原標(biāo)題：淺析大型壓鑄模零件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

摘要：通過對(duì)大型壓鑄模的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出對(duì)模具鑲塊結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、分流錐和熔杯、抽芯油缸等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。實(shí)踐驗(yàn)證表明，優(yōu)化方案不僅提高了模具的質(zhì)量、可維修性以及壓鑄成形的成品率，同時(shí)降低了模具的加工難度，提高了生產(chǎn)效率和模具壽命。

隨著我國汽車和機(jī)電行業(yè)的迅速發(fā)展，產(chǎn)品的輕量化、集成化、大型化已成為發(fā)展趨勢(shì)。以汽車行業(yè)為例，幾年前國內(nèi)汽車行業(yè)以及相關(guān)的壓鑄企業(yè)紛紛購買大型壓鑄機(jī)從2000 t到3800 t，基本上都是以生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱殼體和缸體為主。而近兩年對(duì)應(yīng)汽車車身結(jié)構(gòu)件一體化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，力勁集團(tuán)已推出9000 t壓鑄機(jī)用于壓鑄生產(chǎn)汽車車身結(jié)構(gòu)件。隨著產(chǎn)品的大型化以及集成化，造成壓鑄模具的尺寸越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，模具的壓鑄成品率、壓鑄的生產(chǎn)效率、模具的可靠性及模具壽命成為大型壓鑄模具設(shè)計(jì)的目標(biāo)。因此，合理設(shè)計(jì)壓鑄模零件結(jié)構(gòu)，對(duì)生產(chǎn)的壓鑄件質(zhì)量、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品成本、生產(chǎn)管理、模具壽命等起著至關(guān)重要的作用。

1、大型壓鑄模的特點(diǎn)

通常壓鑄模具的基本結(jié)構(gòu)有以下幾部分組成：成形零件、結(jié)構(gòu)零件、導(dǎo)向零件、抽芯機(jī)構(gòu)、推出機(jī)構(gòu)、澆注與排溢系統(tǒng)、加熱與冷卻系統(tǒng)及其他的緊固件定位件等。

大型壓鑄模因模具尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有以下特點(diǎn)：①動(dòng)定模型腔鑲塊安裝和拆卸困難，尤其在使用后因熱膨脹及使用中分型面的損傷，導(dǎo)致拆卸困難；②模具體積大，熱膨脹大，生產(chǎn)過程中難以保持穩(wěn)定的模具精度；③模具整體溫度控制困難；④鑄件冷卻時(shí)間長，尤其是料餅部分冷卻時(shí)間長，導(dǎo)致單件節(jié)拍長；⑤抽芯行程大，液壓抽芯時(shí)間長，生產(chǎn)效率低等。

針對(duì)以上特點(diǎn)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大型壓鑄模零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以提高大型精密壓鑄模具精度、生產(chǎn)效率及可靠性。

表1 壓鑄模基本結(jié)構(gòu)組成

2、大型壓鑄模零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 動(dòng)定模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 動(dòng)定模塊采用鑲拼結(jié)構(gòu)

成形零件是壓鑄模的核心部分，其結(jié)構(gòu)主要是依據(jù)壓鑄件的形狀及加工工藝來決定的。成形零件在壓鑄過程中承受高壓高速的金屬液沖擊，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須保證有足夠的強(qiáng)度、剛度、韌性 。考慮大型壓鑄模的特點(diǎn)，成形零件在保證強(qiáng)度和剛度的前提下，盡量按功能或工藝劃分，采用鑲拼結(jié)構(gòu)。大型壓鑄模動(dòng)定模塊采用鑲拼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）根據(jù)功能要求，合理使用模具鋼，可以降低模具成本。如圖1所示，模塊A是零件成形區(qū)域，形狀復(fù)雜并需要高的表面質(zhì)量，所以采用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)熱作模具鋼（W350、DIEVAR等），模塊B與澆注系統(tǒng)接觸，可以采用普通模具鋼（H13）。

（2）根據(jù)型腔的復(fù)雜程度及易損程度，進(jìn)行鑲拼拼接，可以提高加工工藝性，并便于更換。同時(shí)維修方便快捷，而且不影響模具整體性能。

圖1 鑲塊結(jié)構(gòu)

（3）對(duì)成形尺寸和形狀等結(jié)構(gòu)特殊處，采用鑲拼結(jié)構(gòu)，有利于模具局部強(qiáng)制冷卻方案的實(shí)施，并有利于型腔排氣。

（4）對(duì)大規(guī)格尺寸的型腔采用鑲拼結(jié)構(gòu)，可以降低加工難度，防止型腔開裂、變形等缺陷。

2.1.2　動(dòng)定模塊外形結(jié)構(gòu)

