铸造模具技术讲课(2015年7月13日+方建儒)

2015年7月13日机密文件不得外传

铸造模具概况主讲：方建儒博士

模具是现代工业，特别是汽车、航空、电子电器、仪器仪表、武器、日用品等必不可少的工艺装备，因此模具质量的高低决定着产品质量的高低，模具行业也被称之为“百业之母”。

依据相关资料统计，模具带动其相关产业的比例大约是1:100。模具行业的地位一、模具行业宏观论述

模具行业属于专用设备制造业且品种繁多，共有10大类46小类，包括冲压、塑料、橡胶、铸造、锻压、挤压等类型，是一种涵盖各种用于金属和非金属成形的特殊装备。根据调查与统计，人们常见的工业产品有60%～90%的零件需要用模具成形。模具行业产品的分类一、模具行业宏观论述多工位级进模具翻边零件压筋零件一、模具行业宏观论述塑料模具制品模具标准件冲压模具塑料模具模具生产机床认识模具铸造是指将液态合金注入铸型中使之冷却、凝固，并进行处理后，最终成为金属制品的一种生产方式。根据铸造生产工艺的不同又可分为砂型铸造、压力铸造、重力铸造、熔模铸造、壳型铸造、消失模铸造等。铸造方法不同，所用的铸造模具就有所不同，其中砂型铸造和压力铸造是两种铸件产量比较大的铸造方法。一、模具行业宏观论述2015年4月将开始兑现和实施《京都议定书》中关于削减二氧化碳排放的计划与约定内容，各行各业都在开始为之准备和布局产业结构，模具行业为先导行业，必将迎来一次大的机遇。2014年中国铸件连续15年蝉联世界首位，总产量达到了4450万吨，产值达到了7500亿元人民币。金属铸造模具是铸造生产中最重要的工艺装备之一，占到中国模具总量的9%左右。一、模具行业宏观论述随着我国汽车制造业快速发展和轻量化制造技术进步，铸造模具（主要是汽车铸造模具）迎来了快速发展的大好时机。近年来，随着国家节能减排战略的实施，高真空压铸、低压铸造、差压铸造以及挤压铸造等轻合金铸造技术高速发展，铸造模具产值以超过25%以上的速度逐年增长。铸造模具近年来虽然取得了较大的技术进步，但与发达国家仍然具有很大的差距。随着汽车轻量化战略的实施，未来十年甚至二十年越来越多的汽车发动机系统、变速器系统、悬架系统、甚至车身结构件将逐渐实现由黑色金属向铸造有色金属的转变，铸造模具将进入一个高速发展的黄金时期。同时，也将有力的促进电子、航空、航天、建筑等行业的发展。一、模具行业宏观论述

模具制造（包括设计和加工）技术大致可分为5个发展阶段：手工操作阶段手工操作加机械化（普通通用机床与工具）阶段普通通用机床与工具数字控制阶段计算机化阶段和CAD/CAE/CAM信息网络技术一体化阶段

我国模具制造企业众多，目前技术发展水平参差不齐，各个阶段同时并存。大部分企业主要以数字控制阶段为主，但同时仍有不少企业停留在手工操作加机械化阶段。纯粹手工操作阶段已成为历史，今后的发展方向是CAD/CAE/CAM信息网络技术一体化。模具无纸化制造将逐渐替代传统的设计和加工。模具设计和加工技术一、模具行业宏观论述

零件设计浇注模拟模具设计选择模座装配调试电极及线切割加工NC加工式模具图模具设计与加工流程一、模具行业宏观论述从零件设计至装配调试前的流程展开：客户图档修补残缺及尺寸调整零件检查浇注模拟决定浇铸口分析零件拔模斜度及厚度指定缩尺模具设计模具中心及模仁辅料决定分模面位置产生公母模零件设计模具图组合模芯与模座决定顶针位置制作浇道制作水道NC加工选择机器选择刀具设定程序路径编辑产生GM码产生加工程序单模具设计与加工流程一、模具行业宏观论述模具制造流程一、模具行业宏观论述

模具制造属于机械制造的研究范畴，但一个机械制造能力较强的企业，未必都能承担模具制造任务，更难保证制造出高质量的模具。因为模具生产制造难度较大，与一般机械制造相比，有许多特点：

