基于ug的eq153发动机活塞浇注模设计.doc

全套设计（图纸）加扣扣 194535455
摘要

本课题是基于UG的EQ-153发动机活塞浇注模设计，通过对活塞结构功能材料分析，选择金属型重力铸造的铸造工艺来进行设计的。
在充分考虑到活塞活塞从毛坯到成品零件的铸造工艺、机加工艺和金属熔液在冷却过程中的缩尺和拔模斜度等因素后，遵守以往活塞设计的理论和生产经验得出得到模具基本尺寸，再通过三维软件UG实现该模具的实体建模，进行运动分析，而设计出该活塞的铸造模具。
关键词：活塞，浇注工艺，重力铸造，结构设计，UG；
Abstract

This thesis is based on EQ-153 UG engine piston casting mold design, through the analysis of the piston structure function material, metal gravity casting casting process to design.
After scaling and the draft and other factors in full consideration of the piston from the blank to finished parts of the casting process, the machine process and molten metal in cooling process, abide by the previous piston design theory and production experience get mold basic size, then the solid modeling of the mold through the three-dimensional software UG, motion analysis, design of the piston casting mold.

Key words: Piston,Pouring technology,Gravity casting，Structure design,UG;

目录
摘要 I
Abstract II
第一章 绪 论 1
1.1 课题的来源及其意义 1
1.2 活塞的结构功能分析 1
1.2.1活塞功能分析 1
1.2.2 活塞结构分析 2
1.2.3活塞的技术要求 4
1.3 数字化设计 4
1.4 铸造行业的 现状与发展趋势 5
1.4.1 我国模具技术的现状及发展趋势 5
1.4.2模具制造的基本要求和特点   6
第二章 活塞工艺分析和浇冒系统设计 7
2.1活塞的铸造方案选择 7
2.2铸件毛坯设计 7
2.3金属型的设计 9
2.3.1 分型面的确定 9
2.3.2浇注系统的设计 10
2.3.3冒口的设计 12
2.4 顶出机构的设计 14
2.5 导向部分的设计 14
第三章 浇注模结构方案设计 16
3.1 浇注模主体结构设计 16
3.1.1 浇注模型芯的设计 17
3.1.2 浇注模的排气系统的设计 18
3.1.3 浇注模的定位、导向及锁紧机构 18
3.1.4 浇注模结构 19
3.2 浇注模冷却系统的设计： 19
第四章 UG平台下的三维建模与虚拟装配 22
4.1 活塞模具的三维建模 22
4.2 进入UG虚拟装配的环境 24
4.3 NX-UG环境下的各级虚拟子装配 26
第五章 UG环境下二维工程图图的导出 30
第六章 浇注模型心的制造工艺 33
第七章 总 结 36
致 谢 37
参考文献 38

第一章 绪 论

1.1 课题的来源及其意义
此课题来源于上世纪九十年代东风公司旗下活塞轴瓦有限公司的生产实际。EQ153发动机活塞属于卡车发动机活塞，该产品用于东风公司推出第一款重型车EQ-153系列的平头柴油机。该产品引进日本先进技术，也是东风公司自主设计道路上结合国外先进技术生产的先例，为之后东风的发展起到了关键性的作用。在当时，这款车型在中国市场上取得了良好的反响，由于油耗小噪声低、爬坡能力强，迅速占领了中国的西南和西北等高原地区的市场，成为当时中国卡车行业的楷模，开创了卡车自主研发的先河，再次将国产卡车推上巅峰。
在当时汽车是很多普通人做梦都没想过自己能拥有的东西，而在现今社会汽车已经逐渐普及，进入千家万户，其生产方式也有当时的人力式生产逐步转为全自动化批量生产的模式。发动机是汽车的心脏而活塞又是发动机的心脏，活塞的生产关系到发动机的质量。活塞由于外形复杂，为了实现批量生产一般采取铸造的方式生产。铸造工艺中最重要的就是产品模具的设计，活塞铸造模具能够大大地提高生产力，降低成本，保产品质量，提高企业的竞争力。基于这些方面的原因，根据产品的工艺和性能要求，设计EQ153发动机活塞铸造模具。
1.2 活塞的结构功能分析
1.2.1活塞功能分析
活塞的主要作用是承受气缸中气体的压力，并将此力通过活塞销传递给连杆，把活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。活塞的顶部和气缸盖、汽缸壁一起构成燃烧室，由于活塞直接与高温高压气体接触，所以使得活塞的机械性能显著降低，又因为受热膨胀影响与其他零件的配合。活塞在做功冲程时承受着高温高压气体的剧烈冲击，使得瞬间压力可以达到3-5MPa，柴油机活塞的瞬时最大压力可达到6-9MPa，采用增压的发动机活塞收到的冲击力甚至会更高。高压气体也使活塞对汽缸壁产生侧压力，加速了活塞径向磨损，影响活塞的气密性，降低燃油效率。活塞在气缸中高速运动平均速度可达12-15m/s，短时间高速运动也意味着瞬时加速度很大，使得活塞承受着巨大的往复惯性力，并且由于活塞的结构极其复杂各个部分的厚度不一，也使得活塞的受热极不均匀，活塞内部也会产生内应力。因此要求活塞要质量小，耐磨性好，热膨胀系数小，导热性好。[1]
现在活塞的生产方式一般有两种，即锻造和铸造，而锻造相对于铸造而言成本要昂贵的多，但是铸造件的机械性能及力学性能不及锻造件的。对于不同产品的要求可选取不同的设计方法，综合各方面情况，EQ-153活塞选用铸造工艺制作。
1.2.2 活塞结构分析
活塞的基本结构可分为顶部，头部和群部3部分组成。如下图1.1所示，

