液力变矩器模具设计参数化研究(1)

液力变矩器模具设计参数化研究1概述液力变矩器经过近百年的发展，由于具有其它传动元件不可替代的优良特性，人们对其设计、制造的理论和方法有了不断深入的研究。近年来，许多现代化的设计方法、计算手段及制造设备都被应用到液力变矩器的研究领域中。工作轮是液力元件中传递和变换能量的主要零件，其制造质量直接影响液力元件的工作性能和可靠性。工作轮是叶轮，形状比较复杂，制造尺寸和粗糙度要求都比较高，因此制造难度较大。液力变矩器模具的参数化研究基于UG软件的用户图形交互语言GRIP之上，研究利用液力变矩器的结构几何参数进行其金属模具的计算机辅助设计，目的在于全面提高液力变矩器的制造水平，缩短研制周期，降低研制成本，加快产品的更新换代，提高液力变矩器的性能指标。由于液力变矩器的结构形式及应用场合不同，其叶轮的制造方法可分为两大类：（1）组装式，叶轮的内环、外环及叶片分别采用金属板冲压或铣制而成，然后用焊接、铆接的方法将三部分组成完整的叶轮。该方法具有单件成本低，加工精度高和流道的表面粗糙度低的优点，但工装成本高。（2）整体铸造式，叶轮的内环与外环直接由模具浇注成一体，一般是铸铝件，根据形成流道的型芯的制造方法不同分为整体型芯法及组合型芯法，适用于具有空间曲面形状且不等厚叶片的叶轮制造[2]。本文研究整体式铸造方法。液力变矩器的流道是由叶片的工作面和背面及工作轮的内环面和外环面围成的，在工作轮的铸造过程中，流道即为砂芯所占的空间，因此制芯模具应包含叶片及工作轮的内外环特征。制模时首先要制作出工作轮内环和外环的两个模具，然后利用模具铸造出叶片，在叶片上做上两个定位销。组装时先将叶片安装在外环上，再把内环的模具装上即可用来制芯。有了砂芯，再具备用于产生外部形状及厚度的外模体和内模体就可以铸造工作轮了。在整个制模过程中，型芯的制造是铸造过程中的关键技术，传统方法加工叶片型面多为钳工修锉。提供叶片表面数据是一项作图量和数据量都很大的繁杂工作，加工过程费时费力，受工人的经验影响很大，精度难以保证。计算机的应用极大地推动了液力变矩器设计与制造的发展。利用计算机设计出的叶片形状数据可以直接传递给数控机床进行模具加工，从而减少了工作量，保证了精度。文献[4]研究了利用计算机设计叶片模具的方法。该方法将叶片模具分为内环模块、外环模块、工作面模块和背面模块等四个模块，中间围成叶片空腔，外形为方形。模块之间用型面和销子定位，开设浇道口和冒口。这种方法铸造出来的叶片由于内、外环面和工作轮内、外环面单独制作，所以叶片在芯盒装配时的贴合性较差。本文研究利用工作轮内外环模具（即循环圆模具）来铸造叶片以保证叶片的贴合性。2几何模型液力变矩器铸造过程中，需要制作两个砂芯（如图1）。这两个砂芯按要求装配在外模体中，再辅以浇冒口系统，即可进行工作轮毛坯的浇注。砂芯1用以形成液力变矩器流道的形状，制作时需要外环模具、内环模具及叶片。砂芯2用以形成液力变矩器内表面形状，由内模体制作。作为液力变矩器铸造模具的重要组成部分，叶片的制作十分关键。叶片的铸造不同于以前，不再单独制作形成内、外环曲面部分的叶片模具，而是利用液力变矩器的内、外环模具浇注叶片（见图2）。这样制作出来的叶片可以很好的装配在内、外环模具上，并用它来制作砂芯1。图1和图2的虚框部分表明了叶片铸造和制作砂芯1时使用了相同的模具。模具的参数化设计就是在液力计算和结构设计得到的叶片、循环圆和工作轮零件图的基础之上，通过提取有关几何参数，迅速准确地制作出这些模具。液力变矩器结构复杂、形式差别大，如何提取出所需的参数，并使工作量达到最小的程度是研究的重点。在模具设计过程中，重要的参数将在各模块之间传递，使参数的输入工作减少。本文研究的液力变矩器为三工作轮带闭锁离合器的综合式向心涡轮式液力变矩器，循环圆简图见图3。2.1循环圆循环圆参数化的目的，是为了利用循环圆的尺寸得到循环圆模具的参数。图3所示循环圆左右对称，其中各工作轮的内、外环曲线分别由1～3段圆弧组成。利用循环圆简图可以提取出循环圆各段曲线的圆心坐标、半径及圆弧宽度等参数（宽度Ｗ的含义可见图3所示）。运行该软件进行设计时，按程序的提示输入各参数，各段圆弧长度均由相交或相切决定，不需计算并输入起始角度或弧长。