1.模具的生产特点

(1)加工精度高，形状复杂。模具的工作部分一般都是二维或三维的复杂曲面。一般来说，模具工作部分的制造公差都应控制在±0.01mm以内，模具加工后的表面不仅不允许有任何缺陷，而且工作部分的表面粗糙度Ra都要求小于0.8，需应用各种先进的加工方法才能保证加工质量。复杂模具由数百上千个零件组成，价格高的模具每套几百万元。模具的生产和工艺特点一、模具行业宏观论述(2)模具材料优异，硬度高。

模具的主要零件多采用优质合金钢制造。这类钢材从毛坯锻造、加工到热处理均有严格的要求。热处理变形也是加工中需认真对待的问题。

(3)单件生产。模具不是直接使用的产品，而是为生产产品而制造的工艺装备，这就使模具生产具有单件小批生产的特点。通常，每制造一副模具，都必须从设计开始，大约需要一个多月甚至几个月的时间才能完成，设计、制造周期都比较长。模具的生产和工艺特点一、模具行业宏观论述(4)生产周期短。

当前由于新产品更新换代的加快和市场的竞争，客观上要求模具生产周期越来越短。

(5)试模和试修。

由于模具生产的上述特点和模具设计的经验性，模具在装配后必须通过试冲或试压，最后确定是否合格。同时有些部位需要试修才能最后确定。因此在生产进度安排上必须留有一定的试模周期。模具的生产和工艺特点一、模具行业宏观论述(6)模具加工向机械化、精密化和自动化发展。目前产品零件对模具精度的要求越来越高，高精度、高寿命、高效率的模具越来越多。而加工精度主要取决于加工机床精度、加工工艺条件、测量手段和方法。

目前精密CNC高速铣床、五轴加工中心、精密数控电火花线切割机床、以及三坐标测量机、白光扫描仪等先进设备的应用越来越普遍，使模具加工向高技术密集型发展。模具的生产和工艺特点一、模具行业宏观论述

2.模具的工艺特点由于我国模具加工的技术手段还普遍偏低，同时又有上述生产特点，当前我国模具制造上的工艺特点主要表现如下：

(1)模具加工上尽量采用万能通用机床、通用刀量具和仪器，尽可能地减少专用二类工具的数量。

(2)在模具设计和制造上较多的采用“实配法”、“同镗法”等，使得模具零件的互换性降低，但这是保证加工精度，减小加工难度的有效措施。今后随着加工技术手段的提高，互换性程度将会提高。

(3)在制造工序安排上，工序相对集中，以保证模具加工质量和进度，简化管理和减少工序周转时间。模具的生产和工艺特点一、模具行业宏观论述

将模具材料(金属或非金属)加工成模具的方法，主要有常规机械加工、特种加工以及塑性加工、铸造和焊接加工方法等。

1.常规机械加工常规机械加工(即传统的切削加工)是模具制造中不可缺少的一种重要的加工方法。例如车削加工、铣削加工、磨削加工、钻削加工等。常规机械加工的明显特点是用相同的机床和工具可以加工出各种形状和尺寸的工件。但是，用常规机械加工方法加工复杂的形状时，其加工速度很慢，硬的材料也难于加工；材料的利用率不高；而且还要求有熟练的操作工人。尽管如此，在模具制造过程中常规机械加工仍然是主要的加工手段。模具的主要加工方法一、模具行业宏观论述

2.特种加工

特种加工从广义上说，是指那些不需要用比工件更硬的工具，也不需要在加工过程中施加明显的机械力，而是直接利用电能、化学能、声能、光能等来除去工件上的多余部分，以达到一定的形状、尺寸和表面粗糙度要求的加工方法，其中包括电火花成形加工、电火花线切割加工、电解加工、电化学抛光、电解磨削、电铸、化学蚀刻、超声波加工、激光加工等。模具的主要加工方法一、模具行业宏观论述特种加工相对于常规机械加工，有如下特点：(1)加工情况与工件的硬度无关，可以实现以柔克刚。(2)工具与工件一般不接触，加工过程不必施加明显的机械力。(3)可加工各种复杂形状的零件。(4)易于实现加工过程自动化。模具的主要加工方法

