shè)置比較合理。而在方案2中，型腔的形狀與方案1相比是對(duì)稱放置，在澆注口附近只有很小的一個(gè)圓環(huán)面積可供鋁合金液體壓入型腔中，這樣則在充型結(jié)束后，輪輞中有些地方可能充型不足，或者產(chǎn)生液體的紊流。這些都會(huì)在很大程度上影響輪轂的質(zhì)量。
另外，在方案2中的澆注系統(tǒng)與下模接合的部分，澆注過道固定環(huán)與下模無法很好的連接。若用螺釘在圖示位置與下模連接，則下模的形狀就不夠合理，甚至難以加工出下模。
圖3-8 模具裝配圖（方案2）
方案2中的其它設(shè)計(jì)與方案1基本相同。澆注系統(tǒng)仍然采用中心澆注，從鑄型的底部開始充型；推出系統(tǒng)仍采用推桿推出系統(tǒng)，進(jìn)行直線式推出；分型面也為直線型分型面，分型面在鑄型的中部；模具方式采用上模、下模和邊模的方式。
在將兩種方案進(jìn)行對(duì)比后，認(rèn)為方案1在澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面比方案2更為合理。所以，本設(shè)計(jì)采用方案1。
3.3 模具的動(dòng)作方式
為了便于看清楚模具的分模和合模是如何動(dòng)作的，是如何達(dá)到將鑄件推出和模具復(fù)位的作用。下面根據(jù)幾幅模具的動(dòng)作示意圖來分析模具的基本動(dòng)作方式。在示意圖中，整個(gè)模具的各個(gè)部分都采用了簡化的畫法，一些細(xì)節(jié)的部分均為畫出。頂桿和螺紋連接等地方都用一條直線表示，鑄件輪廓用虛線表示，其形狀也采用了簡化畫法。圖中箭頭表示模具的移動(dòng)方向。
3.3.1 模具的分模動(dòng)作方式
如圖3-9所示，模具整體是放置在低壓鑄造機(jī)（圖中未畫出）中的，其中下模3連接在下模座2上，而下模座2又固定在低壓鑄造機(jī)的工作臺(tái)1上。這樣在分模時(shí)，下模3則是固定在鑄造機(jī)的工作臺(tái)1上，不會(huì)向上移動(dòng)。
圖3-9 上模分模示意圖
1. 工作臺(tái) 2. 下模座 3. 下模 4. 邊模 5. 導(dǎo)桿 6. 拉桿
7.復(fù)位桿 8. 夾板 9.頂桿 10. 上模座 11.上模
在上模部分，模具上模11與上模座10相連，而上模座10與低壓鑄造機(jī)的拉桿6相連。模具在進(jìn)行分模時(shí)，上模與上模座一起在鑄造機(jī)拉桿6的作用下向上移動(dòng)，這其中，導(dǎo)桿5起到導(dǎo)向作用。與此同時(shí)，頂桿9和復(fù)位桿7在夾板8的作用下固定不動(dòng)。這樣，頂桿9與上模的向上移動(dòng)相比較就產(chǎn)生了向下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而將鑄件從上模中頂出。在上模向上移動(dòng)的過程中，上模也會(huì)帶動(dòng)邊模向上移動(dòng)，從而帶動(dòng)了鑄件的向上移動(dòng)，使鑄件從下模中脫出。
另外，如圖3-10所示的是邊模脫開的過程。當(dāng)上模隨低壓鑄造機(jī)向上移動(dòng)，鑄件從上下模具中脫開的同時(shí)，邊模也分為四塊向外脫開。至此，則完成了鑄件從模具中脫模的全過程。
圖3-10 邊模分模示意圖
1. 工作臺(tái) 2. 下模座 3. 下模 4. 邊模 5. 導(dǎo)桿 6. 拉桿
7.復(fù)位桿 8. 夾板 9.頂桿 10. 上模座 11.上模
3.3.2 模具的合模復(fù)位動(dòng)作方式
當(dāng)鑄件從模具中脫出后，模具在完全冷卻后，將進(jìn)行合模。合模的運(yùn)動(dòng)方式基本和分模的運(yùn)動(dòng)相反，在這個(gè)過程中，起主要作用的是復(fù)位桿。
