原標題：淺析大型壓鑄模零件設計的結構優化

摘要：通過對大型壓鑄模的結構特點進行分析，提出對模具鑲塊結構、導向結構、分流錐和熔杯、抽芯油缸等結構的優化方案。實踐驗證表明，優化方案不僅提高了模具的質量、可維修性以及壓鑄成形的成品率，同時降低了模具的加工難度，提高了生產效率和模具壽命。

隨著我國汽車和機電行業的迅速發展，產品的輕量化、集成化、大型化已成為發展趨勢。以汽車行業為例，幾年前國內汽車行業以及相關的壓鑄企業紛紛購買大型壓鑄機從2000 t到3800 t，基本上都是以生產發動機變速箱殼體和缸體為主。而近兩年對應汽車車身結構件一體化的結構優化，力勁集團已推出9000 t壓鑄機用于壓鑄生產汽車車身結構件。隨著產品的大型化以及集成化，造成壓鑄模具的尺寸越來越大，結構越來越復雜，模具的壓鑄成品率、壓鑄的生產效率、模具的可靠性及模具壽命成為大型壓鑄模具設計的目標。因此，合理設計壓鑄模零件結構，對生產的壓鑄件質量、生產效率、產品成本、生產管理、模具壽命等起著至關重要的作用。

1、大型壓鑄模的特點

通常壓鑄模具的基本結構有以下幾部分組成：成形零件、結構零件、導向零件、抽芯機構、推出機構、澆注與排溢系統、加熱與冷卻系統及其他的緊固件定位件等。

大型壓鑄模因模具尺寸大、結構復雜，具有以下特點：①動定模型腔鑲塊安裝和拆卸困難，尤其在使用后因熱膨脹及使用中分型面的損傷，導致拆卸困難；②模具體積大，熱膨脹大，生產過程中難以保持穩定的模具精度；③模具整體溫度控制困難；④鑄件冷卻時間長，尤其是料餅部分冷卻時間長，導致單件節拍長；⑤抽芯行程大，液壓抽芯時間長，生產效率低等。

針對以上特點，結合生產實踐經驗，對大型壓鑄模零件的結構進行設計優化，以提高大型精密壓鑄模具精度、生產效率及可靠性。

表1 壓鑄模基本結構組成

2、大型壓鑄模零件的結構優化

2.1 動定模塊的結構設計

2.1.1 動定模塊采用鑲拼結構

成形零件是壓鑄模的核心部分，其結構主要是依據壓鑄件的形狀及加工工藝來決定的。成形零件在壓鑄過程中承受高壓高速的金屬液沖擊，因此設計時必須保證有足夠的強度、剛度、韌性 。考慮大型壓鑄模的特點，成形零件在保證強度和剛度的前提下，盡量按功能或工藝劃分，采用鑲拼結構。大型壓鑄模動定模塊采用鑲拼結構的優點如下。

（1）根據功能要求，合理使用模具鋼，可以降低模具成本。如圖1所示，模塊A是零件成形區域，形狀復雜并需要高的表面質量，所以采用進口優質熱作模具鋼（W350、DIEVAR等），模塊B與澆注系統接觸，可以采用普通模具鋼（H13）。

（2）根據型腔的復雜程度及易損程度，進行鑲拼拼接，可以提高加工工藝性，并便于更換。同時維修方便快捷，而且不影響模具整體性能。

圖1 鑲塊結構

（3）對成形尺寸和形狀等結構特殊處，采用鑲拼結構，有利于模具局部強制冷卻方案的實施，并有利于型腔排氣。

（4）對大規格尺寸的型腔采用鑲拼結構，可以降低加工難度，防止型腔開裂、變形等缺陷。

2.1.2　動定模塊外形結構

模具在連續生產過程中，型腔溫度會高于套板的溫度，會導致成形模塊膨脹量大于套板膨脹量，而套板和型腔采用H7/g6的配合間隙無法抵御熱膨脹的變化，模具就會產生熱變形。型腔模塊尺寸越大，變形量就越大。為解決此問題，型腔模塊外形采用圖2結構，相鄰兩直面做定位基準面，另相鄰兩面制作成斜面，鑲塊受熱膨脹后，分型面水平方向的膨脹量可以通過垂直方向來釋放，可以有效地解決模板膨脹變形的問題，一般α取6°。同時，在成形模塊外形設計時，模塊四周和底面采用大圓角過渡，以保證套板的強度不被破壞。

圖2 鑲塊與套板的裝配

2.2　方形導柱導套

對于大型模具而言，由于導柱導套布置在模具的邊緣中心距較大，在動靜模受熱條件不同的情況下，其膨脹量有差異，如果采用圓形導柱導套，在模具溫度升高變化時，導柱導套就會發生異響甚至表面拉傷，從而影響模具配合精度。因此，大型模具采用方形導柱導套結構，在熱膨脹小的方向采用H9/e8的滑動配合，熱膨脹大的方向采用2 mm間隙。因模具溫度場是以型腔為中心呈放射狀向外輻射，所以方導柱導套的布置一般在模具套板的四角，方向和間隙值確定見圖3。

圖3 方形導柱導套結構

2.3 分流錐和熔杯的設計

大型模具料缸直徑較大，要保證增壓壓力有效的傳遞，還需要料餅有足夠的厚度。由于大體積的料餅與鑄件的冷卻速度不匹配，導致留模時間延長，生產節拍加長，而且經常在開模取件時，出現料餅爆裂現象，因此必須加大分流錐和熔杯的冷卻，才能有效縮短料餅的冷卻時間，提高生產效率。圖4所示為優化后的分流錐和熔杯結構。

