對(duì)壓鑄模具設(shè)計(jì)與壓鑄工藝的分析了解

壓鑄模具是壓鑄生產(chǎn)中重要的工藝設(shè)備。金屬液在壓鑄模具中冷卻凝固，最終形成壓鑄件。壓鑄件的形狀、尺寸、質(zhì)量，以及壓鑄生產(chǎn)的順暢性都與壓鑄模具密切相關(guān)，因此，正確合理地設(shè)計(jì)壓鑄模具至關(guān)重要。

一、壓鑄模具基本結(jié)構(gòu)

常用的壓鑄模具有兩個(gè)半模組成，分別稱為定模和動(dòng)模。也有更復(fù)雜的壓鑄模具，不止兩個(gè)半模。壓鑄模具的組成部分如圖1所示。

壓鑄模具組成部分的作用如下：

（1） 直澆道 聯(lián)通壓室或至橫澆道，包括澆口套和分流錐等。

（2） 澆注系統(tǒng) 合金液進(jìn)入型腔的通道，包括內(nèi)澆道、橫澆道及直澆道等。

（3） 型腔 在鑲塊上形成，形成壓鑄件的幾何形狀。

（4） 抽芯機(jī)構(gòu) 完成活動(dòng)型芯的抽出及插入動(dòng)作，包括滑道、滑

塊、油缸、斜杠等。

（5） 排溢系統(tǒng) 排出氣體及存儲(chǔ)冷金屬殘?jiān)取?/p>

（6） 溫度控制系統(tǒng) 控制壓鑄模具的溫度，包括冷卻水管和加熱油管等。

（7） 頂出機(jī)構(gòu) 將壓鑄件從型腔中頂出，包括頂桿等。

（8） 動(dòng)模框 連接及固定動(dòng)模部件，包括套板、支撐板等。

二、壓鑄模具的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)壓鑄模具要注意以下幾個(gè)要點(diǎn)：

（1）要盡可能地采用先進(jìn)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，保證動(dòng)作穩(wěn)定可靠及日常維護(hù)、維修。

（2）要考慮澆注系統(tǒng)的可修改性，在調(diào)試過(guò)程中可以進(jìn)行必要的修改。

（3）合理選用各種公差、縮尺及加工余量，保證可靠的模件配合及要求的壓鑄件精度。

（4）選用合適的模具材料和可靠的熱處理工藝，確保壓鑄模具的使用壽命。

（5）應(yīng)具有足夠的剛度及強(qiáng)度，能夠承受鎖模壓力和漲型力，壓鑄生產(chǎn)過(guò)程中不產(chǎn)生變形。

（6）盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)化的壓鑄模具零件，改善經(jīng)濟(jì)性及互換性。

在設(shè)計(jì)模具的時(shí)候，還要根據(jù)鑄件的投影面積計(jì)算出壓鑄生產(chǎn)時(shí)的總投影面積、壓射比壓，來(lái)選擇合適噸位的壓鑄機(jī)，公式如下：

F漲型力=100 P壓射比壓×S投影面積

F鎖模力=F漲型力/K系數(shù)

式中，K系數(shù)一般選取0.85。

壓鑄機(jī)選好以后，根據(jù)壓鑄機(jī)的動(dòng)、靜行板及壓射偏心位置等尺寸，設(shè)計(jì)模具的大小、中心位置、復(fù)位拉桿孔位等與壓鑄機(jī)相連接部分的尺寸。

隨著我國(guó)汽車制造業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的汽車零部件采用了鋁合金材質(zhì)，例如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體、缸蓋、油底殼以及各類連接支架等。隨著壓鑄技術(shù)的日益成熟，各汽車廠商對(duì)壓鑄件的內(nèi)部質(zhì)量要求越來(lái)越高，尤其以德國(guó)大眾的要求最為嚴(yán)格，每一種車型的發(fā)動(dòng)機(jī)壓鑄件產(chǎn)品都有一套相應(yīng)的技術(shù)要求，產(chǎn)品孔隙度的要求是每一種零部件所必須的要求。

