水泵葉輪液態(tài)模鍛模

摘要本文是一篇以模具設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)論文，其內(nèi)容主要包括了鋁合金、液態(tài)模鍛成型技術(shù)、水泵葉輪等要點(diǎn)?；诋a(chǎn)品研究開發(fā)的一般流程，制定了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝方案設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)的技術(shù)路線。借助CAD等工具，對(duì)水泵葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析、并對(duì)模具造型、鑄造工藝等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。首先介紹了我國(guó)模具的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及我國(guó)模具發(fā)展的新技術(shù)，其次對(duì)水泵葉輪模具進(jìn)行設(shè)計(jì)。水泵葉輪的成型工藝方法較多，根據(jù)這幾類成型工藝設(shè)計(jì)了一套方案。本文根據(jù)液態(tài)模鍛的工藝特點(diǎn)，對(duì)葉輪模具設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析總結(jié)，并對(duì)模具型腔進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，查閱模具設(shè)計(jì)手冊(cè)，完成模具的總體設(shè)計(jì)。同時(shí)充分利用計(jì)算機(jī)繪圖軟件對(duì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì),利用Pro/E對(duì)零件進(jìn)行三維造型,并實(shí)現(xiàn)零件的三維裝配和模具設(shè)計(jì)。通過本次設(shè)計(jì)，對(duì)模具整個(gè)設(shè)計(jì)過程有了較好的了解。關(guān)鍵詞：液態(tài)模鍛；鋁合金；CAD；Pro/EAbstractThispaperisadesignpaperbasedondiedesign,whichmainlyincludesaluminumalloy,liquidforgingtechnology,pumpimpellerandotherkeypoints.Basedonthegeneralprocessofproductresearchanddevelopment,thetechnicalrouteofproductstructuredesign,processplandesignandmolddesignisestablished.WiththeaidofCADandothertools,thestructuraldesignandperformanceanalysisofpumpimpeller,aswellasthedesignofmoldmodelingandcastingprocessarecarriedout.Firstly,thecurrentsituation,developmenttrendandnewtechnologyofmouldinourcountryareintroduced.Secondly,themouldofpumpimpellerisdesigned.Therearemanyformingmethodsfortheimpellerofwaterpump.Asetofschemeisdesignedaccordingtotheseformingprocesses.Accordingtothetechnologicalcharacteristicsofliquidforging,thispaperanalyzesandsummarizesthedesignofimpellerdie,designsthestructureofdiecavity,consultsthedesignmanualofdie,andcompletestheoveralldesignofdie.Atthesametime,makefulluseofcomputerdrawingsoftwaretodesigntheparts,usePro/Etomakethree-dimensionalmodelingoftheparts,andrealizethethree-dimensionalassemblyofthepartsandmolddesign.Throughthisdesign,thewholedesignprocessofthediehasabetterunderstanding.Keywords：Liquidforging；Squeezecasting；Aluminiumalloy目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 IAbstract I第1章緒論 51.1模具行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 51.2選題的目的和意義 51.3液態(tài)模鍛成型技術(shù) 61.3.1液態(tài)模鍛成型技術(shù)的發(fā)展概況 6第2章產(chǎn)品設(shè)計(jì) 72.1材料的選擇 72.2葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 82.2.1脫模斜度 82.2.2產(chǎn)品壁厚 82.2.3鑄件的精度 82.2.4葉輪零件的三維實(shí)體生成 8本章小結(jié) 9第3章葉輪成型工藝選取 103.1葉輪成型的工藝特點(diǎn) 103.2葉輪的主要成型方法及其優(yōu)缺點(diǎn) 103.2.1壓鑄 113.2.2擠壓鑄造 113.2.3其他成型方法 