原標(biāo)題：多案例描述壓鑄件無飛邊毛刺的模具設(shè)計(jì)及制造

導(dǎo)讀

壓鑄件的去飛邊毛刺工程巨大，需要的人工成本高。機(jī)器人去毛刺對(duì)壓鑄模具的一致性提出了更高的要求。重點(diǎn)論述了模具設(shè)計(jì)制造階段導(dǎo)入無飛邊毛刺的模具設(shè)計(jì)制造技術(shù)。主要是從鑄件的收縮率，模具配合間隙，模具強(qiáng)度設(shè)計(jì)，制造精度等方面進(jìn)行闡述，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等推算出計(jì)算公式。結(jié)果表明在模具的設(shè)計(jì)制造階段利用所述技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)能有效的實(shí)現(xiàn)壓鑄件的無飛邊毛刺壓鑄，該標(biāo)準(zhǔn)在模具的維護(hù)保養(yǎng)階段依然有效。

壓鑄件的飛邊毛刺的清除，企業(yè)需要投入大量的人力物力，企業(yè)毛刺工人數(shù)是壓鑄工人數(shù)的1～2倍。壓鑄件的去毛刺人工成本非常高。機(jī)器人去毛刺代替人工將來非常普遍，這在未來是很重要的降低人工成本的方法。但利用機(jī)器人去毛刺更要保證鑄件的一致性，分型線的間隙合理穩(wěn)定，鑄件的尺寸波動(dòng)，變形波動(dòng)等造成機(jī)器人損傷鑄件，損傷刀具，去毛刺的效果達(dá)不到理想狀態(tài)。

壓鑄件產(chǎn)生毛刺的原因貫穿于壓鑄的3大要素為壓鑄機(jī)，壓鑄模，壓鑄工藝。壓鑄工藝方面，模具溫度，鋁液溫度過高，鑄造壓力過大都可能產(chǎn)生毛刺；壓鑄機(jī)方面，鎖模力不足，模板變形也會(huì)產(chǎn)生毛刺；壓鑄模方面，模具的分型面，抽芯銷，頂桿孔的制造精度不夠產(chǎn)生毛刺；其中模具的設(shè)計(jì)精度制造精度差是壓鑄件產(chǎn)生毛刺的主要原因。圖1中輪轂的分型面毛刺大片相連，毛刺的工作量增加，甚至由于模具的脹型力導(dǎo)致鑄件尺寸超差變厚，原材料鋁的使用增加。這種情況下需要停止生產(chǎn)進(jìn)行對(duì)策。圖2中嵌套的端面，倒角面，內(nèi)孔都有毛刺。嵌套的端面不加工，又必須清理干凈毛刺，對(duì)碰孔完全被鋁皮聯(lián)通封閉，這都是給毛刺清理增加了難度。

圖1 輪轂滑塊間隙毛刺

圖2 箱體嵌套毛刺

為了定義毛刺的厚度，在壓鑄模具上制作錐形模具間隙，見圖3，鋁材為ADC12進(jìn)行最小壁厚的壓鑄驗(yàn)證，在壁厚≥0.09 mm以上成形都較清晰，0.09 mm以下，0.06 mm以上成形不連續(xù)。

為了定義毛刺的長(zhǎng)度，在壓鑄模具上制作模具分型面不同間隙進(jìn)行毛刺長(zhǎng)度的試驗(yàn)，見圖4。當(dāng)壁厚為0.08 mm時(shí)，從鑄件本體溢出的長(zhǎng)度約為4 mm；當(dāng)壁厚為0.07 mm，從鑄件本體溢出的長(zhǎng)度約為2 mm；當(dāng)壁厚為0.06 mm及以下時(shí)，從鑄件本體溢出的長(zhǎng)度＜1 mm，并且較難成形，鋁膜像粉狀存在，壓鑄件的拋丸處理完全能去除。總結(jié)以上試驗(yàn)結(jié)果定義圖5的模具配合間隙標(biāo)準(zhǔn)。

定義1：壓鑄模具生產(chǎn)時(shí)的間隙C≤0.06 mm 為無飛邊毛刺的模具設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)

圖3 鋁合金最小厚度試驗(yàn)

圖4 鋁合金壓鑄件薄壁長(zhǎng)度試驗(yàn)

