壓鑄模設(shè)計與制造中應注意的問題

1、壓鑄模設(shè)計與制造中應注意的問題【摘 要】詳細介紹了從壓鑄產(chǎn)品設(shè)計到壓鑄模制造全過程中應注意的問題。【關(guān)鍵詞】壓鑄模；成本；影響因素；注意問題1 壓鑄產(chǎn)品及模具成本壓鑄產(chǎn)品的發(fā)展趨勢是：更大的零件；更薄的壁厚；更復雜的形狀；更精確的尺寸?？紤]以上因素，使用高壓鑄造比使用低壓鑄造的重力鑄造法更有利。影響單一零件和顧客最后產(chǎn)品的成本的因素有很多。這些因素的90是在設(shè)計階段決定的，而不是在選定的制造過程中提高效率可以奏效的。有些因素比較容易辨別，例如原材料和加工成本，但這些很難大幅度降低。其它因素雖然不太明顯，卻能對降低成本具有很多的影響。結(jié)合幾個零件來降低裝配成本，因為現(xiàn)有幾個零件的裝配已被一個壓鑄

2、件代替了。改變另一個制程需要重新設(shè)計，如此才能從壓鑄制程得到最經(jīng)濟的解決辦法。重新設(shè)計零件，考慮壓鑄制程、模具制造，影響模具壽命的特點的設(shè)計，以及修整和結(jié)合要求，經(jīng)常是有益的。重量減輕降低了原材料直接成本，而且還提高了生產(chǎn)效率。重量節(jié)省降低了總材料用量，經(jīng)常透過消除潛在的收縮孔隙區(qū)域改進零件的設(shè)計和品質(zhì)。應小心避免可能會導致模具過早失效或大量維修的較小的構(gòu)件。采用均勻一致的壁厚，因為不同的厚度會由于金屬在充填時變化的速度和產(chǎn)生的湍流對壓鑄件產(chǎn)生負面影響。在較大的結(jié)構(gòu)零件中考慮肋條的設(shè)計能減少總材料用量，同時保持零件結(jié)構(gòu)的完整性。避免倒鉤。倒鉤會使零件和相關(guān)模具加工成本相對地增加。避免尖角。因為

3、它對模具壽命有害并會使零件成本增加。不必要過緊的公差會相對地增加壓鑄件的成本。要獲得壓鑄件適用公差決定于整個制程，而不只是模腔。必須避免使用零件不必要的幾何公差。應當著重在完全分析后，再對功能性的特征加注幾何公差，以確保不使用過緊的公差。拔模斜度是壓鑄件的一個重要要求，它能確保零件從模具中取出而不會受損。壓鑄件中不垂直于分模線的地方經(jīng)常會導致成本相對地增加，因為需要使用側(cè)面滑塊或進行另外的機械加工。避免機械加工可消除產(chǎn)生廢品率增加外表缺陷的可能性。允許的澆口殘跡和分模線，以及它們的位置，會影響到成本。要求越高，修整加工作業(yè)和費用的程度也越高。使用自攻螺絲或螺紋成形螺釘能消除所需的攻牙作業(yè)以及固

4、定的必要性，從而相對地降低修整加工零件的成本。適用于自攻螺絲或螺紋成形螺釘?shù)男托究啄鼙昏T造出來，因此減少了鉆孔作業(yè)的必要性。壓鑄合金的成本會有變動，無法完整地說明修整加工零件的相關(guān)成本。壓鑄制程的經(jīng)濟性在重大程度上是生產(chǎn)效率的一個因子，是由諸如材料、機器規(guī)模、零件重量、周期時間、模腔數(shù)、模具壽命和廢品率這些獨立的因素決定的。在確定產(chǎn)品功能之后，必須制定出一個與壓鑄制程相配的構(gòu)造，并選定合金。選擇合金主要根據(jù)所需的機械、物理和化學性能。在可以選擇一種以上的壓鑄合金時，相對經(jīng)濟性一般都會比較好。經(jīng)過最佳化處理的壓鑄制程的零件設(shè)計將以促成一個完好鑄件的方式完全用金屬進行填充。這既是零件設(shè)計的一個機能

5、，也是模具使用的澆口、料道和溢流系統(tǒng)，以及在壓鑄制程中使用的機器參數(shù)的設(shè)計。凝固迅速，而且沒有缺陷。這也是設(shè)計和上述制程參數(shù)的一個函數(shù)。能容易從模具中取出而不會損壞壓鑄件。應用以下6個原則設(shè)計壓鑄件，能獲得較好結(jié)果。（1）使用一致的壁厚。（2）在諸如側(cè)壁、肋條、凸起物部等交合部分采用較大的圓角。如此能增強零件的強度，改善金屬流動性，減少模具的維護保養(yǎng)并延長模具壽命。（3）必須確定拔模斜度。在有些情況下，為了排除修整加工，以最小或甚至零拔模斜度進行壓鑄是可行的。然而，這需要仔細考慮。（4）尖銳的外角應用倒圓或倒角來消除，以減少模具失效的可能性及減少維修。應當記住，零件上的一個外角是模具中的一個內(nèi)

