本文探討了大型汽車壓鑄模具的設計加工相關內容。

　　大型壓鑄模要求高可靠性和長壽命，與壓鑄機、壓鑄工藝有機結合為一個有效的鑄件生產系統，優化壓鑄模具設計、提高工藝水平，為壓鑄生產提供可靠保證，是大型壓鑄模設計所追求的方向。

　　壓鑄模具結構

　　通常壓鑄模具的基本結構包含：融杯、成形鑲塊、模架、導向件、抽芯機構、推出機構以及熱平衡系統等。

　　壓鑄模具設計開發流程

　　模具設計和開發流程如圖1所示，從該圖中可以清晰地看出模具設計階段需要設計人員所做的工作及模具設計的整體思路，其中包含一些與標準認證相關的設計和開發流程，對設計階段可能產生的缺陷具有一定的預防作用。

圖1 模具設計和開發流程

　　壓鑄模具設計要點

　　第一，運用快速原型技術和三維軟件建立合理的鑄件造型，初步確定分型面、澆注系統位置和模具熱平衡系統。

　　按照要求把二維鑄件圖轉化為三維實體數據，根據鑄件的復雜程度和壁厚情況確定合理的收縮率(一般取0.05%～0.06%)，確定好分型面的位置和形狀，并根據壓鑄機的數據選定壓射沖頭的位置和直徑以及每模壓鑄的件數，對壓鑄件進行合理布局，然后對澆注系統、排溢系統進行三維造型(圖2)。

圖2 模具的三維造型

　　第二，進行流場、溫度場模擬，進一步優化模具澆注系統和模具熱平衡系統。

　　把鑄件、澆注系統和排溢系統的數據進行處理以后，輸入壓鑄工藝參數、合金的物理參數等邊界條件數據，用模擬軟件可以模擬合金的充型過程及液態合金在模具型腔內部的走向，還可進行凝固模擬及溫度場模擬(圖3)，進一步優化澆注系統并確定模具冷卻點的位置。模擬的結果以圖片和影像的形式表達整個充型過程中液態合金的走向、溫度場的分布等信息，通過分析可以找出可能產生缺陷的部位。在后續的設計中通過更改內澆口的位置、走向及增設集渣包等措施來改善充填效果，預防并消除鑄造缺陷的產生。

　　第三，根據3D模型進行模具總體結構設計。

圖3 充填凝固模擬

　　模擬過程進行的同時我們可以進行模具總布置設計，具體包括以下幾個方面：

　　(1)根據壓鑄機數據進行模具的總布置設計。

　　在總布置設計中確定壓射位置及沖頭直徑是首要任務。壓射位置的確定要保證壓鑄件位于壓鑄機型板的中心位置，而且壓鑄機的四根拉桿不能與抽芯機構互相干涉，壓射位置關系到壓鑄件能否順利地從型腔中頂出;沖頭直徑則直接影響壓射比的大小，并由此影響到壓鑄模具所需的鎖模力的大小。因此確定好這兩個參數是我們設計開始的第一步。

　　(2)設計成形鑲塊、型芯。

　　主要考慮成形鑲塊的強度、剛度，封料面的尺寸、鑲塊之間的拼接、推桿和冷卻點的布置等，這些元素的合理搭配是保證模具壽命的基本要求。對于大型模具來說尤其要考慮易損部位的鑲拼和封料面的配合方式，這是防止模具早期損壞和壓鑄過程中跑鋁的關鍵，也是大模具排氣及模具加工工藝性的需要。圖4所示模具成形部分采用10塊模塊鑲拼結構。

圖4 采用10塊模塊鑲拼結構的模具

　　(3)設計模架與抽芯機構。

　　中小型壓鑄模具可以直接選用標準模架，大型模具必須對模架的剛度、強度進行計算，防止壓鑄過程中因模架彈性變形而影響壓鑄件的尺寸精度。抽芯機構設計的關鍵是把握活動元件間的配合間隙和元件間的定位。考慮模架工作過程中受熱膨脹對滑動間隙的影響，大型模具的配合間隙要在0.2～0.3mm之間，成形部分的對接間隙在0.3～0.5mm之間，根據模具的大小及受熱情況選用。成形滑塊與滑塊座之間采用方鍵定位。抽芯機構的潤滑也是設計的重點，這個因素直接影響壓鑄模具的連續工作的可靠性，優良的潤滑系統是提高壓鑄勞動生產率的重要環節。

　　(4)加熱與冷卻通道的布置及熱平衡元件的選用。

　　由于高溫液體在高壓下高速進入模具型腔，帶給模具鑲塊大量的熱量，如何帶走這些熱量是設計模具時必須考慮的問題，特別是大型壓鑄模具，熱平衡系統直接影響著壓鑄件的尺寸和內部質量。快速安裝及準確控制流量是現代模具熱平衡系統的發展趨勢，隨著現代加工業的發展，熱平衡元件的選用趨向于直接選用的設計模式，即元件制造公司直接提供元件的二維和三維數據，設計者隨用隨選，既能保證元件的質量還能縮短設計周期。