如圖3-11所示，在合模的過程中，上模11與上模座10在低壓鑄造機(jī)的拉桿6的作用下向下運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，由于夾板8、頂桿9以及復(fù)位桿7等部件均固定在固定板（圖中未畫出）上，所以它們的相對(duì)位置在整個(gè)合模過程中不變，沒有產(chǎn)生任何運(yùn)動(dòng)。其中，復(fù)位桿7的下端一直頂在下模的上表面，這樣在上模11和上模座10向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于復(fù)位桿7頂在下模3的上表面上不動(dòng)，從而產(chǎn)生了向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使夾板8、固定板以及頂桿9等部件復(fù)位。
圖3-11 合模示意圖
1. 工作臺(tái) 2. 下模座 3. 下模 4. 邊模 5. 導(dǎo)桿 6. 拉桿
7.復(fù)位桿 8. 夾板 9.頂桿 10. 上模座 11.上模
4 模具設(shè)計(jì)
4.1 鑄件的材料及其性能
本課題中鑄件的材料牌號(hào)為：ZL101A。其合金牌號(hào)為：ZALSi7MgA(鑄造工程師手冊(cè)第一版342頁 表4-54)。鑄造鋁合金對(duì)各種鑄造工藝的適應(yīng)性都很好，可以用于砂型鑄造、金屬型鑄造、熔模鑄造、殼型鑄造、低壓鑄造、壓鑄、連續(xù)鑄造、觸變鑄造等。同一牌號(hào)的合金，用不同工藝鑄造，其力學(xué)性能有所不同。ZL101A屬于鋁硅合金，鋁硅合金有良好的鑄造性能，經(jīng)變質(zhì)處理和熱處理后，有良好的力學(xué)性能和耐蝕性能，是應(yīng)用最廣的鋁合金。
4.2 機(jī)械加工余量的確定
機(jī)械加工余量是為了保證鑄件機(jī)械加工面尺寸和零件加工精度，在設(shè)計(jì)鑄件和鑄造工藝時(shí)，預(yù)先增加并在機(jī)械加工時(shí)應(yīng)予以切除的金屬層厚度。鑄件的加工余量數(shù)值按照有加工要求的表面上最大基本尺寸和該表面距它的加工基準(zhǔn)間尺寸兩者中較大的尺寸所在尺寸范圍，從鑄件加工余量表中選取。另外，鑄件的不同加工表面，可以采用相同的加工余量數(shù)值。
在本輪轂鑄件中，有加工要求表面中基本尺寸最大的為直徑281.2。根據(jù)《鑄造工程師手冊(cè)》，選取加工余量等級(jí)為D～F，則根據(jù)直徑281.2查表，選取本鑄件的機(jī)械加工余量為單邊2.5mm 。在鑄件的個(gè)別地方有些余量比2.5mm大，這種情況根據(jù)實(shí)際情況而定，具體見毛坯圖。
4.3 鑄件收縮率的確定
鑄件在凝固和冷卻過程中，體積一般要發(fā)生收縮，即體收縮。固態(tài)下的收縮量常以長度表示，稱為線收縮，以模樣與鑄件的長度差除以模樣長度的百分?jǐn)?shù)表示，即：
(%)
式中 K —鑄造收縮率；
L—模樣尺寸；
L—鑄件尺寸；
鑄造收縮率不僅與鑄造合金的種類及成分有關(guān)，而且還與鑄件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和尺寸大小、鑄型種類、澆冒口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。
對(duì)于大量生產(chǎn)的鑄件，應(yīng)通過試生產(chǎn)測量鑄件的實(shí)際尺寸，求出鑄件各部位、各方向的實(shí)際收縮率，修正模樣。單件、小批量生產(chǎn)的鑄件，一般根據(jù)生產(chǎn)中長期積累的經(jīng)驗(yàn)來選取鑄造收縮率，形狀復(fù)雜的鑄件，可以考慮采用工藝補(bǔ)正量，適當(dāng)加大機(jī)械加工余量等措施，保證鑄件的尺寸合格。
根據(jù)《鑄造工程師手冊(cè)》，表6-24，可知鋁硅合金的自由收縮率為1.0～1.2％，受阻收縮率為0.8～1.0％ 。
