壓鑄模具設(shè)計

一、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)別于其它鑄造方法的主要特點是高壓和高速。①金屬液是在壓力下填充型腔的，并在更高的壓力下結(jié)晶凝固，常見的壓力為15—100MPa。②金屬液以高速充填型腔，通常在10—50米/秒，有的還可超過80米/秒，（通過內(nèi)澆口導(dǎo)入型腔的線速度—內(nèi)澆口速度），因此金屬液的充型時間極短，約0.01—0.2秒（須視鑄件的大小而不同）內(nèi)即可填滿型腔。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，使能穩(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。1、壓鑄機（1）壓鑄機的分類壓鑄機按壓室的受熱條件可分為熱壓室與冷壓室兩大類。而按壓室和模具安放位置的不同，冷室壓鑄機又可分為立式、臥式和全立式三種形式的壓鑄機。熱室壓鑄機立式冷室臥室全立式（2）壓鑄機的主要參數(shù)a合型力（鎖模力）（千牛）KNb壓射力（千牛）KNc動、定型板間的最大開距mmd動、定型板間的最小開距mme動型板的行程mmf大杠內(nèi)間距（水平x垂直）—————————mmg大杠直徑—————————————————mmh頂出力——————————————————KNi頂出行程—————————————————mmj壓射位置（中心、偏心）mmk—次金屬澆入量（Zn、Al、Cu）mmmKgl壓室內(nèi)徑（①）mmm空循環(huán)周期————————————————sn鑄件在分型面上的各種比壓條件下的投影面積注：還應(yīng)有動型板、定型板的安裝尺寸圖等。2、壓鑄合金壓鑄件所采用的合金主要是有色合金，至于黑色金屬（鋼、鐵等）由于模具材料等問題，目前較少使用。而有色合金壓鑄件中又以鋁合金使用較廣泛，鋅合金次之。下面簡單介紹一下壓鑄有色金屬的情況。（1）、壓鑄有色合金的分類受阻收縮混合收縮自由收縮鉛合金0.2-0.3%0.3-0.4%0.4-0.5%低熔點合金錫空循環(huán)周期合金鋅合金0.3-0.4%0.4-0.6%0.6-0.8%鋁硅系--0.3-0.5%0.5-0.7%0.7-0.9%壓鑄有色合金鋁合金鋁銅系鋁鎂系---0.5-0.7%0.7-0.9%0.9-1.1%高熔點合金鋁鋅系鎂合金0.5-0.7%0.7-0.9%0.9-1.1%銅合金（2）、各類壓鑄合金推薦的澆鑄溫度合金種類鑄件平均壁厚＜3mm鑄件平均壁厚＞3mm結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)復(fù)雜鋁合金鋁硅系610-650°C640-680°C600-620°C610-650°C鋁銅系630-660°C660-700°C600-640°C630-660°C鋁鎂系640-680°C660-700°C640-670°C650-690°C鋁鋅系590-620°C620-660°C580-620°C600-650°C鋅合金420-440°C430-450°C400-420°C420-440°C鎂合金640-680°C660-700°C640-670°C650-690°C銅合金普通黃銅910-930C940-980C900-930C900-950C硅黃銅900-920C930-970C910-940C910-940C注注：①澆鑄溫度一般以保溫爐的金屬液的溫度來計量。②鋅合金的澆鑄溫度不能超過450°C,以免晶粒粗大。二、壓鑄模壓鑄模是壓鑄生產(chǎn)三大要素之一，結(jié)構(gòu)正確合理的模具是壓鑄生產(chǎn)能否順利進行的先決條件，并在保證鑄件質(zhì)量方面（下機合格率）起著重要的作用。由于壓鑄工藝的特點，正確選用各工藝參數(shù)是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的決定因素，而模具又是能夠正確選擇和調(diào)整各工藝參數(shù)的前提，模具設(shè)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(yù)計的綜合反映。