123.2.4工藝方案的確定 13本章小結(jié) 13第4章直接擠壓鑄造的工藝參數(shù) 144.1涂料 144.2加壓壓力 144.3模具溫度 164.4充型速度 164.5澆注溫度 174.6加壓起始時(shí)間 174.7保壓時(shí)間 174.8脫模 18本章小結(jié) 18第5章模具的設(shè)計(jì) 185.1模具設(shè)計(jì)方案 185.2模具設(shè)計(jì)的基本原則 195.2.1鑄造收縮率 195.2.2加工余量 195.2.3鑄造圓角 195.2.4配合間隙及長(zhǎng)度 195.2.5拔模斜度 205.2.6模具材料 205.3葉輪模具三維圖 205.3.1葉輪模具分模面的確定 205.3.2凹模設(shè)計(jì) 205.3.3凸模設(shè)計(jì) 215.3.4模板設(shè)計(jì) 215.3.5模具裝配 22本章小結(jié) 23結(jié)論 23致謝 錯(cuò)誤!未定義書簽。參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤!未定義書簽。附錄1 錯(cuò)誤!未定義書簽。附錄2 錯(cuò)誤!未定義書簽。第1章緒論1.1模具行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀目前的模具主要生產(chǎn)國(guó)家分散在亞洲、美洲和歐洲等地區(qū)，其中先進(jìn)模具制造國(guó)家有日本、美國(guó)和德國(guó)等，這些國(guó)家對(duì)于高精度與復(fù)合型模具的開發(fā)走在世界前列。最近幾年來，在我國(guó)，已經(jīng)有越來越多的人對(duì)于模具的了解及認(rèn)知有了很大的改變，人們認(rèn)識(shí)到現(xiàn)在的模具技術(shù)水平還無法達(dá)到國(guó)外的先進(jìn)水平，所以目前國(guó)家調(diào)整了模具行業(yè)的發(fā)展結(jié)構(gòu)，將大型模具、精密型模具和長(zhǎng)壽命型模具等分類調(diào)整；在注塑模具和壓鑄類模具的部分加大生產(chǎn)量，而且目前市面上的模具廠家正在增加，在模具的質(zhì)量上要求生產(chǎn)嚴(yán)格，以實(shí)現(xiàn)零故障少瑕疵為目標(biāo)和行業(yè)規(guī)定。在中國(guó)，模具制造的生產(chǎn)企業(yè)擁有很多分類，也有很多模具鑄造的工廠，這些工廠大多數(shù)在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市，比如廣州、深圳等地，或者長(zhǎng)江三角洲一些貨物流通較快的地區(qū)。而且這些工廠目前已經(jīng)具備了一定的發(fā)展能力?？v觀整個(gè)行業(yè)的發(fā)展，我國(guó)的模具行業(yè)前景是非常廣泛且巨大的，而且其不只在數(shù)量上，甚至在質(zhì)量上并不落后，兼?zhèn)渲咚礁哔|(zhì)量的能力。在許多發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展目標(biāo)中，工業(yè)一直是非常重要的，其在研發(fā)新的可利用可升級(jí)的工業(yè)設(shè)備和材料，好的發(fā)展不僅僅體現(xiàn)在數(shù)量上，積極的從事先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)的開發(fā)，是社會(huì)不斷進(jìn)步的基石。要使得模具制造又快又好，就必須去從根本上改善它，去積極的進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)與設(shè)想，并付諸行動(dòng)。而國(guó)外很多企業(yè)都在這一方面上保持很好的制造與研發(fā)水平，在技術(shù)上屢有創(chuàng)新，可能其發(fā)展規(guī)模不是很大，但在技術(shù)上的水平確非常高，生產(chǎn)效率也非?？?。1.2選題的目的和意義水泵的葉片葉輪是水泵進(jìn)行工作的重要組件，其性能有很大一部分是由葉輪影響，這包括葉輪是否擁有適合的大小和尺寸，在精度能否達(dá)到水泵所需的機(jī)械能力。一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的水泵在運(yùn)行時(shí)所接觸的介質(zhì)是水流，長(zhǎng)時(shí)間接觸水流，會(huì)產(chǎn)生腐蝕反應(yīng)，所以水泵要求必須要求有一定的耐磨、耐腐蝕性，尤其是葉輪葉片上。一個(gè)水泵如果在葉輪上沒有達(dá)到好的設(shè)計(jì)效果，水泵的輸入處和葉輪處就會(huì)失去很大的水力，并在間隙處產(chǎn)生損失。而設(shè)計(jì)出一款能夠生產(chǎn)出強(qiáng)度更高，耐腐蝕性更好的水泵葉輪模具，能很好的解決水泵在工作時(shí)所受到的損失及影響?？紤]到鑄件的復(fù)雜程度，對(duì)多種工藝的調(diào)查和比較，在這基礎(chǔ)上進(jìn)行初步構(gòu)想，應(yīng)選用鋁合金材料，采用各類鑄造鍛造技術(shù)中的液態(tài)模鍛工藝。在這個(gè)設(shè)想上查閱相關(guān)資料，并嘗試在軟件的基礎(chǔ)上建造3D模型，進(jìn)行金屬性能分析，設(shè)計(jì)一個(gè)能生產(chǎn)出優(yōu)良產(chǎn)品且擁有精密內(nèi)外部構(gòu)造的模具。1.3液態(tài)模鍛成型技術(shù)1.3.1液態(tài)模鍛成型技術(shù)的發(fā)展概況前蘇聯(lián)1937年應(yīng)用于軍事及高科技范圍金屬構(gòu)件的制造該工藝屬鑄、鍛結(jié)合工藝，在不同的領(lǐng)域中，這項(xiàng)技術(shù)有不同的稱呼，它可應(yīng)用于鍛壓與鑄造兩種領(lǐng)域，介于兩者之間，所以既被稱作液態(tài)模鍛，又被稱為擠壓鑄造，雖然有兩個(gè)不同的稱謂，但在介紹中是相同的，即將金屬融化制成金屬液，直接或間接導(dǎo)入準(zhǔn)備好的模具型腔中，經(jīng)過壓力沖頭加壓成型，待冷卻后凝固結(jié)晶。