图1.1：活塞结构剖视图
1.活塞顶2.活塞头3.活塞环4.活塞销座5.活塞销
6.活塞销锁环7.活塞裙8.加强肋9.环槽
（1）活塞顶部
活塞顶部是燃烧室的组成部分，它的结构形状和燃烧室的形式有关，活塞顶部的形状取决于燃烧室的要求。

图1.1：不同顶部的活塞示意图
平顶活塞多用于汽油机如图a，其其受热面积小，制造工艺简单。 有的发动机想提高混合气体的形成和燃烧而采用凹顶活塞（图b），凹坑的大小还能改变发动机的压缩比。两冲程的汽油机还经常使用凸顶的活塞，这种常配合球形燃烧室使用。活塞的顶部经常加工要求光洁，为了减轻热负荷还会在顶部喷镀陶瓷。
（2）头部
活塞头部指的是活塞环槽上面的部分，作用：a承受高温高压气体的压力b.和活塞环汽缸壁一起实现燃烧室的密封c.把活塞顶部的热量通过活塞环传递给汽缸壁。
（3）裙部
裙部的作用是保证活塞在气缸内的垂直运动，起导向作用并承受侧压力。工作时高温高压气体均匀分布在顶部，而活塞销给予的支持反力却作用在活塞销的销座处，所以产生的变形沿裙部轴线方向逐渐增大。见下图1-3：

图1.2：活塞压力图分布
活塞裙部一般都做成椭圆形，就是在活塞裙部不同的部位其椭圆度不同，椭圆度由下而上逐渐增大，就是说越往上横截面的形状越扁，裙部纵向截面成桶形，它的轮廓线成抛物线形，又叫做抛物线形活塞裙部。这样的活塞裙部能够使活塞的温度分布均匀，让侧受压力的一边与缸壁之间更易形成双向油楔。
（4）活塞销座
活塞销座是用来安装活塞销的，在销座的两端一般开有卡环槽，便于方便安装卡环。卡环是防止活塞销轴向窜动。活塞销座轴线有的偏离活塞中心线平面，这样的结构能够使活塞在越过上止点时更平稳，减弱活塞敲缸现象的情况。
1.2.3活塞的技术要求
因为活塞所处的工作环境及其恶劣，高温高压且还要承受往复惯性力冲击力，我们不光要考虑到发动机运动平稳性，还要考虑到它的强度、刚度、耐磨性、耐腐蚀性、耐热性、热膨胀系数等因素。现在大部分生产厂家都选择铝合金来制造活塞，因为铝合金密度小，导热性好等特点。
活塞制造工艺：
a.活塞裙部外圆 裙部外圆要与缸套精密配合，公差等级应在IT6-IT5 左右。
b.销孔 销孔的公差等级一般达到IT6以上，圆度公差应控制在1.5um左右。销孔的中心线和顶部的距离直接关系着空压比。因此公差应该控制在IT7左右。
1.3 数字化设计
这个课题是基于UG的EQ153发动机活塞金属型重力铸造模具设计，所以，现在我们就要说到数字化设计，传统的活塞毛坯铸造采用的是重力铸造，但由于无法直接观测到液态金属液在模具内成型及冷却过程，所以工程师只能依靠经验来设计模具及铸造工艺，导致了很多产品不合格，提高了生产成本。而数字化设计的出现是对传统设计的极大的优化与提升，它可以通过事先在电脑上通过软件对零件的模具毛坯进行建模，输入不同的材质，直接在软件上对浇注及冷却过程进行温度场分析模拟，找出易于出现缺陷的部位，再进行修改优化来提高模具的质量和性能，最终确定铸造工艺和模具设计的方案[7]。数字化设计能够极大的提高企业的产品开发能力，提高企业的竞争力。
三维建模是产品数字化设计的主要技术。她是从原先的线框建模逐渐发展为现在的实体建模和参数化建模，它不仅能输入产品的几何尺寸还能输入产品的材料、密度等特征。如以下图4所示，为活塞的线框模型和实体模型。

