真空壓鑄模具設計方案探討

1、真空壓鑄模具設計方案探討相關搜索: 設計方案, 模具, 真空, 壓鑄, 探討廈門理工學 院(Xiamen University of Technology) 副教授 葛曉宏 (Ge Xiaohong)瑞士方達瑞（Fondarex SA）駐亞洲技術銷售經(jīng)理 秦耘 （Qin Yun）瑞士方達瑞真空應用技術經(jīng)理 閻愛米尼哥（Jan Emmenegger）摘要 ：在當今的工業(yè)産品中，越來越多的有色金屬零件采用了壓鑄工藝，使得壓鑄工業(yè)呈現(xiàn)出更加廣闊的發(fā)展前途；同時産品結構更複雜，成品率也要求更高，這無疑對傳統(tǒng)的壓鑄工藝提出了更爲嚴峻的挑戰(zhàn)。其中，影響鑄件的機械性能，表面質量和氣密性等最重要的因素與氣孔有

2、關的缺陷，是最難解決的。采用真空壓鑄工藝後，問題轉化爲壓鑄模具澆道及排氣方案的設計。結合生産示例，探討交流真空壓鑄模具設計過程及關鍵點。關鍵詞：真空壓鑄，模具，排氣方案，實例驗證引言與砂型和重力鑄造相比，傳統(tǒng)壓鑄件的微觀結構不盡人意，主要原因是高速金屬流在澆口處的噴射，要比金屬緩慢喂入砂型或金屬模腔更容易接觸型腔內的空氣和煙氣。真空壓鑄工藝的重點是盡量減少這種氣液接觸，因此將型腔內氣體有效的排出是真空壓鑄模具設計的關鍵。對于壓鑄模具，傳統(tǒng)排氣設計與真空排氣設計并無本質區(qū)別。隻是排氣的方式上前者爲被動排氣，利用金屬流動將氣體排出，即所謂的正壓壓射；後者爲主動排氣，即由采用真空裝置，隨壓射的進行將

3、型腔內的氣體抽出，也稱爲負壓壓射。就排氣效果而言，相差甚遠，正確的真空排氣應用將會極大降低型腔內的氣體含量，從而有效地提高産品的質量。本文將就真空模具方案設計所涉及的一些內容展開討論，重點是排氣方案設計。1  真空壓鑄模具設計基礎了解和掌握産品和鑄件方面的知識越多，真空模具設計方案越準確。首先要進行的是模具型腔布置，包括確定分型面、模穴數(shù)量和布置方式；其次要考慮的是可能的充型位置和方向等。其中最重要是澆口設計。爲了確定正確的澆口面積，以下因素必須要先行考慮：-     鑄件大小-     幾何形

4、狀，包括壁厚，流動路徑，最後充型點，排氣點等等-     優(yōu)化的模具溫度-     去邊操作可行性-     鑄件質量要求，包括整體性和局部性的安全性，氣密性，表面處理和機加要求等-     充型時間-     澆口速度其中鑄件淨重，充型時間，澆口速度是模具設計的最基本計算數(shù)據(jù)。鋅和鋁鑄件的充型時間請分別參考表一及表二。表一：鋅合金充型時間選擇經(jīng)驗數(shù)據(jù)鑄件淨重壁厚短流動路徑中流動路徑長流動路徑5克

5、小于1毫米531大于3毫米84315克小于1.1毫米752大于3毫米97550克小于1.2毫米1074大于3.5毫米14107150克小于1.2毫米14118大于4毫米171411500克小于1.3毫米181612大于5毫米2621161000克小于1.5毫米222015大于6毫米322620表二：鋁合金充型時間選擇經(jīng)驗數(shù)據(jù)鑄件淨重壁厚短流動路徑中流動路徑長流動路徑30克小于1.1毫米642大于3毫米1085100克小于1.2毫米1086大于3.5毫米17139500克小于1.4毫米241912大于4毫米3828211000克小于1.6毫米342922大于4.5毫米5037303000克小于2

