汽車輪轂壓鑄成型工藝與模具設計開題報告.doc

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本科畢業(yè)設計(論文) 開題報告（含論文綜述） 學院：機械與控制工程學院 所屬教研室：機械工程教研室 課題名稱：汽車輪轂壓鑄成型工藝與模具設計 專業(yè)(方向)：機械設計制造及其自動化 班級： 機械12-1班 學生： 李明 學號： 3150917126 指導教師： 職稱：講師 開題日期： 2016年1月10日 一、 畢業(yè)設計（論文）選題的目的和意義 （一）課題名稱 能源、環(huán)境和安全是當今備受關注的三大問題，也正是這三大問題制約了汽車工業(yè)的發(fā)展和汽車的普及。而汽車的安全性和可靠很大程度上取決于所用輪轂的性能和使用壽命。隨著產品更新?lián)Q代越來越快，新產品不斷涌現(xiàn)，新技術日新月異，模具的使用范圍已越來越廣，對模具的要求也越來越高，使模具技術及制造方式發(fā)生了根本性的變化，已經從傳統(tǒng)的手工設計，從有經驗的鉗工師傅為主導的技藝型生產方式轉變到了以數字化、信息化、自動化生產為特征的現(xiàn)代模具工業(yè)生產時代。 輪轂是一個承受隨機疲勞載荷的旋轉薄殼結構，上面開有孔洞，附有加強筋，形狀復雜，轎車在行駛中所受到的各種載荷向輪轂的傳遞也十分復雜。因此，輪轂的幾何形狀和力學特征的復雜性給研究工作帶來很大的困難。輪轂模具設計是保證轎車輪轂質量的關鍵，由于模具型面復雜，幾何構造圖素和曲面造型獨特，傳統(tǒng)的模具設計及制造方法很難滿足要求。而采用Pro/E對汽車輪轂模型實體設計以及模具設計將解決這一設計難題，使得設計過程簡便、快捷、可靠。 然而在當今汽車技術高速發(fā)展的時代，歐美、日本等國家基本壟斷了發(fā)達的汽車技術，我國在先進的汽車技術中處于落后與被動地位，因此，我國必須加大對汽車技術研發(fā)的力度，發(fā)明出更新更先進的技術，跟上世界各個汽車大國的技術水平。 （二）輪轂國內外研究現(xiàn)狀 1、國內研究現(xiàn)狀　 為了節(jié)能降耗，減少廢氣排放，提高駕乘舒適度和車輛動力學性能?，F(xiàn)代汽車正在向輕量化方向發(fā)展，從結構材料的角度出發(fā)，實現(xiàn)車輛輕量化的主要手段是采用具有高比性能的輕質材料替代傳統(tǒng)材料，目前廣泛應用于汽車輪轂的材料主要是鋁合金和鎂合金。 隨著我們國家公路設施的迅猛發(fā)展，鋁合金輪轂開始在全國范圍內得到推廣，并且發(fā)展迅速。2002年，我國轎車鋁合金輪轂的裝車率已接近45%。伴隨著中國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，我國鋁合金輪轂行業(yè)出現(xiàn)強勁增長勢頭。經過十幾年的艱苦努力，年生產能力已超過了6500萬件。已成為了世界鋁合金輪轂生產大國。與世界先進水平相比，國內企業(yè)在鋁合金輪轂的設計開發(fā)和制造技術方面尚存在較大的差距，總體的生產技術和裝備水平、產品的設計水平、產品的技術含量和質量水平還有待進一步的提高[1]。 鎂合金是最輕的金屬結構材料，具有低價格，高比性能、比強度和比剛度。突出的阻尼減振性能等特點，將鎂合金用于汽車，摩托車結構，特別是高速運動構件能降低車輛自重及燃油消耗，降低車輛的振動和噪聲，提高車輛的加減速動力學特性，既能達到節(jié)能環(huán)保的目的，又能較顯著改善車輛的駕乘舒適度[2]。在國內，上海汽車公司最早將鎂合金應用在汽車上，目前桑塔納轎車鎂合金變速器外殼年用鎂量達2000t以上。