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(tái)，以真空泵殼體為研究對(duì)象。針對(duì)目前國(guó)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(dòng)力。對(duì)于商用車和工程車等柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，由于發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)助力系統(tǒng)的要求，因此也需要真空泵來提供真空源。我國(guó)是生產(chǎn)制造大國(guó)，目前國(guó)內(nèi)商用車汽車市場(chǎng)需求較大，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(jí)別為CT5級(jí)，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(tái)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?？紤]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(dòng)性和填充的性能：金屬液體在鑄造模具內(nèi)的流通長(zhǎng)度要長(zhǎng)、金屬液體的凝固時(shí)間相對(duì)較短、表面的張力和粘力要??；②壓鑄模的澆注口的補(bǔ)充效果要大，凝固時(shí)的收縮率要?。虎蹮崃岩?，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)要小；④壓鑄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(dòng)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(duì)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(huì)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(dòng)模和定模。其工作原理為鑄件在壓鑄機(jī)開模力的驅(qū)動(dòng)下，鑄件模具沿著分型面分開，整體動(dòng)模部分移動(dòng)，隨后壓鑄機(jī)中心頂桿帶動(dòng)動(dòng)模頂出底板，帶動(dòng)頂針向前移動(dòng)，頂動(dòng)殼體鑄件，使鑄件從模具中脫離。1.4.1動(dòng)模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖2為動(dòng)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(dòng)模采用整體式的動(dòng)模，不易變形，有利于保持模具的整體強(qiáng)度和剛度，制造簡(jiǎn)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(dòng)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(dòng)通道，一般可以分為普通流道和無(wú)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(hào)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(cè)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?dòng)形態(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(chǔ)廢棄的金屬液、控制型腔中的金屬液的流動(dòng)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模或凹模上脫出，壓鑄模具中需要設(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(dòng)脫模的裝置完成脫模這一動(dòng)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(zhǎng)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(duì)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(jiǎn)單，這樣能提高生產(chǎn)效率，而且臥式一般都會(huì)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(yǔ)

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(duì)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(chǎng)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?jī)?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