摘要：基于數(shù)字化工具CimatronE，介紹帶側(cè)面凸臺的手表殼體壓鑄模具設(shè)計，分析澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、頂出系統(tǒng)的設(shè)計要點(diǎn)，給出了合理的設(shè)計參數(shù)。該設(shè)計方法對縮短壓鑄模具設(shè)計與制造周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量具有積極作用。

隨著汽車、數(shù)碼產(chǎn)品和家電等產(chǎn)品的不斷更新，以及對產(chǎn)品品質(zhì)的要求不斷提高，對產(chǎn)品設(shè)計與制造水平的要求也越來越高。以手表殼體零件為例，該零件對模具除了有較高的幾何精度要求外，其形位精度要求也較高，交貨期要求越來越短，而目前大部分企業(yè)仍沿用二維繪圖系統(tǒng)或混合應(yīng)用3D/CAD和2D/CAD系統(tǒng)完成設(shè)計任務(wù)，不能適應(yīng)市場需要。采用CimatronE軟件進(jìn)行壓鑄模具設(shè)計，分析了澆注系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，頂出系統(tǒng)的設(shè)計要點(diǎn)，給出了合理的設(shè)計參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計的數(shù)字化設(shè)計，大大提高了模具設(shè)計效率。

一、主要模具零件設(shè)計

1、工藝分析

圖1為手表殼體零件圖及斷開模型。殼體體積為5.1cm³，材質(zhì)為鋅合金。從圖1中可看出，該零件有兩對對稱分布的小凸臺，常規(guī)做法是采用側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)才能順利脫模，但該殼體主體以凸臺中部為對稱分為上下兩部分，且上下兩部分均向內(nèi)錐度2º，以此位置為斷開面通過創(chuàng)建曲面分型面來完成分模，可避免抽芯機(jī)構(gòu)。此外，該鑄件壁厚不均勻，設(shè)計澆注系統(tǒng)時要考慮確保所有的腔體都能有效填充，以獲得較好的成形質(zhì)量。根據(jù)零件大小和生產(chǎn)實(shí)際，采用1模2腔的模具結(jié)構(gòu)。設(shè)計時可加載2330標(biāo)準(zhǔn)模架，為確保型芯和型腔充分閉合，設(shè)置動、定模板間的間隙參數(shù)各為0.5 mm，選擇動、定模板尺寸分別為50 mm和70 mm的標(biāo)準(zhǔn)模板，設(shè)置方鐵高度為80 mm，用于頂出系統(tǒng)，其余模板采用CimatronE軟件的默認(rèn)尺寸。

2、分型面零件的設(shè)計

應(yīng)用CimatronE軟件的曲面設(shè)計功能，以凸臺中線為基準(zhǔn)做一條曲線斷開手表殼體曲面，把模型剖成兩半，一半在凹模，一半在凸模，見圖1b。隨后用分模功能從已斷開的曲面位置快速斷開形成型腔和型芯分模兩個曲面，見圖1c。

圖1：手表外殼零件及快速斷開模型

圖2為創(chuàng)建分型面的過程。以圖1中曲線為基準(zhǔn)設(shè)計成曲面分型線，將這條曲面分型線設(shè)計成分型面，這樣形成曲面式分型，避免使用側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，而表鏈位置既有斜面又有曲面，可通過分步補(bǔ)曲面來完成。用封閉孤島的功能把中心孔創(chuàng)建成內(nèi)分型面，見圖2a。沿著分型面的輪廓在表鏈位置創(chuàng)建一個混合曲面，見圖2b,再以該曲面的外側(cè)輪廓創(chuàng)建組合曲線，并以此曲線創(chuàng)建掃掠面，見圖2c，通過鏡像可得到另一側(cè)掃掠面，見圖2d。以掃掠面外側(cè)輪廓和殼體其他輪廓創(chuàng)建組合曲線，以此曲線創(chuàng)建掃掠面,通過鏡像把已創(chuàng)建的腔殼體分型面鏡像到另一腔，然后用ZX平面裁減外分型面，完成分型面零件的設(shè)計，見圖2e，這些曲面歸集在分型面零件中，用于后續(xù)模具成形零件的設(shè)計。