圖5 壓鑄模具分型面及抽芯滑塊間隙

本文從模具設(shè)計(jì)的收縮率，強(qiáng)度設(shè)計(jì)，配合間隙及制造精度方面進(jìn)行研究和驗(yàn)證。試驗(yàn)條件：東芝800T壓鑄機(jī)，鋁材ADC12，鋁液溫度640 ℃，鑄造壓力660 kgf/，模具材料8407系。

1壓鑄模的熱膨脹

壓鑄件從模具中頂出時(shí)處于高溫狀態(tài)，然后冷卻至室溫產(chǎn)生收縮。模具設(shè)計(jì)時(shí)，先完成鑄件的3D后確定鑄件的收縮率。一般資料推薦是0.4～0.7，對(duì)于模具設(shè)計(jì)者需要針對(duì)不同的鋁合金選擇相應(yīng)的收縮率。

1.1 金屬材料的熱膨脹系數(shù)

壓鑄過程中涉及到的金屬熱膨脹系數(shù)就是模具鋼和壓鑄材料兩種。壓鑄模具材料常用8407，DIEVAR，H13，SKD61等都?xì)w類為8407系金屬材料。對(duì)于鋁合金壓鑄，模具預(yù)熱后的正常生產(chǎn)時(shí)的模具溫度范圍在75～425 ℃之間。根據(jù)模具的使用溫度選擇對(duì)應(yīng)的模具熱膨脹系數(shù)（圖6）。不同的壓鑄企業(yè)模具使用時(shí)溫度存在差異，企業(yè)需要根據(jù)大數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)確認(rèn)。

圖6 金屬材料8407模具鋼的熱膨脹系數(shù)

壓鑄鋁合金鎂合金的熱膨脹系數(shù)主要是和Si的含量有關(guān)，同一溫度情況下Si的含量越高，熱膨脹系數(shù)越小。圖7為3種常用壓鑄材料ADC12，A380，AM50的熱膨脹系數(shù)，對(duì)應(yīng)牌號(hào)豎線是該材料成分需求的中值。壓鑄廠家可以根據(jù)自己公司的常用Si含量進(jìn)行查詢。

圖7 鋁合金的熱膨脹系數(shù)

1.2 壓鑄模具設(shè)計(jì)收縮率的選定

壓鑄模具設(shè)計(jì)選擇收縮率時(shí)需要根據(jù)模具材料，鋁合金種類，壓鑄時(shí)模具的溫度綜合選擇。

(1）壓鑄件和模具的溫度：

收縮率是壓鑄件從模具頂出的瞬間開始冷卻到常溫的鑄件尺寸的變化，需要測(cè)量模具和鑄件的實(shí)際溫度。當(dāng)鑄件頂出完成測(cè)量模具的溫度，熱成像儀測(cè)量的結(jié)果是鑄件對(duì)應(yīng)的模具區(qū)域溫度289.5 ℃（鑄件頂出瞬間模具還在快速降溫），鑄件的外部溫度在350 ℃，內(nèi)部約400 ℃（這種熱成像儀測(cè)量溫度有延遲，溫度低于實(shí)際溫度約50 ℃），見圖8。

圖8 模具的熱成像溫度

（2）不同的溫度下模具鋼材料和壓鑄件材料的熱膨脹系數(shù)對(duì)應(yīng)表：

表1為根據(jù)圖6和圖7以及文獻(xiàn)資料制作的壓鑄件與模具溫度變化不同的熱膨脹系數(shù)的變化對(duì)應(yīng)表。常用的3種壓鑄材料ADC12，A380，AM50的熱膨脹系數(shù)。

表1中，當(dāng)鑄件頂出模具時(shí)，鑄件內(nèi)部的溫度350 ~400 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)模具溫度為280 ℃~300 ℃，此時(shí)材料為ADC12的鑄件和材料為8407系列模具鋼的公稱尺寸接近。經(jīng)過測(cè)試模具和鑄件的溫度，以及統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)中的模具的尺寸溫度變化，確定了表中合理的推薦值作為模具設(shè)計(jì)需要的參考數(shù)據(jù)。