4.4 起模斜度的確定
為了在鑄型凝固后，便于鑄件從模具中取出而不損壞模具或鑄件，應(yīng)該在模具的相映位置設(shè)置一定的傾斜角度，即起模斜度。起模斜度的設(shè)置可以根據(jù)鑄件的實(shí)際情況來定。在鑄件本身有結(jié)構(gòu)斜度的地方，則不必設(shè)置起模斜度。當(dāng)鑄件的結(jié)構(gòu)斜度不足或者鑄件的結(jié)構(gòu)影響了鑄件的脫模時(shí)，則必須設(shè)置一定斜度的起模斜度或者增加模具鑲塊，來解決鑄件脫模困難的問題。在本鑄件中，鑄件的幾何形狀大部分不會(huì)影響鑄件的脫模，但也有一些地方的幾何形狀與模具脫模方向平行，不利于鑄件脫模。所以，在設(shè)計(jì)上下模具時(shí)，這些地方在脫模方向上都增加了一定起模斜度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和鑄件的實(shí)際情況，將起模斜度定為3°，具體見模具裝配圖，其中未注起模斜度為2°～3°。
4.5 分型面的確定
選擇鑄件的分型面涉及鑄件的形狀和技術(shù)要求、澆注系統(tǒng)和溢流系統(tǒng)的布置、鑄造工藝條件、鑄造模具的結(jié)構(gòu)和制造成本、模具的熱平衡等因素，這些因素難以兼顧，故應(yīng)綜合這些因素來考慮分型面的確定。
選擇分型面應(yīng)注意如下要點(diǎn)：
1) 開模時(shí)保持鑄件隨動(dòng)模移動(dòng)方向脫出定模；
2) 有利于澆注系統(tǒng)、溢流系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)的布置；
3) 要求不影響鑄件的尺寸精度；
4) 簡化模具結(jié)構(gòu)；
5) 避免鑄造機(jī)承受臨界負(fù)荷，并要考慮鑄造合金的性能；
在選擇鑄件的分型面時(shí)要綜合考慮以上要點(diǎn)，從而確定分型面。
另外，分型面有如下分類。
1) 在單分型面類別中又分為直線型、傾斜型、折線型以及曲線型分型面。
2) 在多分型面中又分為雙分型面、三分型面以及組合分型面
根據(jù)以上選擇分型面的方法，選擇鋁合金鑄件的分型面如圖4-1所示
圖4-1 分型面示意圖
圖 4-3所示的是鑄件模具的分型面示意圖。圖中黑色粗線代表了分型面，這種設(shè)計(jì)對(duì)本鑄件來說比較合適。上、下模具在分模時(shí)均不會(huì)影響鑄件，且分型面在鑄件斷面輪廓較大的地方，屬于直線型單分型面。另外，分型面在上、下模內(nèi)的深度也不深，有利于鋁合金液體順暢的進(jìn)入型腔，這樣設(shè)置模具結(jié)構(gòu)簡單。
4.6 模架的設(shè)計(jì)
模架是固定和設(shè)置成型鑲塊、澆道鑲塊、澆口套以及導(dǎo)向零件等的基體。雖然在低壓鑄造中，一般沒有成型鑲塊以及澆道鑲塊，但模架在這里也是不可缺少的。它是模具和鑄造機(jī)連接所必須的基本“骨架”，其主要構(gòu)件有夾板、上下模座、支撐板以及定位銷、導(dǎo)向塊、緊固零件等。在圖3-7中所示的方案中，該模架有足夠的剛性，在承受鑄造機(jī)鎖模力的情況下，不易發(fā)生變形。這種設(shè)計(jì)不過于笨重，便于裝卸、修理和搬運(yùn)，并減輕了鑄造機(jī)的負(fù)荷。
4.7 冒口的設(shè)計(jì)
4.7.1 冒口設(shè)計(jì)的基本原則
冒口是鑄型內(nèi)用以儲(chǔ)存金屬液的空腔，其功能是多方面的。功能不同的冒口，其形式、大小和開設(shè)位置均不同。所以冒口的設(shè)計(jì)要充分考慮鑄造合金的性質(zhì)和鑄件的特點(diǎn)。
1) 對(duì)于凝固溫度范圍寬，不產(chǎn)生集中縮孔的合金（如錫青銅），冒口的作用主要是排氣和收集液流前沿混有夾雜物或氧化膜的金屬液。這種冒口多置于內(nèi)澆道的對(duì)面，其尺寸也不必太大。
