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摘 要
作為目前最為重要的交通工具，人們的生活以及社會經(jīng)濟的發(fā)展已經(jīng)完全離不開汽車。而車輪作為汽車的重要組成部分，對汽車的整體性能和質(zhì)量也起著非常關(guān)鍵的作用，車輪的生產(chǎn)制造也備受汽車行業(yè)的關(guān)注。目前汽車都在朝著更加輕量化，經(jīng)濟化的方向發(fā)展，如何在不增加生產(chǎn)成本的情況下解決這些問題，這是一個非常關(guān)鍵的課題。采用鋁合金鍛造而成的車輪就剛好滿足這些條件。鋁合金材料密度小，同等體積下比剛的質(zhì)量輕，而且鋁合金的剛度也能滿足作為汽車車輪的要求。本次設(shè)計主要研究和探討鋁合金車輪的鍛造流程以及工藝方法，和鍛造模具的設(shè)計。制定了不僅能夠盡量節(jié)約原材料又能保證其產(chǎn)品優(yōu)良質(zhì)量和良好性能的適合工廠車間大批量生產(chǎn)的工藝方法，對之前的鍛造工藝進行了改良和更新。通過對車輪結(jié)構(gòu)特點和性能的認真分析，設(shè)計出了相應(yīng)的模具，又對其各項性能指標進行了較為科學(xué)的檢驗校核，并以CAD圖紙及三建模的形式進行了展示說明。本次設(shè)計對于鋁合金車輪的工廠化生產(chǎn)來說，原料的節(jié)約性、產(chǎn)品性能的優(yōu)良性以及市場考量性方面都非常具有參考應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：鋁合金；鍛造；模具
I
ABSTRACT
As the most current means of transport, people's lives and socio-economic development has been completely inseparable from the car. The wheel as an important part of the car, the overall performance and quality of the car also plays a very critical role in the production of the wheel is also much concerned about the automotive industry. At present, cars are moving in a more lightweight, economical direction, how to solve these problems without increasing the cost of production, which is a very critical issue. The use of aluminum alloy forged wheels just to meet these conditions. Aluminum alloy material density is small, the same volume than the just light quality, and the rigidity of aluminum can also meet the requirements as a car wheel. The design of the main research and discussion of aluminum alloy forging process and process methods, and forging die design. Has developed a process that is not only able to save raw materials as well as to ensure the excellent quality and good performance of the products, but also to improve and update the previous forging process. Through the careful analysis of the characteristics and performance of the wheel structure, the corresponding mold is designed, and the performance of the mold is checked and checked. The drawings are illustrated by CAD drawing and three modeling. This design for the aluminum alloy wheels of the factory production, the conservation of raw materials, product performance, excellent and market considerations are very valuable reference value.
Key Words：Aluminum alloy；Frging；Mold
II
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
2 車輪成型工藝 1
2.1 汽車車輪的制造工藝 1
2.2 鋁合金車輪的制造工藝 2
2.3鋁合金車輪的鍛造 2
3 車輪鍛件設(shè)計 4
3.1 變形力計算和液壓機的選取 4
3.2 選取分模面 4
3.3 車輪鍛造模鍛的斜度和圓角半徑 5
3.4 鍛件結(jié)構(gòu)的設(shè)計 6
