压铸模具设计简介

一、 压铸简介 压力铸造简称压铸，是一种将熔融合金液倒入压室内，以高速充填钢制模具的型腔，并使合金液在压力下凝固而形成铸件的铸造方法。 压铸区别于其它铸造方法的主要特点是高压和高速。金属液是在压力下填充型腔的，并在更高的压力下结晶凝固，常见的压力为15100MPa。金属液以高速充填型腔，通常在1050米/秒，有的还可超过80米/秒，（通过内浇口导入型腔的线速度内浇口速度），因此金属液的充型时间极短，约0.010.2秒（须视铸件的大小而不同）内即可填满型腔。 压铸机、压铸合金与压铸模具是压铸生产的三大要素，缺一不可。所谓压铸工艺就是将这三大要素有机地加以综合运用，使能稳定地有节奏地和高效地生产出外观、内在质量好的、尺寸符合图样或协议规定要求的合格铸件，甚至优质铸件。 1、 压铸机 （1） 压铸机的分类 压铸机按压室的受热条件可分为热压室与冷压室两大类。而按压室和模具安放位置的不同，冷室压铸机又可分为立式、卧式和全立式三种形式的压铸机。 热室 压铸机 立式 冷室 卧室 全立式 （2） 压铸机的主要参数 a合型力（锁模力） （千牛）KN b压射力 （千牛）KN c动、定型板间的最大开距mm d动、定型板间的最小开距mm e动型板的行程mm f大杠内间距（水平垂直）mm g大杠直径mm h顶出力KN i顶出行程mm j压射位置（中心、偏心）mm k一次金属浇入量（Zn、Al、Cu）Kg l压室内径（）mm m空循环周期s n铸件在分型面上的各种比压条件下的投影面积 注：还应有动型板、定型板的安装尺寸图等。 2、 压铸合金 压铸件所采用的合金主要是有色合金，至于黑色金属（钢、铁等）由于模具材料等问题，目前较少使用。而有色合金压铸件中又以铝合金使用较广泛，锌合金次之。 下面简单介绍一下压铸有色金属的情况。 （1）、压铸有色合金的分类 受阻收缩 混合收缩 自由收缩 铅合金 -0.2-0.3% 0.3-0.4% 0.4-0.5% 低熔点合金 锡合金 锌合金-0.3-0.4% 0.4-0.6% 0.6-0.8% 铝硅系-0.3-0.5% 0.5-0.7% 0.7-0.9% 压铸有色合金 铝合金 铝铜系 铝镁系-0.5-0.7% 0.7-0.9% 0.9-1.1% 高熔点合金 铝锌系 镁合金-0.5-0.7% 0.7-0.9% 0.9-1.1% 铜合金 （2）、各类压铸合金推荐的浇铸温度 合金种类 铸件平均壁厚3mm 铸件平均壁厚3mm 结构简单 结构复杂 结构简单 结构复杂 铝合金 铝硅系 610-650 640-680 600-620 610-650 铝铜系 630-660 660-700 600-640 630-660 铝镁系 640-680 660-700 640-670 650-690 铝锌系 590-620 620-660 580-620 600-650 锌合金 420-440 430-450 400-420 420-440 镁合金 640-680 660-700 640-670 650-690 铜合金 普通黄铜 910-930 940-980 900-930 900-950 硅黄铜 900-920 930-970 910-940 910-940 注 注：浇铸温度一般以保温炉的金属液的温度来计量。 锌合金的浇铸温度不能超过450，以免晶粒粗大。 二、 压铸模 压铸模是压铸生产三大要素之一，结构正确合理的模具是压铸生产能否顺利进行的先决条件，并在保证铸件质量方面（下机合格率）起着重要的作用。 