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发布时间：2020-02-27
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压铸模具是压铸生产中重要的工艺设备。金属液在压铸模具中冷却凝固，终形成压铸件。压铸件的形状、尺寸、质量，以及压铸生产的顺畅性都与压铸模具密切相关，因此，正确合理地设计压铸模具至关重要。
一、压铸模具基本结构
常用的压铸模具有两个半模组成，分别称为定模和动模。也有更复杂的压铸模具，不止两个半模。压铸模具的组成部分如图1所示。
压铸模具组成部分的作用如下：
(1) 直浇道 联通压室或至横浇道，包括浇口套和分流锥等。
(2) 浇注系统 合金液进入型腔的通道，包括内浇道、横浇道及直浇道等。
(3) 型腔 在镶块上形成，形成压铸件的几何形状。
(4) 抽芯机构 完成活动型芯的抽出及插入动作，包括滑道、滑
块、油缸、斜杠等。
(5) 排溢系统 排出气体及存储冷金属残渣等。
(6) 温度控制系统 控制压铸模具的温度，包括冷却水管和加热油管等。
(7) 顶出机构 将压铸件从型腔中顶出，包括顶杆等。
(8) 动模框 连接及固定动模部件，包括套板、支撑板等。
二、压铸模具的设计
设计压铸模具要注意以下几个要点：
(1)要尽可能地采用先进简单的结构，保证动作稳定可靠及日常维护、维修。
(2)要考虑浇注系统的可修改性，在调试过程中可以进行必要的修改。
(3)合理选用各种公差、缩尺及加工余量，保证可靠的模件配合及要求的压铸件精度。
(4)选用合适的模具材料和可靠的热处理工艺，确保压铸模具的使用寿命。
(5)应具有足够的刚度及强度，能够承受锁模压力和涨型力，压铸生产过程中不产生变形。
(6)尽可能使用标准化的压铸模具零件，改善经济性及互换性。
在设计模具的时候，还要根据铸件的投影面积计算出压铸生产时的总投影面积、压射比压，来选择合适吨位的压铸机，公式如下：
F涨型力=100 P压射比压×S投影面积
F锁模力=F涨型力/K系数
式中，K系数一般选取0.85。
压铸机选好以后，根据压铸机的动、静行板及压射偏心位置等尺寸，设计模具的大小、中心位置、复位拉杆孔位等与压铸机相连接部分的尺寸。
随着我国汽车制造业的发展，越来越多的汽车零部件采用了铝合金材质，例如汽车发动机的缸体、缸盖、油底壳以及各类连接支架等。随着压铸技术的日益成熟，各汽车厂商对压铸件的内部质量要求越来越高，尤其以德国大众的要求为严格，每一种车型的发动机压铸件产品都有一套相应的技术要求，产品孔隙度的要求是每一种零部件所必须的要求。
一些零部件结构上非常复杂，需要在模具上做一些相应的结构才能实现批量压铸生产，例如零部件上有多种角度的螺纹孔，要保证加工后的产品质量，必须在模具的相应位置制作型芯，如图2所示。
图2中，A为定位孔，B是3个M8的螺纹孔，与定位孔呈10°角，其中右侧的两个螺纹孔是通孔;C是两个螺栓过孔，与定位孔呈5°角;D孔是与定位孔呈34°的螺纹孔，长度是38mm。
抽芯机构按驱动方式可分为机械式和液压式两种。机械式抽芯主要通过开合模过程中斜销、弯销、齿轮、齿条等实现抽芯与复位。液压抽芯机构的工作原理比较简单，直接利用液压缸进行抽芯及复位动作。液压抽芯机构可以根据抽芯力的大小及抽芯距离的长短选择液压缸的尺寸。图2产品在模具设计时首先考虑C、D三个孔要铸出来，可以分别用液压抽芯机构采取有角度的滑道的方式在生产中来实现孔的成形。图3是D孔的滑道机构示意，用这种办法可以将液压缸设计在模具外面，这样设计的好处是模具可以变薄，连续生产过程中便于维护。