案例一：壓鑄件在模具內(nèi)頂出困難時(shí)采用烘烤鑄件升溫再頂出鑄件的原理：

當(dāng)鑄件在模具內(nèi)頂出困難時(shí)，最常用的現(xiàn)場(chǎng)處理問題的方法是在鑄件與模具的結(jié)合部位涂上一層油脂，然后用天然氣烘烤鑄件（圖9）往往能再次頂出鑄件。

圖9 鑄件頂出困難時(shí)烘烤鑄件的方法

圖10 鑄件（公稱尺寸為40 mm時(shí)）與模具在不同溫度下的尺寸變化

根據(jù)表1做出鑄件公稱尺寸為40 mm時(shí)（其它尺寸斜率一樣）和模具隨溫度的變化關(guān)系曲線圖10，鑄件和模具的尺寸都會(huì)隨溫度的升高而升高，但是斜率不同，圖中的A點(diǎn)是鑄件和模具膨脹量等同時(shí)的交叉點(diǎn)，隨溫度的再升高，鑄件的尺寸＞模具的尺寸。造成鑄件包模頂出困難的原因之一就是生產(chǎn)中的停頓使鑄件溫度下降到鑄件與模具尺寸等同的A點(diǎn)以下，鑄件的收縮使尺寸小于模具的尺寸造成包緊力更大。采用烘烤的方法使鑄件的溫度上升，熱膨脹量增加，甚至大于了模具的尺寸，使包緊力減小。在這個(gè)過程中可以采用一邊烘烤一邊嘗試頂出的方法，很多企業(yè)沒有條件也不需要進(jìn)行溫度測(cè)試來等到條件符合才頂出，這種方法快速簡(jiǎn)單有效。否則需要下模具由模具工剔除的方法，非常的費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

圖11 鑄件與模具尺寸對(duì)于溫度的變化過程

2模具設(shè)計(jì)的收縮率

壓鑄件一般情況下形狀復(fù)雜，尺寸多。在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以直接套用經(jīng)驗(yàn)公式，如果在復(fù)制模情況下，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析，鑄件在生產(chǎn)中尺寸超差有沒有規(guī)律性，在壓鑄工藝確定的情況下，尺寸超差的偏向性是一致的，比如長(zhǎng)期偏大或者偏小，在復(fù)制模具時(shí)需要植入這個(gè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，也可以進(jìn)行現(xiàn)有模具的修正。但要注意的是大數(shù)據(jù)分析時(shí)大時(shí)小的無規(guī)律波動(dòng)就不能輕易修改模具，而要從工藝上讓該尺寸穩(wěn)定下來后尋找對(duì)策。

3模具設(shè)計(jì)的配合間隙

模具設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮模具的分型線分型面，銷子的對(duì)碰面，抽芯滑塊的配合面，凹凸模的配合面都需要設(shè)計(jì)合理的配合間隙,這在模具方面是產(chǎn)生飛邊毛刺的主要原因。

3.1 模具不同部位溫度測(cè)量

選擇四套模具分別測(cè)量模具的動(dòng)模定模，凹凸部位，抽芯滑塊，銷子及周邊溫度，得到表2和表3的結(jié)果。

圖12 模具的不同部位測(cè)量溫度

表2中，銷子與附近部位溫度高50.2 ℃，表3中，模具的凹凸部位抽芯滑塊的對(duì)應(yīng)部位，凸部溫度比凹部溫度高28.8 ℃。

3.2 凹凸面滑塊配合間隙

模具階梯分型以及抽芯滑塊的分型都存在凹凸的模具部分，由于散熱吸熱的不同，以及動(dòng)模定模在生產(chǎn)中與設(shè)備的動(dòng)定面的配合不同，熱量傳遞存在差異，所以會(huì)有不同的模具溫度，不同的溫度對(duì)應(yīng)于模具不同的熱膨脹量，不考慮配合間隙就可能造成模具的對(duì)碰面的損壞壓塌等造成鑄件該處的飛邊毛刺。

圖5中，已經(jīng)定義1：壓鑄模具生產(chǎn)時(shí)的間隙C≤0.07 mm 為無飛邊毛刺的模具設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn),這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是模具在正常生產(chǎn)中該處的間隙。

（1）階梯分型凹凸部配合間隙

在日常的工作中，模具設(shè)計(jì)制造者很難確定這兩種溫度的實(shí)際值，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)多次的測(cè)試驗(yàn)證，階梯分型，同一副模具的凹凸部表3統(tǒng)計(jì)的溫差為28.8 ℃（取30 ℃）簡(jiǎn)化計(jì)算。

