三通管接头压铸模三维CAD设计及CAE仿真成型设计概要.docx

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三通管接头压铸模三维CAD设计及CAE仿真成型设计概要

三通管接头压铸模三维CAD设计及CAE仿真成型

机

摘要：

首先，分析三通管接头压铸件的结构工艺，提出几种不同的压铸工艺方案,并计算环形浇口尺寸、弯销尺寸、充填速度、温度、压铸压力等工艺参数，完成压铸模结构设计分析。

然后，确定模具分型面及浇注系统，并借助Pro/E三维软件，对三通管接头零件进行三维造型，解决模具的结构设计。

在此基础上，应用CAE软件PROCAST仿真三通管接头充填、凝固过程，优化压铸模具结构设计。

再次，绘制模具装配图、零件工程图，同时校核模具关键零件的强度。

最后，编制型腔和型芯制造工艺卡片并借助CAM软件完成部分数控加工工序代码的生成。

最终表明该模具结构合理，制造工艺良好，工作稳定可靠。

关键词：

压铸模；环形浇口；弯销；分型面；Pro/E；CAE

ABSTRACT:

Inthisthesis,firstly,thestructuresoftheBranchPipeJointsdie-castingwereanalyzed.Thestructureofdiecastingdiewasdesignedthroughtheanalysisofvariousprocessplanningandthecalculationsoftechnologicalparametersofringgate,bentpin,speed,temperature,pressure,etc.Secondly,themoldpartingsurfaceandgatingsystemmustbedetermined.Byusing3DPRO/Esoftware,thedie-castingmodelandthemouldstructurehadbeendrawn.Onthebasis,thedesignofdie-castingmouldstructurewasoptimizedthroughtheapplicationofCAEsoftwarePROCASTsimulatingthepressurefillingandsolidificationcourse.Then,theMoldassemblydrawings,partsdrawingsweredrawnandthekeypartsintensitywaschecked.Finally,establishcavityandcoremanufacturingprocessescardsusingCAMsoftwaretocompleteNCcodegenerationofsomeprocess.Finally,theconclusionsshowthatthemoldstructureisreasonable,stable,reliableandthemouldhasgoodmanufacturingprocesses.

Keywords:

Die-castingmould；ringgate；bentpin；mouldsurface；Pro/E；CAE

1.引言

压力铸造是近代金属加工工艺中，发展较快的一种先进的铸造方法。

液态金属在高速高压作用下射入紧锁的模具型腔内，并保压、结晶直至凝固，形成半成品或成品[1]。

压力铸造作为一种终形和近终形的成形方法，具有生产效率高、经济指标优良、压铸件尺寸精度高和互换性好等特点。

在制造业获得了广泛的应用和迅速的发展，压铸件已成为许多产品的重要组成部分。

随着轿车、摩托车、内燃机、电子通信、仪器仪表、家用电器和五金等行业的飞速发展，压铸件的功能和应用领域不断扩大，从而促进了压铸技术不断发展，压铸合金品质不断提高。

压铸技术涉及到机械制造、液压传动、材料、冶金、自动化、计算机、化工、电子、传感器、检测、电气等诸多学科并正在向边缘学科渗透。

随着以上诸多学科的发展和工业技术的进步，压铸技术也取得了突飞猛进的发展，具体表现为[5]：

1）压铸机及外围设备整体性能和控制系统水平的大幅度提高。

2）计算机模拟技术在压铸中的广泛应用，加深了对压铸充型、凝固过程规律的认识。

3）压铸型材质和制造技术的发展，提高了压铸型使用寿命和压铸件质量。

4）薄壁压铸件成形技术的开发与应用，为实现轻量化的目标创造了条件。

5）压铸型涂料的开发，改善了铸型润滑特性，提高了压铸件表面质量。

在我国,压铸模起始于20世纪40年代，至21世纪，我国的压铸技术达到较高水平。

但与国外相比，我国压力铸造业仍然存在很多不足[7]。

本设计主要运用Pro/e三维建模，并通过Pro/e三维建模完成各部件间的装配。

从而减少试模的次数；其次，对模具浇注系统、冷却系统和加热系统的优化设计，以及通过Pro/e三维建模，使数控铣削加工型腔、型芯更为简单与方便，相对于传统加工，提高了压铸模的制造精度与生产效率，保证了产品质量，降低了废品率，提高了市场竞争力与模具使用寿命，增强模具的可靠性；然后通过压力、压射速度、填充时间、快压射转换位置等压铸工艺参数的优化设计，确定最佳工艺参数，提高压铸件合格率。