如出现不相交或不相切的错误，可重新调整相应圆弧的参数（圆心位置或半径大小）。由于在以后的工作中会经常用到循环圆上各段圆弧的参数（如工作轮模具的设计、叶片模具的设计等等），所以各段曲线均由自己的子程序生成，便于调用，子程序返回各实体的参数。2.2工作轮模具图4所示为某液力变矩器泵轮铸造模具装配图。砂芯1与外模体8的装配靠尺寸Ａ、β、Ｅ定位，砂芯2与砂芯1的定位靠尺寸Ｂ、α、Ｅ。而对于非加工的内、外环曲面，其形状和位置精度将影响到液力变矩器的流道形状，因此在设计相应模具时要注意选择参数的准确性。叶片在外环模具中的定位方法将在下文讨论。程序设计首先确定工作轮的总体尺寸，询问工作轮最大直径Ｒ，工作轮宽度Ｂmax及最小的孔径Ｒmin。得到这些参数的目的是初步确定各模具的大小及模具之间用于定位的结构尺寸。在高度方向上的形状（如尺寸Ｅ）用参数Ｈｉ来确定，径向尺寸Ｒｉ用来表示，两种参数将确保模具的准确性。Ｈｉ、Ｒｉ由程序通过计算设计者输入的参数自动生成，所以对结构参数的修改将反映到模具上。程序还根据循环圆的大小，自动定义加工余量、拔模斜度及用于安放浇注系统的结构参数。所有参数一起完成工作轮模具的设计。砂芯1的制作见图5。内环模具靠外环模具的外环面定位，用螺栓拧紧在外环模具上，叶片装在外环模具的小孔上并用小孔定位，完成芯盒的组装。由图4～6可以看出，所有模块之间均需严格定位，为满足这一要求，在程序编制时采取了相应的措施。对于泵轮和涡轮，把坐标系建立在大端面上，按提示输入所需参数，生成内、外环曲线；在加工面上增加加工余量，以坐标原点为基点进行缩放；在拔模方向增加斜度；程序自动根据经验完成各模具封闭的半截面曲线（参见图7）的设计。加工余量的大小及拔模斜度为默认值，也可以根据设计者的经验进行设计。由于凝固收缩比较复杂，在进行计算机辅助设计时为简化问题，根据多年来的实践经验，铝合金取1%的收缩率。参数录入工作完成之后，各模具的实体模型将生成，然后可利用UG的Drafting功能完成铸造模具的二维图纸制作并输出或保存结果。2.3叶片模具制作叶片，利用工作轮内、外环模具只要设计出工作面模具和背面模具即可。这两个模具用定位销定位在外环模具上，两块模具分别具有叶片背面、工作面的特征和循环圆内、外环特征，沿叶片入、出口曲线的一定角度产生分型面。叶片设计时，先根据叶片数量、外形尺寸等参数，利用工作轮内、外环模具组合的截面曲线生成一段回转体，用来制作工作面、背面模具。由于叶片的形状复杂，在设计叶片时经常给出内环流线、外环流线和中间流线上的若干点的数据。根据这些数据可以得到相应的流线（用Ｂ样条曲线表示），再生成叶片曲面。将已设计好的叶片曲线、曲面参数，拾取给相应的变量。将曲面缝合成一个实体，利用回转体剪切叶片实体生成两个模具。在叶片实体的制作过程中，要考虑缩放。叶片在外环模具上靠两个小销子定位，外环模具上应根据叶片数量、厚度、弯曲程度等参数生成销孔，定位销孔的轴线方向要沿着将来的拔模方向开设。在具体操作时，选择好视图，生成一系列类似经线和纬线的曲线族，选择满意的交点作为销孔圆心，根据经验销孔直径在φ3～φ５ｍｍ之间。而在浇注叶片时，叶片的工作面和背面两个模具将利用销孔定位。叶片定位销孔的开设参考图9。在两个模具上开设浇道口和冒口，完成模具的设计。用这种方法设计的叶片模具只要加工工作面、背面两块模具，而利用已有的内、外环模具来完成叶片模具的铸造。在外环模具上可以在叶片定位孔附近打上编号，这样浇注出来的叶片可以根据编号装配在外环模具上，使装配精度得到保证，实践证明应用此方法铸造出来的叶片具有良好的贴合性。3示例在实际应用过程中，如何从图纸中提取出正确的参数是十分重要的一项工作，参数提取应符合要求，所以在程序中每个参数都有其特定的含义及提取的方法，表1为某液力变矩器的循环圆参数。图10～13系某型液力变矩器铸造模具的计算机辅助设计结果。４结论液力变矩器模具的参数化设计，应用功能强大的ＵＧ软件。工作轮模具设计流程见图14，利用液力变矩器的结构参数进行其金属模具的计算机辅助设计，提高了液力变矩器的制造水平，缩短了研制周期，取得了较好的效果。叶片模具设计的新思路保证了其较好的贴合性。同时，参数化的应用也便于修改设计并实现产品的系列化。