原标题：一种铝合金壳体压铸模具设计

摘要

通过对壳体零件的结构和成形性分析，重点对模具设计的主要环节进行了详细的分析与研究；分析设计了模具的分型面位置、浇注和排溢系统的结构以及推出机构，采用在侧面厚壁处多点浇口的结构形式；对模具的型芯、型腔做了具体的结构设计，采用型腔在定模、型芯在动模的普通两板式结构形式；并且型芯和型腔部分制作成活动镶件，便于修理、更换，模具结构简单、实用，完全满足模具的设计要求。

铝合金材料具有轻量化特点，随着铸造成形工艺技术的不断发展，铝合金材料的压铸工艺与模具设计发展迅速。压铸模具的设计是压铸成形的重要环节，对于整个加工过程的成本、效率以及成品精度等方面具有重要影响，因此，国内外众多学者对压铸模具进行研究分析。马冬威通过实验对比分析发现，影响铝合金式样尺寸的主要因素是残余应力和固相结晶的变化；史宝良对汽车行业内使用的结构件典型部位进行了相关分析，着重研究了高压下铝合金铸件的性能特点；Jin K C采用两种几何形状设计了薄板压铸模具，并提出了一种基于数值模拟的新型溢流系统，进行了实际的真空压铸试验通道的部分无回流，使用所提出的优化模具设计制造了一个高质量的样品；Péter Szalva通过比较高压压铸和真空辅助压铸件的高周疲劳行为，并描述铸件缺陷是如何影响疲劳失效的，真空辅助压铸显著减小了孔隙尺寸和体积，减少了氧化薄片的发生，从而提高了失效循环次数。以上学者的研究均是针对压铸成形后产品件的微观结构以及铝合金铸件的结构性能分析研究，而对于压铸模具的结构设计及简化尚未提及，因此，本研究的方向是针对一种铝合金壳体压铸模具设计，此次设计有效避免压铸过程所产生的冷隔、夹渣、气泡、疏松、散热片不成形等缺陷。

1、压铸件结构及工艺性分析

图1为壳体零件，采用铝合金压铸成形。该铸件结构比较复杂，壁厚也不尽相同。壳体端面的壁厚为5 mm，侧面四周壁厚为3 mm，其中一侧的五个凸台壁厚为15 mm 。背部有25个散热片，比较密集，其细端宽度为1 mm，单边斜度为1.5°，深度为9 mm。有四个加强筋的壁厚为5 mm，有六个加强筋的壁厚为1.5 mm。

图1 壳体零件图

综合分析铸件的结构特性，在设计模具时应该考虑铝合金液体在模具中的流动方向及特性，合理选择料流方向以及和散热片方向的关系；由于铸件壁厚不均匀，在压铸时容易产生夹渣、疏松等铸造缺陷。因此，应该合理选择内浇口的位置，压铸时便于铸件能够完全成形。考虑该壳体的结构及实际生产情况，本压铸模具设计采用一模一腔的结构形式。

2、模具结构设计

2.1 分型面的选择与设计

根据铸件结构特点及分型面设计要求，选择壳体的大端面作为动模和静模的分型面。为了便于铸件脱模，应该使成品留在动模一侧。壳体内表面的出模斜度单边为2.5°，深度为48 mm，成形部分的包紧力能够使壳体留在型芯一侧，故选择型芯在动模，型腔在定模的结构形式，如图2所示。

图2 分型面设置

2.2 浇注系统及排溢系统设计

根据压铸模具浇注系统的设计原则，金属料流方向应该平行于散热片的方向，以避免产生冷隔、夹渣、气泡、疏松、散热片不成形等缺陷。另外，内浇口的位置应设置在厚壁处，让金属液首先充填厚壁部分，以免厚壁处产生夹渣、疏松等铸造缺陷。因此，为了使金属液能够快速充满型腔，在壳体凸台一侧设置6个内浇口。横浇道采用阶梯圆弧过渡式设计，能够保证足够的充填速度。直浇道设置分流锥，分流锥设计成圆弧过渡的结构形式，可以在压铸时加快金属液的充填速度。溢流槽应设置在料流方向的末端。如图3所示，在铸件成形型腔的三面设置了13个溢流槽及排气道。