東風汽車公司開發(fā)的轎車用非承重鎂合金零件有變速箱殼、離合器殼、變速箱蓋等，其中鎂合金變速箱殼體質量僅為3.3kg，取代了4.8kg的鋁合金殼體，年產量達到6萬件。長安汽車公司生產的變速器、上下箱體延伸體和缸罩等7種零件已通過臺架試驗和道路試驗，2004年已大批量裝車進入市場。我國科技部也在“十五”國家科技攻關計劃中特別提出了“鎂合金開發(fā)應用和產業(yè)化”重大項目。 輪轂的鑄造工藝有低壓鑄造法、重力鑄造法、壓力鑄造法、擠壓鑄造法、輪轂的成形工藝主要有擠壓鑄造和低壓鑄造。我國從20世紀六七十年代開始發(fā)展擠壓鑄造，20世紀九十年代，運用于摩托車行業(yè)，使擠壓鑄造得到了飛躍發(fā)展，已形成年生產300千萬只摩托車鋁輪轂的能力。目前國內外生產的大型受力零件有：重25.50kg的坦克鋁合金負重輪以及大型載重汽車鋁輪轂等。 我國低壓鑄造工藝發(fā)展得較晚，1955年天津拖拉機制造廠采用壓縮空氣緊密制造鋁合金型板，1958年上海郵電器材廠應用了低壓鑄造工藝，六十年代這一工藝在北京、天津、上海、遼寧等地得到了一定程度的發(fā)展。1978年以來，一機部、六機部、八機部等相繼召開低壓鑄造經驗交流會，介紹了國內先進的低壓鑄造設備和工藝[3]。 2、國外研究現(xiàn)狀 國外對輪轂材料的研究發(fā)展的比較迅速。20世紀初，當鋼鐵制汽車輪轂已經運用的很成熟的時候，一些賽車愛好者，為了追求速度與靈活性，而把汽車變得更加“輕量化”，就將鋼制輻條式輪轂與鋁質軋制輪輞相結合的車輪裝上汽車。從此，汽車輪轂進入了另一個時代——鋁合金輪轂時代。1945年以后，汽車廠商紛紛開展批量生產鋁合金輪轂的研究。德國是世界上最早開始制造鋁合金輪轂的國家．早在20世紀20年代就開始用砂型鑄造賽車用鋁合金輪轂，其設計與制造技術一直走在世界的前列。20世紀50年代末，聯(lián)邦德國還只能少量的生產鋁合金輪轂，到了70年代后，他們開始在小汽車上大量使用鑄造鋁合金輪轂，開創(chuàng)了新的局面。 世界各國近年來都高度重視對鎂合金的研究與開發(fā)，加強鎂合金在汽車等交通工具上的應用開發(fā)和產業(yè)化研究。自1990年以來，美國、日本、德國、澳大利亞等國家相繼出臺了自己的鎂合金研究計劃，把鎂合金列為21世紀研究與開發(fā)的重點項目。北美是汽車用鎂量最大的地區(qū)，其次是歐洲、日本和韓國。在北美一些車型上，鎂合金用量大約為5.8-26.3kg/輛， 美國通用、福特、克萊斯勒等三大汽車公司用鎂量均呈逐年增長趨勢。在歐洲一些車型上， 鎂合金用量大約為9.3-20.3kg/輛[4]。 國外的擠壓鑄造工藝是1937年由前蘇聯(lián)發(fā)明的，20世紀五六十年代，先后傳入我國和世界各地。擠壓鑄造技術的發(fā)展與擠壓鑄造機技術的發(fā)展密切相關。20世紀80年代，日本宇部公司開發(fā)成功HCSC和VSC系列擠壓鑄造機，日前已銷售300多臺；日本豐田公司的輪轂廠擁有14臺VSCl500．VSCl800擠壓鑄造設備，年產400多萬只高檔汽車鋁輪；日本的日產汽車、馬自達、Art、U．mold和Tosei等公司和美國SPX、Amcast等大公司也擁有擠壓鑄造生產廠或車間[5]。 低壓鑄造最早由英國人E.F.LAKE于1910年提出并申請專利。其目的是解決重力鑄造中澆注系統(tǒng)充型和補縮的矛盾。低壓鑄造真正被推廣應用時在“二戰(zhàn)”以后，由于有較高的補縮壓力和溫度梯度，有效地提高了厚大斷面鑄件的致密性。1950年以后由于汽車工業(yè)的發(fā)展，使抵押鑄造工藝和設備有了一個飛躍。