6、角，如果沒有倒圓角，會產(chǎn)生一個很高的應力梯度，這個應力梯度會由于在制程和熱循環(huán)中使用的高壓力下而失效。（5）應盡可能避免倒鉤，因為它們會要求對零件進行加工，或者需要在模具中使用往復性的模芯滑塊。（6）讓主要尺寸與壓鑄模構(gòu)件有關(guān)，而不要越過分模線。由于零件在頂出模和固定模的兩處構(gòu)件不對稱，要使得壓鑄模分界線兩邊達到同樣精度是不太可能的。2 壓鑄模設(shè)計應注意的問題壓鑄模的設(shè)計主要根據(jù)壓鑄件的形狀而定。但是模具設(shè)計和尺寸會對模具壽命產(chǎn)生影響。（1）型腔。高強度鋼材對死角和缺口相當敏感。因此，在設(shè)計時模腔壁厚及肋的變化要均勻和緩，盡可能采用較大的內(nèi)圓角半徑。為了降低金屬侵蝕及熱疲勞發(fā)生于澆口附近的可能

7、性，腔壁、型芯或鑲件應盡量遠離澆口。（2）冷卻水道。冷卻水道應處于使整個模腔表面溫度盡可能均勻的位置。從冷卻和力學角度看，管道表面需光滑。（3）流道、澆口及溢流。要得到最佳的壓鑄效果，冷卻系統(tǒng)必須和“熱區(qū)”（流道、澆口、溢流和型腔）有一定的熱平衡。因此，流道、澆口和溢流設(shè)計相當重要。在型腔內(nèi)很難填滿的部位，應設(shè)溢流，以使壓鑄金屬流到這些部位。在具有相同尺寸的一模多腔模具中，所有的流道必須具有相同的流道長度和橫截面積，澆口和溢流也必須完全相同。澆口的位置和流道的厚度及寬度對金屬注入速度相當關(guān)鍵。流道的設(shè)計應使金屬流暢地進入型腔各個部分，而不是噴射狀地注入。流注金屬過快流動會引起模具侵蝕。（4）尺

8、寸決定參考。以下是鋁合金壓鑄模尺寸決定的參考：a.型腔到外表面距離大于50mm。b.型腔深度和模具厚度之比例13。c.型腔與冷水道距離大于25mm，冷卻水道及型腔、角部的距離大于50mm。d.內(nèi)圓角半徑，鋅大于R0.5mm、鋁大于R1mm、黃銅大于R1.5mm。e.澆口與型腔壁距離大于50mm。3 模具制造應注意的問題以下因素對壓鑄模制造有一定影響：（1）機械加工性。馬氏體系的熱作工具鋼的機械加工性主要受像硫化錳等非金屬夾雜物及鋼材硬度的影響。因為壓鑄模的性能可以通過降低鋼材中雜質(zhì)含量而得到改善如硫和氧。切削加工的最佳組織是球化退火的鐵素體基體上均勻分布著球化狀的良好碳化物，這樣使鋼材具有較低

9、的硬度。均質(zhì)化處理使金屬具有均勻的機械加工性。（2）電火花加工。近年來，制造壓鑄模已普遍采用電火花加工（EDM）。電火花加工的發(fā)展一方面擴展了這種方法的通用性，同時也顯著地提高了操作技術(shù)、生產(chǎn)力和加工精度。電火花加工繼續(xù)發(fā)展成為大多數(shù)制模公司的一個主要的加工方法，可同樣容易地加工經(jīng)淬硬或退火的鋼材。電火花加工的基本原理是在石墨或銅電極（陽極）和鋼材（陰極）之間的不導電介質(zhì)中放電。模具的侵蝕通過放電來控制。操作過程中，負電極進入鋼材中獲得所需形狀。電火花加工中鋼材的表面溫度非常高，從而使其熔化和蒸發(fā)。在表面產(chǎn)生了一層熔化后再凝固的較脆層，緊接著這層的是再淬硬層和回火層。電火花加工對模具表面性能產(chǎn)