3.5 鍛造過程中工藝參數(shù)的影響 7
4 模具設(shè)計 9
4.1 預(yù)鍛模具的主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計 9
4.2 預(yù)鍛上模的結(jié)構(gòu)設(shè)計 11
4.3 預(yù)鍛下模的結(jié)構(gòu)設(shè)計 12
5 模具結(jié)構(gòu)強度校核 13
5.1 模具受力分析 13
5.2緊固螺栓強度校核 13
5.3預(yù)緊罩抗拉檢驗 14
6 結(jié)論 15
1 緒論
車輪作為汽車的最重要的部件之一,其與整個汽車行業(yè)的發(fā)展又不可區(qū)分的緊密聯(lián)系。一輛汽車性能的好壞很大程度上受到車輪的影響，優(yōu)良質(zhì)量的車輪會很大程度上提高整輛車子的性能。隨著機械材料科學(xué)的進步，鋁合金的制造技術(shù)也已經(jīng)相當成熟，且已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著原料成本的降低、成型技術(shù)的進步、防腐工藝的提高，鋁合金車輪在汽車輕量化進程中也將扮演越來越重要的角色。目前國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了很多鋁合金車輪生產(chǎn)企業(yè)，這些廠家的生產(chǎn)技術(shù)也已經(jīng)相當?shù)爻墒?，形成了向世界上各個大型汽車制造企業(yè)供應(yīng)鋁合金車輪成品的供應(yīng)關(guān)系。幾乎每家車輪生產(chǎn)廠家也都十分重視鋁合金車輪生產(chǎn)技術(shù)的改進和發(fā)展。隨著社會的進步和人們生活水平的提高，精致、美觀、大方的汽車造型也越來越受到人們的喜愛。大直徑的車輪相對于小直徑的車輪來說更受到消費者的熱捧，因為其更能凸顯出現(xiàn)代化的潮流，這就要求在能增加車輪直徑的情況下又不會增加車輪本身的重量，同時又能保證良好的機械性能，所以具有輕質(zhì)特征的鋁合金自然是首選材料。減小車輪的質(zhì)量和提高強度, 一般都采用鍛造的工藝和組裝式的工藝來生產(chǎn)車輪, 可以減小質(zhì)量百分之二十左右。當然還可以采用高強度的鎂氖金和欽合金來制造車輪, 但這樣會大大地增加生產(chǎn)成本。我國的鋁合金型車輪的制造一般是采用低壓鑄造以及重力式鑄造為主, 其他一些較為先進的制造工藝目前基本上還未采用。首先是因為鍛造車輪高質(zhì)量, 已經(jīng)受到相當多的廠家重視并應(yīng)經(jīng)采用到實際的生產(chǎn)當中, 比如美國的鋁業(yè)公司的車輪組裝的工藝已經(jīng)被很多的生產(chǎn)廠家的重視。這種生產(chǎn)工藝目前在德國已經(jīng)發(fā)展成為相當成熟的技術(shù)了。比如液態(tài)鍛造和半固態(tài)的鍛造, 在很多國家已經(jīng)是相當成熟的技術(shù)了,尤其是大規(guī)格的輕量化的車輪, 一般有這樣的工藝需求,由于不管什么類型的鍛造成型生產(chǎn)技術(shù), 對于鋁合金車輪來說,它的力學(xué)性能一定是比同一類型規(guī)格鑄造式車輪會提高至少百分之十八 以上,這樣還可以很大程度上減小車輪的質(zhì)量。目前, 這種鍛造而成的車輪一般應(yīng)用于大型和中型的載貨汽車以及大中型的客車上,尤其是豪華型客車上的應(yīng)用相當多, 同時也在不停地向普通的轎車領(lǐng)域應(yīng)用延伸, 相信這種新的生產(chǎn)技術(shù)將會在我國國內(nèi)的一些有實力的鋁合金車輪生產(chǎn)企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。
2 車輪成型工藝
2.1 汽車車輪的制造工藝
目前為止,一般在市場上出現(xiàn)的車輪從其生產(chǎn)的工藝來區(qū)分，可以把它們分類為鑄造車輪以及鍛造車輪。對于鍛造車輪來說,它的加工成本可能比較高一些，它的綜合性能以及非常高的產(chǎn)品的附加價值讓鍛造而成的車輪在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域有很高的關(guān)注度和使用率,因為它是由鋁合金生產(chǎn)而成的,所以它的質(zhì)量比起鋼制車輪會大大降低。將來汽車生產(chǎn)的市場也會越來越大，這種鍛造車輪一定會是生產(chǎn)廠家的第一選擇。相比之下，鑄造車輪會受到其材料、工藝限制，所以會需要大大增加車輪輪輻壁的厚度來保證車輪在行駛過程中中的安全性，因此也沒有辦法避免鑄造的鋁車輪的輕量化的問題。
最近的這幾年，車輪的鑄造生+產(chǎn)工藝也漸漸地的和其他類型的工藝整合在一起，
彌補了各自工藝的不足，比如將鑄造工藝和旋壓成形工藝結(jié)合，先通過鑄造生產(chǎn)出相應(yīng)毛坯，之后再通過旋壓機將其旋壓成形，進而加工出輪輞。如果根據(jù)車輪結(jié)構(gòu)形式來區(qū)分，也可以把鋁合金車輪化分為整體式、組裝式。一般來說整體式的車輪的輪輻以及輪輞在整個加工的過程中一直都是是作為一個整體來進行的。但是不同的是，組裝式的車輪則一般是把車輪的輪輻、輪輞分開來加工，之后會通過相應(yīng)的焊接或者是鉚接的方式將其組裝一起。但是一般來說組裝式的車輪在一些部位的連接處一般會經(jīng)常出現(xiàn)一些缺陷從而嚴重地縮短了該車輪正常的使用年限，所以人們一般更情愿去選擇使用綜合而言力學(xué)性能會更優(yōu)良的整體式的車輪。
2.2 鋁合金車輪的制造工藝
