压铸模设计与制造中应注意的问题

1、压铸模设计与制造中应注意的问题【摘 要】详细介绍了从压铸产品设计到压铸模制造全过程中应注意的问题。【关键词】压铸模；成本；影响因素；注意问题1 压铸产品及模具成本压铸产品的发展趋势是：更大的零件；更薄的壁厚；更复杂的形状；更精确的尺寸。考虑以上因素，使用高压铸造比使用低压铸造的重力铸造法更有利。影响单一零件和顾客最后产品的成本的因素有很多。这些因素的90是在设计阶段决定的，而不是在选定的制造过程中提高效率可以奏效的。有些因素比较容易辨别，例如原材料和加工成本，但这些很难大幅度降低。其它因素虽然不太明显，却能对降低成本具有很多的影响。结合几个零件来降低装配成本，因为现有几个零件的装配已被一个压铸

2、件代替了。改变另一个制程需要重新设计，如此才能从压铸制程得到最经济的解决办法。重新设计零件，考虑压铸制程、模具制造，影响模具寿命的特点的设计，以及修整和结合要求，经常是有益的。重量减轻降低了原材料直接成本，而且还提高了生产效率。重量节省降低了总材料用量，经常透过消除潜在的收缩孔隙区域改进零件的设计和品质。应小心避免可能会导致模具过早失效或大量维修的较小的构件。采用均匀一致的壁厚，因为不同的厚度会由于金属在充填时变化的速度和产生的湍流对压铸件产生负面影响。在较大的结构零件中考虑肋条的设计能减少总材料用量，同时保持零件结构的完整性。避免倒钩。倒钩会使零件和相关模具加工成本相对地增加。避免尖角。因为

3、它对模具寿命有害并会使零件成本增加。不必要过紧的公差会相对地增加压铸件的成本。要获得压铸件适用公差决定于整个制程，而不只是模腔。必须避免使用零件不必要的几何公差。应当着重在完全分析后，再对功能性的特征加注几何公差，以确保不使用过紧的公差。拔模斜度是压铸件的一个重要要求，它能确保零件从模具中取出而不会受损。压铸件中不垂直于分模线的地方经常会导致成本相对地增加，因为需要使用侧面滑块或进行另外的机械加工。避免机械加工可消除产生废品率增加外表缺陷的可能性。允许的浇口残迹和分模线，以及它们的位置，会影响到成本。要求越高，修整加工作业和费用的程度也越高。使用自攻螺丝或螺纹成形螺钉能消除所需的攻牙作业以及固

4、定的必要性，从而相对地降低修整加工零件的成本。适用于自攻螺丝或螺纹成形螺钉的型芯孔能被铸造出来，因此减少了钻孔作业的必要性。压铸合金的成本会有变动，无法完整地说明修整加工零件的相关成本。压铸制程的经济性在重大程度上是生产效率的一个因子，是由诸如材料、机器规模、零件重量、周期时间、模腔数、模具寿命和废品率这些独立的因素决定的。在确定产品功能之后，必须制定出一个与压铸制程相配的构造，并选定合金。选择合金主要根据所需的机械、物理和化学性能。在可以选择一种以上的压铸合金时，相对经济性一般都会比较好。经过最佳化处理的压铸制程的零件设计将以促成一个完好铸件的方式完全用金属进行填充。这既是零件设计的一个机能

5、，也是模具使用的浇口、料道和溢流系统，以及在压铸制程中使用的机器参数的设计。凝固迅速，而且没有缺陷。这也是设计和上述制程参数的一个函数。能容易从模具中取出而不会损坏压铸件。应用以下6个原则设计压铸件，能获得较好结果。（1）使用一致的壁厚。（2）在诸如侧壁、肋条、凸起物部等交合部分采用较大的圆角。如此能增强零件的强度，改善金属流动性，减少模具的维护保养并延长模具寿命。（3）必须确定拔模斜度。在有些情况下，为了排除修整加工，以最小或甚至零拔模斜度进行压铸是可行的。然而，这需要仔细考虑。（4）尖锐的外角应用倒圆或倒角来消除，以减少模具失效的可能性及减少维修。应当记住，零件上的一个外角是模具中的一个内

