任現(xiàn)偉

(洛陽古城機(jī)械有限公司,河南洛陽 471023)

在鑄造工藝設(shè)計(jì)工程師和廣大模具從業(yè)者的共同不懈努力下，經(jīng)過多年的不斷發(fā)展，鑄造模具的質(zhì)量已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但是其總體的自主創(chuàng)新能力依然不足，缺乏核心競(jìng)爭(zhēng)力。歸納認(rèn)為，模具制造企業(yè)的設(shè)計(jì)人員大多沒有鑄造專業(yè)知識(shí)或鑄造從業(yè)經(jīng)歷，對(duì)鑄造工藝的設(shè)計(jì)能力不足，設(shè)計(jì)出的模具很多都不符合鑄造的實(shí)際生產(chǎn)需求，鑄造企業(yè)收到模具后往往還需要進(jìn)行大量的改進(jìn)。因此，鑄造企業(yè)如何培養(yǎng)自己的模具設(shè)計(jì)人員和提高模具設(shè)計(jì)水平，或者如何讓鑄造工藝設(shè)計(jì)工程師與模具設(shè)計(jì)工作者結(jié)合的更加緊密是保證模具質(zhì)量的前提，也是我們鑄造企業(yè)必須要高度重視的細(xì)節(jié)。

1 鑄造企業(yè)要培養(yǎng)自己的模具設(shè)計(jì)工程師

當(dāng)前，還有一些鑄造企業(yè)將所需的模具完全委托給了模具供應(yīng)商進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，這樣做的好處是鑄造企業(yè)可以不用為模具的設(shè)計(jì)和制造投入過多的精力，但是這樣卻可能給鑄造生產(chǎn)帶來很多的隱患和損失。如果模具供應(yīng)商設(shè)計(jì)的模具不適應(yīng)所生產(chǎn)鑄件的工藝要求，鑄造企業(yè)還要對(duì)其進(jìn)行很多的修改和優(yōu)化，但是像縮尺、分型面、模板布局和澆注系統(tǒng)等基本的細(xì)節(jié)一旦被確定后，就很難進(jìn)行全面的修改，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致模具不能使用甚至報(bào)廢?；谝陨显颍T造企業(yè)必須要培養(yǎng)自己的模具設(shè)計(jì)工程師，模具設(shè)計(jì)工程師可以由鑄造工藝技術(shù)人員兼任，這樣的好處是使設(shè)計(jì)出的模具更貼近鑄造生產(chǎn)實(shí)際，減少或避免模具的后期更改，為鑄造新產(chǎn)品的開發(fā)提供更合理的模具工藝，從而保證新產(chǎn)品開發(fā)的成功率。由于模具制造需要投入很多精良的機(jī)械加工設(shè)備，還需要很多的模具從業(yè)人員。所以作為鑄造企業(yè)，我們可以沒有自己的模具制造能力，但是為了保證模具工藝的可行性和新產(chǎn)品開發(fā)的成功率，我們一定要有自己的鑄造工藝設(shè)計(jì)人員和模具設(shè)計(jì)人員。

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

鑄造工藝設(shè)計(jì)是模具設(shè)計(jì)中的核心任務(wù)。不管模具的材料、表面質(zhì)量和幾何尺寸如何精良，如果沒有適合該鑄件的鑄造成形工藝，最終也是不能滿足鑄件質(zhì)量和批量生產(chǎn)要求的。因此，在模具制造前，我們必須對(duì)鑄造工藝的重要性給予充足的認(rèn)識(shí)，以避免所設(shè)計(jì)和制造出來的模具不能投入鑄造生產(chǎn)，甚至報(bào)廢。對(duì)于鑄造工藝設(shè)計(jì)，我們應(yīng)從以下幾個(gè)方面盡量給予更多研究和關(guān)注[1，2]。

2.1 繪圖軟件

目前，在鑄造工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)過程中使用最為廣泛的軟件有UG、Solidworks、PRO/E、CIMATRON 和CATIA 等。對(duì)于砂型鑄造來說，只要方法正確，不管使用哪一款軟件都能設(shè)計(jì)出較為合理的工藝。因此，在進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)之前應(yīng)充分掌握至少一種軟件的運(yùn)用方法。

2.2 分型面的選擇

在砂型鑄造中分型面是為了造型的需要而設(shè)置的鑄型若干部分的接觸面。由于砂型鑄造所生產(chǎn)的鑄件大多形狀復(fù)雜，不管是水平分型面還是垂直分型面，一個(gè)平面往往不能做到完全將其所有形狀分開。因此，砂型鑄造的分型面一般都是曲面分型。這就要求所選擇的分型面既能保證鑄件質(zhì)量，又便于造型工藝操作。對(duì)于使用自動(dòng)造型機(jī)的砂型鑄造過程來說，分型面的選擇通常應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面:

（1）盡可能將鑄件的大部分或全部置于同一模型中，以避免合型不良產(chǎn)生過多的錯(cuò)箱和較大的披縫與毛刺。

（2）應(yīng)盡量選擇平面作為主分型面。在滿足鑄造需要的前提下，分型面的數(shù)量應(yīng)盡量少。

（3）選擇的分型面應(yīng)便于脫模、下芯、合箱等操作，使砂芯和冷鐵能夠放置穩(wěn)固，便于檢查砂型強(qiáng)度和型腔狀況。

（4）分型面的選擇一般要避開鑄件功能面，盡量減少砂芯和冷鐵的使用數(shù)量。

（5）選擇的分型面應(yīng)利于充型過程中型腔內(nèi)氣體的順暢排出。

（6）選擇的分型面應(yīng)不加大冒口頸殘余和內(nèi)澆口殘余的打磨量。

（7）選擇的分型面應(yīng)不影響后序機(jī)械加工和裝配，盡量不影響鑄件外觀。

2.3 縮尺的確定

金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭覝叵碌墓虘B(tài)，都要經(jīng)歷由液態(tài)到固態(tài)的液態(tài)收縮和從固態(tài)冷卻到室溫前的凝固收縮，通常情況下在冷卻到室溫前，鑄件尺寸都會(huì)隨著溫度的降低而不斷的縮小，這就是我們通常所說的“熱脹冷縮”現(xiàn)象。為了避免最終鑄件的尺寸不小于圖紙的要求，一般情況下，在設(shè)計(jì)模具的時(shí)候都會(huì)在原有鑄件尺寸的基礎(chǔ)上加上一定比例的縮尺。對(duì)于砂型鑄造來說，縮尺的選擇主要受到造型設(shè)備、合金類型、鑄件形狀和型砂質(zhì)量等因素的影響。對(duì)于球墨鑄鐵來說還應(yīng)考慮到石墨化膨脹導(dǎo)致的鑄型漲大所抵消的縮尺比例。因此，球墨鑄鐵的縮尺一般在0.3%～0.7%，灰鐵和蠕墨鑄鐵的縮尺一般在0.4%～0.9%。對(duì)于鑄鋁、鑄銅等有色合金的縮尺一般都設(shè)計(jì)為1%左右。

2.4 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

不論是開放式、封閉式，或者是半開放式澆注系統(tǒng)，各有各的優(yōu)點(diǎn)，沒有哪一種澆注系統(tǒng)是最好的，只有相對(duì)更為適合所生產(chǎn)鑄件類型的澆注系統(tǒng)。設(shè)計(jì)良好的澆注系統(tǒng)的目的是在澆注過程中形成平穩(wěn)的充型模式、減少或避免氣體與夾雜物的卷入、減少熱量及動(dòng)能耗損、最終目的是能夠生產(chǎn)出滿足質(zhì)量需求的合格鑄件。在澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮以下因素的影響。

（1）盡量使金屬液從內(nèi)澆口到達(dá)各個(gè)型腔部位的距離相近，使整個(gè)型腔所需的金屬液充型流程最短。

（2）應(yīng)使金屬液在澆注系統(tǒng)中平穩(wěn)地充型，避免在型腔中產(chǎn)生大量的紊流，從而有效減少卷氣和充砂現(xiàn)象。

（3）應(yīng)盡量減少澆注系統(tǒng)轉(zhuǎn)彎的次數(shù)，避免金屬液過度氧化、壓力損失過大和過多的金屬液消耗。

（4）冒口應(yīng)盡量設(shè)于鑄件較厚部位，避免補(bǔ)縮通道過早凝固；但也不能設(shè)置在鑄件特別厚大的部位，避免造成鑄鐵件局部石墨粗大和縮孔缺陷的產(chǎn)生。

（5）不能將內(nèi)澆口設(shè)于有阻擋金屬液流動(dòng)的型腔部位，也不能使金屬液直沖型壁和砂芯，否則金屬液易將型壁或砂芯沖蝕、沖垮或者沖離原位。內(nèi)澆口也不宜設(shè)在表面粗燥度要求高且不進(jìn)行機(jī)械加工的鑄件表面。盡量使用單個(gè)內(nèi)澆口，如需多個(gè)內(nèi)澆口時(shí)，應(yīng)防止進(jìn)入型腔后的金屬液相互沖擊造成渦流、大量氧化和卷氣等現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，還要避免在內(nèi)澆口部位形成熱節(jié)、導(dǎo)致縮松等缺陷的產(chǎn)生。