目前為止,市場上的鋁合金車輪主要分為鑄造車輪和鍛造車輪為主,但是至少百分之八十以上的的車輪都是由鑄造而成的,不管是國外還是國內(nèi),這種現(xiàn)象都普遍存在。一方面是因為鑄造車輪的生產(chǎn)工藝已經(jīng)相當成熟，且得到了市場廣泛的認同；另一方面則是因為鍛造鋁合金技術(shù)比起前者而言，其生產(chǎn)技術(shù)成熟比較晚，而且生產(chǎn)制造的成本也比較高，所以許多生產(chǎn)廠家在考慮生產(chǎn)成本的前提下往往會選擇鑄造鋁合金車輪。但是相對鑄造成型的鋁合金來說，由鍛造成型的鋁合金車輪不論是在機械性能上還是抗疲勞的性能上都遠遠優(yōu)于前者，但是鍛造成型的鋁合金車輪的高成本性，其在生產(chǎn)上還未大規(guī)模地推廣。
2.3鋁合金車輪的鍛造
鍛造鋁合金車輪的生產(chǎn)工藝流程如圖2-1 所示.分坯料鋸切、熱處理、鍛造成型、毛刺處理、最終熱處理、加工以及表面處理和最后驗收。
圖2-1
鍛造車輪生產(chǎn)流程示意圖
輪轂的鍛造工藝思路如下：
1.切料：將鋁條切割成制造輪轂所需的尺寸。
2.首先要進行鋁棒預(yù)熱，在加熱后的爐子中把之前加工分割好的棒形鋁材進行加熱，加熱到一定的溫度。材料達到平衡溫度，然后進行鍛造作業(yè)。
3.預(yù)鍛：通過鍛壓機，把提前加熱好的鋁料直鍛成毛胚以鍛壓機，將預(yù)熱的鋁材以直鍛方式，鍛壓成毛胚。
4. 終鍛：將預(yù)鍛成型的毛坯鍛件進行最終的成型鍛造。
5. 輪轂車加工及熱處理等后工序。
6. 車輪成品的性能標準檢測。
該工藝過程具有以下一些特點：
（1）由于鍛造工藝是閉式模鍛，為了保證毛坯的體積精度，所以在毛坯和鍛件之間增加檢查步驟，確保鍛件和模具壽命。
（2）利用鍛造實現(xiàn)輪輞鍛件的成形，毛坯在鍛造過程中的溫度變化不是，金屬流動性能好，變形阻力小，對設(shè)備噸位的要求也非常小，成型后鍛造具有非常優(yōu)良的內(nèi)部組織以及纖維組織的流線。
（3）采用新技術(shù)鍛造出的鋁合金輪轂，比一般熱鍛生產(chǎn)的鋁輪輞的力學(xué)性能較好，材料的利用率也顯著提高。
為了減少車輪的制造成本，縮短生產(chǎn)工藝流程，所以本次設(shè)計的鋁合金車輪采用的是整體式鍛造的方式進行。
最終成品如圖2-2：
圖2-2
鋁合金鍛造車輪成品
3 車輪鍛件設(shè)計
3.1 變形力計算和液壓機的選取
鍛造鍛造所需的鍛壓是模具設(shè)計的重要參數(shù)，模具材料也是重要依據(jù)。影響鍛造鍛造壓力，坯料變形溫度等因素，以及模具潤滑和坯料高度，直徑，金屬變形阻力，設(shè)備加載速度和模具結(jié)構(gòu)等因素等將相當大地影響鍛造壓力的程度，而金屬變形抗力及其鍛造變形率以及材料的變形和鍛造程度。使用合適的噸位鍛造設(shè)備對于確保鍛造質(zhì)量，生產(chǎn)效率和模具壽命也很重要，設(shè)備安全也非常重要。
液壓機鍛造的壓力可以根據(jù)公式粗略計算：
P=zmFq （3.1）
其中z是變形系數(shù)
M是毛坯的體積系數(shù)
F是與變形方向垂直的平面投影面積
Q是最終變形條件下相應(yīng)的單位壓力，MPa
P = 1.8×0.6×3.14×275×275×100 = 25.64MN（2564t）
鑒于設(shè)備的安全性，可以選擇4000t液壓機生產(chǎn)這種鋁合金車輪。
3.2 選取分模面
選取分模面的方式對于整個鍛造過程來說是非常關(guān)鍵的,一般來說,在鋁合金鍛的工藝中,因為鋁合金車輪鍛件的形狀類似于大寫字母“U”形，為了使在鍛壓的過程中，保持金屬材料在鍛壓時的流動性，能夠充分地充滿整個模腔，還要考慮到在鍛造完成時便于分模，另外，金屬材料在鍛造過程當中其金屬的流動方向?qū)τ谧罱K鍛造出的鍛件的性能影響還是很大的，當金屬流動的方向與鍛件結(jié)構(gòu)的延伸方向保持一致時，那么鍛造出來的產(chǎn)品的性能質(zhì)量也是有保證的。所以，根據(jù)這些條件，綜合考慮各方面因素之后，本次車輪的鍛造，其分模面的的選取 應(yīng)該是車輪外沿部分邊緣的平面，如圖3-1。
圖3-1
鍛件分模面
3.3 車輪鍛造模鍛的斜度和圓角半徑
在鍛造設(shè)計的設(shè)計中，為了方便模具從模具槽出來，一般將側(cè)壁指向及其壓力指向保持一定的偏差。一般來說，一般分為兩種：其中一種是鍛造結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，鍛件的邊壁上要設(shè)計為一個合適斜度的坡度。第二種則是根據(jù)鍛件本身的特點，這樣的斜度被稱做自然的斜度，然而，對于鍛造而言，在鍛模后，由于模具側(cè)面的力會產(chǎn)生垂直向上的
力，使得填料罐中的金屬阻力增加，模鍛斜度變大將會大大增加金屬的使用量。因此，應(yīng)確保鍛件在平穩(wěn)的前提下出模，模具鍛造斜度應(yīng)盡最大可能選擇盡可能小，而在同一鍛造時應(yīng)盡量使用相同的鍛模坡度。由于模腔深，避免與鋁合金在高溫下粘附。另外鋁
合金車輪在鍛造過程中鍛造由于熱膨脹和收縮，鍛件和模具會產(chǎn)生一定的緊固力，對于鍛件的出模會產(chǎn)生很大的不利條件。因此，在冷鍛件的設(shè)計中，在內(nèi)斜邊緣的內(nèi)側(cè)應(yīng)設(shè)計為1°斜斜度，在輻條的一側(cè)具有9自然斜率。
在模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，模具腔不允許產(chǎn)生銳角或鋒利的邊緣，因為這樣易于使模具在熱處理或模鍛過程中由于應(yīng)力集中所以最終產(chǎn)生開裂，影響模具使用壽命。