图1.3 活塞
在这个课题中，活塞模具的三维建模采用的软件是UG软件，由于活塞为非标准件，所以，建模过程基本上使用的是特征建模的方法。
1.4 铸造行业的 现状与发展趋势
随着我国铸造业的不断发展壮大，铸造模具的设计与制造也愈来愈受到人们的关注。一汽集团公司是我国最大的汽车工业基地。1999年初，一汽公司重组成立一汽铸造有限公司，该公司就成为了成为一汽公司专业生产铸造模具的厂。此前，一汽曾经经过了三起三落，多次转型，成功开辟了多种车型，这也带动了一系列模具厂的发展，为了适应不同车型的生产，一汽铸造有限公司生产了几十万套的金属铸造模具、有色金属压铸模具，一汽铸造厂的发展历程可以说就是中国模具行业的发展历程，这些模具的生产设计极大地填补了我国在模具设计上面的空白[2]。
1.4.1 我国模具技术的现状及发展趋势
模具在现代生产中是各种工业产品的重要工艺装备，通过特殊的成型方法使原材料成为理想的产品。因为模具成型具有很多优点，所以现在已经广泛使用在制造行业，特别是汽车、航空航天、航海等重工业及日用化妆家用电器的等轻工业。根据可靠统计，利用模具制造的零部件，在汽车、航空、电机电器等所占比例大约70%左右，在电视、电脑、手机等中约占80%左右。现在世界各国基本认识到发展模具技术的重要性，因此模具技术也成为了衡量一个国家工业水平的重要依据之一。在日本模具被誉为进入富裕社会的原动力，德国则称它为金属加工业的帝王，由此可见模具在国民经济中的地位将会越来越高。
我国政府对模具工业的发展也是非常重视的，国务院于1989年3月颁布的《关于当前国家产业政策要点的决策》中，就把模具技术的发展作为机械行业的首要任务。截止目前为止，我国在模具技术方面已经有了一支较强的队伍。虽然我国的模具技术已经有了很大的发展，但是在精密模具设计上面与发达国家依然有很大的距离。因此还要花高价从国外进口一些高精度模具，归其原因是：我国模具设计的专业化和标准化程度还不够高，专业化程度不到15%，而标准化程度才30%左右。模具品种少，生产效率低，设计人员技术水品相对较差，设计技术落后于发达国家。模具生产周期长，精度较低，使用寿命短。力量分散，管理落后。根据发展中遇到的这些问题，我国模具行业应该朝着这些方向发展[3]：
（1） 开发精密复杂大型新材料模具，来填补我国在这些方面的空白。
（2） 加速制定模具标准化规制，提高模具设计人员设计水平。
（3） 积极开发模具新品种、新技术、新工艺和新材料。
（4） 积极把数字化设计应用于模具设计行业，提高模具设计的自动化和智能化程度。
（5） 发展模具加工成套设备，达到模具行业高速发展的要求。
1.4.2模具制造的基本要求和特点  
模具制造的基本要求[4]：
（1)制造精度高（2）使用寿命长（3）制造周期短（4）模具成本低
模具制造的特点[5]：
（1） 制造质量要求高（2）形状复杂（3）材料硬度高（4）单件生产