圖2：創(chuàng)建分型面

3、型芯、型腔零件設(shè)計

選擇動板系統(tǒng)建立一個命名為“型芯”的文檔，利用草圖繪制工具在XY平面上創(chuàng)建草圖,見圖3a，設(shè)置拉伸正增量為45 mm，反向增量為35 mm，見圖3b，通過軟件參數(shù)化的切除功能完成型芯設(shè)計，見圖3c。選擇定板系統(tǒng)同樣方法可完成型腔設(shè)計，見圖3d。

圖3：設(shè)計型腔和型芯零件

二、澆注系統(tǒng)的設(shè)計

澆注系統(tǒng)尺寸隨著鑄件材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及具體生產(chǎn)條件的不同而變化。由于鑄件厚度不均勻，會出現(xiàn)排氣困難和浮渣殘存缺陷，采用兩側(cè)澆注式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)順序凝固和避免產(chǎn)生縮孔。為了避免合金液沖刷直澆道底部，降低金屬液的流速及改變流向，直澆道采用流錐和分流錐配合。澆注系統(tǒng)的計算取決于最小截面積，可根據(jù)比例確定其他截面積。

1、內(nèi)澆口設(shè)計

（1）內(nèi)澆口截面積計算

式中，_內(nèi)為內(nèi)澆口截面積，cm³；T為充填時間，s。

（2）充填時間計算

式中，GF=0.31c㎡代入式（3），可得直澆道截面積_直F=0.37c㎡。

2、澆口套和分流錐設(shè)計

熱壓室壓鑄機(jī)采用的直澆道見圖4，主要由澆口套和分流錐組成，澆口套設(shè)計時要根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)來確定尺寸，澆口套導(dǎo)入口直徑查壓鑄件質(zhì)量手冊取值d1=8mm。為能將熔融鋅合金平穩(wěn)地引入型腔，增加熔融合金對分流錐的包緊力，便于開模時能使直澆道余料留在動模，設(shè)計分流錐的單側(cè)脫模斜度，長度L為50~70 mm，端面至分流錐頂端距離l=10~12 mm，R=4~5mm，h=2.5~3.5 mm，根據(jù)直角三角形定理，分流錐底部直徑可由以下公式推導(dǎo)：

式中，d₃為直澆道底部分流錐直徑，mm；L為長度，L=50~70 mm，取值L= 60mm；d₁為導(dǎo)入口直徑，mm。

由式（4）計算得d3=18 mm，澆口套大端直徑d2=d3+2h=18+2×2.5=23mm，通過優(yōu)化后實(shí)際直澆道的截面積為，單腔橫澆道的截面采用矩形，尺寸為15 mm×5 mm，單腔截面積為F單橫=0.75c㎡，雙腔截面積為F橫=1.50c㎡，計算出的單腔內(nèi)澆口截面積F單內(nèi)=0.31c㎡，雙腔截面積為F內(nèi)=0.62c㎡，計算出優(yōu)化后實(shí)際的截面比例為1.61:1.50:0.62=2.60:2.42:1。
綜上計算，設(shè)計出的澆注系統(tǒng)見圖5。

圖4 臥式熱壓鑄機(jī)用直澆道

圖5澆注系統(tǒng)

三、冷卻及頂出系統(tǒng)的設(shè)計

1、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

合金的工作溫度為150~200℃。為了保證冷卻效果，采用直徑為6 mm的水道，孔壁距離型腔的壁面取15 mm。根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和鋅合金材料的特性，設(shè)計出冷卻系統(tǒng)見圖6a。通過分析，溫差控制在3 ℃，最大翹曲量為0.11 mm,位于左右凸臺位置，，滿足客戶的需求，見圖6b和圖6c。

圖6 冷卻及質(zhì)量分析

2、頂出系統(tǒng)的設(shè)計

本鑄件較小，頂桿直徑取2 mm，單腔布置均勻?qū)ΨQ布置10根。為了便于脫模及余料餅的去除，在分流錐的后面加設(shè)4根推桿，保證能將分流錐頂出復(fù)位，其間隙還有利于排氣。

四、結(jié)語

應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行壓鑄模具設(shè)計與制造，可更好對產(chǎn)品外形、模具結(jié)構(gòu)、成形工藝等優(yōu)化，顯著縮短模具設(shè)計與制造周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。應(yīng)用該方法設(shè)計出的手表殼體模具，調(diào)試后生產(chǎn)出的鑄件，質(zhì)量優(yōu)良，獲得較短的新產(chǎn)品開發(fā)周期，該方法對同類產(chǎn)品的開發(fā)具有一定的借鑒作用。

作者：胡濱鎧 林明山
漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志社2019年第39卷第09期