它是現(xiàn)代鑄造鍛壓領(lǐng)域中一種非常省力和節(jié)約材料的成型工藝。該技術(shù)在將金屬液加工之后鑄造成的鍛件非常接近最終尺寸，而且它的成品中有很高的質(zhì)量保證。擠壓鑄造這一技術(shù)自1958年進(jìn)入中國(guó)，國(guó)內(nèi)就開始從事它的研究，往后幾年此類技術(shù)進(jìn)入研究中期，它可以被應(yīng)用于簡(jiǎn)單的鋁合金零件生產(chǎn)中，1970年，擠壓鑄造已經(jīng)發(fā)展至可制造大型零件和較精密型零件的技術(shù)領(lǐng)域，這一發(fā)展進(jìn)程預(yù)示著我國(guó)未來將實(shí)現(xiàn)更高端的制造技術(shù)，并從此邁入發(fā)展中國(guó)家的前列。1.3.2液態(tài)模鍛的工藝特征及工作原理液態(tài)模鍛是在金屬鑄造時(shí)需要將金屬熔化成形成流動(dòng)金屬液放置型腔內(nèi)進(jìn)行冷卻。金屬本身在液態(tài)下會(huì)產(chǎn)生液體狀態(tài)下的收縮和凝固時(shí)縮孔的縮松，這是金屬鑄造時(shí)所產(chǎn)生的特殊缺陷，為了消除此類缺陷，將金屬的性能提升到最高，在此基礎(chǔ)上應(yīng)對(duì)其進(jìn)行加壓的熱模鍛處理技術(shù)，將已經(jīng)凝固且有良好塑性的金屬件變形，強(qiáng)制的改善它的金屬性能。這兩種技術(shù)的結(jié)合才被稱為液態(tài)模鍛，它使得金屬在塑性變形時(shí)補(bǔ)縮徹底的良好特點(diǎn)，它與單一技術(shù)下模鍛技術(shù)相比，成型更快，而且所需要的壓力要更小。這是在兩種技術(shù)上的開創(chuàng)的新技術(shù)，取了兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)兩種技術(shù)在其特有狀態(tài)下的不足，是未來制造技術(shù)的一個(gè)非常有意義的階段，標(biāo)志著現(xiàn)代制造技術(shù)的里程碑式的發(fā)展。第2章產(chǎn)品設(shè)計(jì)2.1材料的選擇鋁合金擁有良好的金屬性能和使用性能，而且產(chǎn)量也很高，在各類合金中是使用率最高，發(fā)展范圍最廣的合金。鋁合金相較于其他合金的優(yōu)點(diǎn)是：比重小、強(qiáng)度高；鑄造性能和切削性能好；耐蝕性、耐磨性、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性好。而且它的收縮值比較大，在金屬液凝固時(shí)容易形成較大的收縮孔。所以考慮到選取的金屬鑄造工藝為液態(tài)模鍛能消除材料在鑄造時(shí)產(chǎn)生的縮松縮孔，在材料的選用上應(yīng)采用性能良好的鋁合金。一種鋁合金鑄件的制造方法，包括將熔融鋁合金倒入其中有砂芯的模具中，在鑄件凝固后從鑄件中除去一部分用于形成砂芯的砂，加熱鑄件，同時(shí)從鑄件中除去其余部分的砂，以及加工該鑄件以完成具有孔或腔或任何其它與該芯互補(bǔ)的痕跡的鋁合金制品[1]。2.2葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄件的結(jié)構(gòu)是否適合鑄造工藝時(shí)所產(chǎn)生的條件，是需要考慮的一個(gè)非常重要的部分，好的鑄件結(jié)構(gòu)生產(chǎn)容易，鑄件性能質(zhì)量高，不適合整體結(jié)構(gòu)的鍛件則是整個(gè)設(shè)計(jì)失敗的關(guān)鍵部分。良好的鑄件要求必須達(dá)到規(guī)定的結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸精度，這樣能夠考慮到鍛件是否適合所要設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)，也可以在模具的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行簡(jiǎn)化，使得生產(chǎn)制造鑄件時(shí)更加簡(jiǎn)便容易，在這基礎(chǔ)上能夠?qū)⒆罱K產(chǎn)品的性價(jià)比提高。而且鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是對(duì)設(shè)計(jì)者在鑄件結(jié)構(gòu)工藝性的一個(gè)考量。2.2.1脫模斜度 鑄件鑄造完成后，推桿會(huì)將鍛件從型腔中向上推出,此時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻力，這樣可能會(huì)使得鑄件產(chǎn)生劃傷，影響質(zhì)量，為了防止此類影響發(fā)生,在鑄件與模具的平行方向的接觸面上，都要設(shè)計(jì)出能夠兩者順利脫出的脫模斜度，它的大小與鑄件的材料、鑄件的形狀和型腔的粗糙度有關(guān)。鋁合金脫模斜度在資料上所給出適合的為最小脫模斜度內(nèi)表面0030'和外表面0015'，非配合面的最小脫模斜度內(nèi)表面為10外表面為0030'。2.2.2產(chǎn)品壁厚鑄件應(yīng)該設(shè)計(jì)成合理的薄壁件，盡量壁厚均勻，同一鑄件上，最大壁厚與最小壁厚之比不要大于3：1。根據(jù)固定座各個(gè)面的面積大小和盡量使壁厚均勻得原則，設(shè)定固定座基本壁厚為2.5mm，兩空心圓筒之間的連接部位厚度為3mm。2.2.3鑄件的精度尺寸精度是鑄件的結(jié)構(gòu)工藝的關(guān)鍵特征之一，它影響到模具的設(shè)計(jì)，液態(tài)模鍛工藝的選擇和制造，從而關(guān)系到鑄件的質(zhì)量和成本。影響鑄件的尺寸精度的因素大致有：鑄造時(shí)產(chǎn)生的誤差；金屬變形時(shí)收縮率導(dǎo)致的誤差；模具在使用過程中磨損引起的誤差；模具的安裝和配合引起的誤差；鑄件在模具中不同的位置引起的誤差；工藝變化引起的誤差等等。