第二章 活塞工艺分析和浇冒系统设计
2.1活塞的铸造方案选择
1）砂型铸造[6]
砂型铸造主要适用于各类铝制合金和熔点相对较高的金属及其合金，虽然铸造成本低廉，但其铸件金属晶粒粗大，表面粗糙度较低，工件强度不高，生产率低。而活塞是发动机的主要零件，精度及强度要求较高，所以砂型铸造不适用于活塞的生产。
2） 低压铸造
低压铸造是指是液态金属通过压力充满型腔，而成型的铸造工艺，因为压力较低所以称之为低压铸造，主要适用于中小铸件及有色金属。
3） 挤压铸造
挤压铸造又称为液态模锻，使熔融态或半固态金属直接注入模具型腔内，随即闭合模具，在施加压力，最终成型的加工工艺。该铸造方式适用于小件金属及薄板型铸件。
4） 金属型重力铸造[7]
金属型重力铸造是指熔融态金属液体在地球引力作用下充满金属模具型腔而成型的铸造方式，铝合金金属模重力铸造由于生产效率高，生产环境清洁，产品表面光滑，金属金相晶粒细密，机械性能优良而被广泛应用。
经过分析比较金属型重力铸造比较适合EQ-153活塞的生产方式。
2.2铸件毛坯设计
总体原则：在满足使用要求的前提下，铸件结构多可在一定范围内变动，确定铸件结构时，应尽可能使铸造工艺过程简化，避免不必要的人力、物力耗费，防止废品，并为自动化生产创造条件。具体要点如下[8]：
(1)满足使用要求：
保证其工作性能和机械性能要求。
(2) 满足合金铸造性能对铸件结构的要求[9]：
①选择适宜的铸件壁厚：每种铸造合金都有其适宜的壁厚；厚大截面的承载能力并非与截面面积成正比；为了充分发挥合金的效能，既避免厚大截面又保证铸件的强度和刚度，应根据载荷的性质和大小选择合理的截面（如“工”字形），必要时可设置加强筋；为了减轻铸件重量、便于铸件的清理、易于排气以及利于型芯的固定，常在铸件壁上开设窗口。
②铸件壁厚应尽可能均匀：避免热节（导致缩孔与缩松）与热应力（导致裂纹）的形成；
③铸件壁的联接（或转角）处应尽力避免金属的积聚和内应力的产生：转角处应设置结构圆角；避免锐角联接；厚薄壁间要逐步过渡，禁止突变。
④设计铸件时，应尽量使其得以自由收缩，避免产生裂纹：弯曲轮辐比直轮辐好；奇数轮辐比偶数轮辐好；交错接头比交叉接头好；环状接头热节小、抗裂性好。
⑤普通灰口铸铁：其铸造性能比钢好；以薄壁结构最为适宜（但须避免极薄截面，以防出现脆硬的白口组织）；牌号愈高，铸造性能愈差。
⑥钢的铸造性能差（流动性差、收缩大），要特别注意铸钢件的结构工艺性（壁厚不能过薄、热节要小并便于通过顺序凝固来补缩；为防止热裂，筋、辐的布置要合理）。铸件毛坯的确定要考虑到铸件应有足够的加工余量，保证非加工面的精度，
铸件的铸造工艺分析→铸造方式及造型方法选择→浇注位置及分型面的确定→选用工艺参数→确定浇注系统的形状、位置和尺寸→设计冒口、冷铁和型芯→编制铸造工艺文件（如：铸造工艺图）→设计制造铸造工艺装备（模样、模板、芯盒、砂箱和辅助工艺装备）→铸造（制芯、造型、合箱、浇注、落砂）。铸件毛坯图见图

图2.2：活塞毛坯图
2.3金属型的设计
本课题的设计包括活塞的结构分析和模具的结构设计改进两部分。模具结构的设计指导老师已经给出一个大致设计思路，在老师给出的图纸基础上进行改进和建模，本次设计通过对产品的功能性能及加工工艺进行详细分析，综合各种因素进行修正，再通过NX-UG软件进行空间结构的设计。
2.3.1 分型面的确定
分型面的选择不仅关系着零件的脱模和成型，而且和模具的成本和结构密切相关，所以说分型面的选择是至关重要的，总的来说分型面的选择一般有三个原则[10]：
(1)保证铸件质量能够达到工作要求，这条要求是最重要的。
(2)有利于铸件脱模，铸件脱模的过程中不能产生变形和损坏。
(3)能够简化模具结构的设计，一个合格的分型面的选择往往能使模具结构得到很大的简化。
分型面形式一般有垂直、水平和综合分类（垂直、水平混合分型或曲面分型）三种。分型面的选择取决于铸件的形状、大小等因素。水平式分型面一般适用于薄壁圆盘状铸件，设置垂直分型面的金属型便于开设冒口和排气系统，操作简单便于实现自动化生产，一般用于生产小铸件。混合分型面一般有两个或两个以上分型面组成，多用于结构较为复杂的铸件的金属型。分析该铸件特点，根据该活塞模具设计要求，以下三中分型面的方案，并分析了各自的特点。
方案一：选择与活塞顶面垂直，且通过销孔轴线的平面。这样有利于开型但活块较多，且销孔精度难于保证。
方案二：选择与活塞顶面垂直，且垂直于销孔轴线的平面。这样便于开型，且活块较少，可以保证销孔的精度。
方案三：选择平行于活塞顶面，且过销孔轴线的平面。这样选择，活块较多，不便 安放浇冒口，不便于开型。
经分析比较，选择方案二。
活塞的外形很特殊，带有2个凹面， 其中各有一个销孔， 因而需要采用2个水平分型面和1个垂直分型面。其水平分型面处在活塞底部及活塞止口圈处。垂直分型面通过活塞的轴线见图6。

