壓鑄模設(shè)計(jì)與制造中應(yīng)注意的問(wèn)題

壓鑄模設(shè)計(jì)與制造中應(yīng)注意的問(wèn)題【摘要】詳細(xì)介紹了從壓鑄產(chǎn)品設(shè)計(jì)到壓鑄模制造全過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題?！娟P(guān)鍵詞】壓鑄模；成本；影響因素；注意問(wèn)題壓鑄產(chǎn)品及模具成本壓鑄產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)是：①更大的零件；②更薄的壁厚；③更復(fù)雜的形狀；④更精確的尺寸?？紤]以上因素，使用高壓鑄造比使用低壓鑄造的重力鑄造法更有利。影響單一零件和顧客最后產(chǎn)品的成本的因素有很多。這些因素的90％是在設(shè)計(jì)階段決定的，而不是在選定的制造過(guò)程中提高效率可以奏效的。有些因素比較容易辨別，例如原材料和加工成本，但這些很難大幅度降低。其它因素雖然不太明顯，卻能對(duì)降低成本具有很多的影響。結(jié)合幾個(gè)零件來(lái)降低裝配成本，因?yàn)楝F(xiàn)有幾個(gè)零件的裝配已被一個(gè)壓鑄件代替了。改變另一個(gè)制程需要重新設(shè)計(jì)，如此才能從壓鑄制程得到最經(jīng)濟(jì)的解決辦法。重新設(shè)計(jì)零件，考慮壓鑄制程、模具制造，影響模具壽命的特點(diǎn)的設(shè)計(jì)，以及修整和結(jié)合要求，經(jīng)常是有益的。重量減輕降低了原材料直接成本，而且還提高了生產(chǎn)效率。重量節(jié)省降低了總材料用量，經(jīng)常透過(guò)消除潛在的收縮孔隙區(qū)域改進(jìn)零件的設(shè)計(jì)和品質(zhì)。應(yīng)小心避免可能會(huì)導(dǎo)致模具過(guò)早失效或大量維修的較小的構(gòu)件。采用均勻一致的壁厚，因?yàn)椴煌暮穸葧?huì)由于金屬在充填時(shí)變化的速度和產(chǎn)生的湍流對(duì)壓鑄件產(chǎn)生負(fù)面影響。在較大的結(jié)構(gòu)零件中考慮肋條的設(shè)計(jì)能減少總材料用量，同時(shí)保持零件結(jié)構(gòu)的完整性。避免倒鉤。倒鉤會(huì)使零件和相關(guān)模具加工成本相對(duì)地增加。避免尖角。因?yàn)樗鼘?duì)模具壽命有害并會(huì)使零件成本增加。不必要過(guò)緊的公差會(huì)相對(duì)地增加壓鑄件的成本。要獲得壓鑄件適用公差決定于整個(gè)制程，而不只是模腔。必須避免使用零件不必要的幾何公差。應(yīng)當(dāng)著重在完全分析后，再對(duì)功能性的特征加注幾何公差，以確保不使用過(guò)緊的公差。拔模斜度是壓鑄件的一個(gè)重要要求，它能確保零件從模具中取出而不會(huì)受損。壓鑄件中不垂直于分模線的地方經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致成本相對(duì)地增加，因?yàn)樾枰褂脗?cè)面滑塊或進(jìn)行另外的機(jī)械加工。避免機(jī)械加工可消除產(chǎn)生廢品率增加外表缺陷的可能性。允許的澆口殘跡和分模線，以及它們的位置，會(huì)影響到成本。要求越高，修整加工作業(yè)和費(fèi)用的程度也越高。使用自攻螺絲或螺紋成形螺釘能消除所需的攻牙作業(yè)以及固定的必要性，從而相對(duì)地降低修整加工零件的成本。適用于自攻螺絲或螺紋成形螺釘?shù)男托究啄鼙昏T造出來(lái)，因此減少了鉆孔作業(yè)的必要性。壓鑄合金的成本會(huì)有變動(dòng)，無(wú)法完整地說(shuō)明修整加工零件的相關(guān)成本。