6、角，如果没有倒圆角，会产生一个很高的应力梯度，这个应力梯度会由于在制程和热循环中使用的高压力下而失效。（5）应尽可能避免倒钩，因为它们会要求对零件进行加工，或者需要在模具中使用往复性的模芯滑块。（6）让主要尺寸与压铸模构件有关，而不要越过分模线。由于零件在顶出模和固定模的两处构件不对称，要使得压铸模分界线两边达到同样精度是不太可能的。2 压铸模设计应注意的问题压铸模的设计主要根据压铸件的形状而定。但是模具设计和尺寸会对模具寿命产生影响。（1）型腔。高强度钢材对死角和缺口相当敏感。因此，在设计时模腔壁厚及肋的变化要均匀和缓，尽可能采用较大的内圆角半径。为了降低金属侵蚀及热疲劳发生于浇口附近的可能

7、性，腔壁、型芯或镶件应尽量远离浇口。（2）冷却水道。冷却水道应处于使整个模腔表面温度尽可能均匀的位置。从冷却和力学角度看，管道表面需光滑。（3）流道、浇口及溢流。要得到最佳的压铸效果，冷却系统必须和“热区”（流道、浇口、溢流和型腔）有一定的热平衡。因此，流道、浇口和溢流设计相当重要。在型腔内很难填满的部位，应设溢流，以使压铸金属流到这些部位。在具有相同尺寸的一模多腔模具中，所有的流道必须具有相同的流道长度和横截面积，浇口和溢流也必须完全相同。浇口的位置和流道的厚度及宽度对金属注入速度相当关键。流道的设计应使金属流畅地进入型腔各个部分，而不是喷射状地注入。流注金属过快流动会引起模具侵蚀。（4）尺

8、寸决定参考。以下是铝合金压铸模尺寸决定的参考：a.型腔到外表面距离大于50mm。b.型腔深度和模具厚度之比例13。c.型腔与冷水道距离大于25mm，冷却水道及型腔、角部的距离大于50mm。d.内圆角半径，锌大于R0.5mm、铝大于R1mm、黄铜大于R1.5mm。e.浇口与型腔壁距离大于50mm。3 模具制造应注意的问题以下因素对压铸模制造有一定影响：（1）机械加工性。马氏体系的热作工具钢的机械加工性主要受像硫化锰等非金属夹杂物及钢材硬度的影响。因为压铸模的性能可以通过降低钢材中杂质含量而得到改善如硫和氧。切削加工的最佳组织是球化退火的铁素体基体上均匀分布着球化状的良好碳化物，这样使钢材具有较低

9、的硬度。均质化处理使金属具有均匀的机械加工性。（2）电火花加工。近年来，制造压铸模已普遍采用电火花加工（EDM）。电火花加工的发展一方面扩展了这种方法的通用性，同时也显著地提高了操作技术、生产力和加工精度。电火花加工继续发展成为大多数制模公司的一个主要的加工方法，可同样容易地加工经淬硬或退火的钢材。电火花加工的基本原理是在石墨或铜电极（阳极）和钢材（阴极）之间的不导电介质中放电。模具的侵蚀通过放电来控制。操作过程中，负电极进入钢材中获得所需形状。电火花加工中钢材的表面温度非常高，从而使其熔化和蒸发。在表面产生了一层熔化后再凝固的较脆层，紧接着这层的是再淬硬层和回火层。电火花加工对模具表面性能产

