金属浇铸模与机架设计.pdf

机电工程技术!#年第$%卷第$期机电工程技术!#年第$%卷第$期收稿日期：!%&!金属浇铸模与机架设计刘志明，刘素蓉!（(井冈山微型电机厂，江西井冈山$%$%；!(上海外贸学院，上海!）摘要：铝合金浇铸金属模具的设计中，对浇注与排气系统的设计应进行必要的定量分析和估算。浇注充型过程亦须应采取严格的工艺控制措施，保证金属液充型平稳，防止金属液在浇注中产生飞溅。机架的设计应尽可能满足方便，安全操作。模具经试模后，可以大批量进行生产质量稳定的合格产品。关键词：铝合金；金属模；定量分析和估算；控制措施中图分类号：)*!%&($文献标识码：+文章编号：&,&%&!-!#.$,$%,%前言有色金属铸造零件的毛坯成形，最普遍的铸造工艺方法是砂型铸造。其特点是适应性较广，生产方式简单，但是铸件的尺寸精度较差，表面较粗糙，铸件内部质量也较低。在有色金属铸造工艺上，除砂型铸造外，还有多种不同的特种铸造工艺方法，如金属模型铸造，压力铸造，熔模铸造等。在现代工业生产中，最常用的是采用金属模型铸造，它可以利用金属模具在专用的压铸机上进行压力铸造，由于压力铸造机械设备投资较大，小批量生产不合算。因市场经济竞争激烈，要求小批量，多品种开发产品时间短、速度快、成本低。因而，不少中小型厂家采用金属模进行浇铸生产，大大缩短了新产品的开发生产周期，见效快，适宜快速投入市场的需要。图零件就是塑料机械设备上的一种三通孔底座铝合金铸件，其形状结构较为复杂。原零件是由钢管和钢板经过焊接组合成一体的。这样既费时耗料，质量也较差，成本高，效率低。而采用金属模具铸造成型，虽然一次性投资费用较高，但模具经久耐用，适应批量生产，铸件的质量稳定；生产效率较高，可以降低成本。!浇注系统设计（）浇口尺寸的确定浇注系统的浇道与内浇口尺寸的确定，对保证铸件的质量极为重要，设计金属模浇注系统与工艺上的要求是：金属模浇注速度较快；金属液在充型时，型腔内的气体要能迅速顺利地排出，气体的流向应能与液流方向一致，并将使气体通过排气孔或冒口迅速排出；金属液在充型时流动平稳，不得产生涡流；不得冲击型腔壁或芯型，更不可图三通孔底座铝合金铸件研究与开发$%机电工程技术!#年第$%卷第$期机电工程技术!#年第$%卷第$期图!浇注平均压头计算示意图产生飞溅。因此，浇注系统的设计，除满足前述的要求外，又要尽可能减少浇口与浇道余料的清理工作量，因而有必要对浇注系统进行定量分析与估算。浇注系统内浇口最小截面积应用水力学计算公式计算即&：!内()$#!$%!式中：铸件铝合金液体总重量*即铸件重和浇口重总和+*,-+；!内内浇口总截面积*./!+；#浇注时间，#&!*0+；!流速系数取)%!*一般为)%1)%#+；$(平均压力头*./+。铸件净重为!)2,-，加工余量约占23，铸件公称重为$,-，取浇冒口占铸件重的!3，则铸件的总重量为：$4*&5!3+$)6$,-三通体壁厚大部分约&/，取!)!7则#!)!4$)6$!%)!*0+平均压头：$($)(2（进入型腔上部注入式）$与)见图!所示，$&2（/），)&8!（/）7则$(&29&8)!(2&#)6*./+。!内$)6$()$&4%)!4)%!4&#)6!&)6#*./!+计算出的浇口面积符合有关资料规定的铝合金总重小于#,-时，最小浇口面积为&)#1$./!的范围。故实际取浇口面积为!./!。（!）内浇口截面形状及尺寸标注如图$。$型腔内气体热交换对浇注工艺的影响金属模与砂型在浇铸工艺过程中，其性能上的显著区别是砂型具有透气性和退让性，砂型导热性差；而金属模则相反，没有透气性和退让性，金属模导热性好。金属模的这些特点也决定着它在浇注充型过程中有独自的规律。