壓鑄模具設(shè)計(jì)：壓鑄件的成功一步 澆口位置必須找準(zhǔn)
一副壓鑄模具的順利投產(chǎn)是一個(gè)壓鑄件成功開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而澆道系統(tǒng)的良好設(shè)計(jì)是保證壓鑄模具正常生產(chǎn)的前提。特別是一些有特殊要求(如氣密性、表面粗糙度等)的產(chǎn)品，批量生產(chǎn)時(shí)，這些特殊要求往往成了考核一個(gè)壓鑄模具成功與否的關(guān)鍵指標(biāo)。我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，雖然影響壓鑄件特殊要求質(zhì)量的因素較多，但澆口位置的設(shè)置往往是一個(gè)不可忽視的環(huán)節(jié)，不恰當(dāng)?shù)臐部谖恢迷O(shè)置會(huì)造成一副模具的整體報(bào)廢，或者模具生命周期大打折扣。本文以生產(chǎn)實(shí)踐中壓鑄模澆口位置的設(shè)置對(duì)壓鑄件質(zhì)量的影響做一簡(jiǎn)要的闡述。
壓鑄件澆道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要通過(guò)對(duì)鑄件的結(jié)構(gòu)分析，并確定各種要求以后進(jìn)行。設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的一般過(guò)程是：
(1)選擇澆口的位置。
(2)考慮引導(dǎo)金屬流的流向。
(3)劃分澆口的股數(shù)。
(4)設(shè)置澆道的形狀和尺寸。
(5)確定內(nèi)澆道的截面積。
在實(shí)際設(shè)計(jì)中，除澆口位置的選擇是首先考慮的一步外，上述順序只是一個(gè)大概考慮的步驟，先后次序并不是十分嚴(yán)格。其實(shí)，上述這幾方面是互相影響、互相制約的。在考慮后一個(gè)步驟時(shí)，很可能要對(duì)前一個(gè)步驟已作的設(shè)計(jì)進(jìn)行改變和調(diào)整。因此，必須根據(jù)具體情況全面地加以綜合考慮，從而設(shè)計(jì)出符合要求的澆注系統(tǒng)。由于澆道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)壓鑄件質(zhì)量影響的因素較多，本文僅就涉及澆口位置的選擇對(duì)壓鑄件質(zhì)量的影響進(jìn)行討論。
一、 澆口位置的選擇原則
在模具設(shè)計(jì)時(shí)，澆口位置的選擇，往往受到合金種類、鑄件結(jié)構(gòu)和形狀、壁厚變化、收縮變形、機(jī)型類別(臥式、立式)，以及鑄件的使用要求等方面的限制，因此對(duì)壓鑄件來(lái)說(shuō)，理想的澆口位置是很少的。在這些需要考慮的因素中，只能以滿足最主要的需求來(lái)確定澆口位置，特別是一些特殊的需要。澆口位置首先受到壓鑄件外形所限定，同時(shí)還要考慮其他一些因素。一般來(lái)講需要注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。
(1)澆口位置應(yīng)取在金屬液填充流程最短、流至型腔各部位的距離盡量相近的部位，使填充路徑減少曲折和避免過(guò)多的迂回。建議盡量采用中心澆口。
(2)澆口位置放在壓鑄件壁厚最厚的部位有利于最終壓力的傳遞。同時(shí)，澆口開(kāi)設(shè)在厚壁部位，對(duì)內(nèi)澆道厚度的增加也留有余地。
(3)澆口位置應(yīng)使型腔溫度場(chǎng)的分布符合工藝要求，盡量滿足金屬液流至最遠(yuǎn)端的填充條件。