在连续生产过程中，模具的抽芯孔会因为多次的滑动造成抽芯孔变形，在模具寿命的中后期，会经常出现抽芯研死的现象，为了解决这一问题，可以在抽芯孔的部位增加一个镶套，如果出现抽芯孔变形的情况，就可以更换镶套来解决(见图4)。这种办法也可以应用在模具的顶杆处，只要能加镶套的，就都可以做这个结构。
摘 要：压铸模具在整个压铸生产中占有举足轻重的地位，其中浇注系统设计又是压铸模具设计的关键，本文试从工艺角度分析缸体压铸模具浇注系统设计对压铸生产质量、成本、效率的影响。
关键词：压铸模具 浇注系统
1 、导言
发动机缸体在目前国内大型压铸件市场上占有相当的比例，其产品结构及压铸工艺具备一定的代表性，是一类典型的复杂的大型箱体压铸件；压铸模具在整个压铸生产中占有重要地位，是整个压铸工艺设计的核心，实际生产中约有70%的工艺问题与模具直接相关；毫无疑问，在压铸模具设计中浇注系统的设计对压铸生产的影响是决定性的，本文我们从工艺角度分析缸体压铸模具浇注系统设计对压铸生产质量、成本、效率的影响，终尝试给出浇注系统设计的基本思路。
2、 现行模具设计的弊端
对于传统压铸厂而言，通常不具备大型压铸模具的设计、制作能力，缸体压铸模具一般委外制作，往往压铸模具厂对压铸工艺的理解程度远低于压铸厂，同时不熟悉压铸模具的实际使用工况，这就造成了压铸模具设计与实际压铸生产的脱节。这一现象在目前国内压铸行业是普遍存在的，必须通过深入的技术沟通和协同设计来改善，一方面模具设计人员需要深入了解压铸模具生产工况（即买方的工艺现状）和铸件质量要求，另一方面压铸厂需要介入模具设计过程，尽可能完整并准确地表达出工艺限制条件。
3、 模具浇注系统设计的流程
3.1 产品数据确认
这一阶段主要是对铸件数据的检查与确认，评估铸件制造性风险，详细了解铸件质量要求，优化允许修改的产品细节，这个时候应当开始考虑浇注系统的布置，这个时候建议完成一轮CAE 凝固分析，帮助确定质量风险点；
3.2 浇注系统布置
铸件数据冻结后，模具设计正式开始，这个时候需要确定采用浇注系统的类型以及布置方向。对于缸体压铸件，浇注系统主要分为单边进浇与双边进浇两类，一般将浇口放置在缸体结构较复杂、质量要求较高的一侧；完成浇注系统的整体布置后，就基本可以完成模具分型的确认。
3.3 浇注系统设计
根据铸件体积，反求内浇口面积，在曲轴室壁上侧布置内浇口，根据局部体积分布分割内浇口比例；根据各部分内浇口流量，计算各段横浇道截面积；后根据压室充满度结合冲头速度计算料饼体积，完成浇注系统初步设计，作为后续设计工作的原点。
3.4 模流模拟分析
将初步设计的浇注系统输入CAE 系统进行填充分析，根据模流分析结果判断浇注系统设计的合理性，并调整浇注系统设计，此时开始排溢系统的设计；不断重复以上过程，使整个流态达到理想状态，终得到理想的浇注系统。
4 、主要设计因子
模具浇注系统设计与产品结构、模具使用工况密切相关，只有对这两点做到了深刻理解，才能设计出优良的浇注系统。浇注系统所解决的充型问题本质上是流量问题，浇注系统的设计简单的说就是回答如下三个问题：
1) 铝液从何部位进入铸件—选择什么类型的浇注系统、浇注系统布置在铸件的什么位置；
2) 铝液的速度是多少—冲头速度有多快、内浇口速度有多快；
3) 铝液通过的截面积多大—浇注系统各部分截面积是多少，料饼直径选多大；
浇注系统的整体结构如图 1 所示（以双边进浇式浇注系统为例），下面我们详细分析各详细设计因子：
4.1 浇注系统类型
浇注系统主要分为单边进浇和双边进浇两大类，其对实际压铸生产质量、成本和效率影响很大，如表 1 所示；应结合铸件的具体结构特点进行布置，对于高度较高或是两侧悬挂面均有高压油道的缸体，应充分评估其填充难度，优先考虑采用双边进浇方式，产品质量相对好保证；对于要求不高、结构不复杂的缸体优先考虑单边进浇，以节约成本。