6、毫米585038大于5毫米7565539000克小于2.5毫米948565大于7毫米15011092至于澆口速度，鋅和鋁鑄件請參看表三和表四。表三：鋅合金澆口速度選擇經(jīng)驗數(shù)據(jù)鑄件壁厚短充型路徑長充型路徑0.6-3毫米42-46米/秒45-56米/秒2-6毫米40-44米/秒40-48米/秒5-14毫米36-42米/秒38-45米/秒表四：鋁合金澆口速度選擇經(jīng)驗數(shù)據(jù)鑄件壁厚短充型路徑長充型路徑1-5毫米40-44米/秒42-52米/秒4-10毫米38-42米/秒40-45米/秒8-18毫米32-40米/秒36-43米/秒以上經(jīng)驗數(shù)據(jù)基于高質量壓鑄件的一個平均值。對于具體的設計，其它諸如壁厚突變，

7、複雜幾何形狀，模溫以及集渣包等因素也要考慮進去。最困難的決定是將單穴模變成多穴模，模穴越多，變數(shù)越多。多穴模的設計要點是要使所有模穴同時充型，同時結束！但計算是從一個模穴開始的。2        澆道方案設計現(xiàn)舉例說明單穴模澆道方案設計過程，見圖1。鋁鑄件淨重：   2500克壁厚：        最薄2.4毫米；最厚12毫米幾何形狀：       複雜模具溫度：      

8、定模180oC，動模190-210oC優(yōu)化充型時間：50毫秒優(yōu)化澆口速度：40米/秒金屬流量：       20.6升/秒澆口面積：       518毫米2沖頭直徑：              90毫米 100毫米      110毫米沖頭充型速度：      3.30米/秒    2.70米/秒 

9、60; 2.25米/秒澆道中間系數(shù)：      1.75現(xiàn)在根據(jù)鑄件的幾何形狀來分配澆口：確定充型流動方向和流量分配，由此可確定澆口的位置，導流方向，厚度及長度。本例中，澆口分爲10段（最左邊兩個合爲一個），每段面積都爲51.8毫米2，厚度爲2.8毫米，寬度爲18.5毫米，見圖2。澆口設置完畢後，進行澆道方案設計。需要考慮以下問題：怎樣使得從澆道進入到澆口的熱金屬流無紊亂？其優(yōu)化的截面積是多少？其最佳的幾何形狀是什麼？澆道的設計，其截面積應該是從壓室開始朝著澆口方向逐步遞減，最實用和簡捷的方法是在澆道截面積上使用厚度系數(shù)來確定。一般說來，對于厚壁件，系數(shù)

10、爲1.8至2.2；中等厚度件爲1.5至1.8；薄壁件爲1.3至1.6。本案例選擇了1.75作爲中間優(yōu)化系數(shù)，從壓室至澆口間，以1.9開始，1.5結束。見圖3。從能量損失方面考慮，澆道的最佳幾何形狀應是圓形，考慮到便于加工等原因，常采用其近似的梯形來代替，見圖4。2        排氣方案設計真空壓鑄模具排氣方案設計，主要包括真空系統(tǒng)選型即真空機及排氣元件的選擇、排氣元件的安裝、排氣接口及排氣通道的設置。3.1真空系統(tǒng)選型 首先選擇排氣元件，瑞士方達瑞（FONAREX）公司的排氣元件按結構形式有真空閥或真空冷卻塊，其選擇取決于産品質量要

11、求和經(jīng)濟性。産品質量要求高的需采用真空閥。按規(guī)格和排氣能力分爲超小型、小型、中型、大型和超大型。然後是選擇真空機，其排氣能力要與排氣元件的大小相匹配，這樣才能發(fā)揮出所選用的真空排氣元件的特點與能力。真空閥和真空機選擇的原則見表5。冷卻塊的選擇見表6。依本例，根據(jù)鋁鑄件淨重，選擇中型單腔真空機和中型冷卻塊，見圖5。表5 真空閥和真空機選擇的原則真空閥鋁合金淨重鋅合金淨重鎂合金淨重壓鑄機對應的真空機超小0.05 0.3 kg0.15 0.8 kg0.03 -0.2 kg直到250 t所有型小型0.1 0.6 kg0.25 1.6 kg0.06 0.35 kg直到 400 t所有型中型0.6 4.0

