汽车轮毂的结构与模具设计详解文档格式.docx
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2011-06·
Harbin
摘要
本文以汽车轮毂为研究对象，基于产品研究开发的一般流程，制定了产品结构设计、工艺方案设计、模具设计的技术路线。
借助CAD等工具，对汽车轮毂结构设计与性能分析、并对模具造型、铸造工艺等进行了设计。
首先介绍了我国轮毂模具的现状、发展趋势及我国模具发展的新技术，其次围绕轿车轮毂模具进行设计，针对轮毂的结构特点，确定模具的型腔数目、分型面以及脱模机构。
汽车轮毂的成型工艺方法较多，以挤压铸造生产轮毂的工艺方法现今多处于研究阶段。
本文根据挤压铸造的工艺特点，对汽车轮毂挤压铸造模具设计进行了分析总结，并对模具型腔进行了结构设计，查阅模具设计手册，完成模具的总体设计。
同时充分利用计算机绘图软件对零件进行设计,利用Pro/E对零件进行三维造型,并实现零件的三维装配和模具设计。
通过本次设计，对模具整个设计过程有了较好的了解。
关键词：
模具；
镁合金；
汽车轮毂；
挤压铸造；
模具设计；
低压铸造
ABSTRACT
Thispapermainlyresearchonautomobilewheel．Basedonthegeneralprocessofproductdevelopment，thetechnicalrouteismadeincludingproductstructure，process
schemeandmould．UsingthesoftwareofCAD，suchasthestructuredesignofautomobilehubwithperformanceanalysis,mouldmodelling,castingprocessdesign,etc.
Chinaintroducedthealuminummoldwheelstatusquofirsttime,developmenttrendsandChina'
sdevelopmentofnewtechnologiesdie,followedaroundthefamilycaraluminumwheeldesigntoolforthestructuralcharacteristicsofwheel,themoldcavitytodeterminethenumberofsurfaceaswellasfrommodeinstitutions.Themethodaboutmoldingprocessofmagnesiumalloywheelismultiple．Thewayofmanufacturingautomobilewheelwimsqueezecastingisnotripeonitsresearchstage．Thispapersummarizedmainpointsofthesqueezecastingmould，Checkthemanualmolddesign,moldchoicetodeterminethestructureofmoldsize,molddesigncompleted.AtthesametimemakefulluseofcomputergraphicssoftwaretodesignpartsusingPro/Esionalmodelingofpartsandcomponentstoachievethethree-dimensionalassemblyandmolddesign,Throughthisdesign,theentiredesignprocessofthemoldwithabetterunderstanding.