此外，模具結(jié)構(gòu)中的鋒利邊緣和尖角也影響模具腔中的金屬的流動和充分填充，對鍛件來說，將會影響其質(zhì)量。一般在模具設(shè)計中，所有模鍛件轉(zhuǎn)接處都會采取圓弧過渡。對鍛件而言，凸圓角通常由r表示為半徑。其原因主要是為了防止模具鍛造，并且當由于其應(yīng)力太集中而導(dǎo)致熱處理完成，使得模具具有破裂現(xiàn)象。這也可以使金屬填充整個槽的模具，對于其凹角圓角半徑，一般使用R將被表示。其效果是使金屬容易流動并填充空腔，也為了避免鍛件會出現(xiàn)折疊現(xiàn)象以及模具的型腔因壓力過大而發(fā)生塌陷。
為了確保鍛件的質(zhì)量得到充分保證，設(shè)計人員應(yīng)使凸圓角的半徑遠小于設(shè)計過程中凹圓角的半徑通常采用R（2?3）r，因為鋁合金在鍛造時，附著力大、流動性差，所以比例應(yīng)該采用上限，設(shè)計冷鍛造圖時，凸圓半徑r3mm、凹角圓R 6mm。
3.4 鍛件結(jié)構(gòu)的設(shè)計
圖3-2
鋁合金車輪的預(yù)鍛
首先要根據(jù)最終的產(chǎn)品設(shè)計出終鍛毛坯圖，然后依據(jù)終鍛毛坯圖設(shè)計出預(yù)鍛毛坯圖，
考慮到零件的加工的余量，制造的公差，以及鍛造的余塊和模鍛的斜度等因素設(shè)計而成。熱鍛是模具和模具的設(shè)計和制造的基礎(chǔ)。由于金屬具有熱膨脹和收縮的特點，因此在鍛
造熱鍛圖的設(shè)計中，必須要考慮到終鍛時金屬收縮比率。該材料使用的鍛造金屬為6061鋁合金，這種鋁合金材料在最終鍛造過程中的溫度收縮率為1.7％。鋁合金輪輞鍛件需要經(jīng)過鍛造，旋壓，去毛刺和加工，根據(jù)總體積相同的原理，輪的體積和每個過程中消
耗的材料體積之和應(yīng)該和鍛件毛坯的體積保持一致。根據(jù)鋁合金邊緣等溫鍛造工藝的發(fā)展，鍛造的結(jié)構(gòu)的尺寸應(yīng)當滿足以下要求：
（1）由于輻條的外表面在鍛造后不再加工，因此必須確保輻條的外側(cè)表面鍛件的表面的質(zhì)量以及鍛造的精度可以滿足使用中車輪的要求。
（2）在滿足國家統(tǒng)一標準要求的前提下,車輪軸方向上的高度一般應(yīng)當越短越好,這有助于在鍛造成型期間填充邊緣部分。
（3）在閉式模鍛的設(shè)計制造過程中,在毛坯定位方面也要做相應(yīng)的要求,所以,在毛坯設(shè)計以及模具設(shè)計時,模具中毛坯的定位必須經(jīng)過仔細的研究計算。
3.5 鍛造過程中工藝參數(shù)的影響
鋁合金輪轂鍛造工藝的設(shè)計非常重要。鍛造設(shè)備的噸位根據(jù)成形力選擇，成形力與鍛造設(shè)備的噸位相同。在計算中通常用來計算一些經(jīng)驗公式，計算結(jié)果與實際值有一定的誤差。
鍛造溫度對鍛造成形力的影響：
在鍛造輪轂之前，應(yīng)該先把坯料以及模具提前加熱，直至之前計算設(shè)置的溫度范圍，坯料和模具的溫度應(yīng)等于或相近于加熱溫度的大小，根據(jù)鋁合金鍛造溫度范圍選擇。一般來說，如果溫度升高，則對于所用材料而言，其屈服極限也會越來越低，塑性就會提高到一定的程度，但是這樣也不能充分地說明坯料較高的加熱的溫度要比較低的加熱的溫度要好很多。對于坯料而言，一旦其加熱的溫度太高的話，在其整個鍛造的期間，鍛件會產(chǎn)生過熱或者過燒的現(xiàn)象，以至于使鍛件的內(nèi)部出現(xiàn)一些質(zhì)量問題，使質(zhì)量品質(zhì)過于低劣，甚至報廢。但是另一方面，一旦溫度過低的話，金屬的流動性將會受到很大的影響，進而影響鍛件尺寸以及形狀。所以，首先應(yīng)該保證在鍛造的過程中坯料不會產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，然后才可以計算設(shè)定鍛造所需的溫度。一般來說，坯料的鍛造溫度越高，鍛造時金屬的流動性越好，塑性越好，設(shè)備的噸位要求越低，鍛造過程中也不會發(fā)生過熱或過燒現(xiàn)象。但是，如果在工廠里進行實際上的生產(chǎn)制造時，鍛造時溫度的選擇也要根據(jù)實際的生產(chǎn)上的成本以及生產(chǎn)條件進行綜合考量。所以，應(yīng)該充分考慮到工廠車間的生產(chǎn)環(huán)境以及設(shè)備條件，然后再適當?shù)剡x取鍛造過程中坯料的溫度，可參考表3-1。
表3-1
鋁合金鍛造溫度范圍
摩擦條件對鍛件成形力的影響：
在鍛造輪轂的過程當中，壓力和溫度都是很高的，坯料和模具之間相互作用的摩擦力也是十分顯著的。通常情況下，模具與鍛料的接觸面積會隨著上模行程的增加也會越來越大。在毛坯成型的整個過程當中，模具和坯料的摩擦力的影響是相當重要的，在鍛造過程當中，所謂的摩擦其實就是金屬毛坯材料表面的流動變形，這種變形只在金屬表層部分發(fā)生。所以一旦摩擦力過大的情況下，容易造成金屬坯料表面發(fā)成分裂，這樣對鍛件的壽命和質(zhì)量都會造成非常不良的后果，所以這種摩擦力的存在非常不利于生產(chǎn)的進行，應(yīng)當在條件所允許的情況下，盡可能地降低這種摩擦力，當然這種摩擦力是不可完全避免的。通常情況下，很多生產(chǎn)制造的過程當中，人們都會在坯料以及模具的表面涂抹上合適的潤滑劑，這樣能夠大幅度地提高坯料表層金屬的流動性，從而提高了生產(chǎn)的效率以及制品的合格率，可參考表3-2。
表3-2
潤滑劑選擇種類參考
變形速度對鍛件成形力的影響：
在一般的條件環(huán)境下，在整個變形過程中，阻礙材料發(fā)生變形的力會越來越大，如果材料的變形速率也越來越快的話。除了這種情況下，在坯料發(fā)生變形的整個過程之中，變形溫度以及熱效應(yīng)也會隨著發(fā)生變形的速度而發(fā)生顯著的一些變化。所以變形速度應(yīng)該作為研究熱變形的關(guān)鍵研究對象，應(yīng)當被著重考慮。所以，在實際的工廠車間生產(chǎn)過程當中，在能夠滿足一定的生產(chǎn)效率的前提下，盡可能的降低鍛造過程中的變形速率，這樣對所制造的輪轂成品的使用壽命和質(zhì)量都會有顯著的提高。
