孫力偉 肖 冰 王慶輝

（長(zhǎng)春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校，吉林 長(zhǎng)春 130013）

鑄件的壓鑄成形工藝在現(xiàn)代成形方法中占有十分重要的地位，在生產(chǎn)各種壓鑄零件時(shí)具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以一次成形復(fù)雜的精密零件。其成形件具有尺寸精度高、表面光潔度好、互換性好、生產(chǎn)效率高、成本低等眾多優(yōu)點(diǎn)，在制造業(yè)中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力[1]。該文研究工具采用的是ProE 軟件，通過(guò)軟件的模擬分析可以實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)、仿真及力學(xué)分析，利用ProE 軟件中強(qiáng)大的參數(shù)化仿真建模、概念構(gòu)造、運(yùn)動(dòng)仿真及具有實(shí)際意義的模具設(shè)計(jì)等分析功能模塊，可以快速進(jìn)行成形工藝的設(shè)計(jì)。對(duì)于設(shè)計(jì)分析軟件而言，ProE 軟件的功能是根據(jù)設(shè)計(jì)者參數(shù)化設(shè)定及調(diào)用單一數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)每一個(gè)基本參數(shù)認(rèn)定為可變的獨(dú)立數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)者在前期設(shè)計(jì)參數(shù)建模時(shí)可以改變?nèi)我饣境叽纾浖?huì)更新出新的建模形狀?；赑roE 軟件的功能特性，使設(shè)計(jì)者能夠判斷建模時(shí)的邏輯關(guān)系并修改參數(shù)尺寸，如果建模設(shè)計(jì)需要改變時(shí)，僅需要改變幾個(gè)參數(shù)尺寸即可完成，既節(jié)省了大量的設(shè)計(jì)時(shí)間，又減少了設(shè)計(jì)中可能會(huì)產(chǎn)生的錯(cuò)誤。ProE 軟件提供的設(shè)計(jì)分析能力也有助于壓鑄模具設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)。通過(guò)軟件的分析功能，確定最優(yōu)的加工精度及壓鑄時(shí)的受力變形、受熱溫度和運(yùn)動(dòng)干涉等問(wèn)題，可以分析所設(shè)計(jì)的壓鑄模具結(jié)構(gòu)是否合理，其性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，模具流動(dòng)是否有缺陷，最終實(shí)現(xiàn)壓鑄模具的制造。因此，設(shè)計(jì)者要在模具準(zhǔn)備生產(chǎn)和加工前找出其存在的問(wèn)題，優(yōu)化參數(shù)配置，改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，不僅可以設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良可靠的模具，而且可以極大地縮短其開發(fā)周期，從而大大縮短市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品快速更新的需求。

1 電機(jī)端蓋零件設(shè)計(jì)與計(jì)算

該壓鑄件為電機(jī)端蓋，端蓋零件鑄件外徑尺寸為110 mm，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，沿最大分型面對(duì)稱，零件上帶有4 根肋，2個(gè)鑄孔，其直徑為3 mm，8 個(gè)沉頭孔，直徑為4 mm。壓鑄材料合金的化學(xué)成分和力學(xué)性能經(jīng)查表可知，力學(xué)性能：強(qiáng)度σb：240 MPa，收縮率δ：1% ，硬度：90 HB，可選的鋁合金材料為ZL108[2]。鋁合金主要有以下特點(diǎn)：鋁合金的導(dǎo)熱性能好，強(qiáng)度大，耐磨性和耐腐蝕性小，鋁合金的密度小2.5 g/cm～2.9 g/cm，液態(tài)鋁合金密度為2.4 g/cm，如圖1 所示。由圖1 可知，該零件的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，基本上可以確定選擇雙分型面結(jié)構(gòu)。零件兩端帶有凸臺(tái)，在鑄件尖銳處要設(shè)置圓角，圓角的作用是為了在澆注時(shí)，合金液體能流動(dòng)順暢，型腔內(nèi)氣體容易排出。目前還沒(méi)有較精確的關(guān)于脫模斜度的公式，所以選擇脫模斜度時(shí)主要靠參照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)ZL108的材料性質(zhì)，一般選用3°的開模斜度。壓鑄零件上的孔應(yīng)該盡量鑄出，因?yàn)檫@不僅節(jié)省了合金材料，還減少了加工的時(shí)間，而且可以使壁厚盡量均勻，減少中間的熱節(jié)。由圖中數(shù)據(jù)可知，可以先鑄出2.5 mm 的通孔，然后再加工螺紋。

圖1 端蓋零件三維圖

2 基于ProE電機(jī)端蓋壓鑄模具的設(shè)計(jì)

