基于NX 软件的汽油机齿轮室盖压铸模设计

文|盐城工学院 郑浩 张红蕾 宦海祥

压铸件在各行各业中有着广泛应用，压力铸造的生产效率高，适合大规模和自动化生产，适用于形状复杂，精度要求较高的金属零件的成型，因此压铸模结构比较复杂，对设计的要求更高。在模具设计中，NX 软件被广泛使用，NX提供了非常专业和强大的模具设计工具，使得设计更加简单和高效。相比于铝合金，镁合金密度小、熔点低和成形性好，适用于生产轻量化的零件，并且我国的镁资源丰富，因此镁合金零件压铸模的设计与制造具有重要意义。某型号汽油机齿轮室盖具有大量的复杂曲面，精度要求较高，以此零件为例，基于NX 软件设计其镁合金壳体压铸模具。

一、零件的建模及压铸工艺分析

1、零件结构分析

依据汽油机齿轮室盖零件尺寸和形状要求，应用NX 软件的建模模块建立零件的三维模型，如图1 所示。应用NX软件的分析工具得到该零件的最小壁厚仅为1.2mm。另外，该零件上下表面都有很多凹槽和凸台。在中间部分有两个方向相反的凹槽，所以需要用两个方向相反的大型芯。由于存在侧孔，所以还需要侧向抽芯机构。复杂的结构和较高的精度要求使得铸模设计难度较大。

图1 汽油机齿轮室盖零件三维模型

2、零件材料性能分析

该零件材料为YM5 镁合金。虽然镁合金也是一种常用的压铸合金，但是相比于铝合金，镁合金的密度更小、热膨胀系数更大、与模具的亲和性低以及溶液的冷却凝固时间更短。因此，镁合金零件的压铸模设计要困难的多。设计时要求入射速度要达到80m/s 以上，充填时间短，因此排气能力要强，模具的温度要控制在230℃以上。

二、模具的设计过程

1、压铸机的选用

压铸机是通过锁模力来确定的。计算锁模力可参照式（1）：

式中，F锁是压铸所需的锁模力，单位为kN；K是安全系数，一般取值1.25；F主是主胀型力，单位为kN；F分是分胀型力，单位为kN。

通过NX 软件的分析工具可以得到分型面投影面积A0≈251.24 cm2。另外，再加上浇注和排溢系统的面积后，最终总面积A≈251.24×(1+0.3)=326.612 cm2，取压射比压p=60Mpa， 得 到F主=Ap/10=326.612×60/10kN=1959.672 kN。然后使用同样的方法计算得出分胀型力，α设计为20°，得到F分=∑[A芯ptan/10]=190.818 kN。得到锁模力F锁≥K(F主+F分)=1.25×(1959.672+190.818)≈2688 kN。考虑到零件结构特点和工艺特点，还要使压铸机的合模力大于所需要的锁模力，所以选择J1163E 型卧式冷室压铸机。

2、压室容量的估算

J1163E 型压铸机对于铝合金的金属液的最大注射量为9kg。通过铝合金和镁合金的密度换算，可以得到压铸机对于镁合金的最大注射量为6.19kg，而零件的质量仅为0.31kg。所以我们得到G室＞G浇，满足要求。

3、分型面的选择

通过对压铸件机构和几何特征的分析和研究，确定以零件底面分型，平面、台阶面和曲面结合起来得到分型面。

4、浇注系统的设计

通过分析压铸件的结构，最终确定选用侧浇道的形式，并将侧浇道设置在动模上，结构如图2 所示。

图2 侧浇道设计示意

内浇口的尺寸计算按照公式（2）：

式中，L是内浇口的宽度，单位为cm；T是内浇口的厚度，单位为cm；V是压铸件和溢流槽的总体积，单位为cm³。

其中，内浇口的厚度采用经验数据，取1mm；计算出内浇口的宽度L≈10mm。根据技术手册，得知横浇道深度D=(5-8)T，取T=1mm，考虑到尽量减小热量损失，取D=9mm。溢流槽的截面形状采用半圆形，尺寸选用经验数据。排气通过顶杆和溢流槽的缝隙来完成。

三、基于NX 软件的模具设计

1、模具设计初始化

设计模具之前应该对零件进行初始化，在模具向导模块中，单击“初始化项目”按钮，同时设置零件的材料和收缩率。

2、设置坐标系

在“模具CSYS”对话框中设置模具坐标系。

3、创建毛坯

创建毛坯是为了得到成型零件，而且毛坯的大小直接影响模架的选用，因此至关重要。在“工件”对话框中设定毛坯大小，一般情况下，系统默认的毛坯参数设置就可以满足要求，设置的参数如图3 所示。在“型腔布局”中选择2个型腔，得到毛坯。

图3 工件设置参数

4、创建分型面

通过传统方法确定了结合平面、曲面和台阶面的分型面。利用NX 软件，创建分型面。选择“创建分型面”的方法为“拉伸”，拉伸出第一段分型面。然后系统会自动切换到下一段分型线，仍然使用“拉伸”命令来拉伸出第二段分型面，依次进行，直到创建出最终的分型面。

5、创建型腔和型芯

分型面创建完成之后，在“分型导航器”对话框中勾选“产品实体”、“工件”、“工件线框”和“曲面补片”复选框。在“定义型腔和型芯”对话框中分别选择“型腔区域”和“型芯区域”，可以得到型腔和型芯。这样就完成了成型零件的设计，如图4 所示。

图4 成型零件设计

6、加载模架

软件中的模架库提供了许多标准模架系列。设计人员只需要在“模架库”中按需选取模架。根据所创建的毛坯尺寸，零件的推出距离等，该零件选择LKM 公司的SDC-H-5555压铸模标准模架，如图5 所示。

图5 模架加载

7、添加标准件

NX 软件提供了丰富的模具标准件。在“标准件库”对话框中设计定位环、浇口套和顶杆等。该模具不需要定位环，根据所选的压铸机的浇口直径，确定浇口套的内径为70mm。在不同部位设计不同直径的顶杆，直径分别设计为5mm、8mm 和10mm，如图6 所示。

图6 添加顶杆

8、设计抽芯机构

设计侧向抽芯机构时，在“滑块和浮升销库”对话框中选择系统自带的“滑块和/或浮升销”。

9、“浇口库”、“流道”和“腔体”

在“浇口库”对话框中设计主浇道、浇道和浇口。在“流道”对话框中创建流道的路径和截面。通过“腔体”命令给标准件和其它组件的放置创建空腔。

10、模具总装

在设计完成后，利用NX 软件的装配模块，将设计好的模型提升为组模型。装配模块中的所有组件与组模型相关，模具总装爆炸图如图7 所示。

图7 模具总装爆炸图

四、结语

由于某型号汽油机齿轮室盖结构复杂，而且材料为冷缩严重的镁合金，所以其压铸模的设计很难通过传统设计方法来完成。通过运用NX 软件中相应功能和命令可以快捷地设计出零件和总体。不仅降低了模具设计工作量，而且提高了模具设计质量。