壓鑄制程的經(jīng)濟(jì)性在重大程度上是生產(chǎn)效率的一個(gè)因子，是由諸如材料、機(jī)器規(guī)模、零件重量、周期時(shí)間、模腔數(shù)、模具壽命和廢品率這些獨(dú)立的因素決定的。在確定產(chǎn)品功能之后，必須制定出一個(gè)與壓鑄制程相配的構(gòu)造，并選定合金。選擇合金主要根據(jù)所需的機(jī)械、物理和化學(xué)性能。在可以選擇一種以上的壓鑄合金時(shí)，相對(duì)經(jīng)濟(jì)性一般都會(huì)比較好。經(jīng)過(guò)最佳化處理的壓鑄制程的零件設(shè)計(jì)將以促成一個(gè)完好鑄件的方式完全用金屬進(jìn)行填充。這既是零件設(shè)計(jì)的一個(gè)機(jī)能，也是模具使用的澆口、料道和溢流系統(tǒng)，以及在壓鑄制程中使用的機(jī)器參數(shù)的設(shè)計(jì)。凝固迅速，而且沒(méi)有缺陷。這也是設(shè)計(jì)和上述制程參數(shù)的一個(gè)函數(shù)。能容易從模具中取出而不會(huì)損壞壓鑄件。應(yīng)用以下6個(gè)原則設(shè)計(jì)壓鑄件，能獲得較好結(jié)果。（1）使用一致的壁厚。（2）在諸如側(cè)壁、肋條、凸起物部等交合部分采用較大的圓角。如此能增強(qiáng)零件的強(qiáng)度，改善金屬流動(dòng)性，減少模具的維護(hù)保養(yǎng)并延長(zhǎng)模具壽命。（3）必須確定拔模斜度。在有些情況下，為了排除修整加工，以最小或甚至零拔模斜度進(jìn)行壓鑄是可行的。然而，這需要仔細(xì)考慮。（4）尖銳的外角應(yīng)用倒圓或倒角來(lái)消除，以減少模具失效的可能性及減少維修。應(yīng)當(dāng)記住，零件上的一個(gè)外角是模具中的一個(gè)內(nèi)角，如果沒(méi)有倒圓角，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的應(yīng)力梯度，這個(gè)應(yīng)力梯度會(huì)由于在制程和熱循環(huán)中使用的高壓力下而失效。（5）應(yīng)盡可能避免倒鉤，因?yàn)樗鼈儠?huì)要求對(duì)零件進(jìn)行加工，或者需要在模具中使用往復(fù)性的模芯滑塊。（6）讓主要尺寸與壓鑄模構(gòu)件有關(guān)，而不要越過(guò)分模線。由于零件在頂出模和固定模的兩處構(gòu)件不對(duì)稱，要使得壓鑄模分界線兩邊達(dá)到同樣精度是不太可能的。壓鑄模設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題壓鑄模的設(shè)計(jì)主要根據(jù)壓鑄件的形狀而定。但是模具設(shè)計(jì)和尺寸會(huì)對(duì)模具壽命產(chǎn)生影響。（1）型腔。高強(qiáng)度鋼材對(duì)死角和缺口相當(dāng)敏感。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)模腔壁厚及肋的變化要均勻和緩，盡可能采用較大的內(nèi)圓角半徑。為了降低金屬侵蝕及熱疲勞發(fā)生于澆口附近的可能性，腔壁、型芯或鑲件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離澆口。（2）冷卻水道。冷卻水道應(yīng)處于使整個(gè)模腔表面溫度盡可能均勻的位置。從冷卻和力學(xué)角度看，管道表面需光滑。（3）流道、澆口及溢流。要得到最佳的壓鑄效果，冷卻系統(tǒng)必須和“熱區(qū)”（流道、澆口、溢流和型腔）有一定的熱平衡。因此，流道、澆口和溢流設(shè)計(jì)相當(dāng)重要。在型腔內(nèi)很難填滿的部位，應(yīng)設(shè)溢流，以使壓鑄金屬流到這些部位。