Keywords:
Mold；
MagnesiumAlloy；
AutomobileWheel；
SqueezeCasting；
MoldDesigning；
LowPessureCsting
第1章绪论
1.1引言
能源、环境和安全是当今备受关注的三大问题，也正是这三大问题制约了汽车工业的发展和汽车的普及。
而汽车的安全性和可靠很大程度上取决于所用轮毂的性能和使用寿命。
随着产品更新换代越来越快，新产品不断涌现，新技术日新月异，模具的使用范围已越来越广，对模具的要求也越来越高，使模具技术及制造方式发生了根本性的变化，已经从传统的手工设计，从有经验的钳工师傅为主导的技艺型生产方式转变到了以数字化、信息化、自动化生产为特征的现代模具工业生产时代。
轮毂是一个承受随机疲劳载荷的旋转薄壳结构，上面开有孔洞，附有加强筋，形状复杂，轿车在行驶中所受到的各种载荷向轮毂的传递也十分复杂。
因此，轮毂的几何形状和力学特征的复杂性给研究工作带来很大的困难。
轮毂模具设计是保证轿车轮毂质量的关键，由于模具型面复杂，几何构造图素和曲面造型独特，传统的模具设计及制造方法很难满足要求。
而采用Pro/E对汽车轮毂模型实体设计以及模具设计将解决这一设计难题，使得设计过程简便、快捷、可靠。
然而在当今汽车技术高速发展的时代，欧美、日本等国家基本垄断了发达的汽车技术，我国在先进的汽车技术中处于落后与被动地位，因此，我国必须加大对汽车技术研发的力度，发明出更新更先进的技术，跟上世界各个汽车大国的技术水平。
1.2轮毂国内外研究现状
1.2.1国内研究现状
为了节能降耗，减少废气排放，提高驾乘舒适度和车辆动力学性能。
现代汽车正在向轻量化方向发展，从结构材料的角度出发，实现车辆轻量化的主要手段是采用具有高比性能的轻质材料替代传统材料，目前广泛应用于汽车轮毂的材料主要是铝合金和镁合金。
随着我们国家公路设施的迅猛发展，铝合金轮毂开始在全国范围内得到推广，并且发展迅速。
2002年，我国轿车铝合金轮毂的装车率已接近45%。
伴随着中国汽车工业的快速发展，我国铝合金轮毂行业出现强劲增长势头。
经过十几年的艰苦努力，年生产能力已超过了6500万件。
已成为了世界铝合金轮毂生产大国。
与世界先进水平相比，国内企业在铝合金轮毂的设计开发和制造技术方面尚存在较大的差距，总体的生产技术和装备水平、产品的设计水平、产品的技术含量和质量水平还有待进一步的提高[1]。
镁合金是最轻的金属结构材料，具有低价格，高比性能、比强度和比刚度。
突出的阻尼减振性能等特点，将镁合金用于汽车，摩托车结构，特别是高速运动构件能降低车辆自重及燃油消耗，降低车辆的振动和噪声，提高车辆的加减速动力学特性，既能达到节能环保的目的，又能较显著改善车辆的驾乘舒适度[2]。
在国内，上海汽车公司最早将镁合金应用在汽车上，目前桑塔纳轿车镁合金变速器外壳年用镁量达2000t以上。
东风汽车公司开发的轿车用非承重镁合金零件有变速箱壳、离合器壳、变速箱盖等，其中镁合金变速箱壳体质量仅为3.3kg，取代了4.8kg的铝合金壳体，年产量达到6万件。
长安汽车公司生产的变速器、上下箱体延伸体和缸罩等7种零件已通过台架试验和道路试验，2004年已大批量装车进入市场。
我国科技部也在“十五”国家科技攻关计划中特别提出了“镁合金开发应用和产业化”重大项目。
轮毂的铸造工艺有低压铸造法、重力铸造法、压力铸造法、挤压铸造法、轮毂的成形工艺主要有挤压铸造和低压铸造。
我国从20世纪六七十年代开始发展挤压铸造，20世纪九十年代，运用于摩托车行业，使挤压铸造得到了飞跃发展，已形成年生产300千万只摩托车铝轮毂的能力。
目前国内外生产的大型受力零件有：
