重卡变速箱箱体消失模模具设计工艺

发表于 讨论求助 2019-09-22 06:59:07

(原载《特种铸造及有色合金》杂志,作者倪迪)

重卡变速箱箱体的产品在市场上主要有4方面的要求:①生产批量量大;②外观质量好;③铸造精度高;④质量稳定性好。

消失模铸造工艺能满足以上重卡变速箱箱体的市场要求。一般来说,箱体结构越复杂,消失模铸造工艺越能发挥优势,但是产品的复杂结构及现场使用出现的问题,使得重卡变速箱箱体发泡模具的设计与制造存在诸多难点。现以9档重卡变速箱箱体模具的设计为例,介绍相关设计制造工艺。

1 箱体介绍及设计难点

9档重卡变速箱箱体为较大的箱体铸件,材质为HT200,质量90 kg。箱体尺寸繁多,内部结构复杂(见图1)。在模具设计方面存在以下6个难点:①壁厚公8 mm,泡沫模样不易成型;②中间有隔板,隔板中间有孔,需要做侧抽芯活块;③两面开口,泡沫模样易变形;④产品内腔空间大,泡沫模样不易脱模;⑤四面封闭,产品需要分两片粘接组合成型;⑥分两片的产品局部产生倒拔模,模具需要做出侧抽芯活块。


图1 箱体三维简图

2 模具的基本要求

1)模具尺寸精度必须使制出的铸件在图纸要求的精度范围内。

2)模具型腔及模框无铸造缺陷,模具工作表面粗糙度≤Ra0.8 mm

3)为了使模样加热冷却均匀快速,模具材料导热性应好,模具型腔一般做成薄壳随形结构。

4)模具中的射料枪设置应保证进料顺畅,使预发珠粒能够顺利充满模样所有部位。

5)正确设置排气阀位置和确定排气面积的大小,使模样紧实,加热和冷却均匀。

6)模具应有足够的强度和刚度,对水、蒸汽等介质有良好的耐蚀性,寿命长。

7)模具应与成型机联结可靠,安装定位准确。

8)模具制造和操作使用方便。

3 模具的工艺要求

根据以上产品结构、模具要求及现场使用问题,从消失模铸造白区制模与黑区浇注两个角度,与洛阳某模具公司共同确定了重卡变速箱箱体消失模模具的设计与制造方案。

3.1 模具工艺设计

(1)模样分型  根据铸件结构特点,沿三轴孔心连线将模样分成AB两片(见图2),模片采用圆台定位,模片分型定位凸台统一设置在B片模片上,这种分型方便模样成型出模,同样适合目前车间内模样手工粘接及自动粘接机自动粘接。


2 模样分型方案

(2)铸件结构与尺寸  为了防止模样变形,采用在模样的上盖口面增加两根防变形拉筋(见图1),增加产品过渡圆角等措施来保证泡沫模样的稳定性。

(3)加工余量  除局部特殊要求外,加工余量统一设置为4 mm

(4)收缩量  此类变速箱箱体缩量统一采用1.5%

(5)拔模斜度  最大设置为1°,对局部取模时易造成变形及隔板处厚大活块可增加拔模斜度。

(6)射料位置  在模具长度方向的两端各设置一个加料口,要求料口尺寸配合车间内部的自动料枪。在成型过程中可以采用二次入料的方式,使珠粒可以更加充分的填满型腔,另外该位置有相对开阔的顶部型腔和没有任何阻碍物的侧壁,珠粒可直接导向充填末端,而后依次有序的填充。

3.2 模具本体设计

(1)模具材料的选择  选用ZL104合金来制造模具模框及模芯,要求模框及模芯整体铸造成型,铸造毛坯在机加工之前必须进行热处理;选用牌号LY12R的轧制铝板来制造模具模版及底板,轧制铝板必须进行T6处理;选用锡青铜来制造模具上的顶杆及导套;选用不锈钢来制造模具内部所使用的连接及紧固件(螺栓、螺母、平垫、弹垫等)。

(2)模具壁厚  为了使模具快速升温及快速冷却,减少蒸汽用量,提高制模效率,减轻模具质量及制造加工成本,模具采用薄壁随形结构,壁厚均匀控制在13~15 mm,避免因加热时温度不均匀造成的模型局部过烧或局部料生现象。为了保证模具发泡时有足够的强度和刚度,要求模框厚度不小于20 mm,并在模腔外部设置加强筋固定。

(3)模具气室  成型时要求模具通过气室具有均匀的导入高温蒸汽的能力,气室设计的高度应不小于30 mm,以便于高温蒸汽在气室内进行缓冲后能通过气塞均匀的到达模腔中。模具的上下模均有气室,每一个气室有一个进气孔和排气孔。进气孔直通模腔气室内,主要用于引入蒸汽和冷却水;排气孔应尽可能的安装在气室底部或靠近气室底部,以便于模型成型后及时排出冷却水,避免下一模成型时未排尽的冷却水造成蒸汽降温而影响成型质量。

(4)气塞分布  模具上应合理设置气塞,气塞的位置应从两个角度来考虑,一是与射料枪配合,保证模腔内珠粒均匀良好填充;二是保证模片整体同步受热发泡融合成型。根据变速箱箱体的结构特点,采用直径810 mm的点式气塞,要求气塞必须与模具本体在一个面上,不允许有凸起,保证模型光滑平整。气塞排布的间距不大于25 mm于局部厚大部位要求气塞排布更密集些,对于面对面的型壁要求气塞的排布应彼此错开,以利于蒸汽在模腔中均匀分布。