2) 對(duì)于要求控制顯微組織的鑄件，冒口可以收集液流前沿的過冷金屬液，避免鑄件上出現(xiàn)過冷組織。典型的例子是單位鑄造活塞環(huán)時(shí)所用的冒口。有些鑄件易出現(xiàn)白口組織的部位，也可開設(shè)這樣的冒口。
3) 對(duì)于凝固期間體積收縮量大，日趨向于形成集中縮孔的合金（如鑄鋼、錳黃銅和鋁青銅等），冒口的主要作用是補(bǔ)償鑄件的液態(tài)收縮和凝固收縮，以得到致密的鑄件。
4.7.2 冒口設(shè)置的原因
由于在輪輞上容易產(chǎn)生縮松與裂紋，所以在相應(yīng)的部位必須設(shè)置合適的冒口，以解決這些缺陷的產(chǎn)生。
圖4-4所示的是輪輞示意圖，可以看出，輪輻起到了內(nèi)澆道的作用，金屬液連續(xù)沖刷側(cè)型，使A處過熱，輪輻截面較薄先于輪輞凝固，A處就產(chǎn)生了縮松或裂紋。上、下型三角形芯塊溫度高、散熱慢，且B處離輻條內(nèi)澆道較遠(yuǎn)，輻條先凝固，B處也會(huì)因得不到補(bǔ)縮而產(chǎn)生縮松或裂紋。在A、B處將涂料刮薄雖有利于散熱、加快金屬液凝固，但不能根本消除縮松、裂紋等缺陷。采用冒口設(shè)置可以有效的解決縮松、裂紋等缺陷。
圖4-4 輪輞示意圖
4.7.3 冒口的設(shè)置與原理分析
在輪輻與輪輞的交接處、輪輞上部（澆注位置方向）設(shè)置冒口，冒口既能延緩交接處凝固以加長輪輻補(bǔ)縮通道作用時(shí)間，又能對(duì)輪輞（包括上圖A、B兩處）進(jìn)行補(bǔ)縮。
具體方法是在上型相應(yīng)位置開設(shè)暗冒口，其上部設(shè)置有保溫材料，且限定通氣塞的排氣量。這樣在低壓鑄造中，保溫暗冒口的作用優(yōu)于同等尺寸普通明冒口：
1) 保溫暗冒口使冒口內(nèi)的金屬液與補(bǔ)縮區(qū)域金屬液溫度梯度增大；
2) 暗冒口既能在充型時(shí)蓄藏大量的氣體，又能在冒口內(nèi)金屬液面上形成壓力（反彈壓力），使冒口變成加壓冒口。
如圖4-5所示，壓力冒口原理分析如下：
根據(jù)氣體狀態(tài)方程
若是等溫狀態(tài)則
式中 P—充型前冒口型腔中氣體壓力
V—冒口型腔體積
P—充型后冒口型腔中的氣體
V—冒口型腔中儲(chǔ)藏空氣部分的體積
圖4-5 金屬型冒口型腔示意圖
若冒口型腔V儲(chǔ)藏的不僅是充型前V所容氣體，還有金屬型型腔其余部位的氣體，以及考慮到氣體在冒口V中被鋁鎂合金液加熱膨脹的因素，氣體壓力P實(shí)際上更大。保溫暗冒口補(bǔ)縮效果明顯，圖4-4中A、B處縮松、裂紋消除。而且，幾個(gè)冒口的總重對(duì)輪轂鑄件的重量影響不大。
4.8 推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
4.8.1 推出機(jī)構(gòu)的組成及特點(diǎn)
在本課題中推出機(jī)構(gòu)采用了推桿推出機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)中心頂桿、邊頂桿、復(fù)位桿、夾板以及頂板等部分組成。如圖4-6所示
圖中的這種推桿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，分布較為合理，有如下好處:中心頂桿和邊頂桿都布置在輪轂的圓環(huán)表面上，使鑄件各部位的受推壓力均衡；鑄件有深腔和包緊力大的部位，選擇了一定數(shù)量的推桿，使推桿兼有排氣作用；沒有在鑄件的重要表面和基準(zhǔn)表面設(shè)置推桿；推桿的推出位置沒有與其它部件相干涉。
圖4-6推出系統(tǒng)示意圖
4.8.2 推出距離的計(jì)算
參考《壓鑄模設(shè)計(jì)手冊(cè)》表8-2，可以計(jì)算推桿推出的距離是否合適。
圖4-7 推出距離的計(jì)算
如圖4-7所示：
1) 時(shí)，；