如若模具設(shè)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(shè)計不合理，例一鑄件設(shè)計時動定模的包裹力基本相同，而澆注系統(tǒng)大多在定模，且放在壓射后沖頭不能送料的灌南壓鑄機上生產(chǎn)，無法正常生產(chǎn)，鑄件一直粘在定模上。盡管定模型腔的光潔度打得很光，因型腔較深，仍出現(xiàn)粘在定模上的現(xiàn)象。所以在模具設(shè)計時，必須全面分析鑄件的結(jié)構(gòu)，熟悉壓鑄機的操作過程，要了解壓鑄機及工藝參數(shù)得以調(diào)整的可能性，掌握在不同情況下的充填特性，并考慮模具加工的方法、鉆眼和固定的形式后，才能設(shè)計出切合實際、滿足生產(chǎn)要求的模具。剛開始時已講過，金屬液的充型時間極短，金屬液的比壓和流速很高，這對壓鑄模來說工作條件極其惡劣，再加上激冷激熱的交變應(yīng)力的沖擊作用，都對模具的使用壽命有很大影響。模具的使用壽命通常是指通過精心的設(shè)計和制造，在正常使用的條件下，結(jié)合良好的維護保養(yǎng)下出現(xiàn)的自然損壞，在不能再修復(fù)而報廢前，所壓鑄的模數(shù)（包括壓鑄生產(chǎn)中的廢品數(shù)）。實際生產(chǎn)中，模具失效主要有三種形式：①熱疲勞龜裂損壞失效；②碎裂失效；③溶蝕失效。致使模具失效的因素很多，既有外因（例澆鑄溫度高低、模具是否經(jīng)預(yù)熱、水劑涂料噴涂量的多少、壓鑄機噸位大小是否匹配、壓鑄壓力過高、內(nèi)澆口速度過快、冷卻水開啟未與壓鑄生產(chǎn)同步、鑄件材料的種類及成分Fe的高低、鑄件尺寸形狀、壁厚大小、涂料類型等等）。也有內(nèi)因（例模具本身材質(zhì)的冶金質(zhì)量、坯料的鍛制工藝、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、澆注系統(tǒng)設(shè)計的合理性、模具機（電加工）加工時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力、模具的熱處理工藝、包括各種配合精度和光潔度要求等）。模具若出現(xiàn)早期失效，則需找出是哪些內(nèi)因或外因，以便今后改進。①模具熱疲勞龜裂失效壓鑄生產(chǎn)時，模具反復(fù)受激冷激熱的作用，成型表面與其內(nèi)部產(chǎn)生變形，相互牽扯而出現(xiàn)反復(fù)循環(huán)的熱應(yīng)力，導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)二損傷和喪失韌性，引發(fā)微裂紋的出現(xiàn)，并繼續(xù)擴展，一旦裂紋擴大，還有熔融的金屬液擠入，加上反復(fù)的機械應(yīng)力都使裂紋加速擴展。為此，一方面壓鑄起始時模具必須充分預(yù)熱。另外，在壓鑄生產(chǎn)過程中模具必須保持在一定的工作溫度范圍中，以免出現(xiàn)早期龜裂失效。同時，要確保模具投產(chǎn)前和制造中的內(nèi)因不發(fā)生問題。因?qū)嶋H生產(chǎn)中，多數(shù)的模具失效是熱疲勞龜裂失效。②碎裂失效在壓射力的作用下，莫具會在最薄弱處萌生裂紋，尤其是模具成型面上的劃線痕跡或電加工痕跡未被打磨光，或是成型的清角處均會最先出現(xiàn)細微裂紋，當晶界存在脆性相或晶粒粗大時，即容易斷裂。而脆性斷裂時裂紋的擴展很快，這對模具的碎裂失效是很危險的因素。為此，一方面凡模具面上的劃痕、電加工痕跡等必須打磨光，即使它在澆注系統(tǒng)部位，也必須打光。另外要求所使用的模具材料的強度高、塑性好、沖擊韌性和斷裂韌性均好。③熔融失效前面已講過，常用的壓鑄合金有鋅合金、鋁合金、鎂合金和銅合金，也有純鋁壓鑄的，Zn、Al、Mg是較活潑的金屬元素，它們與模具材料有較好的親和力，特別是Al易咬模。當模具硬度較高時，則抗蝕性較好，而成型表面若有軟點，則對抗蝕性不利。但在實際生產(chǎn)中，溶蝕僅是模具的局部地方，例內(nèi)澆口直接沖刷的部位（型芯、型腔）易出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象，以及硬度偏軟處易出現(xiàn)鋁合金的粘模。