車載真空泵泵體壓鑄模具設(shè)計(jì)探析

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摘要：本文設(shè)計(jì)壓鑄模具基于數(shù)字化工具UnigraphicsNX平臺，以真空泵殼體為研究對象。針對目前國內(nèi)商用車及工程車輛需求的快速變化，如何快速高效的進(jìn)行配套泵體設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率和生產(chǎn)效率，并開發(fā)了一整套壓鑄模具系統(tǒng)，包括鑄件的主要模具零件設(shè)計(jì)、澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、冷卻和脫模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，確保生產(chǎn)出來的真空泵的殼體能迅速滿足客戶需求，為真空泵的設(shè)計(jì)思路和方法提供有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：商用車；真空泵；模具設(shè)計(jì)；NX

0引言

真空泵是產(chǎn)生真空形成負(fù)壓，從而增加制動力。對于商用車和工程車等柴油發(fā)動機(jī)驅(qū)動車輛，由于發(fā)動機(jī)采用壓燃式，在進(jìn)氣歧管處不能提供所需的真空壓力，因此需要安裝真空泵。同樣為了環(huán)保要求而設(shè)計(jì)的汽油直噴發(fā)動機(jī)GDI，在進(jìn)氣歧管處同樣不能提供有效的真空壓力來滿足制動助力系統(tǒng)的要求，因此也需要真空泵來提供真空源。我國是生產(chǎn)制造大國，目前國內(nèi)商用車汽車市場需求較大，行業(yè)競爭激烈，隨著商用車應(yīng)用的發(fā)展，需要根據(jù)不同的工況配套開發(fā)對應(yīng)需求的真空泵。本文以真空泵泵體設(shè)計(jì)為例，基于數(shù)字化工具UnigraphicsNX，通過摸索開發(fā)出一整套壓鑄模具系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了模具設(shè)計(jì)的數(shù)字化模式，提高模具的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率。

1主要模具零件設(shè)計(jì)

1.1工藝分析

本論文設(shè)計(jì)的真空泵殼體零件如果采用普通的沖壓和鍛造工藝并不能夠達(dá)到用戶實(shí)際需求，同時(shí)考慮到產(chǎn)品的批量生產(chǎn)時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益，因此通過采用壓鑄模具的制造方式，在保證壓鑄零件的尺寸精度、表面光潔度的同時(shí)提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。圖1為真空泵殼體零件圖，材質(zhì)為鋅合金，其鑄造精度要求級別為CT5級，零件鑄造要求為表面光滑，成型質(zhì)量良好。真空泵的殼體零件外觀表現(xiàn)為不規(guī)則型體，包含有孔槽結(jié)構(gòu)、異形面和凸臺等，在工藝設(shè)計(jì)上通過采用側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)方案達(dá)到順利脫模。此外該鑄件要求壁厚均勻，厚度尺寸為3mm。根據(jù)文獻(xiàn)[1][3]，取最小鑄造圓角rmin=1mm，和最大鑄造圓rmax=3mm，取壓鑄件的彎曲處外壁圓角半徑R=2mm。考慮到鋅合金材料和拔模斜度的比例，最終確定該壓鑄件的拔模斜度為1°。

1.2鑄件的原材料分析

壓鑄零件所用的合金材料最基本的鑄造特性：①首先必須具有良好的金屬液體的流動性和填充的性能：金屬液體在鑄造模具內(nèi)的流通長度要長、金屬液體的凝固時(shí)間相對較短、表面的張力和粘力要?。虎趬鸿T模的澆注口的補(bǔ)充效果要大，凝固時(shí)的收縮率要??；③熱裂要少，能夠防止在壓鑄過程中產(chǎn)生熱裂：高溫時(shí)的強(qiáng)度要大、固相率要小、熱膨脹系數(shù)要?。虎軌鸿T零件與金屬模的附著力要小。同時(shí)壓鑄零件所使用的合金材料所應(yīng)該具備的特性：良好的機(jī)械性質(zhì)、質(zhì)地較輕、耐腐蝕性能好、拔模的斜度較小、大小尺寸精度較好、被切削的性能良好。

1.3分型面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分型面是指壓鑄模的定模與動模的接觸面，也是指零件成型后從模具中取出鑄件和凝料的接觸面。型腔分型面的位置取決于壓鑄件的形狀結(jié)構(gòu)、零件的壓鑄制造工藝和澆注系統(tǒng)的布置位置。型腔分型面的位置對于壓鑄模具成型有重要參考，因此一般選擇型腔分型面作為壓鑄模具制作的基準(zhǔn)平面。鑄件模具的型腔采用分型面設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)使上、下模具在分模時(shí)不會影響鑄件，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，有利于鋅合金液體順暢的進(jìn)入型腔。