由于压铸工艺的特点，正确选用各工艺参数是获得优质铸件的决定因素，而模具又是能够正确选择和调整各工艺参数的前提，模具设计实质上就是对压铸生产中可能出现的各种因素预计的综合反映。如若模具设计合理，则在实际生产中遇到的问题少，铸件下机合格率高。反之，模具设计不合理，例一铸件设计时动定模的包裹力基本相同，而浇注系统大多在定模，且放在压射后冲头不能送料的灌南压铸机上生产，无法正常生产，铸件一直粘在定模上。尽管定模型腔的光洁度打得很光，因型腔较深，仍出现粘在定模上的现象。所以在模具设计时，必须全面分析铸件的结构，熟悉压铸机的操作过程，要了解压铸机及工艺参数得以调整的可能性，掌握在不同情况下的充填特性，并考虑模具加工的方法、钻眼和固定的形式后，才能设计出切合实际、满足生产要求的模具。 刚开始时已讲过，金属液的充型时间极短，金属液的比压和流速很高，这对压铸模来说工作条件极其恶劣，再加上激冷激热的交变应力的冲击作用，都对模具的使用寿命有很大影响。 模具的使用寿命通常是指通过精心的设计和制造，在正常使用的条件下，结合良好的维护保养下出现的自然损坏，在不能再修复而报废前，所压铸的模数（包括压铸生产中的废品数）。 实际生产中，模具失效主要有三种形式：热疲劳龟裂损坏失效；碎裂失效；溶蚀失效。 致使模具失效的因素很多，既有外因（例浇铸温度高低、模具是否经预热、水剂涂料喷涂量的多少、压铸机吨位大小是否匹配、压铸压力过高、内浇口速度过快、冷却水开启未与压铸生产同步、铸件材料的种类及成分Fe的高低、铸件尺寸形状、壁厚大小、涂料类型等等）。也有内因（例模具本身材质的冶金质量、坯料的锻制工艺、模具结构设计的合理性、浇注系统设计的合理性、模具机（电加工）加工时产生的内应力、模具的热处理工艺、包括各种配合精度和光洁度要求等）。 模具若出现早期失效，则需找出是哪些内因或外因，以便今后改进。 模具热疲劳龟裂失效 压铸生产时，模具反复受激冷激热的作用，成型表面与其内部产生变形，相互牵扯而出现反复循环的热应力，导致组织结构二损伤和丧失韧性，引发微裂纹的出现，并继续扩展，一旦裂纹扩大，还有熔融的金属液挤入，加上反复的机械应力都使裂纹加速扩展。 为此，一方面压铸起始时模具必须充分预热。另外，在压铸生产过程中模具必须保持在一定的工作温度范围中，以免出现早期龟裂失效。同时，要确保模具投产前和制造中的内因不发生问题。因实际生产中，多数的模具失效是热疲劳龟裂失效。 碎裂失效 在压射力的作用下，模具会在最薄弱处萌生裂纹，尤其是模具成型面上的划线痕迹或电加工痕迹未被打磨光，或是成型的清角处均会最先出现细微裂纹，当晶界存在脆性相或晶粒粗大时，即容易断裂。而脆性断裂时裂纹的扩展很快，这对模具的碎裂失效是很危险的因素。为此，一方面凡模具面上的划痕、电加工痕迹等必须打磨光，即使它在浇注系统部位，也必须打光。另外要求所使用的模具材料的强度高、塑性好、冲击韧性和断裂韧性均好。熔融失效 前面已讲过，常用的压铸合金有锌合金、铝合金、镁合金和铜合金，也有纯铝压铸的，Zn、Al、Mg是较活泼的金属元素，它们与模具材料有较好的亲和力，特别是Al易咬模。当模具硬度较高时，则抗蚀性较好，而成型表面若有软点，则对抗蚀性不利。但在实际生产中，溶蚀仅是模具的局部地方，例内浇口直接冲刷的部位（型芯、型腔）易出现溶蚀现象，以及硬度偏软处易出现铝合金的粘模。 