一些零部件結(jié)構(gòu)上非常復(fù)雜，需要在模具上做一些相應(yīng)的結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)批量壓鑄生產(chǎn)，例如零部件上有多種角度的螺紋孔，要保證加工后的產(chǎn)品質(zhì)量，必須在模具的相應(yīng)位置制作型芯，如圖2所示。

圖2中，A為定位孔，B是3個(gè)M8的螺紋孔，與定位孔呈10°角，其中右側(cè)的兩個(gè)螺紋孔是通孔;C是兩個(gè)螺栓過(guò)孔，與定位孔呈5°角;D孔是與定位孔呈34°的螺紋孔，長(zhǎng)度是38mm。

抽芯機(jī)構(gòu)按驅(qū)動(dòng)方式可分為機(jī)械式和液壓式兩種。機(jī)械式抽芯主要通過(guò)開(kāi)合模過(guò)程中斜銷、彎銷、齒輪、齒條等實(shí)現(xiàn)抽芯與復(fù)位。液壓抽芯機(jī)構(gòu)的工作原理比較簡(jiǎn)單，直接利用液壓缸進(jìn)行抽芯及復(fù)位動(dòng)作。液壓抽芯機(jī)構(gòu)可以根據(jù)抽芯力的大小及抽芯距離的長(zhǎng)短選擇液壓缸的尺寸。圖2產(chǎn)品在模具設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮C、D三個(gè)孔要鑄出來(lái)，可以分別用液壓抽芯機(jī)構(gòu)采取有角度的滑道的方式在生產(chǎn)中來(lái)實(shí)現(xiàn)孔的成形。圖3是D孔的滑道機(jī)構(gòu)示意，用這種辦法可以將液壓缸設(shè)計(jì)在模具外面，這樣設(shè)計(jì)的好處是模具可以變薄，連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中便于維護(hù)。

在連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，模具的抽芯孔會(huì)因?yàn)槎啻蔚某椴寤瑒?dòng)造成抽芯孔變形，在模具壽命的中后期，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)抽芯研死的現(xiàn)象，為了解決這一問(wèn)題，可以在抽芯孔的部位增加一個(gè)鑲套，如果出現(xiàn)抽芯孔變形的情況，就可以更換鑲套來(lái)解決（見(jiàn)圖4）。這種辦法也可以應(yīng)用在模具的頂桿處，只要能加鑲套的，就都可以做這個(gè)結(jié)構(gòu)。

由于一些零部件圖樣的要求，鑄件上一些區(qū)域需要放置規(guī)定大小的異形頂桿。圓圈內(nèi)的4個(gè)頂桿成形部分（見(jiàn)圖5）是階梯形式的，直徑為8mm。由于鑄件動(dòng)模型腔比較深，所以產(chǎn)生的抱緊力就很大，頂桿頂出鑄件時(shí)所需要的力就大，頂桿在壓鑄生產(chǎn)過(guò)程中容易折斷。由于鑄件成形部分頂桿的直徑由產(chǎn)品圖樣確定，可以根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)階梯粗細(xì)的頂桿，以保證頂桿的壽命。

由于有了C、D兩個(gè)角度的油缸在模具上，B所示的3個(gè)M8的螺紋孔就沒(méi)有位置再采用油缸的方式來(lái)做預(yù)鑄孔了，兩個(gè)M8螺紋通孔是18mm深，想保證內(nèi)部質(zhì)量必須做出預(yù)鑄孔，我們采取了做對(duì)接異形型芯的方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)接的形式如圖6所示。

型芯不是正常對(duì)接的，錯(cuò)開(kāi)了一定的距離，在兩型芯對(duì)接的部分是正常的出模斜度（一般設(shè)計(jì)在1°～1.5°之間，兩個(gè)型芯的外側(cè)的出模斜度就是正常的出模斜度外加與定位孔所呈的角度。