1.4成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)成型要求，將成型零件的結(jié)構(gòu)大體分為動模和定模。其工作原理為鑄件在壓鑄機(jī)開模力的驅(qū)動下，鑄件模具沿著分型面分開，整體動模部分移動，隨后壓鑄機(jī)中心頂桿帶動動模頂出底板，帶動頂針向前移動，頂動殼體鑄件，使鑄件從模具中脫離。1.4.1動模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖2為動模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。鋅合金真空泵殼體壓鑄模具設(shè)計(jì)有型芯，所以模具的動模采用整體式的動模，不易變形，有利于保持模具的整體強(qiáng)度和剛度，制造簡單。1.4.2定模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖3為定模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。零件壓鑄模從模具取出后，模具從分模線分開，零件另一邊是固定不動端就是定模。一般來說定模的結(jié)構(gòu)大致分為整體式和組合式定模。根據(jù)零件成型要求，設(shè)計(jì)該成型零件定模為整體式。

2澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)是指將制作零件的合金材料融化后的液體從壓鑄機(jī)口開始到型腔入口為止的流動通道，一般可以分為普通流道和無流道兩種類型。本次設(shè)計(jì)考慮到設(shè)計(jì)復(fù)雜性、成本和生產(chǎn)周期等原因選用的是普通流道的澆注系統(tǒng)[2]。

2.1直澆道設(shè)計(jì)

直澆道是澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一部分，它在其中起到的作用是將金屬液從澆口引入橫澆道和內(nèi)澆道，以及提供足夠的壓力使金屬液可以克服流通中的阻力在規(guī)定的時(shí)間注滿整個(gè)型腔[4]。由于要確定直澆道口的尺寸，而它的尺寸又由澆口套的尺寸來確定，澆口套內(nèi)徑與壓室沖頭內(nèi)徑相同，由壓鑄機(jī)型號里選用的壓室沖頭內(nèi)徑為Φ60mm。所以選取Φ60mm為直澆道口直徑。

2.2橫澆道的設(shè)計(jì)

橫流道根據(jù)它的作用可以分成主橫流道和過渡橫流道，但是在本次設(shè)計(jì)不用考慮過渡橫流道。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊橫流道截面形狀。其中α為10～15°，由于已知內(nèi)澆口的截面積，我們可以根據(jù)式（1）計(jì)算出橫澆道的面積：Ar=2Ag=127.6mm2（式1），然后我們可以根據(jù)Ar計(jì)算出圖中W和D的值，具體計(jì)算如下式（2）、式（3）所示，其中C1為0.922，C2為1.247。D=C1姨Ar=0.922×10.6=9.86mm（式2）W=C2姨Ar=1.247×10.6=13.34mm（式3）

2.3內(nèi)澆口設(shè)計(jì)

內(nèi)澆口作為澆注系統(tǒng)的最后部分，直接連接到了型腔部位。它所起到的作用是把橫澆道中的低速金屬液體轉(zhuǎn)化為高速，并且使之變?yōu)槔硐胫械牧鲃有螒B(tài)順序的填充到型腔里[5-6]。①內(nèi)澆口位置：一般選擇在鑄件厚壁處開設(shè)澆口，有利于壓力傳遞，減少或避免產(chǎn)生縮孔，因此內(nèi)澆口設(shè)置在鑄件側(cè)面。②內(nèi)澆口截面積：根據(jù)F內(nèi)=2Q/RVT，式中：F內(nèi)為內(nèi)澆道的截面積（mm2），Q為鑄件質(zhì)量45g，R為金屬液的密度（g·cm-3），取2.4g·cm-3；V為內(nèi)澆口處金屬液的填充速度（m/s），取20m/s；T為型腔的充填時(shí)間（s），取0.15s；從而計(jì)算出內(nèi)澆口截面積F內(nèi)=12.5mm2。

2.4溢流槽

溢流槽的主要所起到的作用為排除掉型腔中的氣體和存儲廢棄的金屬液、控制型腔中的金屬液的流動狀態(tài)防止產(chǎn)生渦流、調(diào)節(jié)型腔溫度改善冷熱平衡狀態(tài)等。設(shè)計(jì)中模具取溢流槽寬度為10mm，深度取0.15mm。

3冷卻和脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1模具的冷卻設(shè)計(jì)

在壓鑄模中，冷卻系統(tǒng)是用來冷卻模具，降低熔融金屬液帶給模具的熱量，將模具的溫度下降到最佳工作狀態(tài)的一個(gè)系統(tǒng)。本次壓鑄模具的冷卻系統(tǒng)采用的最常用的水冷方式，通過在定模鑲塊、定模套板上設(shè)置水道，接入膠管通入冷卻水給模具的鑲塊和型芯降溫，達(dá)到冷卻的效果，如圖4所示。冷卻水道布置于型腔上方，沿型腔均勻布置，使冷卻更加均勻，防止鑄件因冷卻不均產(chǎn)生缺陷。