重25.50kg的坦克铝合金负重轮以及大型载重汽车铝轮毂等。
我国低压铸造工艺发展得较晚，1955年天津拖拉机制造厂采用压缩空气紧密制造铝合金型板，1958年上海邮电器材厂应用了低压铸造工艺，六十年代这一工艺在北京、天津、上海、辽宁等地得到了一定程度的发展。
1978年以来，一机部、六机部、八机部等相继召开低压铸造经验交流会，介绍了国内先进的低压铸造设备和工艺[3]。
1.2.2国外研究现状
国外对轮毂材料的研究发展的比较迅速。
20世纪初，当钢铁制汽车轮毂已经运用的很成熟的时候，一些赛车爱好者，为了追求速度与灵活性，而把汽车变得更加“轻量化”，就将钢制辐条式轮毂与铝质轧制轮辋相结合的车轮装上汽车。
从此，汽车轮毂进入了另一个时代——铝合金轮毂时代。
1945年以后，汽车厂商纷纷开展批量生产铝合金轮毂的研究。
德国是世界上最早开始制造铝合金轮毂的国家．早在20世纪20年代就开始用砂型铸造赛车用铝合金轮毂，其设计与制造技术一直走在世界的前列。
20世纪50年代末，联邦德国还只能少量的生产铝合金轮毂，到了70年代后，他们开始在小汽车上大量使用铸造铝合金轮毂，开创了新的局面。
世界各国近年来都高度重视对镁合金的研究与开发，加强镁合金在汽车等交通工具上的应用开发和产业化研究。
自1990年以来，美国、日本、德国、澳大利亚等国家相继出台了自己的镁合金研究计划，把镁合金列为21世纪研究与开发的重点项目。
北美是汽车用镁量最大的地区，其次是欧洲、日本和韩国。
在北美一些车型上，镁合金用量大约为5.8-26.3kg/辆，美国通用、福特、克莱斯勒等三大汽车公司用镁量均呈逐年增长趋势。
在欧洲一些车型上，镁合金用量大约为9.3-20.3kg/辆[4]。
国外的挤压铸造工艺是1937年由前苏联发明的，20世纪五六十年代，先后传入我国和世界各地。
挤压铸造技术的发展与挤压铸造机技术的发展密切相关。
20世纪80年代，日本宇部公司开发成功HCSC和VSC系列挤压铸造机，日前已销售300多台；
日本丰田公司的轮毂厂拥有14台VSCl500．VSCl800挤压铸造设备，年产400多万只高档汽车铝轮；
日本的日产汽车、马自达、Art、U．mold和Tosei等公司和美国SPX、Amcast等大公司也拥有挤压铸造生产厂或车间[5]。
低压铸造最早由英国人E.F.LAKE于1910年提出并申请专利。
其目的是解决重力铸造中浇注系统充型和补缩的矛盾。
低压铸造真正被推广应用时在“二战”以后，由于有较高的补缩压力和温度梯度，有效地提高了厚大断面铸件的致密性。
1950年以后由于汽车工业的发展，使抵押铸造工艺和设备有了一个飞跃。
汽车轮毂由于质量要求高，本身结构又适于低压铸造，而且需求量大，因此极大地推动了低压铸造技术的发展。
英国在60年代率先发展低压铸造汽车轮毂，其后美国、日本、西德相继发展[6]。
1.3研究的目的和意义
轮毂是车辆的重要运动部件，本文以汽车轮毂为研究对象，基于产品研究开发的一般流程，通过制定产品结构设计、工艺方案设计、模具设计的技术路线，熟练掌握汽车零件设计和开发的流程，通过借助CAD、CAE等工具，对汽车轮毂结构与性能、模具造型、铸造工艺等进行设计。
汽车轮毂的成形工艺类型较多，以挤压铸造生产镁合金轮毂的工艺方法现今多处于研究阶段。
通过研究挤压铸造的工艺特点，分析总结汽车轮毂挤压铸造模具要点，并通过对模具型腔进行结构设计，掌握汽车轮毂模具的设计过程了解铸造的基本工艺，熟练应用Pro/E、CAD等绘图软件，并具有一定的实验技能和生产实践知识。
资源和环境是己成为世界各国越来越突出的问题，为了节能降耗、减少废气排放、提高驾乘舒适度和车辆动力学的性能，现代汽车、摩托车等交通工具正在向轻量化方向发展。
