原標題：一種鋁合金殼體壓鑄模具設計

摘要

通過對殼體零件的結構和成形性分析，重點對模具設計的主要環節進行了詳細的分析與研究；分析設計了模具的分型面位置、澆注和排溢系統的結構以及推出機構，采用在側面厚壁處多點澆口的結構形式；對模具的型芯、型腔做了具體的結構設計，采用型腔在定模、型芯在動模的普通兩板式結構形式；并且型芯和型腔部分制作成活動鑲件，便于修理、更換，模具結構簡單、實用，完全滿足模具的設計要求。

鋁合金材料具有輕量化特點，隨著鑄造成形工藝技術的不斷發展，鋁合金材料的壓鑄工藝與模具設計發展迅速。壓鑄模具的設計是壓鑄成形的重要環節，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，國內外眾多學者對壓鑄模具進行研究分析。馬冬威通過實驗對比分析發現，影響鋁合金式樣尺寸的主要因素是殘余應力和固相結晶的變化；史寶良對汽車行業內使用的結構件典型部位進行了相關分析，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計了薄板壓鑄模具，并提出了一種基于數值模擬的新型溢流系統，進行了實際的真空壓鑄試驗通道的部分無回流，使用所提出的優化模具設計制造了一個高質量的樣品；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生，從而提高了失效循環次數。以上學者的研究均是針對壓鑄成形后產品件的微觀結構以及鋁合金鑄件的結構性能分析研究，而對于壓鑄模具的結構設計及簡化尚未提及，因此，本研究的方向是針對一種鋁合金殼體壓鑄模具設計，此次設計有效避免壓鑄過程所產生的冷隔、夾渣、氣泡、疏松、散熱片不成形等缺陷。

1、壓鑄件結構及工藝性分析

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

圖1 殼體零件圖

綜合分析鑄件的結構特性，在設計模具時應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系；由于鑄件壁厚不均勻，在壓鑄時容易產生夾渣、疏松等鑄造缺陷。因此，應該合理選擇內澆口的位置，壓鑄時便于鑄件能夠完全成形。考慮該殼體的結構及實際生產情況，本壓鑄模具設計采用一模一腔的結構形式。

2、模具結構設計

2.1 分型面的選擇與設計

根據鑄件結構特點及分型面設計要求，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，應該使成品留在動模一側。殼體內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，故選擇型芯在動模，型腔在定模的結構形式，如圖2所示。

圖2 分型面設置

2.2 澆注系統及排溢系統設計

根據壓鑄模具澆注系統的設計原則，金屬料流方向應該平行于散熱片的方向，以避免產生冷隔、夾渣、氣泡、疏松、散熱片不成形等缺陷。另外，內澆口的位置應設置在厚壁處，讓金屬液首先充填厚壁部分，以免厚壁處產生夾渣、疏松等鑄造缺陷。因此，為了使金屬液能夠快速充滿型腔，在殼體凸臺一側設置6個內澆口。橫澆道采用階梯圓弧過渡式設計，能夠保證足夠的充填速度。直澆道設置分流錐，分流錐設計成圓弧過渡的結構形式，可以在壓鑄時加快金屬液的充填速度。溢流槽應設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置了13個溢流槽及排氣道。

圖3 澆注系統及排溢系統布局圖

2.3 推出機構設計

本模具采用推桿推出鑄件，在模具設計中，推桿的位置選擇至關重要。一般來說，推桿位置應該設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。經過綜合考慮，全部推桿采用Φ8 mm的圓推桿。在鑄件內表面的頂面設置6根推桿，在鑄件端面處設置12根推桿。另外，在直澆道和橫澆道處設置9根推桿，在所有溢流槽處設置了13根推桿，此設計完全能夠滿足推出要求。

2.4 冷卻系統設計

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

圖4 模具總裝圖

2.5 模具結構與總裝設計

圖4所示為本模具的總裝結構圖。本模具采用普通的兩板式結構，考慮到鑄件結構的復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，分別鑲入動、定模板內的結構形式。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、更換及尺寸調整。動、定模的合模，采用4根導柱和導套的配合形式，以保證模具合模穩定、精確。為保證推桿能夠平穩滑動，推桿固定在推板和推板固定板內，采用4個推板導柱、導套的結構形式來支撐推板和推板固定板的重量，確保推桿運行平穩、不會變形。在動模板內設置4根Φ20 mm復位桿，并且固定在推板內。推出動作完成后，模具合模時，動模內的復位桿帶動所有推桿完成復位。

3、生產驗證

以國內某研究所現有300 t冷室壓鑄機，所用模具為本次設計研發的模具，采用型腔在定模、型芯在動模的普通兩板式結構形式。通過鋁合金液制備、優化壓鑄過程相關參數完成本次鋁合金殼體的試制生產，去除渣包、鋸掉澆口后所生產的產品如圖5所示，本次試制有效避免壓鑄過程所產生的冷隔、夾渣、氣泡、疏松、散熱片不成形等缺陷，達到預期結果。

圖5 試制成品樣件

4、結論

（1）把主要成形部分結構設計成鑲嵌件單獨加工，既能控制鑄件尺寸精度，又能實現對易損件的快速修理、更換和調整。
（2）通過對鑄件的結構分析，選擇在鑄件側面厚壁處設置多個內澆口，把橫澆道設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置多個溢流槽，可以避免壓鑄時產生冷隔、夾渣、氣泡、疏松、散熱片不成形等鑄造缺陷。
（4）本模具的結構是型芯在動模、型腔在定模，主要成形部分采用鑲嵌結構，模具采用普通的兩板式結構。經試模驗證，該模具動作平穩、可靠，壓鑄件的外觀質量和尺寸精度完全符合產品圖樣要求，無任何鑄造缺陷。

作者

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

本文來自：鑄造雜志