通过本毕业设计，掌握压铸原理及模具结构，掌握压铸模设计的步骤，模具制造工艺的编制能力，具有较强的从事压铸工艺及模具技术工作的能力，组织模具生产管理的能力。

2压铸件结构及工艺分析

2.1三通管接头体压铸件

由于三通管接头压铸件结构较复杂，尺寸精度要求较高，如图1所示。

三通管接头零件材料为YL112，表面质量和内部质量要求严格等特点，成型时要保证压铸件的质量，克服成型缺陷，因此对压铸件的成型工艺选择要求科学、合理，压铸模结构具有良好的工艺性。

另外，压铸铝合金还有较大的比热容和凝固潜热且具有良好的填充性能、较小的热裂倾向。

所以压铸工艺适用于三通管接头体压铸件的生产。

图1三通管接头体压铸件

2.2压铸工艺参数的选择

1压铸压力

为了提高铸件的致密度，提高压射比压无疑是必要的，但是压射比压过高，会使型腔受金属液的冲刷和粘模的倾向严重，降低模具的使用寿命；压射比压过低会导致逐渐组织不致密和轮廓不清晰。

因此，应根据铸件的特点和合金的不同来选择合适的压射比压。

一般在保证压铸件成形和使用要求的前提下选用较低的比压。

一般的压铸铝合金其压射比压为p=25～70MPa；取其中间值为p=35MPa。

2压铸速度

充填速度的高低直接影响压铸件的内部和外观质量。

充填速度过小会使铸件的轮廓不清，甚至不能成形。

充填速度选择过大，会引起铸件粘型并使铸件内部气孔率增加，使力学性能下降。

复杂壁厚铸件的铝合金充填速度为25～30m/s[13]，本次设计选为30m/s。

3温度

压铸铝合金（YL102）的浇注温度（铸件壁厚<3mm，其铸件结构较复杂）为610～650℃。

在连续生产中，压铸模温度往往升高，尤其是压铸高熔点合金时，温度升高很快。

温度过高除产生液体金属粘型外，还可能出现铸件因来不及完全凝固、推出温度过高而导致变形、模具运动部件卡死等问题。

同时过高的压铸模温度会使铸件冷却缓慢，造成晶粒粗大而影响其力学性能。

压铸模工作温度一般可按下式计算

T型=1/3t浇±Δt

（1）

式中t型是压铸模工作温度（℃）；t浇是液体金属的浇注温度（℃）；Δt是温度控制公差（一般取25℃）。

将已知参数代入

（1）式，可得该压铸工艺的温度为

T型=1/3t浇±Δt=1/3×630±25=210±25℃

4充填、持压和开模时间

三通管接头体铸件平均壁厚2mm，填充时间为0.028～0.040s[13]；生产中常用的持压时间铸件壁厚<2.5mm铝合金为1～2s；压铸铝合金常用停留时间（铸件壁厚为<3mm）为7～12s。

3三通管接头压铸模具结构设计

3.1分型面设计

在图2（a）中，分型面与压铸件的形状和尺寸、压铸件在压铸模中的位置和方向密切相关。

分型面的确定对压铸模结构和压铸件质量将产生很大的影响。

分析压铸件分型面可选择平直分型面。

在图2（b）中，分型面取在零件的对称面上。

分型面取在零件的对称面上，零件型腔有一半在定模上，影响零件的上下型腔成型部分的同心度，但取件方便。

在图2（c）中，分型面取在零件的端面上分型面取在铸件端面，抽芯距大且则型腔部分需要采用哈夫块形式，铸件外表面会有毛刺，铸件在拼接处的质量差；外表面的粗糙度大，且打磨困难，增加了精加工工序。

在图2（d）中，分型面取在零件最大垂直轴向截面上分型面取在零件最大垂直轴向截面上，动定模均需要采用哈夫块形式，大大增加了模具的成本，零件也很难取出，而且还需要一个侧抽芯。