2) 時(shí)，；
3) 使用斜鉤推桿時(shí)
式中 —滯留鑄件的最大成型長度（mm）。當(dāng)凸出成型部分為階梯形時(shí)，值以各 階梯中最長一段計(jì)算
S—直線推出距離（mm）。當(dāng)出模斜度小或成型長度較大時(shí)，S取偏大值
K — 安全值 （一般取3～5mm）
由于本鑄件的模具中H值約為30.5mm ，大于了20mm ，所以選用公式2。
即，時(shí)，
所以經(jīng)計(jì)算得
實(shí)際中S＝30mm 滿足要求
4.8.3 推桿截面積的計(jì)算
推桿直徑是按推桿斷面在鑄件上允許承受的受推力p決定的。推桿在推出鑄件的過程中，受到軸向壓力，因此必須計(jì)算推桿直徑，同時(shí)校核推桿的穩(wěn)定性。
推桿截面積的計(jì)算公式參考《壓鑄模設(shè)計(jì)手冊(cè)》公式（8-2），即
式中 A —推桿前端截面積（mm）；
—推桿承受的總推力（N）；
n —推桿數(shù)量；
—許用受推力，參考《壓鑄模設(shè)計(jì)手冊(cè)》表8-3
選?。?0MPa
當(dāng)n＝1時(shí)，可以繪制出圖4-8所示的推桿直徑與推出力關(guān)系圖。
1) 中心頂桿截面積的計(jì)算
根據(jù)設(shè)計(jì)方案及裝配圖，共使用6個(gè)中心頂桿，則n＝6
結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，在考察車間鑄造機(jī)后，取F＝24000N，則，每一根中心頂桿的受力為，F(xiàn)＝＝4000N。
則查看下圖知，縱坐標(biāo)4000N向上交于鋁合金曲線，得推桿直徑為9.6mm, 取d =10mm
則 A=＝78.5 mm (取頂桿截面為圓形)
2) 邊頂桿截面積的計(jì)算
根據(jù)設(shè)計(jì)方案及裝配圖，邊頂桿共使用6個(gè)，則n＝6
因?yàn)镕＝24000N，則每一根中心頂桿的受力為，F(xiàn)＝＝4000N。
查看下圖知，縱坐標(biāo)4000N向上交于鋁合金曲線，得推桿直徑為9.6mm,
取d =10mm
則 A=＝78.5 mm (取頂桿截面為圓形)
圖4-8 推桿直徑與推出力關(guān)系圖
4. 9 尺寸公差的確定
根據(jù)《鑄造工程師手冊(cè)》表6-25和表6-27，可以知道鑄造中鑄件的公差等級(jí)一般為IT7～I(xiàn)T9級(jí)。結(jié)合本課題輪轂零件的實(shí)際情況，選取公差等級(jí)為IT9級(jí)。
根據(jù)此公差等級(jí)，毛坯圖中線性尺寸58.5的公差根據(jù)查表6-25和表6-27后為T=2，則，確定該尺寸的公差為。直徑尺寸處，T＝3.2，則其公差為。
在模具圖中，上下模合模處的徑向尺寸都需要標(biāo)志偏差值，以保證制造出的模具能夠滿足零件的要求。在上下模需配合的地方，輪轂型面處的徑向尺寸的上偏差基本采用0，如上模圖中的、等處。其余的徑向尺寸基本采用對(duì)稱公差，如下模圖中的、等處。
另外，在上下模中的孔或螺紋需要互相配合的地方，在模具圖中都標(biāo)注了配作的方式。如下模具圖中（與上模配鉆）、（與下模座配鉆）等。
以上公差和配合的標(biāo)注具體見圖紙所示。
4. 10 涂料的使用
低壓鑄造方法由于金屬液的上升速度和結(jié)晶壓力都可以根據(jù)鑄件的大小、結(jié)構(gòu)和性能要求來選擇，所以可適用于各種鑄型，但基本仍以金屬型和砂型用得最多。為了達(dá)到提高鑄件表面質(zhì)量等一系列目的，在低壓鑄造中使用涂料是十分重要的手段。
使用鑄造涂料的一個(gè)重要目的，就是降低鑄件表面粗糙度。通過改善鑄型工作表面的質(zhì)量，還可以減少粘砂、砂眼、麻點(diǎn)等鑄造缺陷。另外，涂料還有其它重要作用。
1）涂料中的有機(jī)物和其他易分解成分受熱分解，為型腔創(chuàng)造特定的、恰當(dāng)?shù)臍夥?，以防止鑄件表層增碳或被氧化。