壓鑄生產(chǎn)中常遇模具存在的問題注意點：1、澆注系統(tǒng)、排溢系統(tǒng)例（1）對于冷室臥式壓鑄機上模具直澆道的要求：①壓室內(nèi)徑尺寸應(yīng)根據(jù)所需的比壓與壓室充滿度來選定，同時，澆口套的內(nèi)徑偏差應(yīng)比壓室內(nèi)徑的偏差適當放大幾絲，從而可避免因澆口套與壓室內(nèi)徑不同軸而造成沖頭卡死或磨損嚴重的問題，且澆口套的壁厚不能太薄。澆口套的長度一般應(yīng)小于壓射沖頭的送出引程，以便涂料從壓室中脫出。②壓室與澆口套的內(nèi)孔，在熱處理后應(yīng)精磨，再沿軸線方向進行研磨，其表面粗糙＜Ra0.2pm。③分流器與形成涂料的凹腔，其凹入深度等于橫澆道深度，其直徑配澆口套內(nèi)徑，沿脫模方向有5°斜度。當采用涂導(dǎo)入式直澆道時，因縮短了壓室有效長度的容積，可提高壓室的充滿度。(2)對于模具橫澆道的要求①冷臥式模具橫澆道的入口處一般應(yīng)位于壓室上部內(nèi)徑2/3以上部位，以免壓室中金屬液在重力作用下過早進入橫澆道，提前開始凝固。②橫澆道的截面積從直澆道起至內(nèi)澆口應(yīng)逐漸減小，為出現(xiàn)截面擴大，則金屬液流經(jīng)時會出現(xiàn)負壓，易吸入分型面上的氣體，增加金屬液流動中的渦流裹氣一般出口處截面比進口處小10-30%。③橫澆道應(yīng)有一定的長度和深度。保持一定長度的目的是起穩(wěn)流和導(dǎo)向的作用。若深度不夠，則金屬液降溫快，深度過深，則因冷凝過慢，既影響生產(chǎn)率又增加回爐料用量。④橫澆道的截面積應(yīng)大于內(nèi)澆口的截面積，以保證金屬液入型的速度。主橫澆道的截面積應(yīng)大于各分支橫澆道的截面積。⑤橫澆道的底部兩側(cè)應(yīng)做成圓角，以免出現(xiàn)早期裂紋，二側(cè)面可做出5°左右的斜度。橫澆道部位的表面粗糙度＜Ra0.4pm°(3)內(nèi)澆口①金屬液入型后不應(yīng)立即封閉分型面，溢流槽和排氣槽不宜正面沖擊型芯。金屬液入型后的流向盡可能沿鑄入的肋筋和散熱片，由厚壁處想薄壁處填充等。②選擇內(nèi)澆口位置時，盡可能使金屬液流程最短。采用多股內(nèi)澆口時，要防止入型后幾股金屬液匯合、相互沖擊，從而產(chǎn)生渦流包氣和氧化夾雜等缺陷。③薄壁件的內(nèi)澆口厚件要適當小些，以保證必要的填充速度，內(nèi)澆口的設(shè)置應(yīng)便于切除，且不使鑄件本體有缺損（吃肉）。（4）溢流槽①溢流槽要便于從鑄件上去除，并盡量不損傷鑄件本體。②溢流槽上開設(shè)排氣槽時，需注意溢流口的位置，避免過早阻塞排氣槽，使排氣槽不起作用。③不應(yīng)在同一個溢流槽上開設(shè)幾個溢流口或開設(shè)一個很寬很厚的溢流口，以免金屬液中的冷液、渣、氣、涂料等從溢流槽中返回型腔，造成鑄件缺陷。2、鑄造圓角（包括轉(zhuǎn)角）鑄件圖上往往注明未注圓角R2等要求，我們在開制模具時切忌忽視這些未注明圓角的作用，決不可做成清角或過小的圓角。鑄造圓角可使金屬液填充順暢，使腔內(nèi)氣體順序排出，并可減少應(yīng)力集中，延長模具使用壽命。（鑄件也不易在該處出現(xiàn)裂紋或因填充不順而出現(xiàn)各種缺陷）。例標準油盤模上清角處較多，相對來說，目前兄弟油盤模開的最好，重機油盤的也較多。3、脫模斜度在脫模方向嚴禁有人為造成的側(cè)凹（往往是試模時鑄件粘在模內(nèi)，用不正確的方法處理時，例鉆、硬鑿等使局部凹入）。4、表面粗糙度成型部位、澆注系統(tǒng)均應(yīng)按要求認真打光，應(yīng)順著脫模方向打光。由于金屬液由壓室進入澆注系統(tǒng)并填滿型腔的整個過程僅0.01-0.2秒的時間。為了減少金屬液流動的阻力，盡可能使壓力損失少，都需要流過表面的光潔度高。同時，澆注系統(tǒng)部位的受熱和受沖蝕的條件較惡劣，光潔度越差則模具該處越易損傷。5、模具成型部位的硬度鋁合金：HRC46。左右銅：HRC38。左右加工時，模具應(yīng)盡量留有修復(fù)的余量，做尺寸的上限，避免焊接。壓鑄模具組裝的技術(shù)要求：1、模具分型面與模板平面平行度的要求。2、導(dǎo)柱、導(dǎo)套與模板垂直度的要求。3、分型面上動、定模鑲塊平面與動定模套板高出0.1-0.05mm。4、推板、復(fù)位桿與分型面平齊，一般推桿凹入0.1mm或根據(jù)用戶要求。5、模具上所有活動部位活動可靠，無呆滯現(xiàn)象pin無串動。6、滑塊定位可靠，型芯抽出時與鑄件保持距離，滑塊與塊合模后配合部位2/3以上。