（a）（b）（c）（d）

图2分型面方案

分型面取在零件轴向截面上分型面取在零件轴向截面上，定模需要采用哈夫块形式，增加了模具的成本，零件也很难取出，而且需要两个侧抽芯。

分析以上四图，可知图2（a）分型面虽然使型腔分割为动定模各一半，而且需要三个侧抽芯，但相对于其他几种方案，模具结构较为简单且加工性好。

所以，选择图2（a）分型面方案。

3.2浇注系统及溢流、排气系统设计

分析铸件结构图，该铸件要求较严格，气密性要求好。

采用环形浇道，能解决浇不足等缺陷问题。

而且环形浇道能够使金属液从型腔一端进入、排气通畅；压铸件的浇注系统、溢流系统在模具分型面上的投影面积小，可改善压铸机的受力状况。

所以，采用环形浇道，同时考虑设计溢流、排气系统。

图3浇注系统及溢流槽的三维结构

3.3镶拼式成型零件结构

镶拼式结构成型部分的型腔和型芯由镶块镶拼而成，装入模具的套板内固定。

其优点为对于复杂的型腔可以分块进行加工，简化加工工艺，提高模具制造质量，容易满足成型部位的精度要求；能合理使用模具钢，降低模具制造成本；有利于易损件的更换和修理；更换部分镶块，改变压铸模型腔的局部结构，满足不同压铸件的需要；拼合处的适当间隙有利于型腔排气。

该模具型腔及型芯三维图如图4－6所示。

图4定模型腔结构图5动模型腔结构

图6型芯结构示例

3.4加热与冷却系统的作用

只有把模具温度控制在一个合理的温度区间内，才能生产出质量高的压铸件。

模具预热功率的计算[13]：

P=mc（θs-θi）k/（3600×t）

（2）

式中P是预热所需的功率（kW）；m是需预热的模具（整套压铸模或动模、定模）质量（kg）；c是比热容（kJ/（kg·℃））钢的比热容取c=0.46kJ/（kg·℃）；θs是模具预热温度（℃）由前面计算可得θs=t型=210±25℃；θi是模具初始温度（室温）（℃）取25℃；k是补偿系数，补偿模具在预热过程中因传热散失的热量，k=1.2～1.5，模具尺寸大时取较大的值；t是预热时间（h）t取1/6h。

由Pro/E属性可以计算出模具质量为458.04kg，代入公式

（2），可得

P=mc（θs-θi）k/（3600×t）=87.67kW

所以，定模座板和垫板上各设置2个加热棒长为500mm功率为25kW。

冷却系统使压铸模达到较好的热平衡状态，改善压铸件顺序凝固条件，提高压铸件的内部质量和表面质量，稳定压铸件的尺寸精度，提高压铸生产效率[8]。

冷却水道的设计计算

Q1=mqn/3600（3）

式中q是压铸合金从浇注温度到压铸件推出温度散发的热量（kJ/kg），n是每小时压铸的次数，铝硅合金中q=888（kJ/kg），质量m=G浇=V×ρ=134×2.7=361.8g（由Pro/e属性可以计算出压铸件体积为134cm³）。

Q1=mqn/3600=0.3618×888×20/3600=1.785kW

计算冷却水道的长度：

L=Q1/Q2（4）

式中L是冷却水道的长度（mm）；Q1是金属液传入模具的热流量（kW）；Q2是单位长度冷却水道从模具中吸收的热量（kW/cm）。

单位长度冷却水道从模具中吸收的热量：

型腔冷却水道直径为8mm，单位长度冷却水道冷却能力为0.041（kW/cm）；根据模具设计有型腔冷却水道4根，长度为500mm。

通过计算可知，Q2=8.2kW>Q1=1.785kW，所以，冷却水道的长度合格。

3.5弯销抽芯机构

弯销为矩形的截面，能承受较大的弯曲应力；弯销的各段可以加工成不同的斜度，甚至是直段，因此根据需要可随时改变抽芯速度和抽芯力或实现延时抽芯；抽芯力较大或型芯离分型面较远时，可在弯销末端装支撑块，增加弯销的强度；开模后，滑块可不脱离弯销，因此该设计不设定位装置。

弯销三维图如图7所示。

图7弯销

3.6模具装配图

开模时，由于摆钩作用使得分型面先在I处打开，延时距离为33mm，动模向下运动因定位杆产生二次分型，并将压室凝料拉断，弯销延时作用，然后弯销侧抽芯，抽芯距离为70mm，推板推出零件，整个动模行程为160mm。