10、生了不利的影响，破坏了钢材的加工性能。由于这个原因，作为一种预防措施，推荐以下几步加工方式：a.淬火和回火后钢材的电火花加工。传统的机械加工 淬火和回火 粗放电加工，避免“电弧”和太快的除去率，“幼电火花加工”即低能流高频率 研磨和抛光电火花层 比原来回火温度低15回火。b.钢材退火后的电火花加工。传统的机械加工 粗放电加工，避免“电弧”和太快的除去率 研磨和抛光电火花层。这减少了加热和淬火时间开裂的危险，多次分级预热到淬火温度。（3）热处理。热作工具钢通常是以软性退火状态供货。在机械加工后，为了得到最佳的高温屈服强度、抗回火性、韧性和延展性，必须进行热处理。钢材的性能受淬火温度和时间、冷却速

11、度和回火温度控制。高奥氏体化温度对模具的热屈服强度和抗软化性有利的影响，可以降低热疲劳性的产生。另一方面，由于晶粒变粗和淬火时晶界碳化物析出的增加而降低了韧性和延展性。这能导致严重的破裂，所以这种方法应限于小型模具和型芯的热处理。高硬度对抗热疲劳性具有很大的影响，但是对铝压铸模推荐硬度不宜超过48HRC，铜不超过44HRC。硬度越高，破裂和完全失效的危险越大。缓慢的冷却速度得到好的尺寸稳定性，但使钢材有得到不良显微组织转变的风险。淬火时太慢的冷却速度能降低钢材的破坏韧性。快的冷却速度如盥浴淬火能产生最好组织，因而得到最高的模具寿命。在大多数情况下，优先考虑模具的使用寿命而采取较快的淬火冷却速度

12、。脱碳可以引起早期热疲劳。模具应冷却至5070后回火。要得到满意的组织，第二次回火是必不可少的。第二次回火温度应根据模具所需的最终使用硬度而决定。（4）尺寸稳定性。压铸模在淬火和回火时的情形。压铸模淬火和回火时，通常会出现变形或扭曲。温度越高变形越大。在淬火前通常预留一定加工量以便淬火及回火后通过研磨等工序来调整模具到最后要求的尺寸。变形是由于钢材中的应力引起，这些应力可分为：a.机械加工应力。此类应力产生于机械加工，如车削加工，铣削加工，研磨加工。如果存在内部应力，它会在加热时释放。加热使材料强度下降，从而通过局部变形来释放应力。这能导致模具整体变形。为了减少热处理产生的变形，需要一个消除应

13、力的过程。一般推荐在粗加工后进行应力消除。在淬火前任何变形都能在精加工时加以调整。b.热应力。模具加热时产生了应力。加热越快越不均匀，应力就越大。模具尺寸加热时会增加。不均匀的加热会引起部位尺寸的不一致增加，从而产生应力的变形。为了使整块模具温度均匀通常推荐多段预热。应尽量缓慢加热以使整个模具温度保持一致。以上情况对淬火冷却也适用。淬火时会产生非常大的应力。一般而言，可在接受的变形范围内，冷却应越快越好。淬火介质的均匀非常重要，尤其在使用压缩空气或保护气氛时（如在真空炉内）。否则模具温度的不一致会产生明显的变形。通常也推荐分级淬火。c.组织变形应力。当钢材组织变形时这类应力会产生。这是因为三种

14、显微组织铁素体、奥氏体和马氏体有不同的密度。从奥氏体转变成马氏体的变化最大。这引起了尺寸的增加。过度快速和不均匀的淬火也会导致局部马氏体形成从而引起模具中局部体积增大，而在某些层面上产生应力会导致变形甚至破裂。（5）表面处理。经气体氮化、软氮化和离子氮化等表面处理能使压铸模某些零件产生有力作用如射筒、喷嘴、流道、浇道、推杆和芯棒。不同化学成份的钢材有不同的氮化特性。（6）焊补性。在许多情况下，通过焊补来修理压铸模非常重要。工具钢的焊补总带有破裂的危险，但是如果小心而适当加热的话，也可得到好的效果。a.焊补前准备。被焊的部位必须适当的开U形槽沟，并避免脏物和油脂，以确保金属的顺利渗透和融合。b.