图 2.3.1 分型面
2.3.2浇注系统的设计
金属型浇注系统又直浇道、横浇道、浇口杯、内浇道等组成。小铸件的金属型模具一般不需要设置浇口杯，常常为了方便浇注就把浇道口上部开大，直浇道的横截面一般做成圆形的，可以减少热量的流失和带入空气，影响浇注质量。由于铝合金在流动的过程中温度下降快易氧化，因此要求浇道不宜过长，充型过程要平稳，易于控制充型的流量。金属型的浇注系统一般可分为三种：顶注式、底注式和侧注式[11]。
A.顶注式 热分布较为合理，有利于顺序凝固，但是流速不平稳容易参入空气和杂质，一般只适用于铸件高度较小的零件。
B.底注式 金属液流动较平稳，有利于排气，但温度分布不合理，不利于铸件顺利凝固。
C.侧注式 具有以上两种浇注方式的优点，但是后期清理浇道口时工作量较大。
金属型浇注系统与砂型系统比较相似，但是由于金属型的透气性不是很好，导热能力强，因此要求浇注系统能够降低流速减少对金属模的冲击给型腔内气体足够的时间排出，还要保证充型过程中不出现飞溅。
一般浇注系统的设计由以下几步组成：
① 确定浇注类型：一般要先考虑铸造方法、金属材料、铸件尺寸和形状以后，才能确定浇注系统的类型；
② 初步决定横浇道：内部浇到的数量、位置和尺寸；
③ 确定浇注时间：按照公式计算出浇注时间，再对浇注时间进行校核；
④ 确定有效压头高度：按照已经选择的浇注类型，选择合适的计算方法来确定有效压头高度，并对该结果进行校核；
⑤ 计算或选择经验的阻流面积，选择合适的浇口比，最终确定浇注系统各个组成部分的截面尺寸，完成浇注系统的设计。
经典的浇注系统计算公式，没有考虑浇道截面比对浇注系统中金属液体流动的影响，只表达出了最小截面积的阻流效果，流量因数选取范围过大，内浇道截面尺寸计算值偏小，又跟随不同设计者的经验变化而变化，因此没有一个比较确切的理论。大口出流理论将浇注系统截面比纳入计算公式，其结果可使按经典的计算公式所得的内浇道截面积偏小的问题得到改善。计算内浇道截面积的主要公式：
(2.3.1)
式中δ铸平均厚度（mm），则浇注时间t(s)由下面的式子决定：
(2.3.2)
式中:h-金属型型腔的高度（cm）。
在这里我们选择侧注式直浇道，使设计简化符合现代设计的要求。如下2.3所示浇道三维图。

图2.3.2 浇道

图2.3.3浇注机结构示意图
1.轴承座 2.转轴 3.左右半型 4.内芯把手 5.底板 6.支架
模具工作过程如下：
装过滤网→合内模（装钢片）→合外模（床身翻转30°）→装渗铝镶圈→合顶模→浇注（床身复位）→通水、通气冷却→开顶模→开外模→开内模（中芯下）→机械手取毛坯→开始风冷（水雾）淬火→进入下一循环
浇注：按动作操作顺序，装上过滤网，合好模具，用脚启动设备床身翻转开关，使模具与设备同时倾斜30°，快速将已渗铝合格的镶圈放入外模指定位置装好，合顶模，进行固定。用精炼合格的铝水浇注。在浇注过程中，要经常清理浇瓢上的氧化皮，浇注时铝水尽量保持平稳，以先慢后快的方式从浇口杯浇入。开始浇注时，浇瓢嘴尽量靠近浇口杯，逐渐地向上提起（高度≤50mm），以合适的浇注速度进行冲型，直至冒口浇满为止；同时，用脚启动设备床身翻转开关，使浇注机恢复原位。将未浇完的铝水倒入回收铝锭模中。在浇注过程中应勤刮铝水表面的氧化皮及表面熔渣。浇注完毕，模具自动通水冷却。
2.3.3冒口的设计
铸件的冷却方式的有两种，同时凝固和顺序凝固，同时凝固指的是从工艺上采取各种措施，使铸件不同部位之间的温差尽量减小，从而达到各部分几乎同时凝固的效果。这种凝固方式的特点是铸件各部分温差较小，不易产生热裂，冷却后残留内应力和变形也较小，因此不需要设置冒口，简化了设计工艺，节约金属用量。顺序凝固指的是从工艺上采取不同的冷却方式，让铸件从离冒口较远的部位或浇口的部分到冒口或浇口之间建立逐渐递增的温度梯度。这样就可使得离冒口较远的部分先凝固，然后按照离冒口由远到近的顺序逐渐凝固，来达到铸件较厚部分补缩较薄的部分，而冒口里的金属液最后冷却，来补缩厚实部分，达到将缩松、缩孔转移到冒口的目的，最终获得致密的铸件。这种冷却方式的优点很明显：可以加强冒口的补缩作用、补缩效果好，能防止产生缩孔，获得致密而健全的精铸件。由于活塞的工作环境极其恶劣，对铸件的要求非常严格，因此该铸件的需要设置冒口。
设计冒口的主要目的就是补缩，防止缩松和缩孔的出现，依据是否与外界直接相通可分为明冒口和暗冒口。明冒口又分为明顶冒口和明侧冒口，明顶冒口即把冒口设置在铸件顶部，侧冒口就是说把冒口设置在铸件的侧方位置。明顶冒口应用范围最广，冒口形式一般上小下大，这种方式有利于保温和使得冒口上端最后凝固。暗冒口主要用于不便开设明冒口的铸件。
冒口系统的设计步骤
① 确定冒口的设计方法：根据铸件的材质，选择冒口的设计方法。
② 求出热节圆直径大小，冒口的直径大小：按照铸件的类型，依据绘图法或计算法确定热节圆直径的大小，再按照公式求出冒口的尺寸和冒口的高度。
③ 选择冒口的类型：根据冒口上文冒口适用规则选择合适的冒口类型；
④，画出冒口二维图：拟定冒口的连接面，画出冒口工程图，订正冒口的位置和冒口尺寸。
冒口尺寸的确定：冒口一般呈上小下大的圆台状，其主要尺寸确定就是底部大圆直径和顶部小圆直径以及冒口高度。确定冒口底部大圆直径一般依据公式：
D=(1.2～1.5)*d (2.3.3）
H=(0.8～1.5)*D （2.3.4）
式中D为冒口根部圆直径，d为热节圆直径，H为冒口高度。冒口高度太高则太浪费金属，冒口太低则补缩效果不太理想，因此合适的冒口尺寸的确定是非常重要的，设计冒口时一定要严格遵循冒口设计的各个步骤。冒口三维线框图见图2.3.4。