合模时，弯销推动侧滑块复位，楔紧块锁紧侧滑块，完成各抽芯机构复位；同时推板作用推杆，使推出机构复位。

最终完成模具型腔对中合模。

具体压铸模具结构如图8所示。

图8模具装配二维图及三维图

1、35、36、37、39－型腔镶块；2、46－楔紧块；3、47－弯销；4、45－斜滑块；5、27－斜滑块压板；6、9－斜滑块托板；7－前进限位块；8－后退限位块；10、18、19、33－销钉；11－复位杆；12动模座板；13、20、24、41、48－内六角螺钉；14－推杆固定板；15－推板；16－推板导柱；17－推板导套；21－垫块；22－推杆；23－支承板；25－动模套板；26－导套；28－定模套板；29－动模镶块套板；30－定模座板；31－导柱；32、40、44－型芯；34－定模镶块套板；38－压室；42－分流锥；43－浇口套。

4三通管接头压铸CAE模拟

4.1仿真模型建立

数值模拟软件的前处理工具具有较强的有限元建模功能，但造型功能比较简单，不具备构造复杂几何形状的能力，因而，一般借助于专用的CAD软件，如：

Pro/E、UG、CATIA等软件。

本模拟应用Pro/E软件建立三维模型图，然后以.igs的格式输出。

4.2网格划分

将刚生成的.igs格式的文件输入到MSCPATRAN软件中进行网格划分，设置网格边长为3mm，网格类型为tetrmesh，所生成的体网格格式为*out格式，导入Precast，如图9所示。

图8导入MSCPATRAN中的模型图9铸件网格划分图

4.3模拟参数设置

建立250×190×80的虚拟模具，模具的材料选用为H13钢（4Cr5MoSiV1），模具与铸件之间的换热系数设置为1000。

选择压铸浇口速度为v=30m/s，浇注温度设置为T=630°C，浇口处压射比压设置为P=50Mpa。

铸件的冷却方式设置为水冷，模具的预热温度为180°C，铸件设置为630°C[8-10]。

4.4模拟结果及分析

1．充填过程

图10表明金属液平面整体向前推移，并且流体始终填满流道。

流体进入型腔后并不冲击浇口型壁对面，而是顺序逐渐充填满型腔，最后充填处于型腔位置的溢流槽。

150Steps220Steps

图10铸件充填过程

2．铸件温度场

图11显示整个冷却过程由型腔向浇口、由外而内的冷却顺序进行。

该冷却方式有利于提高铸件凝固时的补缩能力，减少铸件内缩孔缩松，提高铸件质量。

220Steps300Steps

图11充型后铸件温度变化

3凝固过程

充填结束后，铸件先开始凝固的部位是工件，浇道边缘，然后是溢流槽发生凝固，最后是浇注系统的凝固。

较好地实现了铸件的顺序凝固，从而提高了铸件的力学性能。

图12铸件凝固过程

4．缩孔、缩松及等效应力

最终缩孔数值为0.06，数值较小，可以忽略不计；等效应力最大值约为70Mpa，而压铸件设计许用应力为100Mpa。

所以，该压铸件的设计比较合理，充填过程流畅。

图12缩孔分布图13等效应力分布

5结论

通过该压铸模的结构设计，获得了以下几个方面的结论：

（1）压铸压力、充填速度、模具温度、充填时间等工艺参数对模具设计具有重要的影响。

（2该压铸件的环形浇口充填时流程短、排气通畅；浇注系统、环形溢流系统在模具分型面上的投影面积小，可改善压铸机的受力状况，使模具结构紧凑，浇注系统金属消耗量较少。

（3）镶拼式结构对于该压铸件的复杂型腔可分块加工，简化加工工艺，提高模具制造质量，满足成型部位的精度要求；能合理使用模具钢，降低模具制造成本；拼合处的适当间隙有利于型腔排气。

（4）弯销为矩形的截面，能承受较大的弯曲应力。

弯销抽芯机构能满足该压铸模的抽芯速度、抽芯力和延时抽芯的要求。

（5）通过借助Pro/Engineer软件，运用单一数据库进行修改时，相关联的2D图形和3D模型均自动更改，同时组合、制造等相关尺寸参数设计也会自动修改，确保了数据的正确性，避免了反复修正的耗时性，并大大缩短了设计周期，提高了工作效率。

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