正因为特种加工有上述这些可贵的特点，所以特种加工在模具制造中得到越来越广泛的应用，并成为模具加工中的一种重要方法。一、模具行业宏观论述模具的主要加工方法一、模具行业宏观论述特种加工方法的分类模具的主要加工方法一、模具行业宏观论述名称产值主要产品主要用户人员主要设备设计编程数控钳工总人数数控深孔钻三坐标合模机宁波合力模具2.5亿压铸模具（缸体EA211、变速箱）、重力浇注模(EA211、EA888)、热冲压模具皮尔博格、上汽5018466032037233宁波辉旺机械1.0亿（出口0.3亿）压铸模具（缸体、变速器、结构件）吉利、徐航等北美出口2012323011022222广州型腔模具1.5亿（出口0.6亿）压铸模具（缸体、变速器、电梯级、结构件）重庆长安、广州鸿图等、欧洲出口328322018026233共立精机司1.0压铸模具（缸体、变速器）本田汽车----99----一汽铸模1.2亿压铸模具、金属模、浇注模、砂箱小车一汽2412604028082142二、铸造模具行业发展现状铸造模具设计技术以三维设计为主，模具主要是分散设计，没有明确的设计分工;压铸模具普遍实行充填和凝固模拟;芯盒模具开始进行射砂模拟.经验积累主要靠设计员之间的传帮带，数据归档整理欠佳,设计标准化刚刚起步,。辅助件逐步采用标准件二、铸造模具行业发展现状铸造模具数值化制造技术CAD/CAM/CAE一体化技术已经逐步在中国铸造模具企业开始采用；数控铣已经广泛应用于模具加工，新工厂高速加工和五轴加工已经开始投入应用,但高速五轴编程技术、编程模拟技术、刀具技术、刀柄技术还有待提高；电火花、线切割、钻孔技术还广泛应用于铸造模具制造业；3D打印、智能化检测、逆向工程、企业生产管理信息化刚刚起步。二、铸造模具行业发展现状铸造模具高寿命技术高性能压铸模具和低压铸造模具材料几乎全部为进口；各类铸造模具基本上无表面处理；模具寿命偏低；砂型铸造模具以普通厢式炉热处理为主，压铸模具开始采用真空热处理技术。二、铸造模具行业发展现状三、铸造模具先进制造技术与国际先进水平相比，铸造模具精度偏低，铸件废品率偏高，铸造模具寿命偏低，导致大量高端模具依赖进口。在汽车结构件高真空压铸模具等方面还处于空白阶段。对高端发动机缸体、高档自动变速器等大型精密压铸模具技术缺乏开发经验；在无机树脂铝合金缸盖重力铸造模具和结构件挤压铸造模具方面，处于起步阶段；铸件设计模具设计铸造模拟铸造生产优化铸造合金材料铸造工艺选择与确定铸件结构设计加工余量收缩率浇注系统溢流系统冷却系统加热系统液压系统电控系统流动模拟凝固模拟疏松模拟热节模拟热平衡模拟结构分析工艺参数的设置与调试铸件检测及质量控制模具CAD/CAE/CAM/CAPP技术三、铸造模具先进制造技术压铸模具整体优化设计压铸过程整体有限元模型建立压铸动态过程模具热平衡模具温度场模具热应力模具热疲劳铸件应力整体单元710万热平衡曲线Gleeble1500D三、铸造模具先进制造技术模架的拓扑结构优化红色区域为在不影响刚度和强度情况下可去除的材料实施效果：采用结构拓扑优化方法对压铸模架进行分析，指出了不影响刚度和强度情况下，可去除材料的区域，为模架的轻量化设计提供方案。压铸前压铸中压铸前压铸中三、铸造模具先进制造技术