7、澆道粗糙度光滑，無縫。8合模時鑲塊分型面局部間隙＜0.05mm。9、冷卻水道暢通，進出口標志。10、成型表面粗糙度Rs=0.04,無微傷。壓鑄模要求高可靠性和長壽命，與壓鑄機、壓鑄工藝有機結(jié)合為一個有效的鑄件生產(chǎn)系統(tǒng)，優(yōu)化壓鑄模具設(shè)計、提高工藝水平，為壓鑄生產(chǎn)提供可靠保證，是大型壓鑄模設(shè)計所追求的方向。壓鑄模具結(jié)構(gòu)通常壓鑄模具的基本結(jié)構(gòu)包含：融杯、成形鑲塊、模架、導(dǎo)向件、抽芯機構(gòu)、推出機構(gòu)以及熱平衡系統(tǒng)等。壓鑄模具設(shè)計開發(fā)流程模具設(shè)計和開發(fā)流程如圖1所示，從該圖中可以清晰地看出模具設(shè)計階段需要設(shè)計人員所做的工作及模具設(shè)計的整體思路，其中包含一些與標準認證相關(guān)的設(shè)計和開發(fā)流程，對設(shè)計階段可能產(chǎn)生的缺陷具有一定的預(yù)防作用。壓鑄模具設(shè)計要點第一，運用快速原型技術(shù)和三維軟件建立合理的鑄件造型，初步確定分型面、澆注系統(tǒng)位置和模具熱平衡系統(tǒng)。按照要求把二維鑄件圖轉(zhuǎn)化為三維實體數(shù)據(jù)，根據(jù)鑄件的復(fù)雜程度和壁厚情況確定合理的收縮率（一般取0.05%-0.06%），確定好分型面的位置和形狀，并根據(jù)壓鑄機的數(shù)據(jù)選定壓射沖頭的位置和直徑以及每模壓鑄的件數(shù)，對壓鑄件進行合理布局，然后對澆注系統(tǒng)、排溢系統(tǒng)進行三維造型。第二，進行流場、溫度場模擬，進一步優(yōu)化模具澆注系統(tǒng)和模具熱平衡系統(tǒng)。把鑄件、澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行處理以后，輸入壓鑄工藝參數(shù)、合金的物理參數(shù)等邊界條件數(shù)據(jù)，用模擬軟件可以模擬合金的充型過程及液態(tài)合金在模具型腔內(nèi)部的走向，還可進行凝固模擬及溫度場模擬，進一步優(yōu)化澆注系統(tǒng)并確定模具冷卻點的位置。模擬的結(jié)果以圖片和影像的形式表達整個充型過程中液態(tài)合金的走向、溫度場的分布等信息，通過分析可以找出可能產(chǎn)生缺陷的部位。在后續(xù)的設(shè)計中通過更改內(nèi)澆口的位置、走向及增設(shè)集渣包等措施來改善充填效果，預(yù)防并消除鑄造缺陷的產(chǎn)生。第三，根據(jù)3D模型進行模具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。模擬過程進行的同時我們可以進行模具總布置設(shè)計，具體包括以下幾個方面：（1）根據(jù)壓鑄機數(shù)據(jù)進行模具的總布置設(shè)計。在總布置設(shè)計中確定壓射位置及沖頭直徑是首要任務(wù)。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(gòu)互相干涉，壓射位置關(guān)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)是我們設(shè)計開始的第一步。（2）設(shè)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(guān)鍵，也是大模具排氣及模具加工工藝性的需要。圖4所示模具成形部分采用10塊模塊鑲拼結(jié)構(gòu)。3）設(shè)計模架與抽芯機構(gòu)。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。抽芯機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是把握活動元件間的配合間隙和元件間的定位?？紤]模架工作過程中受熱膨脹對滑動間隙的影響，大型模具的配合間隙要在0?2~0?3mm之間，成形部分的對接間隙在0.3~0.5mm之間，根據(jù)模具的大小及受熱情況選用。成形滑塊與滑塊座之間采用方鍵定位。