變形的速度對整個鍛造過程的影響是很大的，不僅影響變形力以及變形均勻程度，還會在很大程度上影響鍛件溫度。變形速度不會顯著地影響整體的變形力分布，但是應(yīng)變值的大小會隨著變形速度的變化而發(fā)生明顯的變化，一般來說，其最大值會隨著變形速率的減小而變大，隨其增加而有所減小。一般來說，變形速度越小越好，因為這樣有利于坯料能夠充分填充于整個模具內(nèi)部的模腔，因為增加了金屬坯料的流動性，這種情況更適合于那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求變形情況大的一些金屬零件的加工。
除了這些有利的影響，如果變形速度太大的話也會產(chǎn)生一些不利的影響，比如較大的變形力會導(dǎo)致鍛料內(nèi)部材料產(chǎn)生組織層面上的變化，可能在內(nèi)部出現(xiàn)一些結(jié)晶，這種變化會大大影響最終鍛件的性能和質(zhì)量。
4 模具設(shè)計
4.1 預(yù)鍛模具的主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖4-1
預(yù)鍛模具剖面圖
圖4-2
預(yù)鍛模具俯視圖
模具和坯料所用的金屬材料不同，所以它們在相同溫度下的收縮率一般也不同。同樣是在四百五十攝氏度的條件環(huán)境下，6061型號的鋁合金的收縮率是百分之一點七，而上模和下模所用的模具材料的收縮率是百分之零點七二，這種差異還是相當明顯的。在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程當中冷鍛時的結(jié)構(gòu)尺寸與模具的型腔尺寸之間的相關(guān)性如下：
L×（1+δ ）=L1×（1+σ1） （4-1）
L1=L1+σ1+σ1
其中，模具尺寸用L1表示，冷鍛尺寸用L表示，冷鍛材料收縮率用σ來表示，模具收縮率用σ1來表示。
圖4-2
模具三維圖
4.2 預(yù)鍛上模的結(jié)構(gòu)設(shè)計
在鍛造的工藝過程當中，對于坯料和鍛模而言，它們之間沒有其他分割物，屬于緊接觸狀態(tài)，鍛造時，在溫度的大小上，坯料的溫度與上模的溫度屬于相等的。在材料的要求方面，材料標準要求比較高的是用來制造凸模的材料，該材料必須具備下面的幾種特點：
第一點：即使在溫度非常高的狀態(tài)，凸模材料的耐磨特性以及其硬度也會保持非常高的狀態(tài)。
第二點：抗沖擊性能方面一定要好，避免在強度沖擊條件下凸模發(fā)生崩裂。
第三點：在高溫工作的狀態(tài)下，材料容易發(fā)生氧化和疲勞現(xiàn)象，對于鍛造過程當中，這種現(xiàn)象時必須要避免的。
第四：一般來說，在溫度變化的過程當中，對于材料而言，其屈服強度也在發(fā)生著變化，包括模具的材料以及鍛件的材料，為了使鍛造過程正常進行，一定要保證：
δs=(2.5~3)δb
δs表示模具屈服強度;
δb表示鍛件極限強度。
第五點：因為在生產(chǎn)過程當中，模具有一定的溫度范圍要求，為了達到這種溫度狀態(tài)，使鍛造工藝過程順利進行，所以在淬透性以及導(dǎo)熱性方面必須要滿足要求
根據(jù)鍛件鍛造工藝以及結(jié)構(gòu)方面的特點，設(shè)計中心孔時，應(yīng)該把位置選擇于上模中心處，這樣做可以在下模芯處形成用于定位的坯料。除此之外如果鍛造體積小于非鍛造空間的體積，剩下的坯料將會自動被排擠在模具孔處，并且位于孔中心的位置。這樣做的目的是為了使模膛中用于鍛造鍛件的金屬坯料的量度剛剛好，避免因材料體積過大，而影響整個鍛造過程的順利進行。
模具上的加熱設(shè)備位于上模的最下面，在鍛造開始之間，通過這種加熱裝置時模具達到要求的鍛造溫度狀態(tài)，對于凸模的圓角以及其他邊部的斜度一定要根據(jù)鍛件的形狀來設(shè)計如圖4-3所示。
圖4-3
凸模
4.3 預(yù)鍛下模的結(jié)構(gòu)設(shè)計
在整個加工鍛造過程當中，模具的下模的工作溫度狀態(tài)與上模的工作溫度狀態(tài)是一樣的，所以制造下模所用的材料與上模所用的材料是一樣的，采用的都是在熱處理之后，硬度為HRC52?58 3Cr2W8V的材料。根據(jù)鍛件的結(jié)構(gòu)特征，經(jīng)過研究分析，可以采用整體式下膜結(jié)構(gòu)，在預(yù)鍛過程當中，預(yù)鍛之后所形成的鍛件的凹形結(jié)構(gòu)也并不是十分明顯，完全可以進行直接脫模，所以，為了使模具的設(shè)計制造更簡單明了，采用整體式下模結(jié)構(gòu)。關(guān)于下凸模的倒角以及其他傾斜度方面，在鍛造師時，凹模承受的壓力要比凸模的大，為了防止在高溫高壓力的鍛造狀態(tài)下下模棱邊過于尖銳而使鍛件發(fā)生沖擊性爆裂，所以要再保證金屬坯料能夠完全充滿下模模膛的情況下進行設(shè)計。 另外，為了便于脫模，凹模應(yīng)采用組合式，設(shè)計如圖4-4所示。
圖4-4
凹模
5 模具結(jié)構(gòu)強度校核
5.1 模具受力分析
近年來成型工藝一直在發(fā)展中，對于模具的工作條件等要求也越來越高，并且這些因素也直接對模具的壽命有很大的影響，好的工作環(huán)境可以很好地保護模具可以延長磨具的使用年限，同時好的工作場所對于模具生產(chǎn)產(chǎn)品也是至關(guān)重要的。對于惡劣的模具生產(chǎn)場所會導(dǎo)致模具需要維修狐貍的周期短，進一步提高了造價，同時也將一定程度上影響工作效率。因此模具壽命的延長問題對于研發(fā)者是重要的一個環(huán)節(jié)。模具分為上模和下模，在生產(chǎn)產(chǎn)品時，下模收到的沖擊更大，而收到的壓力方向一般指向背離圓心的方向上，因此對于模具下模設(shè)計的時候一定要之一做好關(guān)于抗拉強度的校核工作，以此來確保模具是否滿足條件。