12、 kg1.6 10 kg0.3 2.4 kg200 800 t所有型大型4 8 kg 2.4 4.5 kg600 2000 t大型超大8 16 kg 4.5 9.5 kg1600 4000 t大型表6  冷卻塊型號冷卻塊型號高X寬X厚（毫米）冷卻塊間隙 （毫米）排氣面積 （毫米）排氣能力（升/秒）對應真空閥標準型：SCS30小型150x63x500.65301.5小型閥SCS60中型250x100x500.8643.5中型閥SCS100大型300x140x600.91086.5大型閥3.2. 排氣元件安裝排氣元件最佳安裝位置是在?？騼龋绻惭b在?？蛲猓浔趁媾c模闆之間需增

13、加支撐塊，以防止壓射時排氣元件漲開；同時盡量靠近鑄件排氣接口。至于放在上面還是側面，不影響排氣效果。本例中圖6，排氣冷卻塊設計在上?？騼?。3.3 排氣接口的設置原則鑄件金屬液最後充型處和重要控制點都應設置排氣接口，接口的截面積總和至少要等于相應的排氣元件的面積和。本例中中型冷卻塊的排氣面積爲64平方毫米，而排氣接口面積總和爲72平方毫米。3.4 排氣通道的設置設排氣元件的接口處爲100%，以下的分支總和至少按1.1倍遞增。見圖6。排氣通道的脫模斜度爲12-15度。如果按15度考慮，采用中型真空冷卻塊SCS60，其尺寸分配爲：1）12×6；2）9×6.6；3）7.6×

14、;5；4）7×4；5）6×3.6；6）5×3；7）4×3本例的真空排氣設計方案見圖7。有關排氣元件的詳細安裝尺寸，請參見瑞士方達瑞公司提供的相關型號設計手冊。4     應用示例圖8展示的是平闆鑄件真空壓鑄模具澆注系統(tǒng)及排氣方案的設計要點。左半部展示的是標準的真空壓鑄排氣接口及通道的設計圖，右半部展示的是帶集渣包的真空壓鑄排氣通道的設計圖。圖9展示的是一鑄件真空壓鑄設計錯誤的澆注系統(tǒng)和排氣通道設計，應按細線條標明的位置及要求做修改，才能保證真空壓鑄的效果。圖10和圖11展示的是典型的圓筒形壓鑄件，采用雙冷卻塊的澆注

15、系統(tǒng)及排氣方案設計。5 結論真空壓鑄模具的設計取決于産品結構、質量等要求，需考慮的因素與傳統(tǒng)被動排氣模具是一緻的。真空壓鑄模具的型腔抽真空時，模具分型面不需要增加密封圈，但要求模具表面平整，無飛料！所有內部排氣通道都要求彙合于排氣元件接口處，除了與排氣元件相連的接口外，不容許出現(xiàn)任何其它排氣口。同時，真空元件的排氣點一定要設置在定模塊上，否則會造成排氣膠管拖動而過早損壞！如對傳統(tǒng)排氣模具進行真空模具的改造，除以上要求外，一定要將通往模具外的其它排氣槽全部封死。一般來講，采用與鑄件重量匹配的單個排氣元件最經(jīng)濟；但由于受到鑄件形狀的限制，或排氣通道過長的影響，換成兩個低一級的排氣元件，效果更佳！嚴格來說，即使在排氣面積一樣的情況下，設計合理的冷卻塊排氣，其效率僅爲機械式真空閥的60%左右。但從一次性投資成本以及維護成本上考量，冷卻塊比機械