在具有相同尺寸的一模多腔模具中，所有的流道必須具有相同的流道長(zhǎng)度和橫截面積，澆口和溢流也必須完全相同。澆口的位置和流道的厚度及寬度對(duì)金屬注入速度相當(dāng)關(guān)鍵。流道的設(shè)計(jì)應(yīng)使金屬流暢地進(jìn)入型腔各個(gè)部分，而不是噴射狀地注入。流注金屬過(guò)快流動(dòng)會(huì)引起模具侵蝕。（4）尺寸決定參考。以下是鋁合金壓鑄模尺寸決定的參考：型腔到外表面距離大于50mm。型腔深度和模具厚度之比例1：3。型腔與冷水道距離大于25mm，冷卻水道及型腔、角部的距離大于50mm。內(nèi)圓角半徑，鋅大于R0.5mm、鋁大于Rlmm、黃銅大于R1.5mm。澆口與型腔壁距離大于50mm。模具制造應(yīng)注意的問(wèn)題以下因素對(duì)壓鑄模制造有一定影響：（1）機(jī)械加工性。馬氏體系的熱作工具鋼的機(jī)械加工性主要受像硫化錳等非金屬夾雜物及鋼材硬度的影響。因?yàn)閴鸿T模的性能可以通過(guò)降低鋼材中雜質(zhì)含量而得到改善如硫和氧。切削加工的最佳組織是球化退火的鐵素體基體上均勻分布著球化狀的良好碳化物，這樣使鋼材具有較低的硬度。均質(zhì)化處理使金屬具有均勻的機(jī)械加工性。（2）電火花加工。近年來(lái)，制造壓鑄模已普遍采用電火花加工（EDM）。電火花加工的發(fā)展一方面擴(kuò)展了這種方法的通用性，同時(shí)也顯著地提高了操作技術(shù)、生產(chǎn)力和加工精度。電火花加工繼續(xù)發(fā)展成為大多數(shù)制模公司的一個(gè)主要的加工方法，可同樣容易地加工經(jīng)淬硬或退火的鋼材。電火花加工的基本原理是在石墨或銅電極（陽(yáng)極）和鋼材（陰極）之間的不導(dǎo)電介質(zhì)中放電。模具的侵蝕通過(guò)放電來(lái)控制。操作過(guò)程中，負(fù)電極進(jìn)入鋼材中獲得所需形狀。電火花加工中鋼材的表面溫度非常高，從而使其熔化和蒸發(fā)。在表面產(chǎn)生了一層熔化后再凝固的較脆層，緊接著這層的是再淬硬層和回火層。電火花加工對(duì)模具表面性能產(chǎn)生了不利的影響，破壞了鋼材的加工性能。由于這個(gè)原因，作為一種預(yù)防措施，推薦以下幾步加工方式：淬火和回火后鋼材的電火花加工。①傳統(tǒng)的機(jī)械加工②淬火和回火③粗放電加工，避免“電弧”和太快的除去率，“幼電火花加工”艮即低能流高頻率④研磨和拋光電火花層比原來(lái)回火溫度低15°C回火。鋼材退火后的電火花加工。①傳統(tǒng)的機(jī)械加工②粗放電加工，避免“電弧”和太快的除去率③研磨和拋光電火花層。這減少了加熱和淬火時(shí)間開(kāi)裂的危險(xiǎn)，多次分級(jí)預(yù)熱到淬火溫度。（3）熱處理。熱作工具鋼通常是以軟性退火狀態(tài)供貨。在機(jī)械加工后，為了得到最佳的高溫屈服強(qiáng)度、抗回火性、韌性和延展性，必須進(jìn)行熱處理。鋼材的性能受淬火溫度和時(shí)間、冷卻速度和回火溫度控制。高奧氏體化溫度對(duì)模具的熱屈服強(qiáng)度和抗軟化性有利的影響，可以降低熱疲勞性的產(chǎn)生。另一方面，由于晶粒變粗和淬火時(shí)晶界碳化物析出的增加而降低了韌性和延展性。這能導(dǎo)致嚴(yán)重的破裂，所以這種方法應(yīng)限于小型模具和型芯的熱處理。高硬度對(duì)抗熱疲勞性具有很大的影響，但是對(duì)鋁壓鑄模推薦硬度不宜超過(guò)48HRC，銅不超過(guò)44HRC。硬度越高，破裂和完全失效的危險(xiǎn)越大。緩慢的冷卻速度得到好的尺寸穩(wěn)定性，但使鋼材有得到不良顯微組織轉(zhuǎn)變的風(fēng)險(xiǎn)。淬火時(shí)太慢的冷卻速度能降低鋼材的破壞韌性?？斓睦鋮s速度如盥浴淬火能產(chǎn)生最好組織，因而得到最高的模具壽命。