2.2.4葉輪零件的三維實(shí)體生成鑄件的3D實(shí)體化有利于我們?cè)谝曈X上能直觀的發(fā)現(xiàn)出它仍存在的不足和是否擁有改進(jìn)的必要，是我們深刻了解產(chǎn)品的一個(gè)必要方法。Pro/E是一款強(qiáng)大的3D建模軟件，它能通過簡(jiǎn)單的操作構(gòu)造產(chǎn)品在多方面以及內(nèi)部的全貌，它擁有零件模塊實(shí)體特性，它的入手點(diǎn)是從線到面再到實(shí)體的逐步建造方式，能否真正完成產(chǎn)品的實(shí)體化，其關(guān)鍵在于產(chǎn)品在Pro/E中的實(shí)現(xiàn)。該軟件通過繪制一系列簡(jiǎn)單要素，包括點(diǎn)、線、面，并進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、鏡像等操作最終生成所需的實(shí)體。最終產(chǎn)品圖如圖2-1所示。圖2-1側(cè)視圖本章小結(jié)本章主要介紹了葉輪的鑄造材料鋁合金，敘述了鋁合金的優(yōu)缺點(diǎn)以及選用鋁合金的原因；葉輪鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析，從葉輪的特性入手，根據(jù)資料所給標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出它的大小、尺寸、壁厚、脫模斜度和鑄件精度，并根據(jù)葉輪的尺寸利用Pro/E3D建模軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模。第3章葉輪成型工藝選取3.1葉輪成型的工藝特點(diǎn)水泵工作原理主要是由電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生機(jī)械能，機(jī)械能通過使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)將能量傳遞給液體，液體得到傳遞的能量后能量隨之增加。所以水泵的能否將液體能量提高對(duì)液體做功的關(guān)鍵在于葉輪是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。一個(gè)葉輪的好壞由很多因素構(gòu)成，對(duì)水力性能的傳遞效率；葉輪金屬性能是否良好，即抗腐蝕性與強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)工藝性是否達(dá)到要求等。鑄件在鑄造時(shí)，生產(chǎn)工序包括以下幾部分:鑄造成型、熱處理、機(jī)加工和涂裝等。在鑄造成型時(shí)，應(yīng)考慮鑄造的溫度、充填成型的速度和根據(jù)鑄件冷卻時(shí)間設(shè)計(jì)冷卻速度。最終成型的鑄件是否優(yōu)良，取決于以上參數(shù)的有沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格的控制參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)是鑄造成型中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。由于葉輪的鑄造工藝為液態(tài)模鍛，考慮到液態(tài)模鍛的工藝特性，采用在型腔中心直接澆注的方式進(jìn)行金屬液充填，而以下幾個(gè)方面的因素需要注意：（1）葉輪的主要受力區(qū)域在葉片和底板,為了防止該區(qū)域受到擠壓而損壞，需要檢驗(yàn)其是否達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；（2）葉輪的各個(gè)連接部位至關(guān)重要，考慮到該部分的厚度會(huì)影響到金屬液凝固時(shí)產(chǎn)生縮松和縮孔，需要對(duì)其連接處進(jìn)行加強(qiáng)；（3）葉輪鑄件很可能會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生疲勞缺陷，應(yīng)采取預(yù)防措施，制定好各種方案來應(yīng)對(duì)該影響。3.2葉輪的主要成型方法及其優(yōu)缺點(diǎn)結(jié)合葉輪的結(jié)構(gòu)和工藝性能，有許多種鑄造成型方法可以采用，根據(jù)各類成型方法的工藝特點(diǎn)和葉輪成型過程中的關(guān)鍵要素采取對(duì)比，選出最適合葉輪工藝成型的方法。目前符合葉輪工藝成型的方法有有著多種壓力鑄造方法的壓力鑄造以及結(jié)合鑄鍛兩種成型方式的擠壓鑄造[1]。下面根據(jù)葉輪成型的工藝特點(diǎn)以及以上三種成型方法的鑄造方式和優(yōu)缺點(diǎn)等因素進(jìn)行比較，選出最適合葉輪鑄件的成型方法。3.2.1壓鑄壓鑄工藝是金屬成型的一種重要成型方法，它結(jié)合三方面要素來成型鑄件，包括壓鑄機(jī)器、所需的模具和適合壓鑄產(chǎn)品的壓鑄合金。壓鑄的工作原理是將金屬熔化成金屬液，通過澆注系統(tǒng)充填到型腔再施加壓力將金屬壓鑄成所需形狀的成型方法，它的特點(diǎn)是適用于金屬，成型方式比注塑方法復(fù)雜。一個(gè)好的壓鑄方案需要在鑄件的壓鑄工藝和結(jié)構(gòu)工藝上有足夠的細(xì)節(jié)，在壓鑄機(jī)的選用上應(yīng)采取較為先進(jìn)的壓鑄機(jī)，壓鑄機(jī)對(duì)壓鑄件起到很大的制約作用，先進(jìn)的壓鑄機(jī)會(huì)能起到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的作用，方便加工生產(chǎn)。而在壓鑄時(shí)所選用的壓鑄金屬需要配合使用，既考慮鑄件的工藝性能，又需要選取適合的機(jī)器或配合機(jī)器來進(jìn)行壓鑄工藝的工作。