（6）應(yīng)使冷鐵位于鑄件最需要激冷的部位，不能將冷鐵設(shè)置于冒口、內(nèi)澆口和澆道附近。在砂型鑄造工藝中，使用冷鐵還應(yīng)避免鑄件被過度激冷產(chǎn)生的滲碳體、表面塌陷或褶皺等缺陷，有條件的情況下應(yīng)將冷鐵在制芯過程中同砂芯一起做成冷鐵芯，或者在冷鐵表面刷涂隔離涂料。

（7）盡量設(shè)計(jì)為順序充型模式，避免在充型過程中金屬液過早堵塞排氣口，通常在分型面上要設(shè)置有足夠數(shù)量和足夠面積的排氣通道，使型腔中的氣體能夠順暢排出。

（8）所有澆注系統(tǒng)的目的都是為了鑄件充型、補(bǔ)縮和排氣等需要而設(shè)置的。在清理的時(shí)候都是要從鑄件上去掉并最終成為回爐料。因此，所設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)尺寸必須盡量小，以提高金屬利用率，同時(shí)也便于從鑄件上被輕松地去除。

在實(shí)際對(duì)模具上的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，還有很多沒有提及的方面需要根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)而設(shè)定。另外，以上所述細(xì)節(jié)不可能都同時(shí)兼顧，要依據(jù)金屬液和鑄件的特點(diǎn)、以及客戶標(biāo)準(zhǔn)等要求經(jīng)過充分評(píng)審、模擬和論證后確定取舍，要避免生搬硬套，弄巧成拙。

3 鑄造工藝模擬分析

有條件的情況下，應(yīng)采用華鑄CAE、Magma、Flow 3D 或ProCAST 等鑄造模擬分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)好的澆注系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過分析可以很清楚的確定充型和凝固過程中的實(shí)際狀況以及鑄造缺陷產(chǎn)生的位置和大小，據(jù)此可以多次調(diào)整澆注系統(tǒng)的形狀和尺寸，進(jìn)行多次的模擬分析，最終在模具制造前確定最為適宜的澆注系統(tǒng)[3]，從而最大限度的避免晚期更改帶來的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間上的損失。

4 模具材料的設(shè)計(jì)

模具材料的設(shè)計(jì)和選取是模具設(shè)計(jì)工作者必須要精心琢磨的事情，要使材料能滿足所設(shè)計(jì)模具的強(qiáng)度、塑性、硬度、耐磨性、抗沖擊韌性和抗疲勞強(qiáng)度等方面的要求。

4.1 模具模板

模板是支撐模芯，與造型設(shè)備相連的框架結(jié)構(gòu)，以往很多鑄造企業(yè)為了省事和模具制作的方便，會(huì)采用鑄造毛坯的方法將模具的模板和模芯做成一體的鑄鐵材料。由于模板和模芯對(duì)于砂芯鑄造模具來說他們的作用和所承受的壓力有著很多的不同。所以，為了充分發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢(shì)和模具不同部位的需求，目前大部分鑄造企業(yè)已經(jīng)將模具的模板和模芯分別選材、加工。

由于模板在模具上的主要功能是為了實(shí)現(xiàn)模芯與造型機(jī)的連接、兼顧分型和造型的需求。在砂型鑄造的造型過程中，模板通常和模芯需要一起被加熱至30～70℃。因此，模板材料必須在此溫度范圍內(nèi)具有足夠的強(qiáng)度和硬度。通常情況下，使用鑄鐵材料作為模板，可以滿足造型過程中對(duì)其力學(xué)性能和硬度的要求。

4.2 模芯

模芯是模具的核心，是形成鑄件的關(guān)鍵部位。因此對(duì)于模芯的材料，一定要選用強(qiáng)度和硬度高，塑性和耐磨性優(yōu)良，耐沖擊韌性和耐疲勞強(qiáng)度高的材料作為模芯材料。一般情況下應(yīng)根據(jù)模具的類別和所生產(chǎn)鑄件的基本要求，選用與之相適應(yīng)的不同型號(hào)的模具鋼作為模芯材料。另外，要采用鑲嵌的方法將粗加工后的模芯鑲嵌入模板后，再進(jìn)行后續(xù)的精加工，以避免多次裝配造成模芯與模板的定位不精確等情況發(fā)生，確保加工后的模具精度。

4.3 澆注系統(tǒng)

模具上澆注系統(tǒng)的主要功能是在澆注過程中為金屬液進(jìn)入鑄件型腔提供充型通道。在砂型鑄造的造型過程中，澆注系統(tǒng)和模芯同樣都要長期地經(jīng)受來時(shí)型砂和氣流的沖擊與摩擦。設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮到模具整體重量的輕量化。因此，一般選用耐磨的高合金鑄鋁或具有高硬度與高耐熱性的表面鍍鉻材料作為澆注系統(tǒng)[4]。