3.2脫膜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使壓鑄成型后的壓鑄件方便從凸?；虬寄Ｉ厦摮觯瑝鸿T模具中需要設(shè)置脫模機(jī)構(gòu)。推桿脫模機(jī)構(gòu)需要借助開模時(shí)候的力量去驅(qū)動脫模的裝置完成脫模這一動作，同時(shí)在選擇頂出位置的時(shí)候最好設(shè)立在鑄件的內(nèi)部這些對外觀造成不了太大影響的位置。基于以上原則，選用推桿推出結(jié)構(gòu)作為脫模機(jī)構(gòu)類型。

3.3抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品有一側(cè)孔需要抽芯，采用側(cè)抽芯方式，具體設(shè)計(jì)如下：①脫模機(jī)構(gòu)行位及其組件的性能要求：1）耐磨性：滑塊表面硬度必須大于HRC50，以保證其耐磨性能；2）加工性：除行位以外的零件都是單一簡單結(jié)構(gòu)零件，熱處理變形小，可加工性優(yōu)異。而行位的成型部分可以通過電火花加工，其余結(jié)構(gòu)對于傳統(tǒng)加工也容易保證其加工精度；3）配合要求：行位與壓板有相對運(yùn)動，其配合采用H7/f7的間隙配合。與下模鑲件的配合以保證不溢料盡量保證動作穩(wěn)定靈活。詳細(xì)見模具總裝的配合要求。②設(shè)計(jì)采用斜導(dǎo)柱側(cè)向分型機(jī)構(gòu)。其由五個(gè)部分組成：斜導(dǎo)柱、楔緊塊、擋塊和彈簧、滑塊導(dǎo)向塊、側(cè)抽芯及滑塊等。③斜導(dǎo)柱側(cè)向分型機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)。α為斜導(dǎo)柱的傾角：15°＜α＜25°，抽芯距M為膠件側(cè)向凹凸深度為+（1.5～5）mm，鑄件抽芯距離為41mm，加上安全距離則設(shè)計(jì)實(shí)際需要抽芯距離約為45mm。斜導(dǎo)柱的長度L，查模具制造技術(shù)得公式：L=M/sinα+H/cosα（式4），計(jì)算得出L=170mm。

4壓鑄機(jī)的選擇與依據(jù)

本文設(shè)計(jì)的真空泵殼體的壓鑄模具所選擇的壓鑄機(jī)類別是臥式冷式壓鑄機(jī)，主要原因是常用的壓鑄機(jī)大致為冷壓式和熱壓式，由于熱式壓鑄機(jī)并不適合本次設(shè)計(jì)采用的鋅合金材料的制造，所以選擇冷壓式相對更好。其中冷壓式壓鑄機(jī)又大致分為臥式冷式壓鑄機(jī)和立式冷式壓鑄機(jī)，其中臥式與立式相比，臥式相較于來說操作更為簡單，這樣能提高生產(chǎn)效率，而且臥式一般都會有偏心與中心的兩個(gè)澆注位置，這樣可以方便隨意調(diào)節(jié)澆鑄位置。

4.1主漲型力的計(jì)算

根據(jù)公式計(jì)算主脹型力F主=AP10（式5），式中，F(xiàn)主為主脹型力（kN），A為鑄件在分型面上的總投影面積（mm2），經(jīng)如估算，A≈10823mm2。P壓射比為壓（MPa），取P=50MPa；由此得出：F主=AP10=10823×5010=541.15kN4.2計(jì)算鎖模力根據(jù)鎖模力計(jì)算公式：F鎖叟K（F主+F分）（式6）。式中F鎖為壓鑄機(jī)應(yīng)有的鎖模力（kN），為安全系數(shù)（取k=1.25），F(xiàn)主為主脹型力、鑄件在分型面上的投影面積，包括澆注系統(tǒng)、溢流、排氣系統(tǒng)的面積乘以比壓（kN）本次設(shè)計(jì)取零件的三分之一。F分為分脹型力，作用在滑塊鎖緊面上的法向分力引起脹型力之和（kN），計(jì)算得出：F鎖叟K（F主+F分）=1.25×（541.15+0.33×545.15）=901.3kN4.3確定型腔數(shù)選擇壓鑄機(jī)根據(jù)計(jì)算出來鎖模力的數(shù)據(jù)，選用鎖模力為1600kN的DCC160型臥式冷室壓鑄機(jī)。表1就是壓鑄機(jī)的技術(shù)參數(shù)。

5結(jié)語

本文應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行壓鑄模具設(shè)計(jì)與制造，可更好地對產(chǎn)品外形、模具結(jié)構(gòu)、成形工藝等進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)商用車目前快速發(fā)展的市場需求，通過縮短模具設(shè)計(jì)與制造周期，保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，大大降低工廠生產(chǎn)成本。運(yùn)用該方法設(shè)計(jì)出的真空泵泵體模具，調(diào)試生產(chǎn)出的鑄件，質(zhì)量優(yōu)良，縮短了其在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的開發(fā)周期，達(dá)到企業(yè)降本增效的目的。

作者:顏俊 單位:武漢交通職業(yè)學(xué)院