壓鑄模具的設計與壓鑄工藝概述
/ 2021/6/5 16:41:23
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壓鑄
模具是壓鑄生產(chǎn)中重要的工藝設備。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，正確合理地設計壓鑄模具至關(guān)重要。
一、壓鑄模具基本結構
常用的壓鑄模具有兩個(gè)半模組成，分別稱(chēng)為定模和動(dòng)模。也有更復雜的壓鑄模具，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 合金液進(jìn)入型腔的通道，包括內澆道、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） 抽芯機構 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 排出氣體及存儲冷金屬殘渣等。
（6） 溫度控制系統 控制壓鑄模具的溫度，包括冷卻水管和加熱油管等。
（7） 頂出機構 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、壓鑄模具的設計
設計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)單的結構，保證動(dòng)作穩定可靠及日常維護、維修。
（2）要考慮澆注系統的可修改性，在調試過(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）應具有足夠的剛度及強度，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）盡可能使用標準化的壓鑄模具零件，改善經(jīng)濟性及互換性。
在設計模具的時(shí)候，還要根據鑄件的投影面積計算出壓鑄生產(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，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
式中，K系數一般選取0.85。
壓鑄機選好以后，根據壓鑄機的動(dòng)、靜行板及壓射偏心位置等尺寸，設計模具的大小、中心位置、復位拉桿孔位等與壓鑄機相連接部分的尺寸。
隨著(zhù)我國汽車(chē)制造業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的汽車(chē)零部件采用了鋁合金材質(zhì)，例如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的缸體、缸蓋、油底殼以及各類(lèi)連接支架等。隨著(zhù)壓鑄技術(shù)的日益成熟，各汽車(chē)廠(chǎng)商對壓鑄件的內部質(zhì)量要求越來(lái)越高，尤其以德國大眾的要求最為嚴格，每一種車(chē)型的發(fā)動(dòng)機壓鑄件產(chǎn)品都有一套相應的技術(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。
一些零部件結構上非常復雜，需要在模具上做一些相應的結構才能實(shí)現批量壓鑄生產(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(cháng)度是38mm。
抽芯機構按驅動(dòng)方式可分為機械式和液壓式兩種。機械式抽芯主要通過(guò)開(kāi)合模過(guò)程中斜銷(xiāo)、彎銷(xiāo)、齒輪、齒條等實(shí)現抽芯與復位。液壓抽芯機構的工作原理比較簡(jiǎn)單，直接利用液壓缸進(jìn)行抽芯及復位動(dòng)作。液壓抽芯機構可以根據抽芯力的大小及抽芯距離的長(cháng)短選擇液壓缸的尺寸。圖2產(chǎn)品在模具設計時(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構采取有角度的滑道的方式在生產(chǎn)中來(lái)實(shí)現孔的成形。圖3是D孔的滑道機構示意，用這種辦法可以將液壓缸設計在模具外面，這樣設計的好處是模具可以變薄，連續生產(chǎn)過(guò)程中便于維護。
在連續生產(chǎn)過(guò)程中，模具的抽芯孔會(huì )因為多次的抽插滑動(dòng)造成抽芯孔變形，在模具壽命的中后期，會(huì )經(jīng)常出現抽芯研死的現象，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）。這種辦法也可以應用在模具的頂桿處，只要能加鑲套的，就都可以做這個(gè)結構。
由于一些零部件圖樣的要求，鑄件上一些區域需要放置規定大小的異形頂桿。圓圈內的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，可以根據產(chǎn)品的特點(diǎn)，設計階梯粗細的頂桿，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)做預鑄孔了，兩個(gè)M8螺紋通孔是18mm深，想保證內部質(zhì)量必須做出預鑄孔，我們采取了做對接異形型芯的方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，對接的形式如圖6所示。
型芯不是正常對接的，錯開(kāi)了一定的距離，在兩型芯對接的部分是正常的出模斜度（一般設計在1°～1.5°之間，兩個(gè)型芯的外側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。
由于某些復雜的產(chǎn)品厚大區域通過(guò)壓鑄工藝參數是無(wú)法保證內部質(zhì)量，所以在設計模具時(shí)要考慮增加局部擠壓機構，這種機構的原理是在壓射完成的最短時(shí)間內，將抽芯插入，使得這一區域壓實(shí)，減少氣孔。擠壓機構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構。
三、壓鑄工藝系統設計
模具大框設計好后，就進(jìn)入了澆注系統的設計，早先都是看二維或三維圖樣根據實(shí)踐經(jīng)驗來(lái)做這一部分的。在生產(chǎn)過(guò)程中根據產(chǎn)品的內部質(zhì)量來(lái)調整內澆道的位置和方向。近十幾年來(lái)，隨著(zhù)鑄造充型凝固過(guò)程數值模擬技術(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。很多主機廠(chǎng)也要求在設計模具前看到壓鑄模擬過(guò)程，因此很多模具廠(chǎng)家都使用了MAGMAsoft或ANYCASTING這兩種模擬軟件，在設計之初將設計好的三維導入到這個(gè)程序里面，設定壓鑄工藝參數后，模擬軟件經(jīng)過(guò)一定的運算來(lái)得出接近實(shí)際生產(chǎn)效果的模擬動(dòng)畫(huà)如圖7～圖10所示。
（a） （b）
圖9 凝固模擬
壓鑄工藝要求模擬達到的效果如下：
（1） 合金液應或多或少地同時(shí)到達內澆道處。
（2） 在填充過(guò)程中合金液應平穩填充。
（3） 填充過(guò)程中不能出現卷氣或紊流的效果。
（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，應全部被驅趕到集渣包里。
根據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的優(yōu)化；根據凝固模擬和鑄件的壁厚，模具內冷卻水和加熱油管，以及點(diǎn)冷卻的的位置能夠確定；根據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，在設計時(shí)就解決了澆口和集渣包手動(dòng)優(yōu)化的過(guò)程，這樣就節省了模具制造時(shí)憑經(jīng)驗所產(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，我國也借鑒了一些他們的經(jīng)驗。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，抽真空在設計模具時(shí)可以根據產(chǎn)品的復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量。圖11是模具上抽真空的結構。
如果抽真空技術(shù)應用較好的情況下，鑄件的廢品率至少要降到原有廢品率的20%以下。但由于抽真空設備價(jià)格很高，一些壓鑄廠(chǎng)只是將其用在廢品率較高的產(chǎn)品模具上。
