本田发动机活塞模具设计

摘要

本次的毕业设计是基于UG的本田发动机活塞浇注模设计，该浇注模的设计是基于活塞的成品零件。为了得到浇注模的型腔尺寸和外形尺寸，我在成型零件的基础上，考虑到活塞从毛坯到成品零件的机加工工艺和金属熔液在冷却过程中的缩尺和拔模斜度，在成型零件的尺寸基础上加上这些工艺的加工余量、缩尺、拔模斜度等尺寸，从而得到浇注模的基本尺寸。为了实现浇注模的三维虚拟装配，我要借助相应的三维软件平台，在这里我采用了Unigraphics nx软件，在Unigraphics nx平台上采用自顶向下的方法建模，并完成浇注模的在该平台上的三维虚拟装配，最后导出二维工程图，以方便一线生产工人的操作。采用这种三维建模设计方法在生产中既缩短了模具生产周期，又达到了设计的本身目的，很有实用价值。

关键词：活塞；浇注模；结构设计；Unigraphics nx；金属型重力铸造

Abstract

The graduation project is based on the casting mold UG Honda engine piston, the design of the casting mold is based on the finished parts of the piston. In order to get the casting mold cavity size and dimensions, I was molded parts basis, taking into account the piston from the rough to the finished parts machining technology and molten metal in the cooling process of scaling and the undercut, in plus allowance size of these processes on the basis of the molded part, a scale, draft angle and other dimensions to obtain the basic dimensions of the casting mold. In order to achieve a three-dimensional virtual assembly casting mold, I must rely on the corresponding three-dimensional software platform, where I used Unigraphics nx software, using a top-down method of modeling in Unigraphics nx platform and complete casting mold in the platform on the three-dimensional virtual assembly, final export 2D drawing, to facilitate the operation of production line workers. With this three-dimensional modeling design methods in production which shortens the mold production cycle, but also to achieve the purpose of the design itself, very practical value. Keywords:Piston; casting mold; design; Unigraphics nx; metal mold gravity casting

目录

摘要.............................................................. I Abstract ......................................................... II 第一章绪论. (1)

1.1 课题内容 (1)

1.2 课题国内外研究背景及现状 (1)

1.3 我国活塞模具行业的发展趋势 (1)

1.4 课题研究目的与意义 (2)

1.5 活塞的工作状况 (2)

1.6 活塞的三维数字化设计 (3)

1.6.1 数字化建模 (3)

1.6.2 虚拟仿真——有限元分析 (4)

第二章活塞结构功能分析与浇注工艺设计 (6)

2.1 汽车活塞的概述 (6)

2.2 活塞的结构功能分析 (6)

2.3 活塞浇注工艺的确定 (6)

2.4 活塞分型面的设计 (9)

2.5 活塞毛坯顶出机构的设计 (10)

2.6 导向机构的设计 (11)

第三章浇注模结构设计 (14)

3.1 浇注模型体设计 (14)

3.1.1.浇注模腔壁厚 (14)

3.1.2 型腔尺寸计算 (14)

3.1.3 型体的定位 (15)

3.2 型芯的设计 (15)

3.3 浇注系统的设计 (16)

3.3.1 浇注系统的设计理论 (17)

3.3.2 浇注系统的设计步骤 (18)

3.4 冒口系统的设计 (18)

3.5 金属型排气系统设计 (20)

3.6 冷却系统的设计 (21)

第四章型心的制造工艺 (23)

第五章 UG环境下的自顶向下设计与虚拟装配 (26)

5.1 在UG环境下活塞模具的自顶向下设计 (26)

5.2 虚拟装配 (28)

5.3 UG虚拟装配的环境 (28)

第六章二维CAD工程图的导出 (33)

第七章总结 (38)

致谢 (39)

参考文献 (40)

附录1 (41)