镁合金是现已知的最轻金属结构材料之一，具有多方面结构和性能的优势，越来越受到各国的青睐。
轮毂作为车辆的重要运动部件，它的轻量化生产有着非常重要的意义。
而镁合金由于其众多优点，成为轻量化发展的首选材料。
但镁合金在生产和应用中还存在着诸多缺点，如由于镁元素活泼，镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧，生产难度很大；
镁合金的生产技术还不成熟和完善，特别是镁合金成形技术有待进一步发展；
镁合金的耐蚀性较差，高温强度、蠕变性能较低等诸多问题，严重阻碍了镁合金产品的生产[7]。
铸造模具市场异常活跃，铸造产业的高速增长带来了铸造模具制造工业的一片兴旺。
根据中国模具工业协会经营管理委员会编制的《全国模具专业厂基本情况》统计，铸造模具约占各类模具总产值5%，每年增长速度高达25%。
模具是工业产品生产用的重要工艺装备，在现代工业生产中，60%-90%的工业产品需要使用模具，模具工业已经成为工业发展的基础，许多新产品的开发和研制在很大程度上都依赖于模具生产，特别是汽车、摩托车、轻工、电子、航空等行业尤为突出。
而作为制造业基础的机械行业，根据国际生产技术协会的预测，21世纪机械；
制造工业的零件，其粗加工的75%和精加工的50%都将依靠模具完成，因此，模具工业已经成为国民经济的重要基础工业。
模具工业发展的关键是模具技术的进步[8]。
模具设计是保证轿车轮毂质量的关键，由于模具型面复杂，几何构造图素和曲面造型独特，传统的模具设计及制造方法很难满足要求。
而采用Pro/E对汽车铝轮模型实体设计以及模具设计将解决这一设计难题，使得设计过程简便、快捷、可靠。
挤压铸造也称为液态模锻,是一种集铸造和锻造特点于一体的新工艺,该工艺是将一定量的熔融金属液直接注入敞口的金属模腔,随后合模，通过冲头以一定的压力作用于液体金属上,使之充填、成形和结晶凝固,并在结晶过程中产生一定量的塑性变形，从而获得毛坯或零件的一种金属加工方法。
挤压铸造充型平稳,没有湍流和不包卷气体,金属直接在压力下结晶凝固,所以铸件不会产生气孔、缩孔和缩松等铸造缺陷,且组织致密、晶粒细化,机械性能比低压铸造件高[9]。
产品既有接近锻件的优良机械性能,又有精铸件一次精密成形的高效率、高精度,且投资大大低于低压铸造法。
挤压铸造特别适合于生产汽车工业中的安全性零件,汽车轮毂是一种要求较高的保安件,金属型重力铸造、低压铸造、压力铸造工艺生产的产品虽能满足使用要求,但整体质量比挤压铸造铝轮毂相差一个档次。
日本已有相当部分的汽车轮毂采用挤压铸造工艺生产,丰田汽车公司拥有十几台全自动挤压铸造设备,每台设备不到2min即可生产一件轮毂,从浇注金属液到取出铸件整个过程都由计算机来控制,自动化程度非常高。
国内也在广东建造了一个现代化的挤压铸造汽车轮毂厂,已生产多种规格和型号的汽车铝轮毂,经鉴定产品质量达到了国外同类产品先进水平。
目前世界各国都把挤压铸造作为汽车铝轮毂生产的方向之一。
1.4设计的主要内容
产品的开发，通常经过以下几道程序：
产品结构设计、工艺方案设计、模具设计、
产品试样、大批生产，对于试样不合格的情况，则需要对模具、工艺方案甚至产品结构进行修整的工作。
本文所研究的汽车轮毂的开发流程，分为以下几个内容：
（1）轮毂结构设计
（2）轮毂成形工艺研究现状
（3）轮毂成形工艺方案的确定
（4）轮毂模具的设计
轮毂挤压铸造的模具主要由凸模、凹模、上下模板和充型速度、浇注速度等组成。
由于挤压铸造技术是使液态金属在压力作用下充型，并在高压下凝固和产生塑性变形，所以能挤压出各种形状复杂的零件，本设计为了充分发挥挤压铸造技术的优点，综合考虑了各种因素，尤其是挤压铸造工艺参数、模具结构设计和零件设计，挤压铸造工艺包括涂料、模具温度、浇注温度、充型速度、浇注速度、加压压力、加压开始时间、保压时间、脱模、热处理工艺参数等。