壓鑄可以生產(chǎn)形狀復(fù)雜、輪廓清晰、薄壁、高精度的壓鑄零件，且多數(shù)都是一次成型，只要修改個(gè)別部位即可使用。壓鑄模生產(chǎn)的壓鑄件組織致密，成型的鑄件強(qiáng)度和表面粗糙度較高，可以不經(jīng)熱處理就能滿足使用要求。壓鑄隨著自動(dòng)化機(jī)械化的水平的提高，生產(chǎn)效率極高，一般都是一次成型，大大減少了機(jī)械加工的過(guò)程，減少了工作任務(wù)，極大地縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約了時(shí)間，減少了投入成本。壓鑄生產(chǎn)零件的工藝流程短，操作簡(jiǎn)單，設(shè)備占地面積少，材料利用率高。

首先進(jìn)行澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，金屬液由鑄件的頂端充填型腔，流程短且均勻，模具結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，常用于外形尺寸對(duì)稱的薄壁型鑄件。溢流槽截面積的大小與相連的排氣槽大小相關(guān)，要把溢流槽截面積設(shè)計(jì)得比排氣槽大一點(diǎn)，不讓排氣槽的截面積削減。整體式凹模：由整塊材料加工制成。另外一種為鑲嵌式凹模：對(duì)于模具外形較為復(fù)雜而且體積大，一般利用模具中間進(jìn)行鑲塊鑲嵌在其中。模具的型芯又稱凸模，一般是指零件在成形后零件內(nèi)表面的模具加工形狀，通常分為3 種形式。1） 在型芯固定板或型腔上直接加工出來(lái)的稱為整體型芯。2）將型芯加工成帶臺(tái)階的型芯稱為鑲嵌式型芯，用于多型腔模具。3） 形狀較復(fù)雜的型芯通常用2 個(gè)或多個(gè)型芯共同組合而成，稱為復(fù)合式型芯。通常把加工復(fù)雜的地方放在凸模上，這樣加工模具的設(shè)備更容易制造出所需要的形狀。

打開ProE 軟件，在“模具”菜單中順次選擇“裝配”“創(chuàng)建”“工件”“手動(dòng)”，出現(xiàn)“創(chuàng)建選項(xiàng)菜單”，選擇“創(chuàng)建特征”，再順次選擇“加材料”“拉伸”“實(shí)體”“完成”，進(jìn)入草繪狀態(tài)，選擇端蓋底面作為草繪平面，繪制工件，工件創(chuàng)建完成[3]。

完成對(duì)毛坯工件的設(shè)計(jì)后，進(jìn)行分型面設(shè)計(jì)。首先，將毛坯工件臨時(shí)隱藏，有助于參考模型的曲面的建立。點(diǎn)擊“分型面”圖標(biāo)，順次選擇“增加”“復(fù)制”“完成”命令，在“參照”“定義”，進(jìn)入草繪界面，繪制長(zhǎng)寬各為200 對(duì)稱的正方形，確定后“完成/返回”命令，結(jié)束分型面的創(chuàng)建。選擇分割命令，再順次選擇模具菜單的“模具體積塊”“分割”“2個(gè)體積塊”“所有工件”“再完成”。出現(xiàn)選擇分型面菜單，選擇分型面為模具體積塊分割面，彈出體積塊命名對(duì)話框，命名后確定，單擊“完成/返回”完成命令。單擊分解命令即可觀察到上下模分別向指定方向移動(dòng)[4]。模架設(shè)計(jì)完畢后，接下來(lái)利用ProE系統(tǒng)的開模演示功能模擬實(shí)際生產(chǎn)的開模過(guò)程，在模擬開模前先將鑄模零件裝配到模具裝配體中。選擇菜單欄中的[應(yīng)用程序]/[模具布局]命令，在彈出的菜單管理器中選擇[模具進(jìn)料孔]/[定義間距]/[定義移動(dòng)]命令，按住“Ctrl”鍵，依次選擇模柄、上模座、沖頭固定板、沖頭、凸模、導(dǎo)柱。系統(tǒng)提示選擇邊、軸或表面確定開模方向，確定后輸入移動(dòng)距離即可，這是一個(gè)開模動(dòng)作。再將上述組件按同樣的命令移動(dòng)回來(lái)，這是一個(gè)合模動(dòng)作。調(diào)整合摸機(jī)構(gòu)的位置可以適應(yīng)所設(shè)計(jì)的模具厚度，但調(diào)整范圍不能超過(guò)說(shuō)明書中所給出的最大和最小模具厚度。

模具的脫模行程為推出距離與鑄件的長(zhǎng)度之和再加上5 mm～10 mm 的安全距離，脫模行程L=51+18+8=77 mm。L在壓鑄機(jī)動(dòng)模板行程范圍內(nèi)，所以模具尺寸符合要求。