第一章绪论

1.1 课题内容

学习UG软件，采用模仿设计方法，根据活塞的结构和尺寸，设计出生产活塞所用的模具，在UG平台上对活塞模具进行三维设计，并对模具结构进行虚拟装配及优化设计。

1.2 课题国内外研究背景及现状

早在2000年前，我们的祖先就有用冲压模具制造青铜器件，证明了我国古代在模具方面的成就在那时就已走在世界的前列。直到19世界末，世界第一辆汽车——卡尔本茨汽车在德国出现，造就了汽车目前的繁荣昌盛。由于清末的闭关锁国，从那一刻起，中国在汽车模具行业开始落后西方国家，到现在看来，已经落后了十好几年。目前我国大多数制造活塞的企业还是以手工模具为主的，现阶段，国内大多数活塞制造企业采取的工艺技术路线是：购进铝锭——熔化铝锭——合金化——变质处理——精炼处理（除气、除渣）——毛坯铸造（手工模具）——铣冒口——固熔加热后淬火＋人工时效处理——机加工——表面处理——包装入库，国内活塞行业基本采用以上活塞制造工艺，采用的技术比较落后、工人劳动强度比较大、废品率比较高、生产效率较低、生产成本较高、环境污染严重。而国外活塞公司采用如下技术路线：高温电解铝液——利用余热合金化——利用余热进行变质处理——精炼处理（除气、除渣）——毛坯铸造（机械化）——铣冒口——铸造余热直接淬火+时效（高效连续时效热处理炉）热处理——机加工——表面处理——包装入库。该工艺节约了熔化铝锭所需的能耗，减少了铝的烧损，提高了原材料的利用率；同时，也减少了铝锭熔化过程中的废渣、废气的排放，保护了环境，经济效益和社会效益极为显著，在活塞行业具有较高的推广、借鉴和实用价值。

相对于国外活塞制造，我国制造的活塞在精度、活塞造成的污染、材料的损耗等方面还有很多不足，还有较大的改进空间。

1.3 我国活塞模具行业的发展趋势

现在，大家都认识到，模具的发展已成为衡量一个国家生产制造水平的重要标志。我国对模具行业的发展是十分重视的。据我国模具行业的发展现状以及目前存在各种的问题，以后活塞模具应该朝着以下几个方面发展：

（1）着力发展精密、复杂、使用寿命长的模具，以应对国内市场的各种需要。目前国内已形成在山东、广东、北京、上海、广州等地大力发展热锻模、热铸模、塑料模、冷冲模、顶杆等，在这些工业比较发达和现代化比较高的地方集中数字技术和先进的工艺发展高质量模具及标准件。

（2）加速活塞模具的大众化，提高模具的质量，缩短模具的开发周期。

（3）提高活塞模具在生产制造过程中应用数字化的程度。

（4）积极开发活塞模具新品种、新工艺、新技术和新材料。

（5）发展活塞模具加工成套设备，以满足高速发展的汽车行业对活塞模具的需要。

（6）更多的应用置顶向下数字化设计，缩短模具的设计周期，由近成型向净成型发展。

1.4 课题研究目的与意义

东风活塞轴瓦有限公司是汽车活塞轴瓦的专业生产厂家，近年来，该厂的活塞生产线已经完成了由人工铸造的生产线向机电一体控制生产线的改造，该公司先后从德国MAHLE和GOETZE公司引进全套的活塞、活塞环产品设计、试验技术、制造技术和检测技术，并从德国、意大利、美国、瑞士、日本等国引进一批关键的工艺设备和检测仪器，公司在通过GB/T19001质量体系认证的基础上，2000年又通过了ISO/TS16949和QS9000质量体系的国际认证，一举成为亚洲第一家通过ISO/TS16949、QS9000质量体系双认证企业，该公司的实力可见一斑。活塞是汽车发动机工况中受力最复杂，工作环境最恶劣，同时是把燃料的化学能转化为曲轴机械能的重要部件，目前，国内生产的活塞，质量一般，生产效率低，原材料浪费严重，污染环境严重，因此该厂正积极引进国外先进的活塞生产技术并进行相应的研发。

通过该课题设计出一种节能，轻污染，机械化的活塞生产模具。该模具相比国内广泛采用的手工浇铸模具，具有工人劳动强度小，取毛坯容易，加工方便等优点，而且还可以通过数控系统来控制模具的翻转等来更好的保证铸件的质量。

1.5 活塞的工作状况

活塞工作在高温(温度可达2500K)、高压(汽油机高达3～5Mpa, 柴油机高达6～9MPa)、高速(平均速度可达10-12m/s)、润滑不良的条件下。活塞工作时直接与高温气体接触，受热非常严重，而其环境散热条件又很差，所以活塞在工作时的温度非常高，其顶部燃烧室的温度能够达到600～700K，且温度在活塞上分布很不均匀，这就需要活塞有很好的抗氧化和抗高温的能力；活塞顶部是承受气体压力最大的地方，特别是活塞在做功行程时受到的压力最大，这样就会使得活塞受到冲击，而且还要承受侧向压力，高压导致活塞受到的侧向压力加大，会加速活塞外表面的磨损，容易引起活塞变形；活塞在气缸内以很高的速度做往复运动，且速度在作不均匀的变化，这就产生了很大的惯性力，从而使活塞受到很大的附加载荷。活塞在工作过程中会受到交变的的拉伸、压缩、和弯曲载荷，并且由于活塞各部分的温度极不均匀，活塞内部将会产生一定的的热应力。由此产生的变形，热应力、受力不均都会加速活塞磨损，同时，活塞还要受到燃气的化学腐蚀作用。可见，活塞的工作环境是多么的恶劣。