轮毂模具设计的流程图如图1.1所示
图1.1Pro/E模具设计流程图
第2章轮毂零件的结构设计
汽车轮毂主要由轮芯、轮辋、轮辐三部分构成由于轮辋按照国家标准（GB-T3487-2005汽车轮辋规格系列）规定的尺寸设计，对轮毂的结构再设计而言，就是通过调整辐板结构及其与外轮圈的过渡圆角。
轮毂结构的基本知识：
1、轮辋：
与轮胎装配配合，支撑轮胎的车轮部分。
2、轮辐：
与车轴轮毂实施安装连接，支撑轮辋的车轮部分。
3、偏距：
轮辋中心面到轮辐安装面间的距离。
有正偏距、零偏距、负偏距之分。
4、轮缘：
保持并支撑轮胎方向的轮辋部分。
5、胎圈座：
与轮胎圈接触，支撑维持轮胎半径方向的轮辋部分。
6、槽底：
为方便轮胎装拆，在轮辋上留有一定深度和宽度的凹坑。
7、气门孔：
安装轮胎气门嘴的孔。
详细的轮毂结构可见图2.1所示整体式车轮结构。
图2.1整体式车轮
表2.1轮毂结构的基本知识
1
轮辋宽度
10
螺栓孔节圆直径
2
轮辋名义直径
11
螺栓孔直径
3
轮缘
12
轮辐安装面
4
胎圈座
13
安装面直径
5
凸峰
14
后距
6
槽底
15
轮辐
7
气门孔
16
轮辋
8
偏距
17
轮辋中心线
9
中心孔
LB型轮辋轮毂应符合图2.2
图2.2轮辋LB型轮廓
A轮辋标定宽度153
B轮缘宽度13
D轮辋标定直径358
G轮缘高度17
H槽底深度25
L槽底宽度22
M槽的位置尺寸39
P胎圈座宽度22
轮缘接合半径R11.8
胎圈座角度
2.1轮毂模具设计的基本术语
（1）参考模型：
设计模型中的最终产品，本文中为汽车轮毂的最终三维实体模型。
（2）工件：
在工程上为毛坯，即为加工对象，其几何形状由设计者对整个模具的数控加工的可行性以及成本等因素决定。
（3）制造模型：
由参考模具和工件组成，为后面的模具的生成提供模板。
2.2汽车轮毂模具方案的设计标准
Pro/E提供的设计理念将设计、制造、装配以及生产管理融为一体,赋予“设计”完整的概念。
它提供的强大功能尤其是曲面造型和模具设计功能为工程技术人员和生产管理人员在短期内完成高质量的产品开发提供了强有力的工具。
本论文以Pro/E为开发平台,以并行工程为思想,最终完成对挤压铸造模具智能设计系统的开发,实现模具设计的自动化,智能化,大大缩短了设计、数控编程的时间,从而缩短了模具设计周期[10]。
另外,Pro/E软件具有的单一数据库、参数化实体特征造型技术为实现并行工程提供了可靠的技术保证。
轮毂模具设计可分为两步：
①设计出符合要求的轮毂三维实体模型。
②根据轮毂的三维模型设计出轮毂模具。
其中，轮毂实体设计是关键，直接涉及到模具的结构及尺寸精度。
然后利用Pro/E软件提供的功能，在实体的基础上进行三维造型，并设计出相应的轮毂模具。
汽车轮毂由钢圈，轮辐，风孔等组成。
其主要结构如图2.3所示：
图2.3汽车轮毂结构外形图
2.3轮毂零件的3D设计
由于汽车轮毂外形表面的不规则，所以在进行铸造时应充分考虑设计过程中轮毂主要外形尺寸确定的合理性以及一般原则。
2.3.1主要外形尺寸的确定
铸件的最小壁厚：
δ=5-7mm，其平均壁厚为6mm。
铸造内外圆角：
R=2mm．
汽车轮毂的受阻收缩率：
0.5%-1%
铸造斜度（拔模斜度）：
а=5º
30´
2.3.2设计原则
起模方便，在起模方向上留有结构斜度。
铸件的壁厚尽可能均匀，减少和消除应力，防止缩孔和裂纹缺陷的产生。
零件的转角处要留有铸造圆角，以防止裂纹，缩孔。
要有合理的铸件壁厚，其最薄的部分应保证液体金属充满。
2.3.3汽车轮毂轮廓三维实体生成