压铸生产中常遇模具存在的问题注意点： 1、 浇注系统、排溢系统 例（1）对于冷室卧式压铸机上模具直浇道的要求： 压室内径尺寸应根据所需的比压与压室充满度来选定，同时，浇口套的内径偏差应比压室内径的偏差适当放大几丝，从而可避免因浇口套与压室内径不同轴而造成冲头卡死或磨损严重的问题，且浇口套的壁厚不能太薄。浇口套的长度一般应小于压射冲头的送出引程，以便涂料从压室中脱出。 压室与浇口套的内孔，在热处理后应精磨，再沿轴线方向进行研磨，其表面粗糙Ra0.2m。 分流器与形成涂料的凹腔，其凹入深度等于横浇道深度，其直径配浇口套内径，沿脱模方向有5斜度。当采用涂导入式直浇道时，因缩短了压室有效长度的容积，可提高压室的充满度。 （2）对于模具横浇道的要求 冷卧式模具横浇道的入口处一般应位于压室上部内径2/3以上部位，以免压室中金属液在重力作用下过早进入横浇道，提前开始凝固。 横浇道的截面积从直浇道起至内浇口应逐渐减小，为出现截面扩大，则金属液流经时会出现负压，易吸入分型面上的气体，增加金属液流动中的涡流裹气。一般出口处截面比进口处小10-30%。 横浇道应有一定的长度和深度。保持一定长度的目的是起稳流和导向的作用。若深度不够，则金属液降温快，深度过深，则因冷凝过慢，既影响生产率又增加回炉料用量。 横浇道的截面积应大于内浇口的截面积，以保证金属液入型的速度。主横浇道的截面积应大于各分支横浇道的截面积。 横浇道的底部两侧应做成圆角，以免出现早期裂纹，二侧面可做出5左右的斜度。横浇道部位的表面粗糙度Ra0.4m。 （3）内浇口 金属液入型后不应立即封闭分型面，溢流槽和排气槽不宜正面冲击型芯。金属液入型后的流向尽可能沿铸入的肋筋和散热片，由厚壁处想薄壁处填充等。 选择内浇口位置时，尽可能使金属液流程最短。采用多股内浇口时，要防止入型后几股金属液汇合、相互冲击，从而产生涡流包气和氧化夹杂等缺陷。 薄壁件的内浇口厚件要适当小些，以保证必要的填充速度，内浇口的设置应便于切除，且不使铸件本体有缺损（吃肉）。 (4)溢流槽 溢流槽要便于从铸件上去除，并尽量不损伤铸件本体。 溢流槽上开设排气槽时，需注意溢流口的位置，避免过早阻塞排气槽，使排气槽不起作用。 不应在同一个溢流槽上开设几个溢流口或开设一个很宽很厚的溢流口，以免金属液中的冷液、渣、气、涂料等从溢流槽中返回型腔，造成铸件缺陷。 2、 铸造圆角（包括转角） 铸件图上往往注明未注圆角R2等要求，我们在开制模具时切忌忽视这些未注明圆角的作用，决不可做成清角或过小的圆角。铸造圆角可使金属液填充顺畅，使腔内气体顺序排出，并可减少应力集中，延长模具使用寿命。（铸件也不易在该处出现裂纹或因填充不顺而出现各种缺陷）。例标准油盘模上清角处较多，相对来说，目前兄弟油盘模开的最好，重机油盘的也较多。 3、 脱模斜度 在脱模方向严禁有人为造成的侧凹（往往是试模时铸件粘在模内，用不正确的方法处理时，例钻、硬凿等使局部凹入）。 4、 表面粗糙度 成型部位、浇注系统均应按要求认真打光，应顺着脱模方向打光。由于金属液由压室进入浇注系统并填满型腔的整个过程仅0.01-0.2秒的时间。为了减少金属液流动的阻力，尽可能使压力损失少，都需要流过表面的光洁度高。同时，浇注系统部位的受热和受冲蚀的条件较恶劣，光洁度越差则模具该处越易损伤。 5、 模具成型部位的硬度 铝合金：HRC46左右 铜：HRC38左右 加工时，模具应尽量留有修复的余量，做尺寸的上限，避免焊接。 