4.4 芯盒

芯盒一般采用牌號(hào)較高的鑄鐵材料經(jīng)機(jī)械加工制造而成。對(duì)于熱芯盒使用鑄鐵作為基體材料時(shí)，芯盒在制芯過程中一般要求加熱至210～300℃，要充分考慮鑄鐵在長期熱環(huán)境下使用的材料脫碳問題。因此，對(duì)于熱芯盒應(yīng)使用低碳當(dāng)量的鑄鐵材料，以延長熱芯盒的使用壽命；另外，芯盒的射砂嘴，在制芯過程中要長期與伴有高氣流的硅砂接觸，射砂嘴必須具有足夠的耐磨性。因此，射砂嘴必須經(jīng)過淬火處理，硬度應(yīng)達(dá)到40～48HRC，然后采用鑲嵌的方法將射砂嘴鑲?cè)胄竞兄小?/p>

4.5 頂芯桿

頂芯桿是安裝在芯盒中，用于頂出砂芯的桿狀頂芯裝置，它的作用主要是便于在芯盒開模后從中取出砂芯。在保證具有一定強(qiáng)度的前提下，主要考慮的是頂芯桿的頂部要具有良好的耐磨性。通?？刹捎肁3 鋼材料加工，要求稍高的可用45#鋼，經(jīng)過熱處理后得到硬度為40～48HRC 的耐磨硬度。

4.6 下芯框

下芯框是安裝在造型機(jī)上的下芯裝置，其目的是將造型前制備好的砂芯、冷鐵或過濾網(wǎng)等精確的下入型腔的相應(yīng)位置中。下芯框在造型過程中需要不斷地重復(fù)夾持砂芯等物體到型腔內(nèi)的動(dòng)作。對(duì)于下芯框的材料要求，一般以輕量化和耐磨性為前提。因此，一般會(huì)選用鑄鋁或樹脂材料作為下芯框的框架，使用耐磨鋼片作為砂芯、冷鐵或過濾網(wǎng)等的夾持面和接觸點(diǎn)，以減少長期使用過程中摩擦帶來的局部磨損。

4.7 定位銷與定位銷套

定位銷與定位銷套在模具中應(yīng)用非常廣泛，是參與限制相互配合的模板、芯盒、下芯框等模塊的精確定位。在鑄造生產(chǎn)中，我們要借助定位銷和定位銷套的相互配合來實(shí)現(xiàn)定位、防止安裝位置和方向等的錯(cuò)誤。由于定位銷與定位銷套的配合精度直接決定著所生產(chǎn)鑄件的尺寸精度。因此，在模具上對(duì)它們的精度要求都特別高。基于定位銷和定位銷套的功能與目的，所以要求它們的材料必須能夠經(jīng)得起頻繁相互配合過程中的沖擊和摩擦。可將45#鋼調(diào)質(zhì)處理+半精加工+高頻表面淬火+低溫回火處理，得到硬度為55～58HRC 的耐磨材料；也可將GCr15 鋼進(jìn)行鹽浴分級(jí)淬火+低溫回火處理，處理后的硬度可高達(dá)58～62HRC。

模具設(shè)計(jì)完成和材料準(zhǔn)備完畢后就可以投入到實(shí)質(zhì)性的模具加工過程了。但是，在進(jìn)行機(jī)械加工前還應(yīng)確保所設(shè)計(jì)模具的制造可行性。特別是對(duì)于模具上的細(xì)小刻字一定要注意現(xiàn)有刀具是否能滿足加工的需要，如果不能滿足應(yīng)考慮電火花加工；對(duì)于凹入特別深的模具部位還應(yīng)考慮刀具的刀柄是否足夠長，如果不夠長還要采用分層加工的方法將凹深部位加工好之后，然后再裝配到模具相應(yīng)的位置上。

5 結(jié)束語

鑄造模具的工藝和材料設(shè)計(jì)關(guān)系到模具加工的難易程度、模具制造的成本和模具的使用壽命，關(guān)系到鑄件生產(chǎn)的可行性和可靠性。因此，作為鑄造企業(yè)要想提升模具的整體質(zhì)量，就應(yīng)該從模具的設(shè)計(jì)，特別是模具上的鑄造工藝設(shè)計(jì)著手加大設(shè)計(jì)和研發(fā)的投入，盡量避免因設(shè)計(jì)過程中對(duì)鑄造工藝考慮的不充分造成后期多次更改情況的發(fā)生，避免晚期更改帶來的一系列損失。