15、退火后焊接。预热到至少350；在此温度开始焊接。使工件温度保持在350475。焊接时保持工件温度恒温的最好方法是用一个热控元件置于绝热箱壁内；焊接后马上退火。c.淬火和回火后的焊接。预热到至少320；开始焊接。使工件温度保持在350475。焊接时保持工件温度恒温的最好方法是用一个热控元件置于绝热箱壁内；焊补后以（2030）/h至（5070）/h的速度缓慢冷却；在低于前回火温度1020的温度作应力回火。d.焊条。QBO90电焊条或QRO90氩弧焊条及有关焊条和焊补的更详细资料可在“工具钢焊补”手册中找到。4 模具寿命压铸模寿命会随压铸模的设计和尺寸、压铸合金类型、模具的维修和保养而发生很大变化。

16、模具可以通过压铸前后适当的处理来延长寿命。（1）适当的预热。模具表面和熔融金属间的温差不能太大。由于这一原因，通常推荐预热。预热温度随压铸合金类型而定，通常在150350。材料预热温度不能太高，否则会在压铸时由于模具温度太高而引起模具再回火，特别是模具较薄的肋部分升温非常快。模具压铸时，推荐预热温度如表1所示。表1 推荐压铸模具预热温度材料预热温度（）锡合金、铅合金100150锌合金150200镁合金、铝合金250300铜合金300500逐步而均匀地预热很重要。最好是恒温的加热控制系统。预热时，为了达到平衡，应逐步打开冷却水。要避免骤然冷却。有镶块的模具必须缓慢加热以便使镶块和模腔保持一致温度

17、逐步膨胀。（2）正确的冷却。模具温度受冷水道和模具表面脱模剂的控制。为了减少热疲劳的危险，冷却水可预热至大约50。也推荐恒温控制的冷却系统，并不推荐使用低于20的冷却水。停机时间超过几分钟时，应调节冷水流量，以便模具不至于冷却的太快。有一点非常重要，即润滑剂（脱模剂）要非常好地附于模具表面以避免压铸金属与模具的接触。例如一个新的或刚修补的模具不应有粗糙的金属表面。因此在试模期有一层氧化薄膜会提供给脱模剂一个良好的附着面亦不失为一个好方法。（3）表面处理。模具表面加热到500左右1h然后空冷就可氧化。在蒸汽气氛中加热到500约30min也可以，形成具有恰当厚度的一层良好的氧化膜。在使用一段时间后

18、，要去除模具上堆积的脱模剂可在模腔表面进行喷沙处理。这种处理也可密闭一些热疲劳的裂纹。喷沙处理会在模腔表层产生压应力，这一定程度上抵消了引起疲劳的拉应力。受摩擦的一些零件如推焊和射筒，可以通过氮化、碳氮渗来提高寿命。（4）消除应力。压铸时，模具表面由于温差而产生热应变，这种反复的应变会导致模具局部表面的残留应力产生。在大多数情况下，这种残留应力是拉应力，因此促使热疲劳的发生。消除应力处理会使模具残留拉应力下降，因此能提高模具寿命。所以我们建议在试模一段时间后进行消除应力处理，然后在压铸10002000模次，500010000模次后分别进行消除应力处理。这种处理可以在以后每隔1000020000

19、模次重复一次，一直到模具出现少量热疲劳。因为表面热疲劳的形成会降低残留应力，因此在较严重热疲劳产生后再去除应力就没有太大的意义。除应力处理的温度最好在模具热处理最高回火温度以下25左右。正常情况下，在此温度保温2h。（5）压铸合金工作温度。压铸合金工作温度对压铸模寿命影响非常大（见表2所示）。对某种特定合金的压铸模，由于压铸件的设计、表面光洁度、生产速度、压铸时过程控制、模具设计、模具材料及其热处理、加工公差范围等也会很大程度上改变模具寿命。表2 压铸合金对压铸模寿命的影响压铸合金压铸温度（）限制模具寿命因素一般寿命 模次次数模具型芯锌430侵蚀0.5至2百万0.5至2百万镁650热龟裂 破裂 侵蚀 凹陷100,000至400,00050,000至200,000