因而需要对金属 模浇铸工艺过程进 行必要的分析，以 确定合理的工艺要 求与控制措施，使 金属模在充型中，金属液流入型腔的 液流要平稳，充型 丰满无缺陷。金属 模的浇铸工艺的排 气系统设计正确与否，会严重影响铸件 的质量。在浇注时，当金属液进入型腔，金属模型腔壁受热后，气体与型腔壁受热产生热交换作用，在型腔内随着温度的升高，气体一方面受到压缩，另一方面气体受热后产生膨胀，型腔内的压力变化也更加剧烈!。当人工进行浇注时，操作者的熟练程度不同，金属流入型腔的速度不同，若浇注速度快，金属液流入型腔的速度也快，充型时间也短。充型时，型腔中的气体是处于被加热状态。气体与液流的热交换，首先集于流束的前端，气体与液流的热交换越来越强烈受热，使温度不断升高，压力也随着升高，其压力升高的程度与金属液的温度*一般浇注铝合金熔液的温度应控制在62:左右+、浇注速度、铝合金的种类、铸件的形状结构等因素有关。当型腔的排气功能不能满足要求时，则型腔内聚积的气体压力会升得更高，可达到$1%)#个大气压。由于气体压力升高，使之形成充型时的反压力作用，会使液流紊乱，阻碍金属液充型，气体与金属液的热交换不断加剧气体膨胀，当型腔内超过一定的压力时，气体就会冲破金属液流束的表层，通过浇口向外溢出，破坏金属液充型，致使铸件浇不足或是严重的气孔等缺陷；更严重的是金属液在型腔内瞬间聚积的气体压力与温度超过一定的限度将导致部分金属液从浇口喷射飞溅。如出现这些异常情况，有碍于安全生产，故操作者应安全防范。这种情况在生产中虽是少有发生，但确是金属模在人工浇注进程中，有别于机械压铸及砂型铸造中出现的异常现象。这正是笔者进行分析与探讨金属模在人工浇注工艺时所要采取控制措施的关键所在。金属液在充型过程中产生喷溅的原因是多方面的：在浇注前，模具型腔未达到预热温度（一般模具温度应为!#:1$:）；浇注时，金属液流入型腔的速度太快，型腔内的气体来不及迅速排出，致使气体聚积过多，形成较大的压力，影响金属液充型；模具浇注前，涂料太多，未干涂料在型腔内产生的气体增多，使气体加剧膨胀；铝合金原料不符合要求或掺入其它不同牌号的废旧铝料杂质过多；对金属液没有进行很好的清渣、除氧等工作，造成金图$内浇口截面形状及尺寸标注研究与开发$#机电工程技术!#年第$%卷第$期机电工程技术!#年第$%卷第$期图%排 气 槽 剖 视 图属液流动受阻，致使排气孔堵塞；设置排气孔的排气能力不足或排气孔过小；另外人工浇注时，操作程度不熟练及操作不当，同样也会影响产品质量。在经过试模后采取了相应的控制措施：增加了一定数量的排气孔；严格控制铝合金的配料、铝熔液的温度，浇注速度应做到先慢、后快、再慢。即先慢以避免金属液飞溅，后快可使金属液加快充型，再慢也可防止浇注终了时金属液溢出。保证金属液在浇注过程中充型平稳；纯洁铝熔液质量，加强熔炼时的清渣，除氧等工作；严格控制浇注工艺，使铸件质量稳定并可进行批量生产。%型腔的排气（&）利用分型面的间隙排气由于金属模是无透气性，直接影响着浇注工艺，故设计金属模应着重合理确定排气系统，确保金属液充型时畅通无阻，保证铸件充填丰满并无气孔等缺陷。根据零件形状结构的特征，合理设计金属模的分型面和型腔镶件组合面，并利用型腔分型面的自然缝隙进行排气，一般分型面的间隙在()&#毫米之间，有些活动零件之间的间隙稍大些，其间隙都可增加型腔的排气能力，但是分型面或镶件间的间隙也不宜过大。否则，因间隙过大则被金属堵塞，使铸件增加毛刺而影响铸件质量。（!）开设排气槽在金属模的分型面、型腔镶件组合面及芯型座连接的表面上开设排气槽如图%*+*剖视图，在分型面上开设排气槽，既可增加排气效果，同时制造也简便。（$）开设排气孔型腔内的排气孔一般开设在腔型的最高处及流液最后充型处。本金属模结构较复杂，在型腔的拐角、凹陷、筋肋处开设一定数量的排气孔，可保证满足排气的需要，见图%,+,剖视图。