在這之外更要對(duì)壓鑄的各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括壓鑄機(jī)的壓力、壓鑄時(shí)設(shè)定的溫度以及壓鑄的時(shí)間。因此，精確的控制這些壓鑄工藝參數(shù)有利于幫助壓鑄順利的進(jìn)行。壓鑄工藝的特點(diǎn)有很多，專門用來鑄造金屬類的產(chǎn)品，它的鑄件有點(diǎn)有很多，包括鑄件精度高、鑄件粗糙度低等。但是也有不足的地方，即在壓鑄時(shí)，腔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生很多壓力氣體，如果無法排出，那么將很大程度的容易導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生疲勞，而且在氣體會(huì)在高溫情況下產(chǎn)生大的壓力，會(huì)導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生變形，這對(duì)鑄件有很大的影響，所以壓鑄方法不能采用熱處理這一工藝，從而使鑄件在金屬性能上沒有大的優(yōu)點(diǎn)。壓鑄還有一個(gè)缺點(diǎn)是壓鑄工藝在補(bǔ)縮這一環(huán)節(jié)上沒有足夠的能力，這使得壓鑄工藝有了很大的局限性，因此壓鑄時(shí)需要非常精細(xì)，否則失誤會(huì)產(chǎn)生鑄件材料的缺失，使得壓鑄在加工時(shí)不適合進(jìn)行更大的加工。而在近幾年來，壓鑄行業(yè)研發(fā)了應(yīng)對(duì)這些缺點(diǎn)的有效工藝，壓鑄工藝從而有了許多分類，包括在壓鑄時(shí)充入氧氣的充氧壓鑄法以及比較先進(jìn)的無氣體的壓鑄工藝方法。充氧壓鑄法，顧名思義，是把壓鑄腔內(nèi)的氣體排出，加入新的氣體包括氧氣或者是能進(jìn)行特殊反應(yīng)適合壓鑄時(shí)的氣體。通過此種方法，在壓鑄時(shí)，金屬液進(jìn)入型腔，氣體被擠入排氣孔，從孔內(nèi)排出。而剩下一部分氣體則隨著反應(yīng)發(fā)生與壓鑄金屬液融合，使金屬在壓鑄后性能得到提升。這種方法既能多余的氣體排出，又可以提升金屬產(chǎn)品的質(zhì)量，達(dá)到一舉兩得的效果，如果在壓鑄時(shí)使用此類方法，這極大的降低了內(nèi)部的氣體密度，而且部分反應(yīng)氣體能夠與鑄件反應(yīng)，徹底的消除了過多氣體對(duì)壓鑄的影響，因此，之前提到的壓鑄工藝不能使用熱處理強(qiáng)化鑄件的影響也隨之解決，這樣鑄件既擁有良好的精度與結(jié)構(gòu)，也能得到很高的強(qiáng)度。3.2.2擠壓鑄造擠壓鑄造，也是液態(tài)模鍛。液態(tài)模鍛是一種加壓凝固工藝，在這種工藝中，利用可重復(fù)使用的模具工具，可以在從熔融金屬到固體的單一工藝中生產(chǎn)成品部件。在傳統(tǒng)壓鑄中，可以制造最小壁厚約為0.6mm的部件[1]。相比于其他的成型方法，它在成型充填時(shí)更為穩(wěn)定,而且它可以使金屬液在高速高壓下的凝固效率得到很大的提升。完成壓鑄的鑄件還可以進(jìn)行多等級(jí)的熱處理，這使得它在金屬性能上能有不同程度的提高，這對(duì)于產(chǎn)品的價(jià)值提升非常之大，相較于能夠提升鑄件金屬力學(xué)性能的低壓力的鑄造方法也不遜色，而且擠壓鑄造成型方法本身所需要的成本也低于低壓鑄造。3.2.3其他成型方法葉輪這類鑄件還可以用其他成型方法生產(chǎn)，包括金屬鍛造方法、新進(jìn)的半固態(tài)模鍛法和半固態(tài)壓鑄成形方法。鑄件最早用來成型的工藝就是金屬鍛造法,但是它隨著時(shí)間的變法，被發(fā)現(xiàn)越來越多的制約，而且擁有很多缺點(diǎn)，到今天成為了比較落后的金屬成型方法，其原因使生產(chǎn)過程中所需要完成的工序非常多，這使得此類方法本身非常復(fù)雜，而且也會(huì)大大降低產(chǎn)品本身的生產(chǎn)效率，材料成本也不便宜。半固態(tài)模鍛是近年來先進(jìn)的成型方法，它的原理是將金屬料加熱成金屬半固態(tài)狀態(tài)，再運(yùn)用金屬模鍛方法對(duì)該半固態(tài)金屬進(jìn)行成型制造。該方法本身所成型的產(chǎn)品達(dá)到的要求是最接近成品的，所以它在成型后進(jìn)行的加工量非常的少，而且成型的產(chǎn)品擁有很高的力學(xué)性能。對(duì)比幾種成型方法，目的是要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品效益的最大化，表3-1中列出了以上幾種成型方法，對(duì)比不同的經(jīng)濟(jì)指標(biāo),表3-2中是不同鑄造方法在使用相同合金的情況下的對(duì)比指標(biāo)。表3-1幾類成型方法生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的比較經(jīng)濟(jì)指標(biāo)金屬型鑄造低壓鑄造差壓鑄造壓力鑄造擠壓鑄造生產(chǎn)批量生產(chǎn)率準(zhǔn)備周期設(shè)備費(fèi)用小批成批高較長(zhǎng)中成批大量高較長(zhǎng)中成批較高長(zhǎng)較高成批大量最高長(zhǎng)高成批大量高較長(zhǎng)高表3-2幾類成型方法在生產(chǎn)相同合金鑄件下所得的對(duì)比指標(biāo)比較對(duì)比指標(biāo)造低壓鑄造壓力鑄造真空鑄造擠壓鑄造半固態(tài)鑄造循環(huán)時(shí)間表面精度卷入氣體縮孔可熱處理性CCCDABADDDCCCDABAAAADABAA注:A-好;B-良;C-中;D-差.3.2.4工藝方案的確定相比于其他幾類制造方法，通過擠壓鑄造成型所得產(chǎn)品以及一系列制造指標(biāo)，擠壓鑄造工藝無疑是最適合作為葉輪成型方案的首選。它在工藝工序上沒有太多復(fù)雜的步驟，也可以快速成型，而且制造成本也不高，而這也方便的實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)的自動(dòng)化；它在金屬的力學(xué)性能等各方面都有著很大的優(yōu)勢(shì)；而且在材料選用上，很多合金都能與之相匹配進(jìn)行鑄造。