Pro/E三维实体建模是利用其强大三维造型功能中的零件模块实体特性，遵循由线-面-实体的方式进行的，汽车轮毂的外形三维实体的生成，其关键在于外形尺寸在Pro/E中的实现。
通过绘制直线，圆弧，自由曲线等基本因素，并做拉伸、旋转、镜像、等距、剪切等操作最终生成所需的曲线外形，如图2.4所示。
设计中出现的偏差或数据不精确造成曲线，曲面不光滑或曲面结合不好的现象可以通过【特征/编辑定义】命令对其进行外形尺寸的修改[11]。
图2.4轮毂实体建模
2.3.4汽车轮毂风孔的生成
风孔的三个侧面均为不规则曲面，其中一个侧面为汽车轮毂的内壁圆周面，另外的两个曲面的尺寸确定是要考虑风孔的分布及拔模斜度因素的影响。
在钢圈的两端和中间适当位置各建立一平面，根据风孔的尺寸和拔模斜度定出三条曲线，使用【插入基准曲线/边界混合工具】生成风孔的外形轮廓曲面，并与汽车轮毂的内壁圆周面组合（merge），然后用【实体化】命令移除曲组内侧的材料，得到风孔的外形结构,如图2.5所示，轮毂内侧图如图2.6所示。
图2.5生成风孔曲面
图2.6轮毂内侧
图2.7轮毂实体
2.4本章小结
本章主要介绍了轮毂零件的基本知识、结构设计和轮毂零件的三维建模，引出了轮毂模具的方案。
根据国家标准（GB-T3487-2005汽车轮辋规格系列）规定的尺寸设计轮毂的基本尺寸，根据轮毂的尺寸利用Pro/E进行三维实体建模。
第3章轮毂成形工艺介绍
轮毂是汽车上极为重要的安全性能结构件。
早期轮毂均为钢板冲压加工成型,后随制造技术的进步及汽车摩托车轻量化的要求逐渐发展为铸造铝合金轮毂。
目前的市场上铸造铝合金轮毂占据着主导地位。
随着汽车轻量化和节能环保要求的逐步提高,现已有铸造和锻压成形的镁合金轮毂面世。
3.1轮毂成形的工艺特点
根据挤压铸造模具设计的一般要点和设计程序，对镁合金汽车轮毂的挤压铸造模具进行设计。
从模具材料、挤压铸造机的选择、模具结构等几个方面进行设计，并运用Pro/E软件对模具型腔进行几何建模。
4.6本章小结
本章主要介绍了轮毂的两种成形方法，相互对比确定了挤压铸造工艺为工艺方案，并确定了挤压铸造的工艺参数。
又进行了对轮毂成形工艺的具体分析，和模具设计的基本方案。
为下面设计轮毂成型工艺的模具设计提供了好的平台。
第5章轮毂铸造模具的设计
轿车轮毂模具的生成是利用Pro/E强大三维造型功能中制造模块曲面特性实现的。
以上述三维实体模型为设计模型中的参考模型,参考模型和工件为后面模具的生成提供模板。
模具的生成首先将参考模型转换为制造模型，根据参考模型结构来确定工件的外形尺寸，在轿车铝轮的模具设计中，考虑轿车铝轮不规则的轮廓表面以及中空的结构特点和数控加工的可行性，将轿车铝轮的工件设计为正方体，并使轿车铝轮模型设计在该工件中。
另外确定轿车铝轮模具还要考虑到参考模型受阻收缩的影响，取收缩率s＝0.5%，在【模具】菜单中依次选择【收缩】/【按尺寸】选项,打开【按尺寸收缩】对话框,在其中设置收缩率为0.005,然后按回车键确认,可得到放大（1＋s）的参考模型[23]。
5.1挤压模具设计的基本原则
（1）铸造收缩率铸件凝固过程中,会产生随温度下降而导致线收缩和液固相转变时产生体收缩。
由于在挤压铸造过程中,铝液在压力的作用下与型壁紧密接触,可仅考虑线收缩而忽略体收缩。
并且根据轮毂的自身结构,将该轮毂铸造收缩率设计为0.5%。
（2）加工余量采用挤压铸造工艺可获得高的尺寸精度和表面光洁度。
设计时在铸件外侧、上端和下端设有2mm的加工余量,为了便于施压,轮毂下部的内孔设计为盲孔,挤压铸造后由机加形成。
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