压铸模具组装的技术要求： 1、 模具分型面与模板平面平行度的要求。 2、 导柱、导套与模板垂直度的要求。 3、 分型面上动、定模镶块平面与动定模套板高出0.1-0.05mm。 4、推板、复位杆与分型面平齐，一般推杆凹入0.1mm或根据用户要求。 5、模具上所有活动部位活动可靠，无呆滞现象pin无串动。 6、滑块定位可靠，型芯抽出时与铸件保持距离，滑块与块合模后配合部位2/3以上。 7、浇道粗糙度光滑，无缝。 8、合模时镶块分型面局部间隙0.05mm。 9、冷却水道畅通，进出口标志。 10、成型表面粗糙度Rs=0.04，无微伤。压铸模要求高可靠性和长寿命，与压铸机、压铸工艺有机结合为一个有效的铸件生产系统，优化压铸模具设计、提高工艺水平，为压铸生产提供可靠保证，是大型压铸模设计所追求的方向。 压铸模具结构 通常压铸模具的基本结构包含：融杯、成形镶块、模架、导向件、抽芯机构、推出机构以及热平衡系统等。 压铸模具设计开发流程 模具设计和开发流程如图1所示，从该图中可以清晰地看出模具设计阶段需要设计人员所做的工作及模具设计的整体思路，其中包含一些与标准认证相关的设计和开发流程，对设计阶段可能产生的缺陷具有一定的预防作用。 压铸模具设计要点 第一，运用快速原型技术和三维软件建立合理的铸件造型，初步确定分型面、浇注系统位置和模具热平衡系统。 按照要求把二维铸件图转化为三维实体数据，根据铸件的复杂程度和壁厚情况确定合理的收缩率（一般取0.05%0.06%），确定好分型面的位置和形状，并根据压铸机的数据选定压射冲头的位置和直径以及每模压铸的件数，对压铸件进行合理布局，然后对浇注系统、排溢系统进行三维造型。 第二，进行流场、温度场模拟，进一步优化模具浇注系统和模具热平衡系统。 把铸件、浇注系统和排溢系统的数据进行处理以后，输入压铸工艺参数、合金的物理参数等边界条件数据，用模拟软件可以模拟合金的充型过程及液态合金在模具型腔内部的走向，还可进行凝固模拟及温度场模拟，进一步优化浇注系统并确定模具冷却点的位置。模拟的结果以图片和影像的形式表达整个充型过程中液态合金的走向、温度场的分布等信息，通过分析可以找出可能产生缺陷的部位。在后续的设计中通过更改内浇口的位置、走向及增设集渣包等措施来改善充填效果，预防并消除铸造缺陷的产生。 第三，根据3D模型进行模具总体结构设计。 模拟过程进行的同时我们可以进行模具总布置设计，具体包括以下几个方面： （1）根据压铸机数据进行模具的总布置设计。 在总布置设计中确定压射位置及冲头直径是首要任务。压射位置的确定要保证压铸件位于压铸机型板的中心位置，而且压铸机的四根拉杆不能与抽芯机构互相干涉，压射位置关系到压铸件能否顺利地从型腔中顶出；冲头直径则直接影响压射比的大小，并由此影响到压铸模具所需的锁模力的大小。因此确定好这两个参数是我们设计开始的第一步。 （2）设计成形镶块、型芯。 主要考虑成形镶块的强度、刚度，封料面的尺寸、镶块之间的拼接、推杆和冷却点的布置等，这些元素的合理搭配是保证模具寿命的基本要求。对于大型模具来说尤其要考虑易损部位的镶拼和封料面的配合方式，这是防止模具早期损坏和压铸过程中跑铝的关键，也是大模具排气及模具加工工艺性的需要。图4所示模具成形部分采用10块模块镶拼结构。 （3）设计模架与抽芯机构。 中小型压铸模具可以直接选用标准模架，大型模具必须对模架的刚度、强度进行计算，防止压铸过程中因模架弹性变形而影响压铸件的尺寸精度。