5.2緊固螺栓強度校核
通常情況下鍛造出模的工件時，會因為熱漲泠縮的原因使件7產(chǎn)生一個包套力作用在模具的上模上，這個力會阻止磨具的打開，模具打開工程中必須要克服這個離才能使
模具打開，設(shè)計的模具是通過螺栓來連接上模和下模的，模具中的螺栓必須要克服上模因為自身質(zhì)量而產(chǎn)生的重力和上文提到的包套力，此時也要校核螺栓收到的力。
因為現(xiàn)在還沒有該種模具需要的公式，因此將液態(tài)鍛件的相關(guān)公式作為模具克服重力和包套力的參考公式如下公式：
P=E1 α(T-T')t2r+μt A (μmcosθ-sinθ) (5-1)
通過對相關(guān)資料的了解來對各公式參數(shù)進行確定，如：
E1=68.9GPa；
線性膨脹系數(shù)α=23.6×10-6/℃；
上模和車圈的摩擦系數(shù)為μm=0.32；
上模面積A=2πrh=3.1×105mm2；
泊松比為μ=0.31；
r為上模的半徑為235mm；
θ為脫模斜度數(shù)值取10°；
T為鍛件開始的溫度為450℃；
T′為出模時的溫度取值為440℃；
T為鍛件的總厚度取值為7.5mm；
根據(jù)上文公式進行計算螺栓的校核公式，其中：
P=7.9×104N
G=ρVg=5616N；
螺釘拉力為6*1.4×104N；
將以上數(shù)據(jù)代入公式計算螺栓的強度校核：
d1≥4×3F0πσ (5-2)
其中公式中的F0代表的是單個螺栓的受力，F(xiàn)0取值為14N。
但是通常情況下，模具在工作時會使溫度升高，螺栓將會在高溫下工作，因此在選擇螺栓的材料時要盡量選用耐高溫的材料作為螺栓的材料，在取安全系數(shù)時也喲啊盡可能地取大值，這樣就盡可能的保證了模具在工作時不會出現(xiàn)安全的問題，將螺栓的σ值800MPa代入公式中得出d1≧16.72mm，而本文中螺栓選取的是M30，綜上所述螺栓滿足條件。
5.3預(yù)緊罩抗拉檢驗
通常模具在工作工程中凹模的側(cè)面會承受一個相當大的擠壓力，在這個前提下設(shè)計磨具結(jié)構(gòu)的得時候要約束凹模，對于凹模的約束可以用遇緊罩進行約束，這樣做的目的
是保證不會裂開凹模，這樣遇緊罩的強度分析就顯得格外的重要，遇緊罩的強度將直接對磨具的壽命和模具生產(chǎn)的產(chǎn)品有重要影響，如下為預(yù)緊罩強度校核計算：
圖5-1
預(yù)緊罩
σb=Fsinθμs≤σb (5-3)
其中公式中：F為預(yù)緊罩收到的凹模的力，
從上文應(yīng)力分析得知F取值為1.725 ×10KN
Θ為預(yù)緊罩接觸面和凹模形成的角度取值為77°
S取值為18317mm2
安全系數(shù)μ=1.5
將查閱相關(guān)資料[σb ]=1650MPa進行相關(guān)計算σb =1376MPa￡[σb ]=1650MPa，根據(jù)上文可以得出模具滿足強度要求。
6 結(jié)論
這次論文的設(shè)計研究主要是對鋁合金輪轂的鍛造工藝以及其鍛造模具進行設(shè)計，制定了一種全新的適合應(yīng)用于工廠車間生產(chǎn)制造的一整套制造工藝流程，能夠大大地提高鋁合金車輪鍛件的生產(chǎn)效率，使其產(chǎn)品壽命以及質(zhì)量都將會顯著地提升。另外，這種制造車輪的工藝方法也會很大程度上減少原料的浪費，提高材料的使用率，大大降低生產(chǎn)制造成本。同時，此次設(shè)計也對車輪的力學(xué)性能做出了詳細的分析，在正常安裝后的使用過程當中，能夠保證車輪在力學(xué)性能上的穩(wěn)定性。除此之外，本次論文設(shè)計對鋁合
金車輪鍛造工藝過程當中所需的模具進行了一整套的設(shè)計，完全可以應(yīng)用于生產(chǎn)制造當中。根據(jù)車輪機構(gòu)上的特點，對其設(shè)計過程也作出了相應(yīng)的圖紙說明，其中包括二維的CAD圖紙，以及相應(yīng)的模具三維圖。最后，還對力學(xué)性能做出了相應(yīng)的分析檢測，保證了此次設(shè)計的科學(xué)性。當然，由于知識和相關(guān)實驗條件的局限性，該設(shè)計還具有一些值得進一步完善更新的部分。
參 考 文 獻
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致謝
本文是在老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在剛接觸這個課題的時候，我對汽車車輪及其生產(chǎn)工藝了解的很少，在馬老師的指導(dǎo)下，我查閱了大量的書籍和電子文獻資料，通過學(xué)習(xí)和總結(jié)前人的經(jīng)驗，才對這個課題有了更為系統(tǒng)的認識。無論是在理論方面還是實踐方面，馬老師都給予了我耐心的指導(dǎo)。在設(shè)計鋁合金車輪鍛造模具時，馬老師用他豐富的實踐經(jīng)驗以及理論知識給了我很多幫助，耐心地指出我所設(shè)計的模具中的每一處錯誤，不落下任何一個細節(jié)。這讓我學(xué)到了嚴謹?shù)目蒲袘B(tài)度，獲益匪淺。在此，
致以我最誠摯的敬意與感謝！
33
附錄1：外文翻譯
微通道注塑成型模具設(shè)計
大規(guī)模生產(chǎn)微流體裝置對于其中的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用是重要的一次性設(shè)備被廣泛使用。注射成型是一種眾所周知的生產(chǎn)方法的設(shè)備以大規(guī)模低成本。在這項研究中，注塑過程
適用于制造具有單個微通道的微流體裝置。至提高產(chǎn)品質(zhì)量，采用高精度機械加工制造
