原標(biāo)題：一種鋁合金殼體壓鑄模具設(shè)計

摘要

通過對殼體零件的結(jié)構(gòu)和成形性分析，重點對模具設(shè)計的主要環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的分析與研究；分析設(shè)計了模具的分型面位置、澆注和排溢系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及推出機(jī)構(gòu)，采用在側(cè)面厚壁處多點澆口的結(jié)構(gòu)形式；對模具的型芯、型腔做了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用型腔在定模、型芯在動模的普通兩板式結(jié)構(gòu)形式；并且型芯和型腔部分制作成活動鑲件，便于修理、更換，模具結(jié)構(gòu)簡單、實用，完全滿足模具的設(shè)計要求。

鋁合金材料具有輕量化特點，隨著鑄造成形工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，鋁合金材料的壓鑄工藝與模具設(shè)計發(fā)展迅速。壓鑄模具的設(shè)計是壓鑄成形的重要環(huán)節(jié)，對于整個加工過程的成本、效率以及成品精度等方面具有重要影響，因此，國內(nèi)外眾多學(xué)者對壓鑄模具進(jìn)行研究分析。馬冬威通過實驗對比分析發(fā)現(xiàn)，影響鋁合金式樣尺寸的主要因素是殘余應(yīng)力和固相結(jié)晶的變化；史寶良對汽車行業(yè)內(nèi)使用的結(jié)構(gòu)件典型部位進(jìn)行了相關(guān)分析，著重研究了高壓下鋁合金鑄件的性能特點；Jin K C采用兩種幾何形狀設(shè)計了薄板壓鑄模具，并提出了一種基于數(shù)值模擬的新型溢流系統(tǒng)，進(jìn)行了實際的真空壓鑄試驗通道的部分無回流，使用所提出的優(yōu)化模具設(shè)計制造了一個高質(zhì)量的樣品；Péter Szalva通過比較高壓壓鑄和真空輔助壓鑄件的高周疲勞行為，并描述鑄件缺陷是如何影響疲勞失效的，真空輔助壓鑄顯著減小了孔隙尺寸和體積，減少了氧化薄片的發(fā)生，從而提高了失效循環(huán)次數(shù)。以上學(xué)者的研究均是針對壓鑄成形后產(chǎn)品件的微觀結(jié)構(gòu)以及鋁合金鑄件的結(jié)構(gòu)性能分析研究，而對于壓鑄模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計及簡化尚未提及，因此，本研究的方向是針對一種鋁合金殼體壓鑄模具設(shè)計，此次設(shè)計有效避免壓鑄過程所產(chǎn)生的冷隔、夾渣、氣泡、疏松、散熱片不成形等缺陷。

1、壓鑄件結(jié)構(gòu)及工藝性分析

圖1為殼體零件，采用鋁合金壓鑄成形。該鑄件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，壁厚也不盡相同。殼體端面的壁厚為5 mm，側(cè)面四周壁厚為3 mm，其中一側(cè)的五個凸臺壁厚為15 mm 。背部有25個散熱片，比較密集，其細(xì)端寬度為1 mm，單邊斜度為1.5°，深度為9 mm。有四個加強(qiáng)筋的壁厚為5 mm，有六個加強(qiáng)筋的壁厚為1.5 mm。

圖1 殼體零件圖

綜合分析鑄件的結(jié)構(gòu)特性，在設(shè)計模具時應(yīng)該考慮鋁合金液體在模具中的流動方向及特性，合理選擇料流方向以及和散熱片方向的關(guān)系；由于鑄件壁厚不均勻，在壓鑄時容易產(chǎn)生夾渣、疏松等鑄造缺陷。因此，應(yīng)該合理選擇內(nèi)澆口的位置，壓鑄時便于鑄件能夠完全成形。考慮該殼體的結(jié)構(gòu)及實際生產(chǎn)情況，本壓鑄模具設(shè)計采用一模一腔的結(jié)構(gòu)形式。

2、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 分型面的選擇與設(shè)計

根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點及分型面設(shè)計要求，選擇殼體的大端面作為動模和靜模的分型面。為了便于鑄件脫模，應(yīng)該使成品留在動模一側(cè)。殼體內(nèi)表面的出模斜度單邊為2.5°，深度為48 mm，成形部分的包緊力能夠使殼體留在型芯一側(cè)，故選擇型芯在動模，型腔在定模的結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。

圖2 分型面設(shè)置

2.2 澆注系統(tǒng)及排溢系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)壓鑄模具澆注系統(tǒng)的設(shè)計原則，金屬料流方向應(yīng)該平行于散熱片的方向，以避免產(chǎn)生冷隔、夾渣、氣泡、疏松、散熱片不成形等缺陷。另外，內(nèi)澆口的位置應(yīng)設(shè)置在厚壁處，讓金屬液首先充填厚壁部分，以免厚壁處產(chǎn)生夾渣、疏松等鑄造缺陷。因此，為了使金屬液能夠快速充滿型腔，在殼體凸臺一側(cè)設(shè)置6個內(nèi)澆口。橫澆道采用階梯圓弧過渡式設(shè)計，能夠保證足夠的充填速度。直澆道設(shè)置分流錐，分流錐設(shè)計成圓弧過渡的結(jié)構(gòu)形式，可以在壓鑄時加快金屬液的充填速度。溢流槽應(yīng)設(shè)置在料流方向的末端。如圖3所示，在鑄件成形型腔的三面設(shè)置了13個溢流槽及排氣道。