图2.3.4冒口三维线框图
2.4 顶出机构的设计
浇注模的凹凸部分，将会对铸件的收缩会有阻碍，铸件出型时就会受到阻力，必须采用顶出机构，才能把铸件顶出。在设计顶出机构时，一定要注意下面几点：防止顶伤铸件，即防止铸件被顶变形或在铸件表面顶出凹坑；防止顶杆卡死，首先是顶杆与顶杆孔的配合间隙要适当。如果间隙太大容易溢出金属液体，而间隙过小则可能造成卡死的现象，根据经验最好采用D4／dC4级配合。
在活塞浇注过程中由于其型芯部分在铸件的取出前已经将中间那部分抽掉了，剩余的两部分则由两个液压机构使其向中间压缩，加之外模液在两液压机构的作用下沿导轨分开了，故金属型对铸件的积压力很，不用设计顶出机构，只需用榔头轻击冒口，再用铁钳取出即可。
2.5 导向部分的设计
金属型合型时，要求两半型定位准确，一般采用两种办法，即定位销定位和“止口”定位。对于上下分型，而分型面为圆形时，可采用“止口”定位，而对于矩形分型面大多采用定位销定位。定位销应设在分型面轮廓之内，当金属型本身尺寸较大，而自身的重量也较大时，要保证开合型定位方便，可采导向形式。
在该模具中由两个运动：外模的左右移动和型芯中间部分的上下移动。故其导向部分可分为：一是内模（即型芯）导向部分；二是外模导向部分。
外模的左右移动是用导轨和滑块来完成导向，其移动的外作用力是来自两端的液压机构。而型心的上下运动是用导向套来保证其移动位置精度的，外作用力是用一个齿条机构来完成的。导向套的结构如图2.5。
图2.5 导向套

第三章 浇注模结构方案设计
3.1 浇注模主体结构设计
金属型主体系指构成型腔，用于形成铸件外形的部分。主体结构与铸件大小，其在铸型中的浇注位置，分型面以及合金的种类等有关。在设计时应力求使型腔的尺寸准确；便于开设浇注系统和排气系统，铸件出型方便，有足够的强度和刚度等。 金属型壁厚主要影响铸型的质量、强度及铸件的冷却速度。壁厚太厚，增加了铸型的重量，加快了铸件的冷却速度；壁型太薄，由于温度不均匀而产生应力使其变形，缩短使用寿命。
总的设计原则：力求结构简单，加工方便，选材合理，安全可靠。
因为该零件是由其铸件毛坯经机械加工而成，所以增加机械加工余量便可以获得铸件毛坯。零件+机械加工余量=铸件毛坯(或铸件毛坯一机械加工余量=零件)。
铸件工艺图绘制之后，就可进行金属型设计。设计内容主要包括确定金属型的结构、尺寸、型芯、排气系统和顶杆机构等。
主体设计：主体设计应力求使型腔尺寸准确；便于开设浇注系统和排气系统；铸件出型方便；有足够的强度和刚性。金属型型腔尺寸的计算，除根据铸件尺寸和公差外，还应考虑合金的收缩率、涂料厚度、金属型加温后的膨胀以及金属型加温后的膨胀以及金属型各部分之间的间隙等。
① 型腔尺寸
型腔尺寸由以下经验公式决定：
（3.1.1）；
（3.1.2）；
式中：
—— 铸件型腔尺寸（mm）；
—— 铸件尺寸中间值（mm）；
—— 铸件的铸造收缩率，取1%；
——金属型涂料厚度，取0.2mm；
——型腔尺寸制造公差（mm）；
型腔的大致尺寸确定后，还要根据经验符合型腔设计的基本要求，一般情况下，型腔表面至金属型边缘的距离应大于等于20毫米，定位销孔的表面和铸型边缘的距离应大于10毫米，同时为了保证开行方便需要在分型面处设置凹槽，由于本机构采用以液压泵为动力源开模，故不需要设置凹槽。
根据以上设计原则设计出模具型腔，模具型腔图如图3.1：