模具在連續(xù)生產(chǎn)過程中，型腔溫度會(huì)高于套板的溫度，會(huì)導(dǎo)致成形模塊膨脹量大于套板膨脹量，而套板和型腔采用H7/g6的配合間隙無法抵御熱膨脹的變化，模具就會(huì)產(chǎn)生熱變形。型腔模塊尺寸越大，變形量就越大。為解決此問題，型腔模塊外形采用圖2結(jié)構(gòu)，相鄰兩直面做定位基準(zhǔn)面，另相鄰兩面制作成斜面，鑲塊受熱膨脹后，分型面水平方向的膨脹量可以通過垂直方向來釋放，可以有效地解決模板膨脹變形的問題，一般α取6°。同時(shí)，在成形模塊外形設(shè)計(jì)時(shí)，模塊四周和底面采用大圓角過渡，以保證套板的強(qiáng)度不被破壞。

圖2 鑲塊與套板的裝配

2.2　方形導(dǎo)柱導(dǎo)套

對(duì)于大型模具而言，由于導(dǎo)柱導(dǎo)套布置在模具的邊緣中心距較大，在動(dòng)靜模受熱條件不同的情況下，其膨脹量有差異，如果采用圓形導(dǎo)柱導(dǎo)套，在模具溫度升高變化時(shí)，導(dǎo)柱導(dǎo)套就會(huì)發(fā)生異響甚至表面拉傷，從而影響模具配合精度。因此，大型模具采用方形導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)，在熱膨脹小的方向采用H9/e8的滑動(dòng)配合，熱膨脹大的方向采用2 mm間隙。因模具溫度場是以型腔為中心呈放射狀向外輻射，所以方導(dǎo)柱導(dǎo)套的布置一般在模具套板的四角，方向和間隙值確定見圖3。

圖3 方形導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)

2.3 分流錐和熔杯的設(shè)計(jì)

大型模具料缸直徑較大，要保證增壓壓力有效的傳遞，還需要料餅有足夠的厚度。由于大體積的料餅與鑄件的冷卻速度不匹配，導(dǎo)致留模時(shí)間延長，生產(chǎn)節(jié)拍加長，而且經(jīng)常在開模取件時(shí)，出現(xiàn)料餅爆裂現(xiàn)象，因此必須加大分流錐和熔杯的冷卻，才能有效縮短料餅的冷卻時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。圖4所示為優(yōu)化后的分流錐和熔杯結(jié)構(gòu)。

2.3.1 分流錐結(jié)構(gòu)

在大型壓鑄模中盡量設(shè)計(jì)分流錐，這樣可以減小熔杯的長度及壓射沖頭的推出行程。分流錐內(nèi)部加工成大空穴，加大冷卻水通道體積，根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算保證單邊壁厚>25 mm。冷卻水采用單點(diǎn)獨(dú)立噴管式水冷卻方式，不銹鋼水管內(nèi)壁進(jìn)水，外壁回水，并加大進(jìn)出水管的直徑（截面積），保證足夠的冷卻水流量，以實(shí)現(xiàn)快速冷卻。冷卻水回水端在模具外接流量閥，生產(chǎn)試制時(shí)用紅外線攝像機(jī)監(jiān)控分流錐處的模具溫度，根據(jù)模具溫度調(diào)整回水端的流量閥，最后鎖定冷卻水流量的管理值。批量生產(chǎn)中，通過監(jiān)控冷卻水的流量值來保證分流錐冷卻的穩(wěn)定性。

2.3.2 熔杯結(jié)構(gòu)

熔杯采用兩體式結(jié)構(gòu)，熔杯前端長度只滿足料餅的高度即可，這樣既有利于在熔杯前端布置冷卻水加快料餅的冷卻，又能保證一體式料缸的優(yōu)點(diǎn)，壓射沖頭運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

熔杯前端用專用夾具在加工中心上沿孔周邊加工出V型孔（如圖4），加大了冷卻水通道的長度和表面積；熔杯后端采用常規(guī)的冷卻水通道。冷卻水的調(diào)整和使用方法同上。

圖4 分流錐及分體熔杯結(jié)構(gòu)

2.4 抽芯油缸的設(shè)計(jì)

由于液壓抽芯機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)抽拔阻力大、抽芯行程長的特點(diǎn)，因此大型壓鑄模的滑塊一般采用液壓抽芯機(jī)構(gòu)。大型壓鑄模的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了滑塊會(huì)出現(xiàn)尺寸大、抽芯行程大兩種情況，針對(duì)這兩種情況，可以對(duì)抽芯油缸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下優(yōu)化。