(5)抽芯及活块机构  对于局部不易取模或与模具开模方向不一致的部位可设计活块和抽芯机构,使泡沫模样在一副模具中整体做出,既保证了泡沫模样的强度,又能省去后序模样的粘合工序。变速箱体结构复杂,对于箱体上的隔板孔、倒档孔、过油孔采用手工抽芯活块设计,为了防止活块频繁装卸导致活块磨损变形,要求活块材质采用锻铝;对于箱体两侧存在倒拔模的部位,采用气动抽芯机构,要求抽芯活块必须铜制燕尾槽定位,通过活块上自带的燕尾槽和模具上自带的燕尾配合使用。要求侧抽芯活块的下底面设置有定位板,对侧抽芯活块实施定位保护作用,使侧抽芯活块在封闭的内腔运动。要求侧抽芯活块为空心结构,与其相邻的上模气室侧面留有热蒸汽和冷却水通孔,侧抽芯活块的成型面通过其上镶嵌的气塞和上模气室的预留孔,与上模气室内腔相通(见图3)。


3模具上模开模结构图

(6)冷却机构  模具的冷却对模样的成型至关重要,可以防止模具过热引起的模样过热,防止模样脱模后变形。根据模具结构,采用在上模气室内设置冷却紫铜管,在铜管上钻Φ0.50.8 mm的喷水小孔来实现模具上模的冷却,考虑到上模气室内冷却水有一个上升过程,待水接触到模具型腔和泡沫模样时,水温已升高,不利于泡沫模样的冷却,因此要求下模气室内采用喷嘴冷却的方式,冷却效果明显优于管道小孔,使泡沫模样均匀冷却。

(7)模样顶出机构  由于泡沫模样强度不高,使用模样顶出机构容易造成模样起模时变形,但车间内变速箱壳体模具生产任务重,必须保证高效率,要求模具上采用整块托板式自动顶出机构,整个机构包括顶板、顶杆与顶出气缸(见图4)。顶板位于下模气室的分型面处,在四个顶出气缸的带动下做往复运动;顶杆则根据泡沫模样的受力,排布有4~8件固定在顶板上,和顶板一起完成泡沫模样的脱模过程,顶杆频繁摩擦容易磨损,所以顶杆必须加滑套,滑套材质为锡青铜;顶出气缸通过不锈钢螺丝固定在下模气室四角,通过调整顶出气缸的活塞运动方向,完成顶板和铜顶杆的开合动作,模具下模气缸必须加挡板护住,防止拆装模具时造成的气缸接头损坏。


图4 模具下模开模结构图

(8)模具定位  根据模具结构和尺寸,采用销套加止口定位(见图3和图4。要求在模具上均匀设置3套导柱导套机构,定位导柱设置在下模,导套定位槽设置在上模,导柱导套有效高度为30~40 mm,材质为锡青铜;要求模具上的止口高度为5 mm,既能起到定位作用,也可以增加模具成型的抬模高度,提高成型过程中珠粒的填充及压实度,保证模样的表面质量。

(9)模具密封  模具气室内要通入蒸汽,并且保压,这就对模具的密封情况要求较高。在上下模气室成型机模板之间镶嵌密封条,完成模具和成型机之间的密封;上下模具分型面处,在下模气室分型面处镶嵌密封条,完成上下模具之间的密封;抽芯气缸和模具气室外壁之间镶嵌硅胶密封垫,完成抽芯气缸组件和模具气室之间的密封(见图5、图6和图3)。为了更好的达到密封效果,要求模具上所有的密封槽均采用双密封条密封。


图5模具外形结构图


图6模具下模背部结构图

(10)模具表面处理  由于变速器箱体结构复杂,考虑到脱模困难,模具表面可进行特氟龙处理。处理以后,可以显著降低泡沫脱模力,而且方便模具表面的水渍清理,提高模样质量。

4 模具的工作过程

(1)安装模具  将重卡变速箱箱体模具吊装在立式自动成型机的4根导柱间,通过压板将上模气室固定在成型机的上模板(即动模板)上,通过压板将下模气室固定在成型机的下模板(即定模板)上,接通自动料枪的通气管和通料管,接通抽芯气缸的通气管,接通顶出气缸的通气管,接通上模具气室、下模具气室的热蒸汽管和冷却水管。

(2)调试模具  将成型机开合行程调整到适合模具打开取出泡沫的行程内,再由成型机将模具压紧,保证模具开合顺利,无卡滞现象;调整充料时间、热蒸汽压力、冷却时间。

(3)充料阶段  上下模完全结合,用自动料枪将预发泡的泡沫颗粒采用负压的方法填充至模具型腔,填充结束后,通入热蒸汽、保压,直至泡沫原料完全膨胀、熟化、融合、成型,关掉蒸汽阀门,通入冷却水,冷却、定型,打开排水阀,排干冷却水,抽芯气缸通入气压,使气缸形成收缩运动完成上模侧抽芯活块和泡沫模样的分离,上下模打开至调模行程,顶出气缸通入气压,使顶出气缸的活塞向上直线运动,带动顶出板和顶杆,顶出泡沫模样和下模抽芯活块,使其与下模活块脱模,再从下模一起取出泡沫模样和下模抽芯活块,将下模抽芯活块从泡沫模样中取出,完成开模动作;合模时,先打开顶出气缸的阀门,使顶出气缸的活塞出现内缩运动,带动顶出板和顶杆回位,再将下模抽芯活块放入下模模腔内,上下模具再闭合,上模抽芯活块在抽芯气缸的带动下,打开抽芯气缸阀门,使抽芯气缸出现伸出运动,通过抽芯气缸的活塞带动上模侧抽芯活块合模,上下模具再闭合,合模结束,再次充料,完成一次成型过程。


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