10、生了不利的影響，破壞了鋼材的加工性能。由于這個原因，作為一種預防措施，推薦以下幾步加工方式：a.淬火和回火后鋼材的電火花加工。傳統(tǒng)的機械加工 淬火和回火 粗放電加工，避免“電弧”和太快的除去率，“幼電火花加工”即低能流高頻率 研磨和拋光電火花層 比原來回火溫度低15回火。b.鋼材退火后的電火花加工。傳統(tǒng)的機械加工 粗放電加工，避免“電弧”和太快的除去率 研磨和拋光電火花層。這減少了加熱和淬火時間開裂的危險，多次分級預熱到淬火溫度。（3）熱處理。熱作工具鋼通常是以軟性退火狀態(tài)供貨。在機械加工后，為了得到最佳的高溫屈服強度、抗回火性、韌性和延展性，必須進行熱處理。鋼材的性能受淬火溫度和時間、冷卻速

11、度和回火溫度控制。高奧氏體化溫度對模具的熱屈服強度和抗軟化性有利的影響，可以降低熱疲勞性的產(chǎn)生。另一方面，由于晶粒變粗和淬火時晶界碳化物析出的增加而降低了韌性和延展性。這能導致嚴重的破裂，所以這種方法應限于小型模具和型芯的熱處理。高硬度對抗熱疲勞性具有很大的影響，但是對鋁壓鑄模推薦硬度不宜超過48HRC，銅不超過44HRC。硬度越高，破裂和完全失效的危險越大。緩慢的冷卻速度得到好的尺寸穩(wěn)定性，但使鋼材有得到不良顯微組織轉(zhuǎn)變的風險。淬火時太慢的冷卻速度能降低鋼材的破壞韌性。快的冷卻速度如盥浴淬火能產(chǎn)生最好組織，因而得到最高的模具壽命。在大多數(shù)情況下，優(yōu)先考慮模具的使用壽命而采取較快的淬火冷卻速度

12、。脫碳可以引起早期熱疲勞。模具應冷卻至5070后回火。要得到滿意的組織，第二次回火是必不可少的。第二次回火溫度應根據(jù)模具所需的最終使用硬度而決定。（4）尺寸穩(wěn)定性。壓鑄模在淬火和回火時的情形。壓鑄模淬火和回火時，通常會出現(xiàn)變形或扭曲。溫度越高變形越大。在淬火前通常預留一定加工量以便淬火及回火后通過研磨等工序來調(diào)整模具到最后要求的尺寸。變形是由于鋼材中的應力引起，這些應力可分為：a.機械加工應力。此類應力產(chǎn)生于機械加工，如車削加工，銑削加工，研磨加工。如果存在內(nèi)部應力，它會在加熱時釋放。加熱使材料強度下降，從而通過局部變形來釋放應力。這能導致模具整體變形。為了減少熱處理產(chǎn)生的變形，需要一個消除應

13、力的過程。一般推薦在粗加工后進行應力消除。在淬火前任何變形都能在精加工時加以調(diào)整。b.熱應力。模具加熱時產(chǎn)生了應力。加熱越快越不均勻，應力就越大。模具尺寸加熱時會增加。不均勻的加熱會引起部位尺寸的不一致增加，從而產(chǎn)生應力的變形。為了使整塊模具溫度均勻通常推薦多段預熱。應盡量緩慢加熱以使整個模具溫度保持一致。以上情況對淬火冷卻也適用。淬火時會產(chǎn)生非常大的應力。一般而言，可在接受的變形范圍內(nèi)，冷卻應越快越好。淬火介質(zhì)的均勻非常重要，尤其在使用壓縮空氣或保護氣氛時（如在真空爐內(nèi)）。否則模具溫度的不一致會產(chǎn)生明顯的變形。通常也推薦分級淬火。c.組織變形應力。當鋼材組織變形時這類應力會產(chǎn)生。這是因為三種

14、顯微組織鐵素體、奧氏體和馬氏體有不同的密度。從奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的變化最大。這引起了尺寸的增加。過度快速和不均勻的淬火也會導致局部馬氏體形成從而引起模具中局部體積增大，而在某些層面上產(chǎn)生應力會導致變形甚至破裂。（5）表面處理。經(jīng)氣體氮化、軟氮化和離子氮化等表面處理能使壓鑄模某些零件產(chǎn)生有力作用如射筒、噴嘴、流道、澆道、推桿和芯棒。不同化學成份的鋼材有不同的氮化特性。（6）焊補性。在許多情況下，通過焊補來修理壓鑄模非常重要。工具鋼的焊補總帶有破裂的危險，但是如果小心而適當加熱的話，也可得到好的效果。a.焊補前準備。被焊的部位必須適當?shù)拈_U形槽溝，并避免臟物和油脂，以確保金屬的順利滲透和融合。b.