圖5 動型框底部增加的潤滑油板

　　(5)設計推出機構。

　　推出機構可分為機械推出和液壓推出兩種形式，機械推出是利用設備自身的推出機構實現推出動作，液壓推出是利用模具自身配備的液壓缸實現推出動作。設計推出機構的關鍵是盡量使推出合力的中心與脫型合力的中心同心，這就要求推出機構要具有良好的推出導向性、剛性及可靠的工作穩定性。對于大型模具來說推出機構的重量都比較大，推出機構的元件與型框間容易因為模具自重而使推桿偏斜，使之出現推出卡滯現象，同時模具受熱膨脹對推出機構的影響也特別大，因此推出元件與模框間的定位及推板導柱的固定位置是及其重要的，這些模具的推板導柱一般要固定在把模板上，把模板、墊鐵及模框間用直徑較大的圓銷或方鍵定位，這樣可以最大限度地消除熱膨脹對推出機構的影響，必要時還可以采用滾動軸承和導板來支撐推出元件，同時在設計推出機構時要注意元件間的潤滑。北美地區模具設計者通常在動模框的背面增加一塊專門的潤滑推桿的油脂板，加強對推出元件的潤滑。如圖5所示，動模框底部增加潤滑油板，有油道與推桿過孔相通，工作時加注潤滑油，可以潤滑推出機構，防止卡滯。

　　(6)導向與定位機構的設計。

　　在整個模具結構中導向與定位機構是對模具運行穩定性影響最大的因素，也直接影響到壓鑄件的尺寸精度。

　　模具的導向機構主要包括：合模導向、抽芯導向、推出導向，一般導向元件要采用特殊材料的摩擦副，起到減磨和抗磨的作用，同時良好的潤滑也是必不可少的，每個摩擦副間都要設置必要的潤滑油路。需要特別指出的是特大型滑塊的導向結構一般采用銅質導套和硬質導柱的導向形式，配合以良好的定位形式，確保滑塊運行平穩，準確到位。

圖6 模具的定位機構

　　模具定位機構主要包括：動靜型間的定位、推出復位定位、成形滑塊及滑塊座間的定位、型架推出部分與型框間的定位等。動靜型間的定位是一種活動性質的定位，配合的準確性要求更高，小型模具可以直接采用成形鑲塊間的凸凹面定位，大型壓鑄模具必須采用特殊的定位機構，以消除熱膨脹對模具定位精度的影響，另外幾種定位結構是元件間的定位，是固定定位，一般采用圓銷和方鍵定位。如圖6所示，成形鑲塊間的凸凹面定位，保證動靜型間定位準確，防止模具錯邊。

　　(7)真空、擠壓、排氣機構等其他設計。

　　除了以上所述的結構，有的模具還有真空系統、擠壓機構、波板排氣等特殊要求。真空系統的設計主要是密封形式的設計，要使模具成形部分之間在正常模具工作溫度下保持良好的密封性，一般采用硅橡膠密封。擠壓機構設計的關鍵是擠壓時機及擠壓量的控制，保證擠壓效果。波板排氣是一種集中排氣形式，波板排氣方式比較常用，特別是在壁厚較薄的鋁合金壓鑄件、致密性要求較高的耐壓件及鎂合金壓鑄件上應用廣泛;波板間隙要足夠大，但又不能使合金液體在壓鑄過程中產生飛濺，波板間隙一般控制在0.3～0.6mm，如圖7所示。

圖7 波板排氣結構

　　第四，組織專家評審并修正后設計模具2D總裝圖。

　　模具三維設計完成時要組織專家進行設計及加工工藝性評審，通過評審改進并完善設計中的不合理結構，評審的主要內容包括：澆注系統評審、熱平衡系統評審、抽芯結構評審、導向機構評審、推出機構評審和加工工藝性評審等。通過大家的智慧完善整個模具設計過程。

　　第五，曬制模具零件藍圖及加工制造。

　　將設計開發完成的模具藍圖曬制出來，并下發到各個工序，進行模具的加工制造。

　　壓鑄模具加工工藝流程

　　合理的加工工序可以有效提高加工效率，并大幅度提高模具壽命，保證壓鑄件的尺寸精度。

　　1.加工工藝流程

　　壓鑄模具主要加工工藝流程如圖8所示。

圖8 壓鑄模具主要加工工藝流程

　　2.合理選擇成形鑲塊

　　成形鑲塊的壽命基本上代表了整個模具的壽命，因此合理的選材及熱處理方式非常關鍵。成形鑲塊一般選用1.2343、Dievar、ADC3、PH13等耐熱模具鋼。

　　3.選擇合適的熱處理方式

　　材料熱處理方式一般由材料銷售廠家進行技術指導或指定熱處理廠進行，主要為粗加工后真空淬火，精加工后去應力處理。

　　4.表面熱處理方式

　　鋁合金壓鑄模的工作條件較為苛刻，要求具有較高的耐熱疲勞強度、導熱性、耐磨性、耐蝕性、沖擊韌性、紅硬性以及良好的脫模性等。然而僅靠新型模具材料的應用及必要的熱處理工藝很難滿足模具的使用要求，必須將各種表面處理技術應用到其表面處理中，才能達到模具高效率、高精度和高壽命的要求。近年來，各種壓鑄模表面處理新技術不斷涌現，但總的來說可以分為三類：

　　(1)傳統熱處理工藝的改進技術。

　　(2)表面改性技術，包括表面熱擴滲處理、表面相變強化、電火花強化技術等。

　　(3)涂鍍技術。