而擠壓鑄造本身根據(jù)產(chǎn)品不同要求也有著不同的成型方法，大致可以分為以下三類：利用的柱塞擠壓成型方法，它的特點(diǎn)是在壓鑄成型時(shí)金屬液進(jìn)入型腔內(nèi)沒有發(fā)生流動(dòng)運(yùn)動(dòng)，這種方法對(duì)于實(shí)心鑄件或者沒有復(fù)雜形狀的鑄件較為適合。間接擠壓鑄造，特點(diǎn)是在合模時(shí)，借助金屬?zèng)_頭將金屬液通過澆道進(jìn)行擠壓充填進(jìn)型腔，有內(nèi)澆道，適合形狀復(fù)雜的金屬鑄件。C．直接沖頭擠壓，特點(diǎn)是在合模時(shí)，利用金屬?zèng)_頭將金屬液直接擠入型腔內(nèi)，無內(nèi)澆道，適合形狀簡(jiǎn)單的金屬鑄件。水泵葉輪結(jié)構(gòu)本身比較簡(jiǎn)單，尺寸較小，根據(jù)上述比較，應(yīng)選用適合簡(jiǎn)單形狀的直接擠壓成型方法。擠壓鑄造成型方法的主要問題為壓力補(bǔ)縮，如何消除或者預(yù)防該影響，需要考慮鑄件的壁厚問題會(huì)影響到鑄件凝固時(shí)是采用同時(shí)或者不同時(shí)的凝固順序來設(shè)計(jì)。還有在鑄件成型時(shí)考慮是否加壓補(bǔ)縮處理等。本章小結(jié)本章主要列舉了壓鑄成型的幾個(gè)成型方法及其工藝特點(diǎn)。通過查詢各類鑄造成型方法的資料，文中列舉出了這些鑄造成型方法在不同環(huán)境下的優(yōu)缺點(diǎn)以及生產(chǎn)的產(chǎn)品所達(dá)到的效果大小，經(jīng)過考慮和比較，挑選出最適合葉輪成型的鑄造方法，并根據(jù)鑄件的形狀特點(diǎn)制定出最適合它的工藝方案。第4章直接擠壓鑄造的工藝參數(shù)4.1涂料涂料是模具生產(chǎn)中必要的一個(gè)工藝參數(shù)，它的作用使模具將要受損的情況下起到保護(hù)的作用，將涂料涂抹到模具型腔內(nèi)壁或者凸模上可以保證模具的使用性能，涂料是方面各類模具或者不同材料鑄件的特制品，鑄造時(shí)不同的需求會(huì)需要不同的涂料，好的涂料可以防止模具受到各種疲勞和腐蝕。它相當(dāng)于鑄件與模具的保護(hù)液，能將鑄件熔體和模具分開，有效的避免了金屬液粘連在模具內(nèi)壁上的問題，它還可以消除兩者之間的摩擦，使得鑄件鑄造完成后能順利從型腔內(nèi)脫出。一款好的涂料，能夠極大的幫助到鑄造時(shí)產(chǎn)生的各種問題，它有效的提升了鑄造的效率，并使鑄造成型出完美鑄件的幾率提高。根據(jù)查詢資料，本文的擠壓鑄造工藝選用的涂料為石墨涂料。鑄造前，可將該涂料涂抹到模具上，涂抹的厚度應(yīng)設(shè)為0.05~0.10mm,過厚會(huì)影響鑄件表面品質(zhì)。4.2加壓壓力在鑄造時(shí)，由于壓力原因可能會(huì)經(jīng)常產(chǎn)生各種鑄件上的缺陷，不利于鑄件的金屬性能提高。而提高鑄造時(shí)對(duì)鑄件產(chǎn)生的壓力將會(huì)解決這一問題，足夠的壓力也會(huì)提高金屬的力學(xué)性能，從而消除金屬充型時(shí)鑄件內(nèi)部的缺陷，比如鑄件內(nèi)部的組織晶粒不夠細(xì)化，不夠致密等。這也跟鑄件的材料特性等相關(guān)。而適合的壓力則需要知道鑄件的各項(xiàng)參數(shù)，包括尺寸、形狀等。根據(jù)這些因素，需要將其代入壓力對(duì)鑄造影響的公式，從而得出適合的需要加壓的壓力大小，這就涉及到比壓力這一比值。

在鑄造時(shí)，鑄造壓力會(huì)作用在金屬液上，而此時(shí)金屬液上所形成的壓強(qiáng)就是鑄造的比壓力p。比壓力p與鑄造壓力的關(guān)系式為：(4-1)比壓力p的大小與鑄造合金的成分、液鍛件形狀、尺寸、使用要求和液鍛方式有關(guān)[4]。合金成分：高溫下屈服極限高的合金，采用較大的比壓力p[5]。常用合金的高溫強(qiáng)度極限見表4-14-1常用合金的高溫強(qiáng)度極限合金鋁合金鎂合金銅合金碳素鋼溫度()50011~2550012~2580010~20120014~21計(jì)算時(shí)，合金成分的影響，可用合金種類系數(shù)K1來考慮。合金種類系數(shù)見表4-24-2合金種類系數(shù)合金種類鋁合金銅合金鑄鐵鋼406080100鑄造方式：可用鑄造方式系數(shù)K2來考慮。鑄造方式系數(shù)見表4-34-3鑄造方式系數(shù)液鍛方式靜壓擠壓擠壓液鍛間接液鍛11~1.51.5~2鑄件的形狀、尺寸對(duì)比壓力p的影響，用相對(duì)高度H/a來考慮。相對(duì)高度H/a愈大，相對(duì)結(jié)晶殼就越長(zhǎng)、越厚，摩擦阻力愈大，塑性變形時(shí)消耗的能量大。比壓力的計(jì)算公式：(4-2)鋁合金葉輪比壓力P的計(jì)算[6]，H/a=5/10=0.5，H/a＜1時(shí)，形狀、尺寸影響可忽略不計(jì)。(4-3)間接液鍛時(shí)(4-4)如果比壓過小,鑄件表面與內(nèi)在品質(zhì)都不能達(dá)到技術(shù)指標(biāo);比壓過大,對(duì)性能的提高不十分明顯,還容易使模具損壞,且要求較大合模力的設(shè)備。4.3模具溫度在將熔融金屬倒入型腔后，鑄件和鑄型之間的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨時(shí)間變化，因此在確定凝固順序方面起著重要作用[7]。模具溫度是影響鑄件產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。通常在鑄造時(shí)最經(jīng)?？紤]的就是模具溫度，適合的模具溫度能影響提高產(chǎn)品的質(zhì)量，并順利的生產(chǎn)出鑄件。如果溫度過低，會(huì)導(dǎo)致金屬熔體會(huì)比預(yù)計(jì)的時(shí)間更快凝固，而后續(xù)的其他工藝也會(huì)因此受到影響，比如加壓時(shí)，鑄件由于溫度過低沒有達(dá)到最佳的變形時(shí)間，塑性降低，會(huì)導(dǎo)致鑄件不均勻形狀達(dá)不到要求。