为了防止内浇口周围的金属液最后充型时出现浇注不足或严重的气孔缺陷，除适当地开设排气孔外，另外在模具的斜方形法兰端面，即型腔内金属液最后充型处，增设了一个直径为&!-的小冒口.图#所示/。这样可以防止法兰处出现气孔或浇注不足的缺陷，使排气更趋合理，排气能力充裕，保证满足浇注工艺上的要求。#模具与机架设计模具的主体是采用铸钢，芯型采用碳 素 工 具 钢0(,制 造，并 经 热 处 理123%)%(。模具设计是根据零件的结构呈三通形状，并且端面又分别为圆形和方形法兰，故模具的分型面选择在侧面斜孔中心与联通直通孔的中心。模具采用卧式浇注，浇口分别设在两端的圆形和方形法兰边缘上，可以两个浇口同时浇注，也可以一个先浇入一个后浇入，可补充浇注不足的缺陷。在侧面的小法兰上另设一个小浇口见图#，可作为冒口供排气，也可以辅助浇口之用，用以添加金属液弥补浇注不足、收缩等缺陷。模具分型面的左右两半型腔，采用四根导柱导向，保证闭模与启模。两端的圆形和方形法兰分别采用端盖式活动镶件型腔，简便了模具加工制造，又能使启模与脱模容易。采用丝杆4旋动便于开启端面法兰的脱模。模具的主体分型面也采用丝杆#的旋动进行闭模与启模浇注工作（图5所 示）。经 过 浇 注图#浇 口 立 体 图研究与开发$5机电工程技术!#年第$%卷第$期机电工程技术!#年第$%卷第$期图&分型面示意图和适当的冷却，应适时启模，否则冷却时间长会造成芯型脱模困难。当转动两边的丝杆#进行开模后，铸件有可能留在左边或右边的型腔内，铸件的法兰渐渐接触至顶杆时，将铸件强制脱下。金属模具在高温下进行人工操作，必须依赖机架的支撑和辅助开启与闭合模具的功能才能完成浇注、冷却、启模与闭模及铸件的脱模等工作。若要进行大批量浇铸生产，也可以设计电动机械传动或液压传动来完成闭模与启模及脱模等工作，减轻劳动强度，提高生产效率，故对机架设计要求是根据实际与实用需要，机架的焊接构件应是稳固可靠，有足够的刚性和强度，整体操作也应是方便灵活，安全。因此，机架的设计与制作对金属模进行浇铸生产的重要性也不可忽视。&结束语（）铝合金的浇铸工艺应严格控制浇注速度，铝熔液的温度应为&#(&)*，模具预热温度为!#($*范围；（!）稳定铝熔液的质量，浇注前对铝熔液应适时进行除渣除氧及防止温度过高被氧化；（$）金属模设计对排气系统应进行分析，合理分布排气孔与槽，以保证金属液充型平稳，确保铸件质量稳定；（%）浇注系统的浇道设计根据铸件的形状结构，应尽量采用弯曲形浇道，防止直浇道在浇注中金属液产生飞溅。参考文献：咸阳机器制造学校主编，铸造工艺学+下册,-.北京：机械工业出版社，/0/./.!官克强主 编，特 种 铸 造-.北 京：机 械 工 业 出 版 社，/)!.第一作者简介：刘志明，男，/%#年生，江西永新人，大专，工程师。研究领域：模具设计与制造。已发表论文篇。+编辑：吴智恒,研究与开发$0!#$%!&$#!#$%!&$#!#()*)+$,-./01023 405 67589:/2;,865,;,/9 7,5405;8/-,04:/9,/,5=:98/-,8/=05:,/989:0/;,8?65:/2:/9,2589,=,/05!#$%&()*+,-./%&01/%&2$!%&()*+,)*-)./%,0 12345&()*64,7!8594.)(:;%594.)(?[phone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phone].A(A2B A=0,BN(BE(K.)E,0=234).O2 0,B.)HA23=.)*0(C=,0 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