图3.1 模具型腔图
3.1.1 浇注模型芯的设计
金属型芯的设计通常要依据铸件的复杂程度和铸件的材料来确定的，一般不同的材料和不同复杂程度的铸件采取的型芯结构和材料会有所差异。通常浇注壁厚较薄且内腔形状较为复杂的高熔点金属及其合金铸件时常常采用砂芯，而在浇注低熔点金属及其合金（如铝、镁合金）时，一般选择金属芯。在同一铸件上也可砂芯和金属芯同时使用。活塞是材料为镁合金，采用金属芯。为取出金属型芯和铸件，在铸件的出芯和出型方向应取适当斜度。由于活塞内腔结构复杂，不利于金属型芯的取出，所以设计为组合型芯的方式方便型芯的抽取。
组合型芯由5部分组成，型芯的5部分的间隙是由外模或内模的结构来确定的，用外模锁紧型芯的，其配合间隙为0.15～0.25 mm，如果用内模中心套锁紧型芯的，其配合间隙由0. 10 mm放大到0.15 mm，使型芯能在金属型在不同温度时仍然能够顺利取出。型芯的结构如图3.1.2所示：

a 型芯的装配图 b 型芯的分解图
图3.1.2 型芯的装配结构
3.1.2 浇注模的排气系统的设计
因为金属型本体气密性较好，导致浇注过程中混入的空气很难排出，所以金属型排气系统的设置是非常重要的。它关系着铸件是否会产生气孔和冷隔现象，与铸件的质量有着密切的关系。因此在金属型合适的部位要开设气孔或排气槽，方便排气。虽然在上文中设置冒口和浇注系统的时候已经考虑到排气问题，但是仅靠这两处的排气是远远不够的，在大部分情况下聚集在金属型腔内部、大平面上以及离冒口比较远的部分无法从浇冒系统或分型面排出，所以在这些部位都采取排气措施。
金属型排气系统通常由以下形式组成[2]：
（1） 排气孔 通常在型腔最后充满的部分开设直径为2-6（mm）的圆形孔。
（2） 排气塞 排气塞俗称通气塞，一般由45钢或黄铜制造。
（3） 镶块排气 通过镶块与金属型的接触面排气。
（4） 组合铸型排气 通俗的说就是说排气塞中再开设排气塞的排气方式。
（5） 排气槽 排气槽就是在金属型分型面或者滑块上的合适部位开设沟槽，力求能排气迅速又能防止金属液沿排气槽流出。
（6） 金属型芯排气 在铸件型芯内开设合适的排气槽。
根据以上是常用排气的方法，设计活塞铸型的排气系统：在外模的销摸孔壁开设排气槽，直接通过补缩冒口排气、分型面排气。
3.1.3 浇注模的定位、导向及锁紧机构
金属型合型时，要求两半型定位准确，、一般采用两种办法，即定位销定位和“止口”定位。对于上下分型，而分型面为圆形时，可采用“止口”定位，而对于矩形分型面大多采用定位销定位。定位销应设在分型面轮廓之内，当金属型本身尺寸较大、结构复杂、重量也比较重时，为了确保开合型顺利，通常会采用导向机构。
3.1.4 浇注模结构
根据活塞结构特点(见图13)，为实现顺序凝固要求，选用活塞头部朝上，内部型腔朝下浇注放置方式。金属型由外模及销芯、型芯(两瓣边芯、中芯、两瓣小芯组成（见图9))、顶模、底模组成(见图11)，。浇注系统设置在外模左上部(见图13)，水平分型面以上由上模板和冒口系统组成，冒口设计在顶模上。抽芯方式采用下抽芯方式，它便于在机身内设置驱动机构升降5瓣型芯，金属型上左右部分有可以进行液压开模的抽取销芯的机构。