抽芯機構(gòu)的潤滑也是設(shè)計的重點，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)。（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，如何帶走這些熱量是設(shè)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?？焖侔惭b及準確控制流量是現(xiàn)代模具熱平衡系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，隨著現(xiàn)代加工業(yè)的發(fā)展，熱平衡元件的選用趨向于直接選用的設(shè)計模式，即元件制造公司直接提供元件的二維和三維數(shù)據(jù)，設(shè)計者隨用隨選，既能保證元件的質(zhì)量還能縮短設(shè)計周期。（5）設(shè)計推出機構(gòu)。推出機構(gòu)可分為機械推出和液壓推出兩種形式，機械推出是利用設(shè)備自身的推出機構(gòu)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(shè)計推出機構(gòu)的關(guān)鍵是盡量使推出合力的中心與脫型合力的中心同心，這就要求推出機構(gòu)要具有良好的推出導(dǎo)向性、剛性及可靠的工作穩(wěn)定性。對于大型模具來說推出機構(gòu)的重量都比較大，推出機構(gòu)的元件與型框間容易因為模具自重而使推桿偏斜，使之出現(xiàn)推出卡滯現(xiàn)象，同時模具受熱膨脹對推出機構(gòu)的影響也特別大，因此推出元件與模框間的定位及推板導(dǎo)柱的固定位置是及其重要的，這些模具的推板導(dǎo)柱一般要固定在把模板上，把模板、墊鐵及?？蜷g用直徑較大的圓銷或方鍵定位，這樣可以最大限度地消除熱膨脹對推出機構(gòu)的影響，必要時還可以采用滾動軸承和導(dǎo)板來支撐推出元件，同時在設(shè)計推出機構(gòu)時要注意元件間的潤滑。北美地區(qū)模具設(shè)計者通常在動模框的背面增加一塊專門的潤滑推桿的油脂板，加強對推出元件的潤滑。如圖5所示，動?？虻撞吭黾訚櫥桶澹杏偷琅c推桿過孔相通，工作時加注潤滑油，可以潤滑推出機構(gòu)，防止卡滯。（6）導(dǎo)向與定位機構(gòu)的設(shè)計。在整個模具結(jié)構(gòu)中導(dǎo)向與定位機構(gòu)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(dǎo)向機構(gòu)主要包括：合模導(dǎo)向、抽芯導(dǎo)向、推出導(dǎo)向，一般導(dǎo)向元件要采用特殊材料的摩擦副，起到減磨和抗磨的作用，同時良好的潤滑也是必不可少的，每個摩擦副間都要設(shè)置必要的潤滑油路。需要特別指出的是特大型滑塊的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)一般采用銅質(zhì)導(dǎo)套和硬質(zhì)導(dǎo)柱的導(dǎo)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(gòu)主要包括：動靜型間的定位、推出復(fù)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，小型模具可以直接采用成形鑲塊間的凸凹面定位，大型壓鑄模具必須采用特殊的定位機構(gòu)，以消除熱膨脹對模具定位精度的影響，另外幾種定位結(jié)構(gòu)是元件間的定位，是固定定位，一般采用圓銷和方鍵定位。如圖6所示，成形鑲塊間的凸凹面定位，保證動靜型間定位準確，防止模具錯邊。（7）真空、擠壓、排氣機構(gòu)等其他設(shè)計。除了以上所述的結(jié)構(gòu)，有的模具還有真空系統(tǒng)、擠壓機構(gòu)、波板排氣等特殊要求。真空系統(tǒng)的設(shè)計主要是密封形式的設(shè)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。擠壓機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是擠壓時機及擠壓量的控制，保證擠壓效果。波板排氣是一種集中排氣形式，波板排氣方式比較常用，特別是在壁厚較薄的鋁合金壓鑄件、