4.2 浇注系统布置
首先识别缸体产品的质量关重部位，优先考虑布置将浇口在质量部位（如高压油道所在一侧），其次考虑充型的顺畅性，浇口附近位置应注意型芯对充型的影响，浇口附近的型芯不仅易弯曲折断，而且不利于前期铝液填充和后期增压压力压力传递。着重需要指出的一点是，对于缸体产品，在结构上曲轴室上方是常见的内浇口布置位置，应尽可能避免铝水对模具滑块的直接冲击，该冲击不仅带来紊流卷气和填充能量的损耗，更带来对模具滑块的冲击损耗，模具寿命缩短，生产成本增高。
4.3 内浇口速度
内浇口速度对铸件的充填效果有着至关重要的影响，实际压铸生产中内浇口速度应控制在30m/s-50m/s，过快将引发严重的溅射紊流及模具成型滑块冲刷问题，过慢则带来填充时间过长，增加铸件冷隔风险；对于缸体压铸模具，设计浇 注系统时推荐将内浇口速度设置为35m/s-45m/s，以保证在实际生产中仍有调整空间。
4.4 内浇口宽度
对于一般缸体铸件 70ms-100ms 内将完成铸件填充，填充时间过短将带来能量消耗，对设备、模具消耗较大，无形中提高了生产成本，填充时间过长将带来远端冷隔等充型不良的质量风险；由于某一铸件的体积是一定的，可根据如下公式反求出总的内浇口面积。
其中：S-内浇口面积，
V-铸件总体积（含浇铸及排溢系统），
v-内浇口速度，
t-填充时间
得到内浇口面积的计算结果后，即开始内浇口布置，对于缸体铸件需要注意的是内浇口的宽度的限制要多于长度的限制，内浇口宽度除了取决于内浇口面积，还取决于曲轴室壁厚，其不宜超过曲轴室壁厚的 1.3 倍，以严重的铝液溅射。
4.5 横浇道截面
基于成本考虑，不希望横浇道截面过大，以提高铝合金材料利用率；但是从产品质量要求出发，横浇道设计应考虑铝液的流量必须足够，原则上横浇道任意段截面积应大于后端任意分支浇道截面积之和，以避免浇道内的卷气问题。另外，需要提出的是，横浇道应具有一定的厚度以起到保温的作用，避免在压型过程中下方的直浇道及内浇口过早冷却，影响压型后期的增压效果，这一点需要在凝固模拟分析中确认，浇口凝固断开时间至少要大于 3s。
4.6 料饼直径
通常料饼的直径取决于采用的压室直径，对于某一铸件生产过程，给料体积是一定的，压室长度往往受到设备限制，调整范围有限，因而压室直径是压室充满度的重要影响因素；充满度过低，压室内部原有气体过多，可能导致卷气，充满度过高，压室的液面面积过小，易引起慢压射过程中的紊流，引发卷气问题（见图 3），我们推荐设计采用的压室充满度为 45%-55%；另外需要注意的是，确认料饼直径时，需要考虑设备的增压能力，料饼直径越大大，设备能够达到的增压上限就越低，工艺调整范围就越小，一般来说缸体压铸生产中增压上限是 90MPa。
压室填充率—60%，冲头速度—0.3m/s，压室长度—1000mm，浇注温度—670℃。
4.7 其他
上面介绍的是浇注系统中主要的设计因子，浇注系统设计还包括局部几何形状的调整，比如直浇道进浇角度、分流锥的具体几何形状等，具体需要进行结合模流模拟分析进行优化调整。
5、 小结
模具浇注系统设计是工艺设计工作中的重点，其设计水平将关系到后期量产的质量、成本、效率的实现，优秀的浇注系统一定是模具厂与压铸厂共同努力的结果，本文站在压铸厂的角度对缸体压铸模具浇注系统的设计进行了简要分析，初步提出了浇注系统主要设计因子的设计建议，这些当然是远远不足的，追求高质高效的压铸生产显然是我们共同的目。
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