图 4 金属型结构
型芯与外模的配合：
型芯的5瓣芯间隙是由外模或底模锁紧型芯的形式确定的，用外模锁紧型芯的，其配合间隙为0．15～0．25 mm，若是用底模内孔锁紧型芯的，其配合间隙由0．10 mm放大到0．15 mm，使型芯能在金属型温度过低过高时顺利出芯。
3.2 浇注模冷却系统的设计：
铸件在型腔中的均匀冷却，可以大大提高铸件的晶体组织，减少缩松、缩孔、铸件晶粒粗大，因此，对铸件的冷却非常重要。要想保证金属型内浇铸件的质量达到要求，就应该确保金属型在浇注的过程中温度变化衡定[9]。也就是说，在每一次浇注循环中，金属型从液态金属中吸收的热量Q应等于金属型向外界散失的热量q。但是当铸件比较厚大时特别是浇注熔点较高的合金铸件时，常常是铸件传递给金属型的热量大于金属型散失的热量，即Q>q，所以金属型的工作温度必定升高，所以每浇注一次，金属型就要冷却一段时间，等到温度降下来才能再次浇注，这样一来就极大地降低了生产率，故一般采用改变冷却方式的冷却方法来降低金属型的温度，提高生产效率，常用的冷却方式有：
（1）风冷：就是通过在金属型外围吹风冷却，加强气流流动速度，提高热交换速度。风冷方式的金属型，一般结构较为简单便于加工，生产成本较低，但冷却效果不是那么令人满意。
（2）间接水冷：在金属型内部或局部开设小孔，再镶入水套，这种冷却方式的效果冷却效比风冷的效果要好一些，但是这种冷却方式往往会对铸件的质量产生影响，容易增加铸件的内部缺陷。
（3）直接水冷：在金属型的背面或局部设置水套，通过对水套内通入液体进行降温冷却，这种冷却方式主要用于浇注钢件和合金铸件，铸型要求迅速冷却的地方。因为这种冷却方式经济成本较高，只适用于大批量生产[3]。
若铸件不同部位壁厚相差较大，在使用金属型铸造时，一般会在在金属型的一部分进行加温，而另一部分则采取降温的方式来改变金属型上的温度分布。具体的散热方案：
1 活塞铸件的顶部最为厚大，它的散热是通过在顶盖内部开设循环的通水道来带走热热量的，见下图14：
图3.2.1 顶盖水冷系统
图3.2.2 销模气冷系统
3 由于外模较为厚大，散热慢，活塞铸件的中部的热量由型芯带走，型芯中心件的内部也开由水冷通道，如下图16：
图3.2.3 型芯水冷循环系统

第四章 UG平台下的三维建模与虚拟装配
4.1 活塞模具的三维建模
虚拟装配为解决装配工艺规划问题提供了一个新的有效的途径。它通过计算机软件建立一个虚拟平台进行操作，工程技术人员可以通过计算机三维建模运动仿真，速度加速度分析等操作，甚至可以模仿机械生产的所有流程，由于计算机仿真技术的迅速发展，使得机械工业的发展的速度也得迅速提高。作为一个合格的工程技术人员必须要熟练掌握这门技术，这不仅能体现出自己的专业素养，而且能够极大地降低设计人员的工作量，减少设计中出现问题的概率。
本课题在设计中就充分体现出了三维软件的重要性， 首先根据零件图设计出较为合适的零件毛坯图，依据毛坯图根据UG中装配导航器中的的wave功能逐步建立零件装配图。Wave是在NX-UG上进行的一项软件开发，是一种用来实现零部件间关联复制的主要技术。提到wave就不得不提到自顶向下设计，所谓自顶向下设计，就是设计者首先从整体上规划整个系统的的功能和性能，然后对系统进行划分，把一个复杂的问题拆分成若干个较为简单的问题，并建立他们之间的相互关联的关系[12]。(自顶向下设计和自底向上设计对比见图4.1.1)这种划分可以不断地进行下去，直到划分到可以具体设施的最小单元映射到物理实现，达到模块化设计的要求。

图4.1.1 自顶向下设计流程图
采用自定向下设计的优点是非常明显的，由于整个设计是从系统顶层开始的，结合数字化模拟功能，可以从一开始就掌握所实现系统的性能状况，再根据实际情况可以做出适当的调整，从而保证了设计的正确性，缩短设计周期降低设计成本。
虚拟装配的设计流程：
在产品的设计过程中,根据其研制的特点,可以将虚拟装配技术应用于产品设计过程的3个阶段(流程图见图4.1.2),其流程图如图在满足设计要求的前提下,建立模具装配的主模型,在这个主模型内按照设计的要求分出几个装配区域,再进一步划分装配层次,活塞模具的装配层次树如图4.1.3所示。
图4.1.2 虚拟装配流程图

图4.1.3 活塞模具装配层次树
虚拟装配技术的实际应用应考虑下列几个问题[13]:
(1) 虚拟装配如何使工程设计、加工、装配、维护等得到关于装配问题的综合观察;
(2) 系统如何帮助工程设计人员做出决策;
(3) 如何实现虚拟装配和工程设计支撑系统及制造系统间的信息传递。
4.2 进入UG