（2）對(duì)碰銷子配合間隙

圖13 對(duì)碰銷配合間隙    圖14 抽芯滑塊碰穿銷配合間隙

（3）銷子與滑塊配合間隙

圖14中銷子與滑塊配合，一是要考慮銷子頂端與滑塊的出模斜度一致，銷子就需要防轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，同時(shí)還要設(shè)計(jì)銷子的間隙。由于滑塊在合模開模階段，抽芯滑塊的運(yùn)動(dòng)波動(dòng)和制造精度±0.03 mm，凹凸面滑塊配合間隙，三者累計(jì)相加。

圖15 抽芯滑塊碰穿銷0.15間隙毛刺

不同的壓鑄廠生產(chǎn)的工藝差異，配合間隙可能存在差異，需要日常的數(shù)據(jù)積累和分析改進(jìn)，總體上差異不大，可能0.01～0.03的波動(dòng)是正常的，以上的推薦計(jì)算公式依然是有效。

分型面對(duì)碰銷間隙設(shè)計(jì)合理后，壓鑄實(shí)現(xiàn)無飛邊毛刺完全可能，有錯(cuò)誤的觀點(diǎn)認(rèn)為模具設(shè)計(jì)制造沒有間隙才可以實(shí)現(xiàn)無飛邊毛刺的壓鑄。實(shí)際情況是配合過緊，模具壓塌變形產(chǎn)生更大的毛刺，并造成模具的損壞。

案例二：新模具或者新更換的銷子在第一模壓鑄時(shí)是正常的，但壓鑄幾十模的時(shí)候銷子變彎曲或者折斷的原因是什么？

新模具設(shè)計(jì)制造時(shí)沒有考慮銷子的配合間隙，模具在生產(chǎn)幾十模后銷子溫度上升，與模具附近的溫度存在差異，熱膨脹導(dǎo)致銷子的長(zhǎng)度增長(zhǎng)，導(dǎo)致銷子被碰彎曲或者壓斷裂。特別是與滑塊配合碰穿的的銷子更容易折斷和彎曲：首先是銷子頂部的斜度沒有設(shè)計(jì)，其次是銷子沒有防轉(zhuǎn)，第三是配合的間隙過小。以上都設(shè)計(jì)完成后還需要在模具冷裝配時(shí)進(jìn)行手工確認(rèn)，滑塊推進(jìn)后用塞尺檢查間隙，生產(chǎn)中進(jìn)行銷子間隙的合理調(diào)整。長(zhǎng)度超過200 mm的銷子需要檢討產(chǎn)品尺寸的穩(wěn)定性以及日常的監(jiān)察跟蹤及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。

3.3 嵌套的配合間隙

當(dāng)壓鑄件有嵌套時(shí)，嵌套外露部分與模具配合，間隙設(shè)計(jì)不合理產(chǎn)生的飛邊毛刺去除困難。圖16中，嵌套外露的abcg段都有毛刺。ag段要加工，鑄件上毛刺可以不清理,但bc段不加工，鑄件加工后bc段依然有毛刺，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配使用中的毛刺掉落是不允許的，如何防止毛刺的產(chǎn)生在模具設(shè)計(jì)階段需要核算。

圖16 嵌套上毛刺

在模具設(shè)計(jì)的圖17中，其中嵌套的a～g段都是外露，h為三個(gè)均布的嵌套定位銷孔，嵌套的a段與模具壓緊。

嵌套與模具的有效的封水（封鋁液）面為嵌套的a面和內(nèi)徑g面，這里的封水面就是防止鋁液進(jìn)入到需要外露的嵌套部分。

圖17 嵌套與模具的配合間隙設(shè)計(jì)（其中尺寸均為嵌套尺寸）

圖17的嵌套的封水面的距離a段只有1.5 mm距離太短，R角的b段也要參加封水的作用，否則bcde段都可能因?yàn)閍段的封水效果不好而產(chǎn)生毛刺。

圖18 嵌套與模具的配合間隙設(shè)計(jì)（其中尺寸均為嵌套尺寸）

綜合嵌套的各面與模具的配合情況，形成案列的設(shè)計(jì)間隙標(biāo)準(zhǔn)表4。

隨著模具使用壽命的增加，與嵌套配合的面，模具變形和磨損增加，飛邊毛刺也會(huì)增加。最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案是與嵌套有關(guān)的嵌套安裝銷，定位銷等模具設(shè)計(jì)為組合鑲拼式，制作備件進(jìn)行及時(shí)的更換。