2.3.1 分流錐結構

在大型壓鑄模中盡量設計分流錐，這樣可以減小熔杯的長度及壓射沖頭的推出行程。分流錐內部加工成大空穴，加大冷卻水通道體積，根據強度計算保證單邊壁厚>25 mm。冷卻水采用單點獨立噴管式水冷卻方式，不銹鋼水管內壁進水，外壁回水，并加大進出水管的直徑（截面積），保證足夠的冷卻水流量，以實現快速冷卻。冷卻水回水端在模具外接流量閥，生產試制時用紅外線攝像機監控分流錐處的模具溫度，根據模具溫度調整回水端的流量閥，最后鎖定冷卻水流量的管理值。批量生產中，通過監控冷卻水的流量值來保證分流錐冷卻的穩定性。

2.3.2 熔杯結構

熔杯采用兩體式結構，熔杯前端長度只滿足料餅的高度即可，這樣既有利于在熔杯前端布置冷卻水加快料餅的冷卻，又能保證一體式料缸的優點，壓射沖頭運行穩定可靠。

熔杯前端用專用夾具在加工中心上沿孔周邊加工出V型孔（如圖4），加大了冷卻水通道的長度和表面積；熔杯后端采用常規的冷卻水通道。冷卻水的調整和使用方法同上。

圖4 分流錐及分體熔杯結構

2.4 抽芯油缸的設計

由于液壓抽芯機構可以實現抽拔阻力大、抽芯行程長的特點，因此大型壓鑄模的滑塊一般采用液壓抽芯機構。大型壓鑄模的結構特點決定了滑塊會出現尺寸大、抽芯行程大兩種情況，針對這兩種情況，可以對抽芯油缸的結構進行以下優化。

滑塊在分型面方向尺寸大，采用雙油缸抽芯。雙油缸抽芯結構如圖5所示，兩側油缸活塞桿4固定在套板上，油缸缸體1固定在油缸連接板2上。工作時活塞桿4固定不動，油缸缸體1通過油缸連接板2帶動滑塊運動。當前端無桿腔進油，油缸帶動滑塊抽芯；反之，有桿腔進油，油缸帶動滑塊插芯。模具采用雙油缸結構，不僅可以減小油缸直徑，更重要的雙側受力滑塊運行更穩定。

圖5 雙油缸抽芯結構

滑塊抽芯力大且行程大時，采用復合油缸。復合抽芯油缸結構如圖6所示。件2既是小缸的缸體又是大缸的活塞桿。工作時由于滑塊初始抽芯力大，需要大缸先啟動，當滑塊成形面脫離型腔后，抽芯力只剩下運動的摩擦力，小油缸帶動完成抽芯行程即可。抽芯時下油口進油，大缸活塞桿2帶動滑塊向左移動L1行程時，大缸停止運行，小缸活塞桿5帶動滑塊繼續向左移動L2行程。模具采用復合抽芯油缸結構，既可以滿足大油缸實現大的抽芯力，又避免了大油缸因體積大、進油速度慢而導致抽芯速度慢的問題，可以降低生產節拍，提高生產效率。

圖6 復合抽芯油缸結構

2.5 局部增壓機構的設計

隨著產品的大型化以及集成化，壓鑄件的結構形狀也越來越復雜，壁厚不均勻的薄壁件日趨增多，同時對鑄件的質量提出了更高的要求，高性能、輕量、低成本是發展趨勢。而薄壁鑄件在局部壁厚熱節處就會存在補縮困難的問題，容易產生縮孔等鑄造缺陷，造成鑄件強度降低及滲漏的風險。局部增壓技術就是在壓鑄模上設置增壓油缸，對局部壁厚熱節處實施二次加壓，從而得到組織致密的鑄件，消除局部縮孔的產生。局部增壓機構根據鑄件熱節處存在的部位，可
以設置在動靜模或側抽滑塊上（圖7）。

圖7 局部增壓結構

3、應用驗證

以上對模具的優化措施已應用于汽車發動機缸體、油底殼和變速箱殼體等2 000 t以上壓鑄機用模具上，經多年批量生產驗證，鑄件質量穩定，模具運行可靠，降低了模具的加工難度和模具成本，提高了生產效率和模具壽命。應用實例見圖8。

圖8 應用實例

4、結論

（1）大型壓鑄模的成形零件在保證強度和剛度的前提下，盡量按功能或工藝劃分，采用鑲拼結構。鑲塊外邊緣兩側采用斜面裝配，能夠減少模具熱膨脹導致的變形。

（2）通過優化分流錐和熔杯的結構，加大鑄件料餅部位的冷卻，能夠降低生產節拍，提高效率。

（3）大型壓鑄模采用方導柱導套，在動靜模受熱條件不同的情況下，能夠保證模具導向精度。

（4）液壓抽芯機構采用雙油缸能夠保證大尺寸的滑塊運行平穩，采用復合油缸能夠提高滑塊的運行速度，從而提高生產效率。

（5）局部增壓機構能夠有效解決鑄件熱節處的縮孔，可以設置在模具動靜模或滑塊上。

作者：

侯麗彬
大連科技學院

白明月 王琳琳
大連亞明汽車部件股份有限公司

本文來自:《鑄造》雜志2022年第6期第71卷