1.6 活塞的三维数字化设计

本课题是基于Unigraphics nx的本田发动机活塞金属型重力铸造模具设计，在现在这个计算机普及的时代，计算机在模具中也应用到了很多，这就涉及到数字化设计。

数字化设计是指在网络环境和计算机平台上，实现模具产品开发的全过程技术，即在计算机和网络辅助下通过产品的数据，全面模拟产品的设计、分析、装配、制造、包装等过程。模具的数字化设计可以大大提高企业的产品开发能力，并缩短产品的开发周期，降低开发的成本，易于实现开发过程中和各个设计部门的交流，使企业能够在短时间段内，可以开发出企业所需要的目标产品，大大提高了企业的市场竞争能力。

1.6.1 数字化建模

数字化建模是产品数字化设计的关键。它由早期的几何建模（线框建模、曲面建模、实体建模），逐步发展到现在的基于特征的建模和参数化建模。如以下图1所示，为活塞的线框模型和实体模型。

图1 （a）活塞的线框模型图2 （b）活塞的实体模型

在本课题中，活塞模具的设计采用的是UG软件，由于活塞为非标准件，因此，在这里基本上使用的是特征建模的方法。

1.6.2 虚拟仿真——有限元分析

随着计算机技术及应用的迅猛发展，特别是大规模、超大规模集成电路和微型计算机的出现，使计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）与计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）和计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，CAE）等新技术得以十分迅猛的发展。其中CAE软件在工程领域中应用的比较多。CAE, 是指用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。可完成对力学的线性、非线性、静态和动态的分析；热场、电场、磁场等的分析；以及频率响应分析和结构优化等。机构分析能完成对机构内零部件的位移、速度、加速度和力等的计算，从而对机构的运动模拟及机构参数进行优化。可作静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构（固体）、流体、电磁等。其在模具设计中有以下几大优点：

(1)增加设计功能，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性，减少设计成本；

(2)缩短设计和分析的循环周期，使产品更新换代的速度更快；

(3)CAE分析起到的“虚拟样机”作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程，极大的降低了产品开发的成本，同时虚拟样机作用能够较好的预测产品在整个生命周期内的可靠性；

(4)有预见性的采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗和

开发成本；

(5)在产品制造或工程施工前通过“虚拟样机”可以预先发现潜在的问题，从而对产品进行改善或者在问题发生时及时采取有效的方案来减小损失；

(6)模拟各种试验方案，可以比传统的试验方案减少较多的试验时间和经费；

(7)方便进行机械事故分析，快速而准确的查找出事故产生的原因。

第二章活塞结构功能分析与浇注工艺设计

2.1 汽车活塞的概述

汽车活塞在汽车发动机的中扮演者重要角色，在保证整个汽车连续运转的过程中占了极其重要的地位。活塞是发动机中将燃料的化学能转化为曲轴的机械能的装置，其通过连杆使活塞的往复运动转化为曲轴的圆周运动，通过离合器驱动汽车的主轴旋转，从而使汽车运动的，活塞在其中的地位可想而知，其中活塞的顶部还是燃烧室的组成部分。

2.2 活塞的结构功能分析

活塞的外形图如图2.1所示

活塞由顶部，环槽部，裙部，销座部4个部分构成。

（1）活塞顶端取决于燃烧室的要求，顶端采用平顶或接近平顶设计有利于活塞减少与高温气体的接触面积，使应力分布均匀。

（2）活塞的凹槽称为环槽，用于安装活塞环。活塞环的作用是密封，防止漏气和防止机油进入燃烧室。

（3）活塞裙部是指活塞的下部分，它的作用是尽量保持活塞在往复运动中垂直的姿态，也就是活塞的导向部分。

（4）活塞销座是活塞通过活塞销与连杆连接的支承部分，位于活塞裙部的上方。

另外，活塞外形并不是一个圆柱体，其的顶部和底部的直径是不一样的。因为活塞顶部作为燃烧室的一部分，在发动机工作时，顶部温度较高，受热膨胀较大，直径应该小一些，而其底部是远离燃烧室的，温度相对低一些，受热膨胀就会小一点，其底部直径也就应该大一点。所以活塞的外形准确来说应该是个上小下大的锥体。

2.3 活塞浇注工艺的确定

活塞的铸造，就是将金属熔融液注入活塞模具中，经缓慢冷却，形成活塞的