方圓 間德海 宋清和 王琳琳

摘要 文章通過討論汽車懸掛支架壓鑄模具的設計過程，解釋壓鑄模具開發(fā)的一般流程，即分析鑄件工藝合理性，依據(jù)經(jīng)驗提出多個設計方案，借助模擬分析軟件比較多個方案，確定最佳設計結構，最終通過實踐檢驗壓鑄模具設計正確可靠。

關鍵詞 壓鑄模具;模擬分析;懸掛支架

中圖分類號 TB333 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）02-0071-03

0 前言

壓鑄簡介壓力鑄造簡稱壓鑄，是一種將熔融合金液倒入壓室內(nèi)，以高速充填鋼制模具的型腔，并使合金液在壓力下凝固而形成鑄件的鑄造方法。壓鑄區(qū)別于其他鑄造方法的主要特點是高壓和高速;金屬液是在壓力下填充型腔的，并在更高的壓力下結晶凝固，常見的壓力為15～100 MPa。金屬液以高速充填型腔，通常在10～

50 m/s，因此金屬液的充型時間極短，約0.01～0.2 s內(nèi)即可填滿型腔[1-3]。

壓鑄機、壓鑄合金與壓鑄模具是壓鑄生產(chǎn)的三大要素，缺一不可。所謂壓鑄工藝就是將這三大要素有機地加以綜合運用，能穩(wěn)定地有節(jié)奏地和高效地生產(chǎn)出外觀、內(nèi)在質(zhì)量好的、尺寸符合圖樣或協(xié)議規(guī)定要求的合格鑄件，甚至優(yōu)質(zhì)鑄件。

該課題研究的項目發(fā)動機懸掛支架為內(nèi)部有筋的板狀結構，材料為鋁合金AlSi10MnMg，該材料具備優(yōu)良的流動性和抵抗縮孔的能力，在成型后具有良好的抗拉強度和抵抗熱變形的能力;項目基本尺寸為（110×62×37）mm，平均壁厚4.3 mm。生產(chǎn)擬采用設備為臥式冷室900 t壓鑄機;而壓鑄模是壓鑄生產(chǎn)三大要素之一，需要能夠正確選擇和調(diào)整各工藝參數(shù)，故模具設計實質(zhì)上就是對壓鑄生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的各種因素預計的綜合反映。如若模具設計合理，則在實際生產(chǎn)中遇到的問題少，鑄件下機合格率高。反之，模具設計不合理[4-5]。

1 壓鑄模具開發(fā)流程

首先壓鑄模具工程師根據(jù)產(chǎn)品工程師開發(fā)出新產(chǎn)品進行產(chǎn)品壓鑄工藝分析，明確沒有倒出模斜度，防止產(chǎn)品扣模，利用軟件檢測該懸掛支架模型的平均壁厚為4.3 mm，進而估算出零件的凝固時間和澆口平均厚度;通過三維軟件求算鑄件模型局部熱節(jié)最大厚度，估算零件凝固時間;確定零件開模的可行性，以簡化模具結構，降低成本。

其次計算投影面積，該項目單件總投影面積為350 cm2，在確認模具可以具體開模后，結合壓鑄的具體要求選擇臥式冷室900 t壓鑄設備，并根據(jù)零件結構確定產(chǎn)品主分型面。

再次設計多個澆注方案設計，通過模擬分析和實踐經(jīng)驗確定最優(yōu)方案，依據(jù)最優(yōu)方案設計壓鑄模具。

制造壓鑄模具并采購相關壓鑄模具的零件和部件;壓鑄模具做好完成后檢查模具，如：運水、安全制、行位、鎖模片等一系列工作。合格后上機試模，模具工程師、產(chǎn)品工程師以及模廠人員到場，在試模過程中出現(xiàn)的各種問題盡可能在機臺上面解決，如無法在機臺上解決就要求下模，待解決后再安排試模。