(4)澆口位置取在金屬液流進(jìn)入型腔不起旋渦且排氣順暢的部位，有利于型腔內(nèi)氣體的排除。生產(chǎn)實(shí)踐中，要排除出全部氣體是十分困難的，但針對(duì)鑄件形狀設(shè)法盡量多地排除氣體則是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題。排氣問(wèn)題對(duì)有氣密性要求的鑄件應(yīng)特別引起重視。
(5)對(duì)于框形鑄件，澆口位置可以放在鑄件投影范圍內(nèi)(見(jiàn)圖1)，若單個(gè)澆口填充良好，沒(méi)必要采用多股澆口。
(6)澆口位置盡可能取在金屬液流不正面沖擊型芯的部位，應(yīng)避免使金屬流撞擊型芯(或型壁)。因?yàn)樽矒粜托竞螅饘僖簞?dòng)能耗散劇烈，同時(shí)也易形成分散液滴與空氣相混，使鑄件缺陷增多。型芯被沖蝕后，產(chǎn)生粘模，嚴(yán)重時(shí)，被沖蝕的部位形成凹陷，影響鑄件脫模。
(7)澆口位置應(yīng)設(shè)置在鑄件成形后容易去除或沖切澆口的部位。
(8)對(duì)有氣密性要求或不允有氣孔存在的壓鑄件，內(nèi)澆道應(yīng)設(shè)置在金屬液最終都能保持壓力的部位。
二、澆口位置影響壓鑄件質(zhì)量的實(shí)例
2.汽車空調(diào)壓縮機(jī)下殼體
如圖2所示，是一款汽車空調(diào)壓縮機(jī)的下殼體，該產(chǎn)品采用ADC12 合金，在DCC400壓鑄機(jī)上生產(chǎn)，沖頭直徑70mm，產(chǎn)品凈重1040 g，渣包重量267 g，模具溫度180～220℃，鋁液溫度650～680℃。
經(jīng)過(guò)幾次小批量生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，在圖2所示的三個(gè)部位會(huì)出現(xiàn)數(shù)量不等的漏氣現(xiàn)象，綜合漏氣比例甚至高達(dá)20%～30%。雖然一些滲漏的產(chǎn)品件后續(xù)經(jīng)過(guò)浸滲處理能達(dá)到客戶的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，但是每次的浸滲費(fèi)用較高，導(dǎo)致生產(chǎn)成本大幅上升，模具無(wú)法投入正常的生產(chǎn)。
為改善這一狀況，我們對(duì)幾次試制的壓鑄工藝進(jìn)行了認(rèn)真的計(jì)算分析，對(duì)該模具來(lái)說(shuō)，原有的壓鑄工藝參數(shù)基本上都調(diào)整到了最佳的狀態(tài)，是否是由于模具澆排系統(tǒng)的原因造成的這一問(wèn)題呢?隨即，我們便采用目前流行的壓鑄模擬流動(dòng)分析軟件對(duì)該模具的填充過(guò)程做模流分析，如圖3所示。
從模流填充圖上，我們可以看出，由于澆口開(kāi)在產(chǎn)品件的端面上，在金屬液填充時(shí)，圖2所示的漏氣部位B和C兩處，恰好是金屬液填充最末端所在的部位，由于這個(gè)產(chǎn)品的底部較厚，圓周的桶壁厚度較薄，金屬液填充的末端在最后的增壓階段無(wú)法得到有效的補(bǔ)縮，內(nèi)部存在組織疏松，最終造成鑄件在此處漏氣，氣密性不合格。
由上述分析可知，該模具的澆口位置設(shè)置欠妥，導(dǎo)致了鑄件氣密性檢測(cè)不合格，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)僅能夠?qū)β獾谋壤鸬叫》纳?，不能從根本上解決鑄件漏氣的問(wèn)題。為徹底解決下殼體的漏氣問(wèn)題，我們決定對(duì)該模具的澆口位置進(jìn)行更改，更改澆道位置后的鑄件三維毛坯如圖4所示。
同時(shí)，我們對(duì)新的設(shè)計(jì)方案做了模擬填充分析，結(jié)果如圖5所示。
從更改澆口位置后所作的模擬分析可以看出，在新的填充方案中，金屬液基本上是順序填充，流動(dòng)平穩(wěn)，同時(shí)，在金屬液流動(dòng)的最末端還設(shè)計(jì)有一個(gè)較大的集渣包及一定面積的排氣槽;從模擬結(jié)果上來(lái)看，更改后的方案要明顯優(yōu)于原有的設(shè)計(jì)方案。