2）調(diào)整鑄件的表面成分和表面結(jié)構(gòu)。
3）為某些剛性較強(qiáng)的鑄型提供一個(gè)變形層，以削弱鑄件的內(nèi)應(yīng)力，減少開裂，并可以改善鑄型的排氣條件。
4）為金屬型提供保護(hù)層，從而提高鑄型使用壽命。
5）改變鑄型各部分的熱導(dǎo)率，從而便于實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固。
6）作為分模劑和潤滑劑，便于金屬型的開合模和鑄件的取出。
由于本模具為金屬型模具且屬于厚大件，所以涂料粒度不宜過細(xì)，且粒度分布集中。選用石墨基的涂料。
5 邊模的加工工藝設(shè)計(jì)
5.1 定位基準(zhǔn)的選擇
定位基準(zhǔn)的選擇在工藝規(guī)程制定中直接影響工序數(shù)目、各表面的加工順序、夾具結(jié)構(gòu)及零件的精度。
定位基準(zhǔn)分粗基準(zhǔn)和精基準(zhǔn)，用毛胚上未加工的表面作為定位基準(zhǔn)稱為粗基準(zhǔn)，使用經(jīng)過加工的表面作為定位基準(zhǔn)稱為精基準(zhǔn)。在制定工藝規(guī)程時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行精基準(zhǔn)的選擇，保證各加工表面按圖紙要求加工出來，再考慮用什么樣的粗基準(zhǔn)來加工精基準(zhǔn)。
5.1.1 精基準(zhǔn)的選擇原則
1) “基準(zhǔn)重合”原則：盡量選擇加工表面的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)作為定位精基準(zhǔn)。
2) “基準(zhǔn)統(tǒng)一”原則：若工件以某一組表面作為精基準(zhǔn)定位，可以比較方便地在各工序中加工出大多數(shù)或所有其他表面，則應(yīng)盡早把這一組基準(zhǔn)表面加工出來，并達(dá)到一定精度，在后續(xù)工序中均以其作為精基準(zhǔn)加工其他表面。
3) “互為基準(zhǔn)”原則：對(duì)某些位置精度要求高的表面，可以采用互為基準(zhǔn)，反復(fù)加工的方法來保證其位置精度，這就是“互為基準(zhǔn)”的原則。
4) “自為基準(zhǔn)”原則：對(duì)一些精度要求很高的表面，在精密加工時(shí)，為了保證加工精度，要求加工余量小而且均勻，這時(shí)可以已經(jīng)精加工過的表面自身作為定位基準(zhǔn)，這就是“自為基準(zhǔn)”的原則。
5) 便于裝夾的原則
5.1.2 粗基準(zhǔn)的選擇原則
1) 保證相互位置要求原則：如果必須保證工件上加工表面與不加工表面的相互位置要求，則應(yīng)以不加工表面作為粗基準(zhǔn)。
2) 余量均勻分配原則：如果首先要求保證工件某重要表面加工余量均勻時(shí)，應(yīng)選擇該表面的毛胚面作為粗基準(zhǔn)。
3) 便于工件裝夾原則：選擇粗基準(zhǔn)應(yīng)使定位準(zhǔn)確、夾緊可靠、夾具結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。
4) 粗基準(zhǔn)在一個(gè)定位方向上只允許使用一次原則：在兩次工件裝夾重復(fù)使用同一粗基準(zhǔn)，會(huì)出現(xiàn)較大的位置誤差
5.1.3 精基準(zhǔn)和粗基準(zhǔn)的確定
1) 精基準(zhǔn)：A表面
如圖示零件許多加工面與A表面有形位公差要求，并且A面要比較光滑和平整，所以以其為精基準(zhǔn)可以保證零件的加工要求。
2) 粗基準(zhǔn)：外面四個(gè)端面
5-1輪轂邊模圖
5.2 邊模表面加工工序確定
5.2.1 加工工序順序的原則
1) “先基面后其他”原則：前工序?yàn)楹竺婀ば驕?zhǔn)備好定位基準(zhǔn)，故先盡量把精基準(zhǔn)加工出來。