图3 浇注系统及排溢系统布局图

2.3 推出机构设计

本模具采用推杆推出铸件，在模具设计中，推杆的位置选择至关重要。一般来说，推杆位置应该设置在铸件对型芯包紧力最大的位置以及在铸件厚壁处，以免铸件在推出时被损坏。经过综合考虑，全部推杆采用Φ8 mm的圆推杆。在铸件内表面的顶面设置6根推杆，在铸件端面处设置12根推杆。另外，在直浇道和横浇道处设置9根推杆，在所有溢流槽处设置了13根推杆，此设计完全能够满足推出要求。

2.4 冷却系统设计

要提高压铸生产效率以及压铸件的质量、致密性并降低热应力，在很大程度上取决于模温的调节。考虑该压铸件属于厚壁铸件和中小批量生产等因素，在连续操作时，为了保持铸件优质高产，需要在模具内设置水冷却装置，使热量随着冷却水循环流动而迅速排出。该模具采用比较简易的冷却系统，冷却水道设置在模温较高的型腔内（即定模镶件）。顺着型腔长度方向设置6个Φ10 mm的冷却水道，定模两侧各有6个水嘴与定模镶件采用螺纹（密封处理）连接。进水管和出水管设置在操作者对面一侧，两侧的水嘴之间用输水软胶管进行连接（用旋紧筘紧固），形成一套完整的水冷却循环系统，如图4所示。

图4 模具总装图

2.5 模具结构与总装设计

图4所示为本模具的总装结构图。本模具采用普通的两板式结构，考虑到铸件结构的复杂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动镶件，分别镶入动、定模板内的结构形式。动、定模镶件和动、定模板采用H7/K6的过渡配合，用螺栓连接固定。此设计利于模具成形部分的加工制作，也便于成形部分的修理、更换及尺寸调整。动、定模的合模，采用4根导柱和导套的配合形式，以保证模具合模稳定、精确。为保证推杆能够平稳滑动，推杆固定在推板和推板固定板内，采用4个推板导柱、导套的结构形式来支撑推板和推板固定板的重量，确保推杆运行平稳、不会变形。在动模板内设置4根Φ20 mm复位杆，并且固定在推板内。推出动作完成后，模具合模时，动模内的复位杆带动所有推杆完成复位。

3、生产验证

以国内某研究所现有300 t冷室压铸机，所用模具为本次设计研发的模具，采用型腔在定模、型芯在动模的普通两板式结构形式。通过铝合金液制备、优化压铸过程相关参数完成本次铝合金壳体的试制生产，去除渣包、锯掉浇口后所生产的产品如图5所示，本次试制有效避免压铸过程所产生的冷隔、夹渣、气泡、疏松、散热片不成形等缺陷，达到预期结果。

图5 试制成品样件

4、结论

（1）把主要成形部分结构设计成镶嵌件单独加工，既能控制铸件尺寸精度，又能实现对易损件的快速修理、更换和调整。
（2）通过对铸件的结构分析，选择在铸件侧面厚壁处设置多个内浇口，把横浇道设计成阶梯圆弧过渡形式，既保证散热片的完好成形，又满足了铸件快速充填的要求。
（3）通过对铸件成形工艺的分析，选择金属料流方向的末端设置多个溢流槽，可以避免压铸时产生冷隔、夹渣、气泡、疏松、散热片不成形等铸造缺陷。
（4）本模具的结构是型芯在动模、型腔在定模，主要成形部分采用镶嵌结构，模具采用普通的两板式结构。经试模验证，该模具动作平稳、可靠，压铸件的外观质量和尺寸精度完全符合产品图样要求，无任何铸造缺陷。

作者

孙全喜 李淑利 王伟 石智成 田迎春
中国兵器工业集团第五二研究所
尹飞 刘辉
陆军装备部驻南京地区军事代表局驻烟台地区
李金桃
杭锦旗能源服务中心

本文来自：铸造杂志