在拿到試模樣板后，壓鑄模具工程師安排零件量數(shù)，產(chǎn)品工程師向下序流轉(zhuǎn)將并檢測。討論總結第一次試模時所存在的問題，討論解決方案。在確認方案后，模廠開始改模。直至試模合格的零件，裝出合格的樣機。

零件生產(chǎn)合格后，將模具設計說明書和壓鑄生產(chǎn)作業(yè)指導書完善并歸檔。

2 壓鑄模具工藝方案討論

該課題的模具澆注系統(tǒng)開發(fā)有多種方案，從生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)量可區(qū)別為一模三件（圖1、2）和一模兩件（圖3、4），其中圖1為一模三件流道圓周分布，而圖2而一模三件流道等長度同向布置。

由于該項目為安全件，要求鑄件內(nèi)部組織致密，鑄件的設計壓射比壓為80 Mp，一模三件與澆注系統(tǒng)的投影面積之和已經(jīng)大于1 200 cm2-，采用計劃的900 t壓鑄機不能滿足鎖模力需求，如果在該設備上壓鑄生產(chǎn)，將導致噴?，F(xiàn)象的發(fā)生，故一模三件的設計方案不合理。

討論在一模兩件的設計方案，鑄件與澆道的投影面積之和估算為900 cm2左右，其基本的澆道結構有兩種情形，即一模兩件半包圍澆道結構（圖3）和一模兩件單側填充結構（圖4），針對這兩種結構需要以及模擬分析軟件具體的分析計算。

借助模擬分析軟件可知，一模兩件包圍澆道壓射過程中，壓射錘頭在二級壓射高速推進中左右兩側的澆口快速進入模具型腔，將部分空氣包裹在下方兩個螺栓孔內(nèi)部，導致鑄件螺栓內(nèi)部氣孔多，該缺陷不能滿足零件的靜強度以及疲勞實驗的要求。

在模擬分析一模兩件單側澆道結構（如圖5）可以看到，鋁液順序推進，在第0.25 s平穩(wěn)的進入兩個型腔內(nèi)澆口，在此位置高壓壓射開始動作，0.10 s后鋁液順序通過鑄件型腔到達末端3個螺栓孔位置，并繞過螺栓孔型芯最后進入渣包，同時將模具內(nèi)部的空氣從澆道對側的渣包排出，產(chǎn)生良好的鑄件質(zhì)量。

通過方案對比和數(shù)據(jù)分析可知，采用一模兩件單側澆注的技術方案較為合理。

3 壓鑄模具設計與制造要點

3.1 根據(jù)壓鑄機數(shù)據(jù)進行模具的總布置設計

在總布置設計中確定壓射位置及沖頭直徑，壓射位置的確定要保證壓鑄件位于壓鑄機型板的中心位置，而且壓鑄機的四根拉桿不能與抽芯機構互相干涉，壓射位置關系到壓鑄件能否順利地從型腔中頂出，沖頭直徑則直接影響壓射比的大小，并由此影響到壓鑄模具所需的鎖模力的大小，因此確定好這兩個參數(shù)是設計開始的第一步[6]。

3.2 設計成形鑲塊、型芯

主要考慮成形鑲塊的強度、剛度，封料面的尺寸、鑲塊之間的拼接、推桿和冷卻點的布置等，這些元素的合理搭配是保證模具壽命的基本要求。對于大型模具來說尤其要考慮易損部位的鑲拼和封料面的配合方式，這是防止模具早期損壞和壓鑄過程中跑鋁的關鍵，也是大模具排氣及模具加工工藝性的需要。

3.3 設計模架

中小型壓鑄模具可以直接選用標準模架，大型模具必須對模架的剛度、強度進行計算，防止壓鑄過程中因模架彈性變形而影響壓鑄件的尺寸精度。

考慮模架工作過程中受熱膨脹對滑動間隙的影響，根據(jù)模具的大小及受熱情況選用。抽芯機構的潤滑也是設計的重點之一，這個因素直接影響壓鑄模具的連續(xù)工作的可靠性，優(yōu)良的潤滑系統(tǒng)是提高壓鑄勞動生產(chǎn)率的重要環(huán)節(jié)。