15、退火后焊接。預熱到至少350；在此溫度開始焊接。使工件溫度保持在350475。焊接時保持工件溫度恒溫的最好方法是用一個熱控元件置于絕熱箱壁內(nèi)；焊接后馬上退火。c.淬火和回火后的焊接。預熱到至少320；開始焊接。使工件溫度保持在350475。焊接時保持工件溫度恒溫的最好方法是用一個熱控元件置于絕熱箱壁內(nèi)；焊補后以（2030）/h至（5070）/h的速度緩慢冷卻；在低于前回火溫度1020的溫度作應力回火。d.焊條。QBO90電焊條或QRO90氬弧焊條及有關(guān)焊條和焊補的更詳細資料可在“工具鋼焊補”手冊中找到。4 模具壽命壓鑄模壽命會隨壓鑄模的設(shè)計和尺寸、壓鑄合金類型、模具的維修和保養(yǎng)而發(fā)生很大變化。

16、模具可以通過壓鑄前后適當?shù)奶幚韥硌娱L壽命。（1）適當?shù)念A熱。模具表面和熔融金屬間的溫差不能太大。由于這一原因，通常推薦預熱。預熱溫度隨壓鑄合金類型而定，通常在150350。材料預熱溫度不能太高，否則會在壓鑄時由于模具溫度太高而引起模具再回火，特別是模具較薄的肋部分升溫非?？?。模具壓鑄時，推薦預熱溫度如表1所示。表1 推薦壓鑄模具預熱溫度材料預熱溫度（）錫合金、鉛合金100150鋅合金150200鎂合金、鋁合金250300銅合金300500逐步而均勻地預熱很重要。最好是恒溫的加熱控制系統(tǒng)。預熱時，為了達到平衡，應逐步打開冷卻水。要避免驟然冷卻。有鑲塊的模具必須緩慢加熱以便使鑲塊和模腔保持一致溫度

17、逐步膨脹。（2）正確的冷卻。模具溫度受冷水道和模具表面脫模劑的控制。為了減少熱疲勞的危險，冷卻水可預熱至大約50。也推薦恒溫控制的冷卻系統(tǒng)，并不推薦使用低于20的冷卻水。停機時間超過幾分鐘時，應調(diào)節(jié)冷水流量，以便模具不至于冷卻的太快。有一點非常重要，即潤滑劑（脫模劑）要非常好地附于模具表面以避免壓鑄金屬與模具的接觸。例如一個新的或剛修補的模具不應有粗糙的金屬表面。因此在試模期有一層氧化薄膜會提供給脫模劑一個良好的附著面亦不失為一個好方法。（3）表面處理。模具表面加熱到500左右1h然后空冷就可氧化。在蒸汽氣氛中加熱到500約30min也可以，形成具有恰當厚度的一層良好的氧化膜。在使用一段時間后

18、，要去除模具上堆積的脫模劑可在模腔表面進行噴沙處理。這種處理也可密閉一些熱疲勞的裂紋。噴沙處理會在模腔表層產(chǎn)生壓應力，這一定程度上抵消了引起疲勞的拉應力。受摩擦的一些零件如推焊和射筒，可以通過氮化、碳氮滲來提高壽命。（4）消除應力。壓鑄時，模具表面由于溫差而產(chǎn)生熱應變，這種反復的應變會導致模具局部表面的殘留應力產(chǎn)生。在大多數(shù)情況下，這種殘留應力是拉應力，因此促使熱疲勞的發(fā)生。消除應力處理會使模具殘留拉應力下降，因此能提高模具壽命。所以我們建議在試模一段時間后進行消除應力處理，然后在壓鑄10002000模次，500010000模次后分別進行消除應力處理。這種處理可以在以后每隔1000020000

19、模次重復一次，一直到模具出現(xiàn)少量熱疲勞。因為表面熱疲勞的形成會降低殘留應力，因此在較嚴重熱疲勞產(chǎn)生后再去除應力就沒有太大的意義。除應力處理的溫度最好在模具熱處理最高回火溫度以下25左右。正常情況下，在此溫度保溫2h。（5）壓鑄合金工作溫度。壓鑄合金工作溫度對壓鑄模壽命影響非常大（見表2所示）。對某種特定合金的壓鑄模，由于壓鑄件的設(shè)計、表面光潔度、生產(chǎn)速度、壓鑄時過程控制、模具設(shè)計、模具材料及其熱處理、加工公差范圍等也會很大程度上改變模具壽命。表2 壓鑄合金對壓鑄模壽命的影響壓鑄合金壓鑄溫度（）限制模具壽命因素一般壽命 模次次數(shù)模具型芯鋅430侵蝕0.5至2百萬0.5至2百萬鎂650熱龜裂 破裂 侵蝕 凹陷100,000至400,00050,000至200,000