車載真空泵泵體壓鑄模具設計探析

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摘要：本文設計壓鑄模具基于數字化工具UnigraphicsNX平臺，以真空泵殼體為研究對象。針對目前國內商用車及工程車輛需求的快速變化，如何快速高效的進行配套泵體設計，提高設計效率和生產效率，并開發了一整套壓鑄模具系統，包括鑄件的主要模具零件設計、澆注系統的設計、冷卻和脫模結構設計等，確保生產出來的真空泵的殼體能迅速滿足客戶需求，為真空泵的設計思路和方法提供有價值的參考。

關鍵詞：商用車；真空泵；模具設計；NX

0引言

真空泵是產生真空形成負壓，從而增加制動力。對于商用車和工程車等柴油發動機驅動車輛，由于發動機采用壓燃式，在進氣歧管處不能提供所需的真空壓力，因此需要安裝真空泵。同樣為了環保要求而設計的汽油直噴發動機GDI，在進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的要求，因此也需要真空泵來提供真空源。我國是生產制造大國，目前國內商用車汽車市場需求較大，行業競爭激烈，隨著商用車應用的發展，需要根據不同的工況配套開發對應需求的真空泵。本文以真空泵泵體設計為例，基于數字化工具UnigraphicsNX，通過摸索開發出一整套壓鑄模具系統，實現了模具設計的數字化模式，提高模具的設計和生產效率。

1主要模具零件設計

1.1工藝分析

本論文設計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到用戶實際需求，同時考慮到產品的批量生產時的經濟效益，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、表面光潔度的同時提高生產效率，降低生產成本。圖1為真空泵殼體零件圖，材質為鋅合金，其鑄造精度要求級別為CT5級，零件鑄造要求為表面光滑，成型質量良好。真空泵的殼體零件外觀表現為不規則型體，包含有孔槽結構、異形面和凸臺等，在工藝設計上通過采用側向抽芯結構方案達到順利脫模。此外該鑄件要求壁厚均勻，厚度尺寸為3mm。根據文獻[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的流通長度要長、金屬液體的凝固時間相對較短、表面的張力和粘力要小；②壓鑄模的澆注口的補充效果要大，凝固時的收縮率要小；③熱裂要少，能夠防止在壓鑄過程中產生熱裂：高溫時的強度要大、固相率要小、熱膨脹系數要小；④壓鑄零件與金屬模的附著力要小。同時壓鑄零件所使用的合金材料所應該具備的特性：良好的機械性質、質地較輕、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分型面結構設計

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構、零件的壓鑄制造工藝和澆注系統的布置位置。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平面。鑄件模具的型腔采用分型面設計，這種設計使上、下模具在分模時不會影響鑄件，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、下模內的深度也不深，有利于鋅合金液體順暢的進入型腔。

1.4成型零件的結構設計

根據成型要求，將成型零件的結構大體分為動模和定模。其工作原理為鑄件在壓鑄機開模力的驅動下，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動模的結構設計圖2為動模結構設計圖。鋅合金真空泵殼體壓鑄模具設計有型芯，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度和剛度，制造簡單。1.4.2定模的結構設計圖3為定模結構設計圖。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。一般來說定模的結構大致分為整體式和組合式定模。根據零件成型要求，設計該成型零件定模為整體式。

2澆注系統的設計

澆注系統是指將制作零件的合金材料融化后的液體從壓鑄機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。本次設計考慮到設計復雜性、成本和生產周期等原因選用的是普通流道的澆注系統[2]。

2.1直澆道設計

直澆道是澆注系統設計中的一部分，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定的時間注滿整個型腔[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，澆口套內徑與壓室沖頭內徑相同，由壓鑄機型號里選用的壓室沖頭內徑為Φ60mm。所以選取Φ60mm為直澆道口直徑。

2.2橫澆道的設計

橫流道根據它的作用可以分成主橫流道和過渡橫流道，但是在本次設計不用考慮過渡橫流道。根據機械設計手冊橫流道截面形狀。其中α為10～15°，由于已知內澆口的截面積，我們可以根據式（1）計算出橫澆道的面積：Ar=2Ag=127.6mm2（式1），然后我們可以根據Ar計算出圖中W和D的值，具體計算如下式（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內澆口設計