的微流體裝置的模具。常規(guī)注塑機是在這個過程中實現(xiàn)的。在不同的模具溫度下進行注模。通過測量部件變形來表征注射件的翹曲。
評估了模具溫度對最終裝置質(zhì)量的影響在零件變形和粘接質(zhì)量方面。從實驗結(jié)果來看，
翹曲和模制件的粘合質(zhì)量之間的一致性被觀察。發(fā)現(xiàn)隨著片的翹曲減小，粘接質(zhì)量下降
增加。接合斷裂壓力的最大值和最小值在相同的模具溫度下發(fā)現(xiàn)翹曲點。這個模具溫度
被命名為設(shè)計的微流體裝置的最佳溫度。它是觀察到在45℃的模具溫度下產(chǎn)生的微流體裝置能夠承受高達74巴的壓力
1介紹
微流體裝置的微尺度和納米級制造是一種學(xué)術(shù)研究和行業(yè)的熱門話題。重復(fù)，高效，大規(guī)模生產(chǎn)的微流體裝置是對于一次性設(shè)備的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用而言至關(guān)重要廣泛使用。當微流體裝置的制造是關(guān)心，基本上有兩種常見的方法：直接基板制造和基于模具的技術(shù)。直接底物制造包括蝕刻，激光燒蝕和機械加工。另一方面，基于模具的技術(shù)包括軟光刻，熱壓花和注射成型。雖然模具的制造可能是復(fù)雜的;一旦模具該模具可以很好地被使用好幾次。之后完成模具，其余的制造程序是簡單且高度可重現(xiàn)（即，低成本復(fù)制）使基于模具的技術(shù)非常適合批量生產(chǎn)。在基于模具的技術(shù)中，注塑成型是一個很好的成型
宏觀尺度的制造工藝（尺寸大于毫米），其中熔化的材料被注入進入模具以獲得所需的形狀。使用的材料一般通過陶瓷和金屬的塑料也可以用塑料模塑粘合劑。在此過程中，材料被供應(yīng)到加熱桶，混合，并強制進入其中冷卻的模具腔并根據(jù)腔體的形狀固化[1]。一旦已經(jīng)制造了一個模具，可以有幾千個零件模仿了很少或沒有額外的努力。產(chǎn)品好
尺寸公差和過程幾乎不需要完成對最終產(chǎn)品的操作?？紤]到這些方面，注射成型是制造零件的流行制造工藝在大規(guī)模上廣泛應(yīng)用于航空航天，汽車，醫(yī)療，玩具和光學(xué)[2]。但是，這個過程是通常不是短期生產(chǎn)的優(yōu)選制造方法由于工具/運營成本，運行或原型設(shè)計注射成型工藝具有復(fù)雜的性質(zhì)瞬態(tài)和涉及幾個傳熱機制，一個階段模具中的變化和時變
邊界條件。而這些挑戰(zhàn)是實質(zhì)性的，過程變得更加復(fù)雜通過材料性質(zhì)和產(chǎn)品的幾何形狀。
注射成型也可以轉(zhuǎn)移千分尺或甚至產(chǎn)品的模具亞微米特征[4]。注塑成型已被用于制造各種微尺度器件及其組件[4-10]以及納流體通道[11]。為了獲得良好的產(chǎn)品質(zhì)量，需要制造模具以便以期望的精度產(chǎn)生期望的特征。模具材料可以是基于聚合物或基于金屬的取決于在復(fù)制過程中。然而，金屬材料是更適合于注塑和熱壓花它們對高壓和高溫的強度
批量生產(chǎn)的變化[5]?？紤]到制造金屬模具，軟光刻，電鍍后[5]或機械加工技術(shù)，如放電可以使用加工和/或微型加工[9]。尤其是，機械加工技術(shù)允許制造模具用于微流體的具有期望精度的多種材料渠道。而且，它們不需要任何潔凈室設(shè)施。Micromilling已被用于制造用于熱壓花的鋁模具[12-14]和聚二甲基硅氧烷（PDMS）成型[15,16]，制造非標準模具插件尺寸或形狀在20-500 lm范圍內(nèi)不同長寬比在3到20之間[12]。通常，微流體中不涉及高壓流程。然而，有一些某些應(yīng)用程序如高高效液相色譜（HPLC）要求高設(shè)備內(nèi)的背壓。焊接質(zhì)量微流體裝置是防止故障的重要參數(shù)（破裂和/或泄漏）由于高的微流體裝置背壓。最大允許背壓（爆裂壓力）為基礎(chǔ)的PDMS（這是常用材料
微流體制造的基于軟光刻的微流體裝置）設(shè)備介于5到10巴之間。但是，使用的
不同的熱塑性材料（如PMMA和環(huán)烯烴共聚物）與熱粘合可能導(dǎo)致更高的允許壓力高達15MPa [6]。爆裂壓力是一個可以通過優(yōu)化來增強重要參數(shù)的成型和粘合條件。一個重要的參數(shù)影響接合質(zhì)量的是表面的翹曲注射部位。然而，翹曲的表征由于復(fù)雜性相關(guān)，注入部件是一個有問題的任務(wù)具有注塑成型工藝的性質(zhì)并沒有被標準化了幾種不同的翹曲表征方法以前已經(jīng)提出過注射成型宏觀尺度[17]。然而，有關(guān)的研究很少具有微特征的部件翹曲的表征[18]。在本研究中，注射成型工藝適應(yīng)于用單個微通道制造微流體裝置。 一個常規(guī)注塑機用于注射成型工藝; 然而，為了獲得所需的產(chǎn)品質(zhì)量，該模具通過高精度制造機械加工。 對于注射產(chǎn)品，翹曲使用光學(xué)測量通孔進行表征顯微鏡 在不同的模具下進行注模溫度，以及模具溫度對質(zhì)量的影響根據(jù)零件變形量對最終裝置進行了評估這與產(chǎn)品的翹曲有關(guān)粘接質(zhì)量。 據(jù)我們所知，這項研究是其中之一在產(chǎn)品翹曲表征方面是少數(shù)的具有微特征和唯一涉及翹曲的研究的產(chǎn)品具有微觀特征和粘接質(zhì)量。
2模具和材料選擇的設(shè)計