4模具的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

壓鑄模具的強(qiáng)度和剛性設(shè)計(jì)不合理，壓鑄時(shí)模具變形也會(huì)導(dǎo)致飛邊毛刺的產(chǎn)生。

定義2：壓鑄模具變形量δ≤0.05  mm為模具恢復(fù)原狀的最大變形量

圖19 壓鑄模具強(qiáng)度設(shè)計(jì)

當(dāng)模具有抽芯滑塊時(shí)，模具剛性不夠，壓鑄時(shí)滑塊退位，導(dǎo)致毛刺增加，分型面跑鋁。圖示20。

圖20：抽芯滑塊的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

4.3 成形鑲件對(duì)模框的作用力

當(dāng)鑄件有復(fù)雜的深腔部分時(shí)，模具會(huì)采用鑲件的形式，圖21的模具鑲件直接與模框接觸，鑄造壓力完全作用在相同的輪廓面積上，鑄造壓力等同傳遞到模框上，隨著模次的增加在圖19中模框的對(duì)應(yīng)面積底部下沉，導(dǎo)致鑄件形狀尺寸發(fā)生變化，所以模具開發(fā)時(shí)需要識(shí)別該處的尺寸影響，納入質(zhì)量管理范疇。

很多的壓鑄企業(yè)鑄造壓力70MPa~110MP，甚至更大，而模框的屈服強(qiáng)度為91.5，每壓鑄一件沖擊模框一次，所以模框被壓塌。對(duì)策：一是保證質(zhì)量的情況下降低鑄造壓力；二是模框提高硬度，屈服強(qiáng)度得以提高；三是模框材料QT50更換為P20。

圖21 復(fù)雜深腔的鑲件

案例三：輪轂壓鑄圖22在冷模壓鑄時(shí)滑塊對(duì)碰面貫穿無毛刺，但該班生產(chǎn)1小時(shí)左右成片毛刺甚至封堵整個(gè)分型面。計(jì)算的結(jié)果變形量0.075 mm＞0.05 mm,滑塊受力不能恢復(fù)原位，造成跑鋁，產(chǎn)生飛邊毛刺。

圖22 輪轂滑塊面毛刺

對(duì)策：方案一是鑄造壓力780 kgf/降低到540/，前提條件是必須進(jìn)行產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度的CPK驗(yàn)證，本案例驗(yàn)證CPK合格。

方案二是降低模框的溫度：模具開始生產(chǎn)的前50模沒有飛邊毛刺，生產(chǎn)過程中模框QT50從常溫20 ℃升高到100 ℃左右，此時(shí)抗拉強(qiáng)度降低，模框變形量增大。此時(shí)可考慮模框用自來水降低溫度的方法。

圖23 輪轂?zāi)＞呋瑝K結(jié)構(gòu)及尺寸

5總結(jié)

通過分析壓鑄模具鋼以及壓鑄鋁合金的熱膨脹系數(shù)，在模具開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)壓鑄鋁合金種類正確選擇收縮率。壓鑄模具凹凸部銷子部存在溫度差異會(huì)導(dǎo)致熱膨脹量不同，同時(shí)模具的不同部位配合間隙的也不同，模具設(shè)計(jì)和制造時(shí)都需要對(duì)此進(jìn)行修正，以此來提高模具的精度。模具在使用中隨模具溫度變化其屈服強(qiáng)度也發(fā)生變化。只要模具的設(shè)計(jì)合理，制造精度提高，在模具方面實(shí)現(xiàn)無飛邊毛刺的壓鑄是能實(shí)現(xiàn)的。模具精度的提高鑄件的精度才有保證，鑄件的一致性好是壓鑄毛刺機(jī)器人正常使用的前提。本文僅從模具進(jìn)行了分析，壓鑄件的無飛邊毛刺還需要從設(shè)備工藝等全方位進(jìn)行分析對(duì)策。

作者：
唐和雍 李永杰 羅久林
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本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