在大多數(shù)情況下，優(yōu)先考慮模具的使用壽命而采取較快的淬火冷卻速度。脫碳可以引起早期熱疲勞。模具應(yīng)冷卻至50C?70C后回火。要得到滿意的組織，第二次回火是必不可少的。第二次回火溫度應(yīng)根據(jù)模具所需的最終使用硬度而決定。（4）尺寸穩(wěn)定性。壓鑄模在淬火和回火時(shí)的情形。壓鑄模淬火和回火時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)變形或扭曲。溫度越高變形越大。在淬火前通常預(yù)留一定加工量以便淬火及回火后通過(guò)研磨等工序來(lái)調(diào)整模具到最后要求的尺寸。變形是由于鋼材中的應(yīng)力引起，這些應(yīng)力可分為：機(jī)械加工應(yīng)力。此類應(yīng)力產(chǎn)生于機(jī)械加工，如車削加工，銑削加工，研磨加工。如果存在內(nèi)部應(yīng)力，它會(huì)在加熱時(shí)釋放。加熱使材料強(qiáng)度下降，從而通過(guò)局部變形來(lái)釋放應(yīng)力。這能導(dǎo)致模具整體變形。為了減少熱處理產(chǎn)生的變形，需要一個(gè)消除應(yīng)力的過(guò)程。一般推薦在粗加工后進(jìn)行應(yīng)力消除。在淬火前任何變形都能在精加工時(shí)加以調(diào)整。熱應(yīng)力。模具加熱時(shí)產(chǎn)生了應(yīng)力。加熱越快越不均勻，應(yīng)力就越大。模具尺寸加熱時(shí)會(huì)增加。不均勻的加熱會(huì)引起部位尺寸的不一致增加，從而產(chǎn)生應(yīng)力的變形。為了使整塊模具溫度均勻通常推薦多段預(yù)熱。應(yīng)盡量緩慢加熱以使整個(gè)模具溫度保持一致。以上情況對(duì)淬火冷卻也適用。淬火時(shí)會(huì)產(chǎn)生非常大的應(yīng)力。一般而言，可在接受的變形范圍內(nèi)，冷卻應(yīng)越快越好。淬火介質(zhì)的均勻非常重要，尤其在使用壓縮空氣或保護(hù)氣氛時(shí)（如在真空爐內(nèi)）。否則模具溫度的不一致會(huì)產(chǎn)生明顯的變形。通常也推薦分級(jí)淬火。組織變形應(yīng)力。當(dāng)鋼材組織變形時(shí)這類應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生。這是因?yàn)槿N顯微組織鐵素體、奧氏體和馬氏體有不同的密度。從奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的變化最大。這引起了尺寸的增加。過(guò)度快速和不均勻的淬火也會(huì)導(dǎo)致局部馬氏體形成從而引起模具中局部體積增大，而在某些層面上產(chǎn)生應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致變形甚至破裂。（5）表面處理。經(jīng)氣體氮化、軟氮化和離子氮化等表面處理能使壓鑄模某些零件產(chǎn)生有力作用如射筒、噴嘴、流道、澆道、推桿和芯棒。不同化學(xué)成份的鋼材有不同的氮化特性。（6）焊補(bǔ)性。在許多情況下，通過(guò)焊補(bǔ)來(lái)修理壓鑄模非常重要。工具鋼的焊補(bǔ)總帶有破裂的危險(xiǎn)，但是如果小心而適當(dāng)加熱的話，也可得到好的效果。焊補(bǔ)前準(zhǔn)備。被焊的部位必須適當(dāng)?shù)拈_(kāi)U形槽溝，并避免臟物和油脂，以確保金屬的順利滲透和融合。退火后焊接。①預(yù)熱到至少350°C；②在此溫度開(kāi)始焊接。使工件溫度保持在350°C?475°C。焊接時(shí)保持工件溫度恒溫的最好方法是用一個(gè)熱控元件置于絕熱箱壁內(nèi)；③焊接后馬上退火。