抽芯机构设计的关键是把握活动元件间的配合间隙和元件间的定位。考虑模架工作过程中受热膨胀对滑动间隙的影响，大型模具的配合间隙要在0.20.3mm之间，成形部分的对接间隙在0.30.5mm之间，根据模具的大小及受热情况选用。成形滑块与滑块座之间采用方键定位。抽芯机构的润滑也是设计的重点，这个因素直接影响压铸模具的连续工作的可靠性，优良的润滑系统是提高压铸劳动生产率的重要环节。 （4）加热与冷却通道的布置及热平衡元件的选用。 由于高温液体在高压下高速进入模具型腔，带给模具镶块大量的热量，如何带走这些热量是设计模具时必须考虑的问题，特别是大型压铸模具，热平衡系统直接影响着压铸件的尺寸和内部质量。快速安装及准确控制流量是现代模具热平衡系统的发展趋势，随着现代加工业的发展，热平衡元件的选用趋向于直接选用的设计模式，即元件制造公司直接提供元件的二维和三维数据，设计者随用随选，既能保证元件的质量还能缩短设计周期。 （5）设计推出机构。 推出机构可分为机械推出和液压推出两种形式，机械推出是利用设备自身的推出机构实现推出动作，液压推出是利用模具自身配备的液压缸实现推出动作。设计推出机构的关键是尽量使推出合力的中心与脱型合力的中心同心，这就要求推出机构要具有良好的推出导向性、刚性及可靠的工作稳定性。对于大型模具来说推出机构的重量都比较大，推出机构的元件与型框间容易因为模具自重而使推杆偏斜，使之出现推出卡滞现象，同时模具受热膨胀对推出机构的影响也特别大，因此推出元件与模框间的定位及推板导柱的固定位置是及其重要的，这些模具的推板导柱一般要固定在把模板上，把模板、垫铁及模框间用直径较大的圆销或方键定位，这样可以最大限度地消除热膨胀对推出机构的影响，必要时还可以采用滚动轴承和导板来支撑推出元件，同时在设计推出机构时要注意元件间的润滑。北美地区模具设计者通常在动模框的背面增加一块专门的润滑推杆的油脂板，加强对推出元件的润滑。如图5所示，动模框底部增加润滑油板，有油道与推杆过孔相通，工作时加注润滑油，可以润滑推出机构，防止卡滞。 （6）导向与定位机构的设计。 在整个模具结构中导向与定位机构是对模具运行稳定性影响最大的因素，也直接影响到压铸件的尺寸精度。 模具的导向机构主要包括：合模导向、抽芯导向、推出导向，一般导向元件要采用特殊材料的摩擦副，起到减磨和抗磨的作用，同时良好的润滑也是必不可少的，每个摩擦副间都要设置必要的润滑油路。需要特别指出的是特大型滑块的导向结构一般采用铜质导套和硬质导柱的导向形式，配合以良好的定位形式，确保滑块运行平稳，准确到位。 模具定位机构主要包括：动静型间的定位、推出复位定位、成形滑块及滑块座间的定位、型架推出部分与型框间的定位等。动静型间的定位是一种活动性质的定位，配合的准确性要求更高，小型模具可以直接采用成形镶块间的凸凹面定位，大型压铸模具必须采用特殊的定位机构，以消除热膨胀对模具定位精度的影响，另外几种定位结构是元件间的定位，是固定定位，一般采用圆销和方键定位。如图6所示，成形镶块间的凸凹面定位，保证动静型间定位准确，防止模具错边。 （7）真空、挤压、排气机构等其他设计。 除了以上所述的结构，有的模具还有真空系统、挤压机构、波板排气等特殊要求。真空系统的设计主要是密封形式的设计，要使模具成形部分之间在正常模具工作温度下保持良好的密封性，一般采用硅橡胶密封。挤压机构设计的关键是挤压时机及挤压量的控制，保证挤压效果。波板排气是一种集中排气形式