1、模具高真空技术模具的密封是高真空压铸的难点，包括分型面、全部杆件、其它活动及漏气部分。密封方式一般采用密封条或高温油脂密封。真空压铸生产稳定性是衡量真空系统及模具密封结构优劣的重要条件。三、铸造模具先进制造技术热平衡系统智能化、自动化是压铸模具热平衡系统发展的终极目标。模具的重要部位设置温度传感器，通过压铸机的智能控制系统自动调整模具的工作温度，实现压铸过程温度控制自动化的目标。快速冷却技术，高导热材料，钨基粉末冶金材料等。2、模具热平衡技术三、铸造模具先进制造技术轴瓦部分较厚，达26mm,模拟分析该处容易产生铸造缺陷，这个部位又是铸件的关键部位，为了能得到高质量的铸件，在每个轴瓦处设计了增压机构，保证了轴瓦的质量，挤压时间的精确控制是局部挤压效果的重要因素。3、模具局部增压技术三、铸造模具先进制造技术36喷涂控制总成气体进口液体进口气液混合出口流量控制阀门由于模具滑块表面积较大，在进行自动或手工喷涂时存在喷涂死角，特别是滑块底面！该模具在滑块增加内喷涂装置和吹气清理装置吹气清理装置内喷涂装置4、内喷涂技术辉旺模具辉旺模具图片来自辉旺模具三、铸造模具先进制造技术模具的所有滑块都采用导柱式结构，导柱式滑块，滑块座底部是透空的，滑块打开时，模具中的铝渣容易被吹干净，喷涂液也容易排出模具外。此外导柱式滑块是后限位，所以不容易出现铝渣沾在限位面上使滑块合模时无法到位的问题。滑块液压顶出导柱式滑块结构辉旺模具三、铸造模具先进制造技术三、铸造模具先进制造技术HHD钢的连续冷却曲线(CCT曲线）CCT曲线特点根据NADCA#207-2003对模具钢热处理的要求，模具心部在从1030℃冷却到540℃的冷却速度应该大于28℃/min,也就是冷却速度要大于0.47℃/s。据现场测试，厚度为200mm的HHD模具在氮气压力为9Bar的条件下淬火，从1040℃冷却到540℃需要10分钟，冷却速度为1.0℃/s左右，从1040℃冷却到340℃需要30分钟，冷却速度为0.388℃/s左右。HHD钢在真空氮气淬火的条件下，也可以得到全部马氏体，甚至没有碳化物的析出，这是一种最为理想的组织状态。高淬透性、高性能模具材料开发三、铸造模具先进制造技术磨损时间ASSAB8407(HRC47)ASSABDIEVAR(HRC46)HHD-1(HRC46)HHD-2(HRC46.5)0.5H1024427291H2321106467实验温度/℃抗拉强度/MPa屈服强度/MPa延伸率/%断面收缩率/%硬度/HRC26.7180012958.019.548.6200166013705.318.8

400157513405.326

6009838885.524.5

三、铸造模具先进制造技术编号试样尺寸及冷却压力表面冷却速率℃/min芯部冷却速率℃/min1100×100×100，2Bar4941.92200×200×200，4Bar41.3922.33200×200×200，6Bar49.424.14300×300×300，8Bar34.3145300×300×300，10Bar48.115.16400×400×400，10Bar26.112.2大型模具真空等温热处理三、铸造模具先进制造技术HHD钢退淬火组织QS2昆山万润利名称：SYSTHERMS冷却压力：15BAR有效尺寸：1600×1100额定重力：3.5吨三、铸造模具先进制造技术基体硬度表面硬度氮化层深氧化层深度白亮层HRC44-46HV850-9000.06-0.08mm2-4um0

氮化+氧化

氮化+PVDTD/PCVD三、铸造模具先进制造技术EA211压铸模具国内水平：一汽丰田6缸压铸，周期114s,废品率：0.3%！1轿车发动机缸体汽车高端压铸模具示例三、铸造模具先进制造技术福特汽车自动挡变速箱壳体(宁波辉旺)2、轿车、卡车变速器壳体H平台7档自动变速器壳体（一汽）重卡变速器壳体（一汽）三、铸造模具先进制造技术AudiA8轿车铝合金车身，红色部位系铝合金压铸结构件！3、轿车车身和底盘结构件三、铸造模具先进制造技术后悬副车架轿车车门减震塔以上产品广州市型腔模具制造有限公司制造三、铸造模具先进制造技术路虎汽车镁合金仪表盘支架模具(50吨),一模两腔,已经做4套.辉旺模具三、铸造模具先进制造技术四、铸造模具行业发展趋势随着汽车轻量化战略的实施，未来十年甚至二十年越来越多的汽车发动机系统、变速器系统、悬架系统、甚至车身结构件将逐渐实现由黑色金属向铸造有色金属的转变，铸造模具将进入一个高速发展的黄金时期。同时，也将有力的促进电子、航空、航天、建筑等行业的发展。产品发展趋势四、铸造模具行业发展趋势四、铸造模具行业发展趋势车身结构件四、铸造模具行业发展趋势底盘结构件四、铸造模具行业发展趋势底盘结构件四、铸造模具行业发展趋势3D打印（快速原型制造）四、铸造模具行业发展趋势1、智能化模具