淬火和回火后的焊接。①預(yù)熱到至少320°C；②開(kāi)始焊接。使工件溫度保持在350°C?475°C。焊接時(shí)保持工件溫度恒溫的最好方法是用一個(gè)熱控元件置于絕熱箱壁內(nèi)；③焊補(bǔ)后以（20?30）C/h至（50?70）C/h的速度緩慢冷卻；④在低于前回火溫度10C?20C的溫度作應(yīng)力回火。焊條。QB090電焊條或QR090氬弧焊條及有關(guān)焊條和焊補(bǔ)的更詳細(xì)資料可在“工具鋼焊補(bǔ)”手冊(cè)中找到。4模具壽命壓鑄模壽命會(huì)隨壓鑄模的設(shè)計(jì)和尺寸、壓鑄合金類型、模具的維修和保養(yǎng)而發(fā)生很大變化。模具可以通過(guò)壓鑄前后適當(dāng)?shù)奶幚韥?lái)延長(zhǎng)壽命。（1）適當(dāng)?shù)念A(yù)熱。模具表面和熔融金屬間的溫差不能太大。由于這一原因，通常推薦預(yù)熱。預(yù)熱溫度隨壓鑄合金類型而定，通常在150°C?350°C。材料預(yù)熱溫度不能太高，否則會(huì)在壓鑄時(shí)由于模具溫度太高而引起模具再回火，特別是模具較薄的肋部分升溫非常快。模具壓鑄時(shí)，推薦預(yù)熱溫度如表1所示。表1推薦壓鑄模具預(yù)熱溫度材料預(yù)熱溫度（°C）錫合金、鉛合金100-150鋅合金150~200鎂合金、鋁合金250~300銅合金300~500逐步而均勻地預(yù)熱很重要。最好是恒溫的加熱控制系統(tǒng)。預(yù)熱時(shí)，為了達(dá)到平衡，應(yīng)逐步打開(kāi)冷卻水。要避免驟然冷卻。有鑲塊的模具必須緩慢加熱以便使鑲塊和模腔保持一致溫度逐步膨脹。（2） 正確的冷卻。模具溫度受冷水道和模具表面脫模劑的控制。為了減少熱疲勞的危險(xiǎn)，冷卻水可預(yù)熱至大約50C。也推薦恒溫控制的冷卻系統(tǒng)，并不推薦使用低于20C的冷卻水。停機(jī)時(shí)間超過(guò)幾分鐘時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)冷水流量，以便模具不至于冷卻的太快。有一點(diǎn)非常重要，即潤(rùn)滑劑（脫模劑）要非常好地附于模具表面以避免壓鑄金屬與模具的接觸。例如一個(gè)新的或剛修補(bǔ)的模具不應(yīng)有粗糙的金屬表面。因此在試模期有一層氧化薄膜會(huì)提供給脫模劑一個(gè)良好的附著面亦不失為一個(gè)好方法。（3） 表面處理。模具表面加熱到500C左右1h然后空冷就可氧化。在蒸汽氣氛中加熱到500C約30min也可以，形成具有恰當(dāng)厚度的一層良好的氧化膜。在使用一段時(shí)間后，要去除模具上堆積的脫模劑可在模腔表面進(jìn)行噴沙處理。這種處理也可密閉一些熱疲勞的裂紋。噴沙處理會(huì)在模腔表層產(chǎn)生壓應(yīng)力，這一定程度上抵消了引起疲勞的拉應(yīng)力。受摩擦的一些零件如推焊和射筒，可以通過(guò)氮化、碳氮滲來(lái)提高壽命。（4）消除應(yīng)力。壓鑄時(shí)，模具表面由于溫差而產(chǎn)生熱應(yīng)變，這種反復(fù)的應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致模具局部表面的殘留應(yīng)力產(chǎn)生。在大多數(shù)情況下，這種殘留應(yīng)力是拉應(yīng)力，因此促使熱疲勞的發(fā)生。消除應(yīng)力處理會(huì)使模具殘留拉應(yīng)力下降，因此能提高模具壽命。所以我們建議在試模一段時(shí)間后進(jìn)行消除應(yīng)力處理，然后在壓鑄1000?2000模次，5000?10000模次后分別進(jìn)行消除應(yīng)力處理。這種處理可以在以后每隔10000?20000模