有一些關(guān)鍵的設(shè)計規(guī)則要遵循設(shè)計注塑模具。消除尖角在這部分是至關(guān)重要的，因為它們導(dǎo)致了壓力峰值可能導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)品。在注塑中，大多數(shù)問題不是由模具腔的填充引起的脫模過程。如果模具設(shè)計不正確或如果使用不當?shù)某尚蛥?shù)，具有微觀特征的結(jié)構(gòu)
可能會破裂，被撕裂，變形或被毀壞在脫模過程中[19]。脫模過程可以也會導(dǎo)致模具插入物的磨損，并可能損壞微細部分即使在單個循環(huán)之后也可以進行模具插入。介紹a
a的垂直（側(cè)）壁的拔模斜度僅為2度-5度部分顯著減少了脫模力，并允許相對容易地
排出微結(jié)構(gòu)。這個問題至關(guān)重要并且比側(cè)壁的粗糙度更重要具有微特征的產(chǎn)品[19]。另一個重要的問題脫模是在此期間發(fā)生的材料的收縮灌裝和脫模階段之間部分的冷卻[20]。結(jié)果，脫模力成為取向的功能的微結(jié)構(gòu)相對于收縮方向和關(guān)鍵微特征相對于中心的位置
收縮[19]。精細的微結(jié)構(gòu)，像針腳高長寬比可以防止由此產(chǎn)生的剪切力通過包含相鄰輔助結(jié)構(gòu)的收縮它們足夠穩(wěn)定以抵抗這些剪切力[19]。模具是通過考慮上述方法設(shè)計的問題。計算機輔助設(shè)計（CAD）的渲染圖像圖中可以看到模具的拉伸。模具有兩種不同之處微通道特征（微通道結(jié)構(gòu)之一在左上角由橢圓突出顯示）。微通道長度分別為10mm和20mm，寬度為a深度200 lm。這種微流體裝置適用于HPLC應(yīng)用。模具由頂板和底板組成。該入口和出口儲存器開口（直徑2mm）包括在底板（圖1中用黑色突出顯示），以及微通道包括在頂板。為了方便脫模，在側(cè)壁引入5度拔模角微通道和模腔。為了避免turnabout（反向?qū)е骂~外流動阻力的熔化材料的流動）的熔融材料，v形的跑步者被包括在設(shè)計中。還包括作為冷lug井的附加空腔（在圖1中部的橢圓中突出顯示）中
確保使用模具進行多種設(shè)備生產(chǎn)，無需任何污染問題。確保空氣容易順利的填充還引入了通風(fēng)口（圖1中的藍線所示）設(shè)計。為了脫模，用于推銷的外殼被包括在內(nèi)模具（可以看作圖1中的灰色圓圈）。的深度選擇模腔為3mm，這是厚度產(chǎn)品（設(shè)計的細節(jié)以在別處找到[21]）。選擇合適的聚合物進行注射成型微流體組件是設(shè)計過程中的一項微妙任務(wù)用于微流體應(yīng)用，因為考慮如聚合物對可實現(xiàn)的產(chǎn)品公差的影響并令人滿意必須考慮材料性質(zhì)要求[4]。 對于微流體應(yīng)用，設(shè)備很重要材料是化學(xué)惰性的（以避免與此相互作用緩沖溶液中的化學(xué)物質(zhì)），生物相容（避免任何物質(zhì)）與生物顆粒的相互作用），透明（用于視覺訪問在生物過程/實驗期間）和便宜（允許一次性裝置）。 考慮到所有這些方面，贏創(chuàng)有機玻璃6N（PMMA-Acrylics，Evonik Industries AG，Essen，Germany）
被選為本研究。
3制作
在模具的制造過程中，在模具上加工所需的產(chǎn)品圖案或幾何形狀材料。模具的精度顯著地決定了品質(zhì)最終產(chǎn)品如模具上的任何表面缺陷復(fù)制在聚合物產(chǎn)品中。而且，模具很大程度上取決于模具的表面質(zhì)量。該模具表面更平滑，摩擦力越低脫模時[22]。為了可靠的高質(zhì)量復(fù)制，模具的粗糙度建議小于100nm根均方[23]。表面形態(tài)，粘附性能成型材料，使用壽命，特征尺寸和成本至關(guān)重要模具制造要考慮的因素[22]。高精度機械加工（微加工）方法用于制造模具。模具是由空白（未加工）模具系統(tǒng)采用高精度計算機數(shù)控系統(tǒng)（Deckhel Maho DMU 50）at畢爾肯特大學(xué)微系統(tǒng)設(shè)計和制造中央。選擇模具材料作為不銹鋼模具鋼CK-50 AISI 1.1050。在加工過程中，四齒涂層優(yōu)選硬質(zhì)合金工具。對于模具的加工，所需的G代碼在SOLIDCAM軟件中生成。自從模具幾何形狀包括具有拔模角的側(cè)壁，球形沖擊器和閘門，利用三維（3D）CAM。該模具加工耗時近4小
時。加工模具可以在圖中可以看出。 2（模具制造的細節(jié)可以是在別的地方[21]）。該模具產(chǎn)生兩個具有不同的微流體裝置在一個周期的微通道長度。 頂部的空腔每個微流體裝置的底板位于左側(cè)模板。 將注入的聚合物分配到四個空腔通過跑步者，通過單個進入每個腔門。 模具加工后，為了增加表面質(zhì)量，使用a進行表面光潔度操作研磨機和研磨膏。 檢查的準確性加工，微通道結(jié)構(gòu)的尺寸使用光學(xué)測量顯微鏡測量模具內(nèi)部
（Hawk 200，Vision Engineering，Surrey，UK）。 準確度的尺寸被發(fā)現(xiàn)在65米以內(nèi)。
3.1注射成型零件。制造后的模具，微通道的注塑成型執(zhí)行。注射在Modern Teknik Plastik進行圣。抽動。公司（OST_IM，土耳其安卡拉）。注塑成型機最大注射壓力為90 MPa被使用。該機有兩個加熱器：一個用于熔化注射材料，另一個用于調(diào)整模具溫度。注塑成型采用六種不同的模具溫度進行：35℃，45℃，55℃，65℃，75℃，85℃。熔化有機玻璃的溫度（245℃）和注射壓力（90℃）MPa）在注射實驗期間保持恒定。只有模具溫度在注射期間變化。為了監(jiān)控模具溫度精確，外部熱電偶是安裝。要安裝熱電偶（見圖3），有一個孔被盡可能靠近模具腔進行鉆孔。然后，熱電偶插入孔中。在注射實驗期間，只監(jiān)測模具溫度。
附錄2：外文原文
14