滑塊在分型面方向尺寸大，采用雙油缸抽芯。雙油缸抽芯結(jié)構(gòu)如圖5所示，兩側(cè)油缸活塞桿4固定在套板上，油缸缸體1固定在油缸連接板2上。工作時(shí)活塞桿4固定不動(dòng)，油缸缸體1通過油缸連接板2帶動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)。當(dāng)前端無桿腔進(jìn)油，油缸帶動(dòng)滑塊抽芯；反之，有桿腔進(jìn)油，油缸帶動(dòng)滑塊插芯。模具采用雙油缸結(jié)構(gòu)，不僅可以減小油缸直徑，更重要的雙側(cè)受力滑塊運(yùn)行更穩(wěn)定。

圖5 雙油缸抽芯結(jié)構(gòu)

滑塊抽芯力大且行程大時(shí)，采用復(fù)合油缸。復(fù)合抽芯油缸結(jié)構(gòu)如圖6所示。件2既是小缸的缸體又是大缸的活塞桿。工作時(shí)由于滑塊初始抽芯力大，需要大缸先啟動(dòng)，當(dāng)滑塊成形面脫離型腔后，抽芯力只剩下運(yùn)動(dòng)的摩擦力，小油缸帶動(dòng)完成抽芯行程即可。抽芯時(shí)下油口進(jìn)油，大缸活塞桿2帶動(dòng)滑塊向左移動(dòng)L1行程時(shí)，大缸停止運(yùn)行，小缸活塞桿5帶動(dòng)滑塊繼續(xù)向左移動(dòng)L2行程。模具采用復(fù)合抽芯油缸結(jié)構(gòu)，既可以滿足大油缸實(shí)現(xiàn)大的抽芯力，又避免了大油缸因體積大、進(jìn)油速度慢而導(dǎo)致抽芯速度慢的問題，可以降低生產(chǎn)節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率。

圖6 復(fù)合抽芯油缸結(jié)構(gòu)

2.5 局部增壓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

隨著產(chǎn)品的大型化以及集成化，壓鑄件的結(jié)構(gòu)形狀也越來越復(fù)雜，壁厚不均勻的薄壁件日趨增多，同時(shí)對(duì)鑄件的質(zhì)量提出了更高的要求，高性能、輕量、低成本是發(fā)展趨勢(shì)。而薄壁鑄件在局部壁厚熱節(jié)處就會(huì)存在補(bǔ)縮困難的問題，容易產(chǎn)生縮孔等鑄造缺陷，造成鑄件強(qiáng)度降低及滲漏的風(fēng)險(xiǎn)。局部增壓技術(shù)就是在壓鑄模上設(shè)置增壓油缸，對(duì)局部壁厚熱節(jié)處實(shí)施二次加壓，從而得到組織致密的鑄件，消除局部縮孔的產(chǎn)生。局部增壓機(jī)構(gòu)根據(jù)鑄件熱節(jié)處存在的部位，可
以設(shè)置在動(dòng)靜模或側(cè)抽滑塊上（圖7）。

圖7 局部增壓結(jié)構(gòu)

3、應(yīng)用驗(yàn)證

以上對(duì)模具的優(yōu)化措施已應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、油底殼和變速箱殼體等2 000 t以上壓鑄機(jī)用模具上，經(jīng)多年批量生產(chǎn)驗(yàn)證，鑄件質(zhì)量穩(wěn)定，模具運(yùn)行可靠，降低了模具的加工難度和模具成本，提高了生產(chǎn)效率和模具壽命。應(yīng)用實(shí)例見圖8。

圖8 應(yīng)用實(shí)例

4、結(jié)論

（1）大型壓鑄模的成形零件在保證強(qiáng)度和剛度的前提下，盡量按功能或工藝劃分，采用鑲拼結(jié)構(gòu)。鑲塊外邊緣兩側(cè)采用斜面裝配，能夠減少模具熱膨脹導(dǎo)致的變形。

（2）通過優(yōu)化分流錐和熔杯的結(jié)構(gòu)，加大鑄件料餅部位的冷卻，能夠降低生產(chǎn)節(jié)拍，提高效率。

（3）大型壓鑄模采用方導(dǎo)柱導(dǎo)套，在動(dòng)靜模受熱條件不同的情況下，能夠保證模具導(dǎo)向精度。

（4）液壓抽芯機(jī)構(gòu)采用雙油缸能夠保證大尺寸的滑塊運(yùn)行平穩(wěn)，采用復(fù)合油缸能夠提高滑塊的運(yùn)行速度，從而提高生產(chǎn)效率。

（5）局部增壓機(jī)構(gòu)能夠有效解決鑄件熱節(jié)處的縮孔，可以設(shè)置在模具動(dòng)靜模或滑塊上。

作者：

侯麗彬
大連科技學(xué)院

白明月 王琳琳
大連亞明汽車部件股份有限公司

本文來自:《鑄造》雜志2022年第6期第71卷