四、铸造模具行业发展趋势2、互联网+模具

3、智能化设计、智能化制造、智能化分析、智能化工艺、智能化检测一体技术

四、铸造模具行业发展趋势压铸过程整体有限元模型建立压铸动态过程模具热平衡模具温度场模具热应力模具热疲劳铸件应力整体单元710万热平衡曲线Gleeble1500D四、铸造模具行业发展趋势4、智慧工厂（互联网+模具、工业4.0）铸造模具技术要通过技术创新实现低排放、节能环保、物资循环利用、降低成本的目标。汽车生产的高批量与品种多样化，决定了铸造模具必然朝着短周期、高品质、柔性化、自动化、智能化的发展趋势。四、铸造模具行业发展趋势发展目标四、铸造模具行业发展趋势并行设计及设计标准化；CAD/CAM/CAE/CAPP一体化技术；模具长寿命及修复技术；智能制造技术；逆向工程及检测技术；生产管理信息化。技术发展趋势发展思路铸造模具技术的发展以支撑汽车轻量化、装备智能化、精密化为发展方向，以柔性化生产技术来降低生产成本、以智能化装备技术提升生产效率和自动化水平、以新材料、新工艺的应用带动汽车生产技术的升级，依托发挥重点工程项目的引领作用，产学研用相互配合，推动铸造模具技术持续发展。五、铸造模具规划铸造模具工艺技术平台总体规划（建议稿）产品压铸模具。金属模具技术CAD/CAM/CAE/CAPP一体化技术，模具长寿命及修复技术；智能制造技术逆向工程及检测技术；生产管理信息化质量模具产品的质量策划及研发制造过程质量控制体系。成本各级各类模具成本核算及报价系统标准《压铸模具订货技术规范》、《压铸模具技术标准》《铸造模具术语》VDA6.4各层次文件流程完善铸模厂质量技术文件及流程资源1.构建国外高端模具产品联合设计和新技术、新材料与新工艺合作伙伴平台2.构建国内模具标准件、工序外委、整套外委供应商平台平台构想五、铸造模具规划设计技术初步实现模具设计的专业化分工，80%以上铸造模具采用三维设计，实现部分典型结构的设计标准化，80%铸造模具设计通过数值模拟进行优化。

数值化制造技术初步建立以CAD/CAM/CAE/CAPP为一体的铸造模具制造体系，电火花、线切割、坐标镗、钻孔等技术的部分工作将由加工中心来完成，高速加工中心广泛应用于铸造模具制造企业，逆向工程、

快速原型制造（3D打印）开始初步应用的铸造模具行业。高寿命技术部分大型高寿命压铸模具和低压铸造模具材料开始国产化，真空等温热处理和表面热处理开始应用于铸造模具；

五、铸造模具规划十三﹒五期间设计技术

建立专业化分工的铸造模具并行设计队伍，取消二维图纸，建立三维标准件和典型结构库，实现设计标准化，数值模拟贯穿模具设计的始终，建立模具设计和调试的闭环系统，形成模具设计自我完善的经验积累。智能制造技术CAD/CAM/CAE/CAPP为一体的体系广泛应用于铸造模具制造行业，高速加工成为铸造模具型腔加工的主要方式，逆向工程、3D打印制造技术广泛应用于铸造模具行业。

高寿命技术铸造模具材料基本实现国产化，真空等温热处理和表面处理技术广泛应用于铸造模具，模具寿命与国外发达模具相当。

长期规划（--2030年）五、铸造模具规划近期-2015—2016

中期-2017—2020

长期-2020—

开发出轿车用四缸铝缸体压铸模具模具、轿车座椅等镁合金压铸模具、铝合金无机树脂浇注模具、轿车转向节等挤压铸造模具。红旗H/L平台和重卡变速器压铸模具；大型镁合金压铸模具；自主轿车L4、V6、V8缸体压铸或重力铸造模具；L4、V6、V8缸盖铸造模具；挤压铸造模具；高真空压铸模具开发。建立完善的产品设计开发、制造的数字化体系，形成缸体、缸盖、变速箱三大铝镁铸造模具平台，并实现铸造模具产品智能化开发、数字化制造。五、铸造模具规划重