3.4 加熱與冷卻通道的布置及熱平衡元件的選用

由于高溫液體在高壓下高速進入模具型腔，帶給模具鑲塊大量的熱量，帶走這些熱量是設計模具時必須考慮的問題，特別是大型壓鑄模具，熱平衡系統(tǒng)直接影響著壓鑄件的尺寸和內(nèi)部質(zhì)量。

3.5 設計推出機構

推出機構可分為機械推出和液壓推出兩種形式，機械推出是利用設備自身的推出機構實現(xiàn)推出動作，液壓推出是利用模具自身配備的液壓缸實現(xiàn)推出動作。設計推出機構的關鍵是盡量使推出合力的中心與脫型合力的中心同心，推出機構要具有良好的推出導向性、剛性及可靠的工作穩(wěn)定性。大型模具推出機構的重量大，推出機構的元件與型框間因為模具自重而使推桿偏斜，出現(xiàn)推出卡滯現(xiàn)象，同時模具受熱膨脹對推出機構的影響也特別大，故推出元件與模框間的定位及推板導柱的固定位置是極其重要的，模具的推板導柱要固定在動模板上，把模板、墊鐵及模框間用直徑較大的圓銷或方鍵定位，最大限度地消除熱膨脹對推出機構的影響，同時在設計推出機構時注意元件間的潤滑。

3.6 導向與定位機構的設計

在整個模具結構中導向與定位機構是對模具運行穩(wěn)定性影響最大的因素，也直接影響到壓鑄件的尺寸精度。模具的導向機構主要包括：合模導向、抽芯導向、推出導向，導向元件要采用的材料確保減磨和抗磨的作用，同時良好的潤滑也是必不可少的，每個摩擦副間都要設置必要的潤滑油路。大型滑塊的導向結構一般采用銅質(zhì)導套和硬質(zhì)導柱的導向形式，配合以良好的定位形式，確?；瑝K運行平穩(wěn)，準確到位。

模具定位機構主要包括：動靜型間的定位、推出復位定位、成形滑塊及滑塊座間的定位、型架推出部分與型框間的定位等。動靜型間的定位是一種活動性質(zhì)的定位，配合的準確性要求更高，模具采用的定位機構需要消除熱膨脹對模具定位精度的影響，元件間的定位可以采用圓銷和方鍵定位。

3.7 真空系統(tǒng)設計

真空系統(tǒng)的設計主要是密封形式的設計，要使模具成形部分之間在正常模具工作溫度下保持良好的密封性，一般采用硅橡膠密封。

4 試模生產(chǎn)與產(chǎn)品檢驗

壓鑄模設計制造驗收合格后實踐生產(chǎn)，該項目的壓鑄機器使用臥式冷室900 t設備，設備編號ZDC900—7，生產(chǎn)過程中澆注鋁液質(zhì)量3.6 kg，模具預熱溫度120 ℃，整體水冷卻。生產(chǎn)出的零件如圖6，鑄件整體外觀沒有裂紋、欠鑄等缺陷，表面留痕符合要求，表面整體質(zhì)量良好。

5 結論

（1）輕量化壓鑄模具的開發(fā)需要前期策劃、模擬分析，提出多個方案并擇優(yōu)落實。

（2）運用CAE技術，確定發(fā)動機懸掛支架的澆鑄系統(tǒng)，合理布局澆道、渣包和排氣系統(tǒng)，不僅能保證鑄件的質(zhì)量，同時縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

（3）為檢驗輕量化模具開發(fā)的正確性，在樣品生產(chǎn)后必須進行尺寸、材料和性能的驗證，驗證項目包括外部質(zhì)量和內(nèi)部孔隙度以及疲勞實驗等。

參考文獻

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[5]第十五屆中國國際模具技術和設備展覽會模具水平評述[J].模具工業(yè)，2014（12）：1-14.

[6]潘憲曾，劉興富.壓鑄工藝及壓鑄模具設計要點（五）[J].鑄造，2007（9）：942-945.