隨后，我們根據(jù)新的設(shè)計(jì)方案，對(duì)模具的澆口位置進(jìn)行更改，經(jīng)過(guò)小批試模，產(chǎn)品件的綜合漏氣率下降到了3.3%左右，達(dá)到了預(yù)期的更改效果。
2. 汽車機(jī)油泵殼體氣密性的改善
圖6所示的鑄件是汽車上使用的一種機(jī)油泵的殼體，圖示區(qū)域有氣密性的要求，該產(chǎn)品是一個(gè)比較成熟的產(chǎn)品，已多次開(kāi)過(guò)模具，在歷次的模具使用過(guò)程中都存在產(chǎn)品氣密性不良的問(wèn)題，為改進(jìn)原有模具存在的這個(gè)難題，我們決定從更改壓鑄模具的澆口位置入手，重新設(shè)計(jì)該產(chǎn)品的澆道系統(tǒng)。
(1)根據(jù)澆口位置的選擇原則可知，中心澆口的使用，可以使金屬液的流程最短，同時(shí)有利于型腔內(nèi)氣體的排出，有利于鑄件的氣密性的提高。由于該產(chǎn)品的中間部位恰好有一個(gè)直徑約40mm的通孔，完全可以采用中心進(jìn)料的方式開(kāi)模。對(duì)采用中心澆口的方案，我們作了模擬填充分析，圖7為中心進(jìn)料填充的機(jī)油泵殼體模擬
從圖7可以看出，采用中心澆口后，恰恰是有氣密性要求的區(qū)域發(fā)生了填充不良，大面積的氣體被包裹進(jìn)去，此方案對(duì)提高鑄件的質(zhì)量及氣密性沒(méi)有大的改善，有可能還會(huì)帶來(lái)不良的后果，因此這個(gè)方案最終被否定了。經(jīng)過(guò)大家的討論研究，我們重新制定了第二套澆口位置的方案。
(2)根據(jù)壓鑄件的使用要求，采用多股分支澆道，將兩個(gè)分支開(kāi)設(shè)在有氣密性要求的部位，加強(qiáng)對(duì)這一區(qū)域的填充和補(bǔ)縮。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，新的澆道模擬結(jié)果如圖8所示。
由圖8可以看出，金屬液進(jìn)入型腔后對(duì)有氣密性要求的區(qū)域的填充，是平穩(wěn)推進(jìn)的，沒(méi)有噴射、卷氣等現(xiàn)象發(fā)生，且澆口開(kāi)設(shè)在有氣密性要求的區(qū)域，在填充完畢后，能夠很好地完成對(duì)該區(qū)域的增壓補(bǔ)縮作用，可大大提高鑄件此區(qū)域的的致密度，有效地減少氣孔、縮孔的發(fā)生，對(duì)提高鑄件的氣密性非常的有益。
新開(kāi)模具時(shí)參照第二套設(shè)計(jì)方案，重新開(kāi)設(shè)了澆道位置和內(nèi)澆道參數(shù)，經(jīng)過(guò)試模和批量生產(chǎn)，該產(chǎn)品的氣密性得到了很大的改善，漏氣率下降到5%以內(nèi)。
結(jié)語(yǔ)
通過(guò)上述分析，我們可以看到，一副模具澆道位置的設(shè)計(jì)存在許多不同的設(shè)計(jì)方案，如何從諸多的設(shè)計(jì)方案中遴選出最佳的設(shè)計(jì)方案，是設(shè)計(jì)精良的壓鑄模具必然要經(jīng)歷的一個(gè)過(guò)程，隨著現(xiàn)代軟件技術(shù)的發(fā)展，依靠先進(jìn)的壓鑄模擬軟件，可以幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)澆道位置做出更好的選擇，從而能避免模具使用后才發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，再進(jìn)行模具更改的尷尬，同時(shí)也能為企業(yè)節(jié)約一筆可觀的模具更改費(fèi)用。
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