汽車輪轂由于質量要求高，本身結構又適于低壓鑄造，而且需求量大，因此極大地推動了低壓鑄造技術的發(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[6]。 三、 研究的目的和意義 輪轂是車輛的重要運動部件，本文以汽車輪轂為研究對象，基于產品研究開發(fā)的一般流程，通過制定產品結構設計、工藝方案設計、模具設計的技術路線，熟練掌握汽車零件設計和開發(fā)的流程，通過借助CAD、CAE等工具，對汽車輪轂結構與性能、模具造型、鑄造工藝等進行設計。 汽車輪轂的成形工藝類型較多，以擠壓鑄造生產鎂合金輪轂的工藝方法現(xiàn)今多處于研究階段。通過研究擠壓鑄造的工藝特點，分析總結汽車輪轂擠壓鑄造模具要點，并通過對模具型腔進行結構設計，掌握汽車輪轂模具的設計過程了解鑄造的基本工藝，熟練應用Pro/E、CAD等繪圖軟件，并具有一定的實驗技能和生產實踐知識。 資源和環(huán)境是己成為世界各國越來越突出的問題，為了節(jié)能降耗、減少廢氣排放、提高駕乘舒適度和車輛動力學的性能，現(xiàn)代汽車、摩托車等交通工具正在向輕量化方向發(fā)展。鎂合金是現(xiàn)已知的最輕金屬結構材料之一，具有多方面結構和性能的優(yōu)勢，越來越受到各國的青睞。輪轂作為車輛的重要運動部件，它的輕量化生產有著非常重要的意義。而鎂合金由于其眾多優(yōu)點，成為輕量化發(fā)展的首選材料。但鎂合金在生產和應用中還存在著諸多缺點，如由于鎂元素活潑，鎂合金在熔煉和加工過程中極容易氧化燃燒，生產難度很大；鎂合金的生產技術還不成熟和完善，特別是鎂合金成形技術有待進一步發(fā)展；鎂合金的耐蝕性較差，高溫強度、蠕變性能較低等諸多問題，嚴重阻礙了鎂合金產品的生產[7]。 鑄造模具市場異常活躍，鑄造產業(yè)的高速增長帶來了鑄造模具制造工業(yè)的一片興旺。根據中國模具工業(yè)協(xié)會經營管理委員會編制的《全國模具專業(yè)廠基本情況》統(tǒng)計，鑄造模具約占各類模具總產值5%，每年增長速度高達25%。模具是工業(yè)產品生產用的重要工藝裝備，在現(xiàn)代工業(yè)生產中，60%-90%的工業(yè)產品需要使用模具，模具工業(yè)已經成為工業(yè)發(fā)展的基礎，許多新產品的開發(fā)和研制在很大程度上都依賴于模具生產，特別是汽車、摩托車、輕工、電子、航空等行業(yè)尤為突出。而作為制造業(yè)基礎的機械行業(yè)，根據國際生產技術協(xié)會的預測，21世紀機械；制造工業(yè)的零件，其粗加工的75%和精加工的50%都將依靠模具完成，因此，模具工業(yè)已經成為國民經濟的重要基礎工業(yè)。模具工業(yè)發(fā)展的關鍵是模具技術的進步[8]。 模具設計是保證轎車輪轂質量的關鍵，由于模具型面復雜，幾何構造圖素和曲面造型獨特，傳統(tǒng)的模具設計及制造方法很難滿足要求。而采用Pro/E對汽車鋁輪模型實體設計以及模具設計將解決這一設計難題，使得設計過程簡便、快捷、可靠。 擠壓鑄造也稱為液態(tài)模鍛,是一種集鑄造和鍛造特點于一體的新工藝,該工藝是將一定量的熔融金屬液直接注入敞口的金屬模腔,隨后合模，通過沖頭以一定的壓力作用于液體金屬上,使之充填、成形和結晶凝固,并在結晶過程中產生一定量的塑性變形，從而獲得毛坯或零件的一種金屬加工方法。擠壓鑄造充型平穩(wěn),沒有湍流和不包卷氣體,金屬直接在壓力下結晶凝固,所以鑄件不會產生氣孔、縮孔和縮松等鑄造缺陷,且組織致密、晶粒細化,機械性能比低壓鑄造件高[9]。