對(duì)成型零件設(shè)計(jì)要求需要滿足以下4 個(gè)條件。1）具有足夠的強(qiáng)度、剛度。2）具有足夠的硬度和耐磨性，以承受塑料在沖模時(shí)流動(dòng)的摩擦和磨損。3） 該設(shè)計(jì)沖壓模外殼表面光滑美觀，所以要求材料的拋光性能好。4）切削加工性能好，熱處理變形小，可淬火性能良好。

3 基于Pro/Mechanica壓鑄模的結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多數(shù)都是參考已有的經(jīng)驗(yàn)和模具設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。這種情況下設(shè)計(jì)的產(chǎn)品大多數(shù)會(huì)造成性能程度過(guò)大或欠缺，降低了產(chǎn)品的性能，制約了創(chuàng)新。由于Pro/Mechanica與ProE 數(shù)據(jù)是無(wú)縫集成的，CAD 模型的變更自動(dòng)會(huì)導(dǎo)致CAE的改變，利用靈活的變更設(shè)計(jì)，可以優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

在進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)分析前，首先進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的好壞直接影響軟件分析的精度，因此理想的網(wǎng)格結(jié)果最接近理論值，而實(shí)際網(wǎng)格不可能都是理想的形狀，這種差異就是網(wǎng)格變形。出現(xiàn)網(wǎng)格變形就會(huì)出現(xiàn)計(jì)算誤差，在一定范圍內(nèi)的誤差不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很大影響，反之，網(wǎng)格出現(xiàn)太大變形會(huì)對(duì)計(jì)算誤差產(chǎn)生極大影響，隨之影響分析計(jì)算結(jié)果[5]。產(chǎn)生網(wǎng)格變形有2 個(gè)原因。1）由于零件表面形狀不規(guī)則，模型較為復(fù)雜，不易形成均勻的網(wǎng)格，尺寸間相差過(guò)渡較大使網(wǎng)格變形。2） 過(guò)渡面的影響。復(fù)雜零件表面間過(guò)渡區(qū)域距離小，易陡峭，這是網(wǎng)格劃分不均勻產(chǎn)生的變形。因此，綜合考慮網(wǎng)格劃分特點(diǎn)及布置合理的網(wǎng)格尺寸極為重要，對(duì)零件劃分網(wǎng)格施加邊界條件后進(jìn)行應(yīng)力仿真。脹型力：先確定承受載荷的面，型芯上凡是和鑄件接觸的部分都會(huì)受到合金液體的沖擊。

根據(jù)有限元分析的結(jié)果可知，最大應(yīng)力為187.6 MPa，最大變形為0.006913 mm，均沒(méi)有超過(guò)材料的允許強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)和端蓋的高度方向上的尺寸精度，所以，在單獨(dú)施加脹型力載荷的情況下，型芯的設(shè)計(jì)滿足要求。在脹型力和熱載荷二者作用下，型芯中出現(xiàn)的最大位移和最大應(yīng)力均比單獨(dú)施加脹型力載荷的情況下大。這就說(shuō)明了熱載荷對(duì)壓鑄模具的影響很大而且起主導(dǎo)作用。在Pro/Mechanica 中，使用疲勞分析來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)由于受周期變化的載荷而導(dǎo)致的疲勞損傷。在Pro/Mechanica 模塊中，在靜力分析的基礎(chǔ)上建立疲勞分析。1）定義并執(zhí)行一個(gè)靜力分析。2） 選擇一個(gè)靜力分析結(jié)果并執(zhí)行疲勞分析。使用Pro/Mechanica 進(jìn)行疲勞分析，需要注意為材料定義疲勞屬性。模具的整體受力情況良好，滿足設(shè)計(jì)的要求。模具的力學(xué)指標(biāo)均合格，能夠滿足實(shí)際使用要求。應(yīng)用ProE 軟件進(jìn)行受力分析，可以快速的檢驗(yàn)?zāi)＞吒鼽c(diǎn)處的受力狀況，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4 結(jié)論

該文利用ProE 繪制零件的三維數(shù)模，方便、快捷并且具有很強(qiáng)的可操作性。利用ProE 軟件進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，可以全面、精確地設(shè)計(jì)出需要的模具。設(shè)計(jì)壓鑄模具的力學(xué)特性可以利用Pro/Mechanica 軟件進(jìn)行快速分析，方便及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，提高了設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量。采用ProE 進(jìn)行壓鑄模具設(shè)計(jì)，在降低實(shí)驗(yàn)成本的同時(shí)，有利于產(chǎn)品的進(jìn)一步優(yōu)化，能夠大幅縮短企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品的周期。模具在被施加載荷的過(guò)程中，其最大應(yīng)力的值在材料許用應(yīng)力的安全范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)成功避免了應(yīng)力的集中，并減少了局部的最大應(yīng)力值，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，能夠保證在正常使用環(huán)境中的安全性，這大大提高了模具的質(zhì)量。