圖3 澆注系統(tǒng)及排溢系統(tǒng)布局圖

2.3 推出機(jī)構(gòu)設(shè)計

本模具采用推桿推出鑄件，在模具設(shè)計中，推桿的位置選擇至關(guān)重要。一般來說，推桿位置應(yīng)該設(shè)置在鑄件對型芯包緊力最大的位置以及在鑄件厚壁處，以免鑄件在推出時被損壞。經(jīng)過綜合考慮，全部推桿采用Φ8 mm的圓推桿。在鑄件內(nèi)表面的頂面設(shè)置6根推桿，在鑄件端面處設(shè)置12根推桿。另外，在直澆道和橫澆道處設(shè)置9根推桿，在所有溢流槽處設(shè)置了13根推桿，此設(shè)計完全能夠滿足推出要求。

2.4 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

要提高壓鑄生產(chǎn)效率以及壓鑄件的質(zhì)量、致密性并降低熱應(yīng)力，在很大程度上取決于模溫的調(diào)節(jié)。考慮該壓鑄件屬于厚壁鑄件和中小批量生產(chǎn)等因素，在連續(xù)操作時，為了保持鑄件優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，需要在模具內(nèi)設(shè)置水冷卻裝置，使熱量隨著冷卻水循環(huán)流動而迅速排出。該模具采用比較簡易的冷卻系統(tǒng)，冷卻水道設(shè)置在模溫較高的型腔內(nèi)（即定模鑲件）。順著型腔長度方向設(shè)置6個Φ10 mm的冷卻水道，定模兩側(cè)各有6個水嘴與定模鑲件采用螺紋（密封處理）連接。進(jìn)水管和出水管設(shè)置在操作者對面一側(cè)，兩側(cè)的水嘴之間用輸水軟膠管進(jìn)行連接（用旋緊筘緊固），形成一套完整的水冷卻循環(huán)系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 模具總裝圖

2.5 模具結(jié)構(gòu)與總裝設(shè)計

圖4所示為本模具的總裝結(jié)構(gòu)圖。本模具采用普通的兩板式結(jié)構(gòu)，考慮到鑄件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及模具制作的成本因素，模具的型腔和型芯部分采用活動鑲件，分別鑲?cè)雱印⒍０鍍?nèi)的結(jié)構(gòu)形式。動、定模鑲件和動、定模板采用H7/K6的過渡配合，用螺栓連接固定。此設(shè)計利于模具成形部分的加工制作，也便于成形部分的修理、更換及尺寸調(diào)整。動、定模的合模，采用4根導(dǎo)柱和導(dǎo)套的配合形式，以保證模具合模穩(wěn)定、精確。為保證推桿能夠平穩(wěn)滑動，推桿固定在推板和推板固定板內(nèi)，采用4個推板導(dǎo)柱、導(dǎo)套的結(jié)構(gòu)形式來支撐推板和推板固定板的重量，確保推桿運(yùn)行平穩(wěn)、不會變形。在動模板內(nèi)設(shè)置4根Φ20 mm復(fù)位桿，并且固定在推板內(nèi)。推出動作完成后，模具合模時，動模內(nèi)的復(fù)位桿帶動所有推桿完成復(fù)位。

3、生產(chǎn)驗證

以國內(nèi)某研究所現(xiàn)有300 t冷室壓鑄機(jī)，所用模具為本次設(shè)計研發(fā)的模具，采用型腔在定模、型芯在動模的普通兩板式結(jié)構(gòu)形式。通過鋁合金液制備、優(yōu)化壓鑄過程相關(guān)參數(shù)完成本次鋁合金殼體的試制生產(chǎn)，去除渣包、鋸掉澆口后所生產(chǎn)的產(chǎn)品如圖5所示，本次試制有效避免壓鑄過程所產(chǎn)生的冷隔、夾渣、氣泡、疏松、散熱片不成形等缺陷，達(dá)到預(yù)期結(jié)果。

圖5 試制成品樣件

4、結(jié)論

（1）把主要成形部分結(jié)構(gòu)設(shè)計成鑲嵌件單獨(dú)加工，既能控制鑄件尺寸精度，又能實現(xiàn)對易損件的快速修理、更換和調(diào)整。
（2）通過對鑄件的結(jié)構(gòu)分析，選擇在鑄件側(cè)面厚壁處設(shè)置多個內(nèi)澆口，把橫澆道設(shè)計成階梯圓弧過渡形式，既保證散熱片的完好成形，又滿足了鑄件快速充填的要求。
（3）通過對鑄件成形工藝的分析，選擇金屬料流方向的末端設(shè)置多個溢流槽，可以避免壓鑄時產(chǎn)生冷隔、夾渣、氣泡、疏松、散熱片不成形等鑄造缺陷。
（4）本模具的結(jié)構(gòu)是型芯在動模、型腔在定模，主要成形部分采用鑲嵌結(jié)構(gòu)，模具采用普通的兩板式結(jié)構(gòu)。經(jīng)試模驗證，該模具動作平穩(wěn)、可靠，壓鑄件的外觀質(zhì)量和尺寸精度完全符合產(chǎn)品圖樣要求，無任何鑄造缺陷。

作者

孫全喜 李淑利 王偉 石智成 田迎春
中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五二研究所
尹飛 劉輝
陸軍裝備部駐南京地區(qū)軍事代表局駐煙臺地區(qū)
李金桃
杭錦旗能源服務(wù)中心

本文來自：鑄造雜志