而在鑄件內(nèi)部，晶粒沒有細(xì)化，結(jié)構(gòu)密度不高，導(dǎo)致鑄件形成缺陷。如果將模具的溫度提升到太高，會(huì)導(dǎo)致金屬液因過熱而與模具內(nèi)壁粘連，也會(huì)使其產(chǎn)生缺陷。所以，如何能控制好模具的溫度將是一個(gè)難點(diǎn)。為此，應(yīng)結(jié)合材料性能以及參考各種模具溫度下對(duì)于鑄件的影響等考慮其與模具溫度的適配性。本文產(chǎn)品所需要的擠壓鑄造模具,凸模模溫設(shè)定為120~180℃,凹模模溫設(shè)定為140~180℃,工作溫度為200~300℃。模具預(yù)熱方法采用了預(yù)熱效率較高的鑄液直接預(yù)熱,為節(jié)省能源,供預(yù)熱模具的毛坯可重復(fù)加熱使用[8]。4.4充型速度金屬鑄造時(shí)需要對(duì)金屬液進(jìn)行加壓，而此時(shí)應(yīng)該考慮凸模對(duì)金屬液的壓力和壓力運(yùn)行速度，這個(gè)工藝參數(shù)被稱為加壓速度。加壓速度需要精確設(shè)計(jì)，因?yàn)槿绻俣葲]有達(dá)到成型鑄件所需要的點(diǎn)，會(huì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量有很大的影響，所以此時(shí)必須嚴(yán)格控制加壓速度。而對(duì)于擠壓鑄造這一成型方法，通過查詢參考資料可知，該種成型方法對(duì)于施加壓力的速度要求要比其他成型方法的快。如果需要鑄件快速成型，就需要將加壓速度設(shè)置的稍快，而且這也方便了鑄件內(nèi)部的形狀快速完成和結(jié)晶。但是如果加壓速度太快，模具內(nèi)部反應(yīng)劇烈，不夠穩(wěn)定，會(huì)產(chǎn)生各種缺陷，導(dǎo)致應(yīng)力變形，從而產(chǎn)生裂紋和氣泡等。相反，如果速度不夠快，壓鑄的內(nèi)部金屬液沒有很好的受到壓力作用，變形也會(huì)殘留缺陷，也不利于后續(xù)的加工處理。所以，在控制凸模的加壓速度時(shí)，應(yīng)適中偏快，而不是過快或過慢，這時(shí)的壓鑄效率才會(huì)最高，成型率也最多。通過調(diào)查參考資料，在選用加壓速度時(shí),采用在空行程時(shí)以大于100mm/s的速度快速下行,使沖頭剛接觸到液面時(shí)改變?yōu)槁贁D壓,速度為10mm/s,直至壓力升到保壓壓力。4.5澆注溫度澆注溫度會(huì)對(duì)鑄造時(shí)鑄件的成型產(chǎn)生很大的影響[9]。如果溫度過低，金屬液沒有達(dá)到適合的溫度，流動(dòng)性會(huì)很差,容易凝固和產(chǎn)生其他缺陷。而澆注溫度過高,鑄件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也會(huì)不均勻致密，結(jié)晶不夠小，還會(huì)因此產(chǎn)生小孔、裂紋等。根據(jù)參考資料，此時(shí)的最適合的溫度為600℃左右。在充型時(shí)，適合的澆注溫度會(huì)對(duì)鑄件起到好的作用，與不適合的溫度相比，它不會(huì)導(dǎo)致金屬液中產(chǎn)生各種各樣的缺陷，包括縮松縮孔，產(chǎn)生氣泡等。而對(duì)于本文的鑄造成型方法，它是靠加壓低速將金屬液充入型腔當(dāng)中，這種方式需要使解決金屬液中產(chǎn)生的氣體和孔。而稍低的溫度會(huì)將這些問題全部解決，是最適合擠壓鑄造這種成型方法的澆注溫度。4.6加壓起始時(shí)間加壓起始時(shí)間是鑄造剛開始時(shí)的一個(gè)重要步驟，合適的開始時(shí)間對(duì)壓力施加到鑄件的效果有很大的幫助。金屬液在加熱后充型進(jìn)模具腔內(nèi)，這時(shí)需要施加壓力，而且要盡快加壓，這樣會(huì)使鑄件的金屬性能得到一定的增強(qiáng)。而對(duì)于本文中擠壓鑄造的要求，這種方法同樣可行。因?yàn)槿绻訅簳r(shí)間稍晚，則金屬液在充入型腔后會(huì)在型腔內(nèi)部產(chǎn)生硬殼，凸模進(jìn)入凹模后，產(chǎn)生硬殼的地方會(huì)影響產(chǎn)生冷隔層，這種缺陷會(huì)對(duì)鑄件產(chǎn)生很大影響，而且并不容易解決?？紤]這個(gè)問題，在鑄造葉輪鑄件時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)金屬液注入型腔到加壓開始時(shí)間不超過15s。4.7保壓時(shí)間在鑄造時(shí)，壓力傳遞給金屬液后，需要保持之前的壓力使金屬液完全充入型腔成型，保持壓力的時(shí)間是由所設(shè)計(jì)鑄件的厚度影響的，保壓時(shí)間不宜過長(zhǎng)，因?yàn)榇藭r(shí)的鑄件溫度會(huì)降低，從而產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)增強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致鑄件無法從型腔脫出以及質(zhì)量差，也會(huì)導(dǎo)致模具的壽命降低。而過短的保壓時(shí)間也會(huì)導(dǎo)致金屬液在還沒有全部凝固后無法完成補(bǔ)縮，鑄件內(nèi)部會(huì)因此產(chǎn)生缺陷。鑄件的強(qiáng)度在一定情況下是由保壓時(shí)間決定的，加壓壓力是它的變量因素：壓力小，保壓時(shí)間增加，則鑄件的塑性增加；壓力大，會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低。由于研制的葉輪鑄件尺寸較小，故設(shè)計(jì)保壓時(shí)間為20s。4.8脫模擠壓鑄造在鑄造完成后應(yīng)該將鑄件立刻從凹模脫出，但是此時(shí)型腔內(nèi)的溫度還很高，鑄件塑性仍過高，使得它的硬度不高。