產品既有接近鍛件的優(yōu)良機械性能,又有精鑄件一次精密成形的高效率、高精度,且投資大大低于低壓鑄造法。擠壓鑄造特別適合于生產汽車工業(yè)中的安全性零件,汽車輪轂是一種要求較高的保安件,金屬型重力鑄造、低壓鑄造、壓力鑄造工藝生產的產品雖能滿足使用要求,但整體質量比擠壓鑄造鋁輪轂相差一個檔次。日本已有相當部分的汽車輪轂采用擠壓鑄造工藝生產,豐田汽車公司擁有十幾臺全自動擠壓鑄造設備,每臺設備不到2min 即可生產一件輪轂,從澆注金屬液到取出鑄件整個過程都由計算機來控制,自動化程度非常高。國內也在廣東建造了一個現(xiàn)代化的擠壓鑄造汽車輪轂廠,已生產多種規(guī)格和型號的汽車鋁輪轂,經鑒定產品質量達到了國外同類產品先進水平。目前世界各國都把擠壓鑄造作為汽車鋁輪轂生產的方向之一。 四、設計的主要內容擬解決的主要問題 產品的開發(fā)，通常經過以下幾道程序：產品結構設計、工藝方案設計、模具設計、產品試樣、大批生產，對于試樣不合格的情況，則需要對模具、工藝方案甚至產品結構進行修整的工作。本文所研究的汽車輪轂的開發(fā)流程，分為以下幾個內容： 1．研究的主要內容 （1）輪轂結構設計 （2）輪轂成形工藝研究現(xiàn)狀 （3）輪轂成形工藝方案的確定 （4）輪轂模具的設計 2．擬解決的主要問題 （1）零件的結構設計 （2）汽車輪轂成型工藝的設計 （3）完成輪轂壓鑄模具的設計 輪轂擠壓鑄造的模具主要由凸模、凹模、上下模板和充型速度、澆注速度等組成。由于擠壓鑄造技術是使液態(tài)金屬在壓力作用下充型，并在高壓下凝固和產生塑性變形，所以能擠壓出各種形狀復雜的零件，本設計為了充分發(fā)揮擠壓鑄造技術的優(yōu)點，綜合考慮了各種因素，尤其是擠壓鑄造工藝參數、模具結構設計和零件設計，擠壓鑄造工藝包括涂料、模具溫度、澆注溫度、充型速度、澆注速度、加壓壓力、加壓開始時間、保壓時間、脫模、熱處理工藝參數等。 五、研究方案 主要的技術方案如下圖所示： 六、 進度安排 1、開題論證階段：查找資料，確定畢業(yè)設計實施方案。 2周（共2周） 2、分析、研究、設計、實施、報告編寫階段。 3～11周（共9周） 3、論文審核修改階段：指導教師審閱論文，提出修改意見，學生編輯修論文，學生論文打印稿經指導老師評定之后交給評閱教師評閱。 12～14周（共3周） 4、畢業(yè)答辯階段： 15周（共1周） 5、畢業(yè)設計工作總結階段。 16～17周（共2周) 七、主要參考文獻目錄 [1] 朱利民．國內鋁輪轂制造業(yè)及其技術的發(fā)展. [2] 曉青．鎂合金在汽車上的應用及發(fā)展趨勢[J]．上海汽車，2005(3)：38-40. [3] 李雙壽．汽車用輕合金輪轂的發(fā)展及展望[J]．鑄造縱橫，2006，1：28-32. [4] 鄭祥健. 鋁合金輪轂的生產和市場現(xiàn)狀. 輕合金加工技術.2004. [5] Masashi UCHIDA．Feature of UBE Squeese Process and UNRC Process(Semi Solid casting) [A]．第三屆中國國際壓鑄會議論文集[C]，沈陽：東北大學出版社，206．220. [6] 低壓及差壓鑄造理論與實踐. 北京.機械工業(yè)出版社.2003. [7] 查吉利.鎂合金產品及生產應用技術開發(fā)平臺建設.特種鑄造及有色合金.2005，10. [8] 謝昱北.主編 模具設計與制造 北京大學出版社. 2005. 八、指導教師審核意見 指導教師簽字： 年 月 日 九、開題答辯結論和審核意見 教研室主任簽字： 年 月 日