內澆口作為澆注系統的最后部分，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化為高速，并且使之變為理想中的流動形態順序的填充到型腔里[5-6]。①內澆口位置：一般選擇在鑄件厚壁處開設澆口，有利于壓力傳遞，減少或避免產生縮孔，因此內澆口設置在鑄件側面。②內澆口截面積：根據F內=2Q/RVT，式中：F內為內澆道的截面積（mm2），Q為鑄件質量45g，R為金屬液的密度（g·cm-3），取2.4g·cm-3；V為內澆口處金屬液的填充速度（m/s），取20m/s；T為型腔的充填時間（s），取0.15s；從而計算出內澆口截面積F內=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防止產生渦流、調節型腔溫度改善冷熱平衡狀態等。設計中模具取溢流槽寬度為10mm，深度取0.15mm。

3冷卻和脫模機構設計

3.1模具的冷卻設計

在壓鑄模中，冷卻系統是用來冷卻模具，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的一個系統。本次壓鑄模具的冷卻系統采用的最常用的水冷方式，通過在定模鑲塊、定模套板上設置水道，接入膠管通入冷卻水給模具的鑲塊和型芯降溫，達到冷卻的效果，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生缺陷。

3.2脫膜機構設計

為了使壓鑄成型后的壓鑄件方便從凸模或凹模上脫出，壓鑄模具中需要設置脫模機構。推桿脫模機構需要借助開模時候的力量去驅動脫模的裝置完成脫模這一動作，同時在選擇頂出位置的時候最好設立在鑄件的內部這些對外觀造成不了太大影響的位置。基于以上原則，選用推桿推出結構作為脫模機構類型。

3.3抽芯機構的設計

本產品有一側孔需要抽芯，采用側抽芯方式，具體設計如下：①脫模機構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構零件，熱處理變形小，可加工性優異。而行位的成型部分可以通過電火花加工，其余結構對于傳統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定靈活。詳細見模具總裝的配合要求。②設計采用斜導柱側向分型機構。其由五個部分組成：斜導柱、楔緊塊、擋塊和彈簧、滑塊導向塊、側抽芯及滑塊等。③斜導柱側向分型機構主要設計技術參數。α為斜導柱的傾角：15°＜α＜25°，抽芯距M為膠件側向凹凸深度為+（1.5～5）mm，鑄件抽芯距離為41mm，加上安全距離則設計實際需要抽芯距離約為45mm。斜導柱的長度L，查模具制造技術得公式：L=M/sinα+H/cosα（式4），計算得出L=170mm。

4壓鑄機的選擇與依據

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

4.1主漲型力的計算

根據公式計算主脹型力F主=AP10（式5），式中，F主為主脹型力（kN），A為鑄件在分型面上的總投影面積（mm2），經如估算，A≈10823mm2。P壓射比為壓（MPa），取P=50MPa；由此得出：F主=AP10=10823×5010=541.15kN4.2計算鎖模力根據鎖模力計算公式：F鎖叟K（F主+F分）（式6）。式中F鎖為壓鑄機應有的鎖模力（kN），為安全系數（取k=1.25），F主為主脹型力、鑄件在分型面上的投影面積，包括澆注系統、溢流、排氣系統的面積乘以比壓（kN）本次設計取零件的三分之一。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確定型腔數選擇壓鑄機根據計算出來鎖模力的數據，選用鎖模力為1600kN的DCC160型臥式冷室壓鑄機。表1就是壓鑄機的技術參數。

5結語

本文應用數字化技術進行壓鑄模具設計與制造，可更好地對產品外形、模具結構、成形工藝等進行優化，以適應商用車目前快速發展的市場需求，通過縮短模具設計與制造周期，保證產品質量的前提下，大大降低工廠生產成本。運用該方法設計出的真空泵泵體模具，調試生產出的鑄件，質量優良，縮短了其在汽車領域應用的開發周期，達到企業降本增效的目的。

作者:顏俊 單位:武漢交通職業學院