由于某些復(fù)雜的產(chǎn)品厚大區(qū)域通過(guò)壓鑄工藝參數(shù)是無(wú)法保證內(nèi)部質(zhì)量，所以在設(shè)計(jì)模具時(shí)要考慮增加局部擠壓機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)的原理是在壓射完成的最短時(shí)間內(nèi)，將抽芯插入，使得這一區(qū)域壓實(shí)，減少氣孔。擠壓機(jī)構(gòu)抽芯的成形部分是沒(méi)有出模斜度的，所以只適合短程的結(jié)構(gòu)。

三、壓鑄工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模具大框設(shè)計(jì)好后，就進(jìn)入了澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，早先都是看二維或三維圖樣根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)做這一部分的。在生產(chǎn)過(guò)程中根據(jù)產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量來(lái)調(diào)整內(nèi)澆道的位置和方向。近十幾年來(lái)，隨著鑄造充型凝固過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展以及鑄造行業(yè)的市場(chǎng)需求，鑄造過(guò)程模擬商品化軟件不斷出現(xiàn)。很多主機(jī)廠也要求在設(shè)計(jì)模具前看到壓鑄模擬過(guò)程，因此很多模具廠家都使用了MAGMAsoft或ANYCASTING這兩種模擬軟件，在設(shè)計(jì)之初將設(shè)計(jì)好的三維導(dǎo)入到這個(gè)程序里面，設(shè)定壓鑄工藝參數(shù)后，模擬軟件經(jīng)過(guò)一定的運(yùn)算來(lái)得出接近實(shí)際生產(chǎn)效果的模擬動(dòng)畫如圖7～圖10所示。

壓鑄工藝要求模擬達(dá)到的效果如下：

（1） 合金液應(yīng)或多或少地同時(shí)到達(dá)內(nèi)澆道處。

（2） 在填充過(guò)程中合金液應(yīng)平穩(wěn)填充。

（3） 填充過(guò)程中不能出現(xiàn)卷氣或紊流的效果。

（4） 填充完成前，合金液不能將集渣包過(guò)道封死。

（5） 從填充過(guò)程中所產(chǎn)生的冷金屬不能存在鑄件內(nèi)，應(yīng)全部被驅(qū)趕到集渣包里。

根據(jù)填充模擬和粒子追蹤模擬，以及壓鑄工藝的要求，模具的澆道和集渣包的位置和大小都要做到相應(yīng)的優(yōu)化;根據(jù)凝固模擬和鑄件的壁厚，模具內(nèi)冷卻水和加熱油管，以及點(diǎn)冷卻的的位置能夠確定;根據(jù)模具沖蝕模擬可以確定模具的哪些地方需要重點(diǎn)噴涂。通過(guò)模擬分析，在設(shè)計(jì)時(shí)就解決了澆口和集渣包手動(dòng)優(yōu)化的過(guò)程，這樣就節(jié)省了模具制造時(shí)憑經(jīng)驗(yàn)所產(chǎn)生偏差造成的模具修改過(guò)程。

為了使鑄件的質(zhì)量得到進(jìn)一步的提高，一些公司利用抽真空技術(shù)使廢品率下降，創(chuàng)造更高的價(jià)值。日本的抽真空技術(shù)非常成熟，我國(guó)也借鑒了一些他們的經(jīng)驗(yàn)。抽真空技術(shù)要求模具排氣道的面積是沖頭面積的1:100。在快壓射開(kāi)始前的0.4s啟動(dòng)真空泵，抽真空在設(shè)計(jì)模具時(shí)可以根據(jù)產(chǎn)品的復(fù)雜程度和模具的大小，來(lái)確定使用真空排氣波板或真空閥的數(shù)量。圖11是模具上抽真空的結(jié)構(gòu)。

如果抽真空技術(shù)應(yīng)用較好的情況下，鑄件的廢品率至少要降到原有廢品率的20%以下。但由于抽真空設(shè)備價(jià)格很高，一些壓鑄廠只是將其用在廢品率較高的產(chǎn)品模具上。