2) “先主后次” 原則：先安排只要表面（指裝配基面、工作表面等），后安排次要表面（指鍵槽、螺釘孔等），但要放在最終的精加工和光整加工之前。
3) “先粗后精”原則：主要表面的粗、精加工要分開，按照粗加工——半精加工——精加工——光整加工順序安排工序。
4) “先面后孔”原則：由于平面定位比較穩(wěn)定，裝夾方便，一般零件多選用平面為精基準(zhǔn)，因此總是先加工平面后加工孔。但有些零件平面小，不方便定位，則應(yīng)先加工孔。
5.2.2 加工階段的劃分
按加工性質(zhì)和目的不同，工藝過程一般可劃分為粗加工、半精加工、精加工和光整加工四個(gè)階段。劃分原因是：
1) 保證加工質(zhì)量、粗精分開，有利于減少力和熱對(duì)精加工的影響；
2) 及早發(fā)現(xiàn)毛胚缺陷；
3) 便于安排熱處理工序；
4) 合理安排使用機(jī)床。
下列情況可不劃分加工階段：
1) 加工精度要求不高、剛性足夠；
2) 加工余量不大的工件；
3) 裝夾、運(yùn)輸不便的重型零件。
5.2.3 邊模的工藝路線
邊模是輪轂?zāi)＞咧械闹匾慕M成部分，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力情況明顯，精度要求又比較高，邊模的加工精度直接影響到整個(gè)模具的精度和零件的成型，因此邊模加工工藝有著重要意義。
為了加工適合的邊模，采用了兩各方案進(jìn)行對(duì)比篩選。方案一為組合加工，工藝為：領(lǐng)料——退火——檢驗(yàn)——粗加工各面——精加工基準(zhǔn)面——半精加工各要求面——?jiǎng)澗€——鉆孔攻螺紋————淬火、低溫回火——去毛刺——加工精——研磨——線切割。方案二為單個(gè)加工，工藝為：領(lǐng)料——退火——檢驗(yàn)——粗加工各面——半精加工各面——?jiǎng)澗€——鉆孔攻螺紋——淬火低溫回火——去毛刺——精加工各面——研磨。方案二與方案一對(duì)比，方案二單個(gè)加工很難保證每塊的精度一至，組裝時(shí)會(huì)有很大偏差；加工繁瑣，很多工序可以一道完成，而方案二卻要一個(gè)一個(gè)來，嚴(yán)重降低生產(chǎn)效率，成本也增加，所以邊模的加工工藝選擇方案一。
5.2.4 邊模的工藝規(guī)程
工序00 領(lǐng)取鍛造毛坯
工序05 調(diào)度，退火處理
工序10 調(diào)度，檢驗(yàn)毛坯尺寸，和強(qiáng)度
工序15 銑削，銑外表面，保證其粗糙度為Ra3.2
工序20 銑削，粗銑粗基準(zhǔn)面
工序25 銑削，銑精基準(zhǔn)面，保證其粗糙度為Ra1.6
工序30 銑削，銑個(gè)要求面，保證垂直度，平行度和尺寸要求
工序35 銑削，銑削表面凹槽，粗糙度為Ra1.6和尺寸要求
工序40 車工，車內(nèi)輪廓面，保證尺寸要求
工序45 銑削，銑削內(nèi)輪廓臺(tái)階面，保證粗糙度為Ra1.6，平行度和尺寸要求
工序50 車工，鉆孔，攻螺紋
工序55 鉗工，去毛刺，挫修孔，留研磨量
工序60 熱處理，淬火、低溫回火，硬度44～48HRC
工序65 平磨，精磨上、下平面
工序70 鉗工，去毛刺，研磨內(nèi)孔
工序75 檢驗(yàn)
工序80 線切割，將其分成四塊
工序85 檢驗(yàn)
工序90 油封入庫
6 總結(jié)
1) 摩托車輪轂屬于生產(chǎn)工藝成熟的零件，在實(shí)際生活中有很多生產(chǎn)汽車或摩托車輪轂的工廠。但在設(shè)計(jì)中沒有進(jìn)行實(shí)地考察，留下很大遺憾，對(duì)摩托車輪轂的生產(chǎn)過程，以及模具的認(rèn)識(shí)都是通過指導(dǎo)老師的講解、查閱書籍、網(wǎng)上搜索資料等了解。為了對(duì)零件盒鑄造模具設(shè)計(jì)中的一些基本結(jié)構(gòu)的有所了解，在這次