此時(shí)應(yīng)將鑄件進(jìn)行水冷或液體冷卻，在冷卻完畢后由凹模底部頂桿將鑄件由下至上頂出，進(jìn)行脫模。本章小結(jié)本章介紹了擠壓鑄造工藝所需的工藝參數(shù)。包括涂料、比壓力、模具溫度、充型時(shí)間及速度、加壓和保壓時(shí)間等。詳細(xì)介紹了模具充型所需的比壓力及比壓力計(jì)算公式，通過代入鍛件相對(duì)高度數(shù)值，計(jì)算出鑄造時(shí)的比壓力。第5章模具的設(shè)計(jì)5.1模具設(shè)計(jì)方案在所有資料查找完畢后，就需要根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)和擠壓鑄造的工藝來設(shè)計(jì)模具。本文模具為液態(tài)模鍛模具，即擠壓鑄造模具，該工藝跟壓鑄工藝有很大的不同。所以應(yīng)根據(jù)相關(guān)資料，對(duì)擠壓鑄造模具進(jìn)行設(shè)計(jì)，列出以下要求：1．鑄件需要完整，外觀無瑕疵；2．鑄件內(nèi)部晶粒細(xì)化均勻，有良好的補(bǔ)縮能力；3．鑄件在鑄造完后能進(jìn)行熱處理，而且無缺陷；4．該類鑄件能連續(xù)生產(chǎn)，且生產(chǎn)效率高。另外，鑄造時(shí)為了使鑄件能夠進(jìn)行特殊處理而不產(chǎn)生瑕疵，還需要控制鑄造時(shí)氣體卷入鑄件的量。根據(jù)此原因，設(shè)計(jì)該類模具需要許多防范措施，以及在保持上述因素可控制的情況下，還需要對(duì)以下幾點(diǎn)進(jìn)行考慮：A．金屬液在充入型腔時(shí)需要控制一定的速度，一般在800mm/s以下；B．存放金屬液的料缸中可能會(huì)殘留鑄件的金屬結(jié)晶，應(yīng)避免此類問題發(fā)生；C．對(duì)于注入型腔的鑄件會(huì)有氣體充入，需要在鑄件充滿型腔時(shí)適當(dāng)?shù)膶⒍嘤鄽怏w排出，設(shè)計(jì)排氣槽等；根據(jù)產(chǎn)品鑄件的特點(diǎn)，制作出適合該鑄件的模具需要對(duì)擠壓鑄造模具有一定的了解，需要清楚該類模具的結(jié)構(gòu)情況。而根據(jù)前文的鑄造工藝選取為直接擠壓鑄造，所以該類模具特點(diǎn)是無澆道，只需設(shè)計(jì)開合模時(shí)分型面的位置、模具型腔的結(jié)構(gòu)、各類槽的位置與尺寸等。而在設(shè)計(jì)模具時(shí)，會(huì)需要對(duì)該模具各類條件進(jìn)行列舉，制定出有條理的設(shè)計(jì)順序[10]：(1)根據(jù)零件圖紙或?qū)嵨飳?duì)零件進(jìn)行工藝分析：①結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析；②尺寸精度分析；③材料特性分析；④壁厚、圓角、孔的分析。(2)選取分模面。(3)確定模具結(jié)構(gòu)：①模體部分；②導(dǎo)向部分；③成型部分；④排溢系統(tǒng)；⑤抽芯機(jī)構(gòu)；⑥推出或卸料機(jī)構(gòu)等。(4)確定成型條件：①溫度參數(shù)；②速度參數(shù)；③壓力參數(shù)；④時(shí)間參數(shù)。在制定完模具設(shè)計(jì)程序后需要對(duì)整個(gè)模具進(jìn)行模擬，并運(yùn)用3D建模軟件Pro/E模擬出整個(gè)擠壓鑄造模具的三維模型。5.2模具設(shè)計(jì)的基本原則5.2.1鑄造收縮率鑄件凝固過程中,會(huì)產(chǎn)生隨溫度下降而導(dǎo)致線收縮和液固相轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生體收縮。由于在擠壓鑄造過程中,鋁液在壓力的作用下與型壁緊密接觸,可僅考慮線收縮而忽略體收縮[11]。并且根據(jù)鑄件的自身結(jié)構(gòu),將該鑄件鑄造收縮率設(shè)計(jì)為0.5％。5.2.2加工余量采用擠壓鑄造工藝可獲得高的尺寸精度和表面光潔度。設(shè)計(jì)時(shí)在鑄件外側(cè)、上端和下端設(shè)有2mm的加工余量。5.2.3鑄造圓角按照擠壓鑄造工藝的要求,鑄件所有的直角設(shè)計(jì)應(yīng)為半徑2mm的鑄造圓角。5.2.4配合間隙及長(zhǎng)度凸凹模和凸模外套之間的間隙要適當(dāng)。過小則因裝配誤差而相碰,且不利于排出氣體;過大則鋁液易通過間隙噴出[12]。因此設(shè)計(jì)陰,凸模的配合間隙為0.15～0.20mm,配合長(zhǎng)度為30mm。5.2.5拔模斜度根據(jù)鑄件自身結(jié)構(gòu),鑄件外側(cè)在冷卻過程中有脫離型壁的趨勢(shì),拔模斜度設(shè)計(jì)為3°,鑄件內(nèi)側(cè)冷卻時(shí)趨于包緊型芯,拔模斜度設(shè)計(jì)為5°。5.2.6模具材料為了防止與鋁液接觸的模具表面產(chǎn)生熱疲勞裂紋,陰、陽模、陽模外套和頂塞均采用4Cr5MoSiV1模具鋼制造,熱處理后硬度(HRC)為48～52,型腔表面需進(jìn)行氮化處理[13]。根據(jù)查表可知，導(dǎo)柱、導(dǎo)套采用T10鋼熱處理后硬度(HRC)為52～57,模座、壓板等構(gòu)件采用45鋼調(diào)質(zhì)處理,處理后硬度(HRC)為28～32。5.3葉輪模具三維圖5.3.1葉輪模具分模面的確定根據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)將模具設(shè)計(jì)為采用1個(gè)分模面，共凸凹兩個(gè)模具，如圖5-1所示。圖5-1凸模分型面5.3.2凹模設(shè)計(jì)凹模的主要設(shè)計(jì)是根據(jù)鑄件的尺寸和大小來制定的，再根據(jù)擠壓鑄造的成型方式結(jié)合到一起來修改，包括根據(jù)金屬液的充填方式和鑄件結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)再模具模腔內(nèi)設(shè)計(jì)排氣槽，根據(jù)凹凸模的開合和鑄件的脫模方式設(shè)計(jì)凹模的脫模斜度[14]。而在