【技术文章】大型压铸模具零件设计的结构优化

侯丽彬等发表于2022/8/16 11:10:37 大型压铸模结构优化镶件方导柱

原标题：浅析大型压铸模零件设计的结构优化

摘要：通过对大型压铸模的结构特点进行分析，提出对模具镶块结构、导向结构、分流锥和熔杯、抽芯油缸等结构的优化方案。实践验证表明，优化方案不仅提高了模具的质量、可维修性以及压铸成形的成品率，同时降低了模具的加工难度，提高了生产效率和模具寿命。

随着我国汽车和机电行业的迅速发展，产品的轻量化、集成化、大型化已成为发展趋势。以汽车行业为例，几年前国内汽车行业以及相关的压铸企业纷纷购买大型压铸机从2000 t到3800 t，基本上都是以生产发动机变速箱壳体和缸体为主。而近两年对应汽车车身结构件一体化的结构优化，力劲集团已推出9000 t压铸机用于压铸生产汽车车身结构件。随着产品的大型化以及集成化，造成压铸模具的尺寸越来越大，结构越来越复杂，模具的压铸成品率、压铸的生产效率、模具的可靠性及模具寿命成为大型压铸模具设计的目标。因此，合理设计压铸模零件结构，对生产的压铸件质量、生产效率、产品成本、生产管理、模具寿命等起着至关重要的作用。

1、大型压铸模的特点

通常压铸模具的基本结构有以下几部分组成：成形零件、结构零件、导向零件、抽芯机构、推出机构、浇注与排溢系统、加热与冷却系统及其他的紧固件定位件等。

大型压铸模因模具尺寸大、结构复杂，具有以下特点：①动定模型腔镶块安装和拆卸困难，尤其在使用后因热膨胀及使用中分型面的损伤，导致拆卸困难；②模具体积大，热膨胀大，生产过程中难以保持稳定的模具精度；③模具整体温度控制困难；④铸件冷却时间长，尤其是料饼部分冷却时间长，导致单件节拍长；⑤抽芯行程大，液压抽芯时间长，生产效率低等。

针对以上特点，结合生产实践经验，对大型压铸模零件的结构进行设计优化，以提高大型精密压铸模具精度、生产效率及可靠性。

表1 压铸模基本结构组成

2、大型压铸模零件的结构优化

2.1 动定模块的结构设计

2.1.1 动定模块采用镶拼结构

成形零件是压铸模的核心部分，其结构主要是依据压铸件的形状及加工工艺来决定的。成形零件在压铸过程中承受高压高速的金属液冲击，因此设计时必须保证有足够的强度、刚度、韧性。考虑大型压铸模的特点，成形零件在保证强度和刚度的前提下，尽量按功能或工艺划分，采用镶拼结构。大型压铸模动定模块采用镶拼结构的优点如下。

（1）根据功能要求，合理使用模具钢，可以降低模具成本。如图1所示，模块A是零件成形区域，形状复杂并需要高的表面质量，所以采用进口优质热作模具钢（W350、DIEVAR等），模块B与浇注系统接触，可以采用普通模具钢（H13）。

（2）根据型腔的复杂程度及易损程度，进行镶拼拼接，可以提高加工工艺性，并便于更换。同时维修方便快捷，而且不影响模具整体性能。

图1 镶块结构

（3）对成形尺寸和形状等结构特殊处，采用镶拼结构，有利于模具局部强制冷却方案的实施，并有利于型腔排气。

（4）对大规格尺寸的型腔采用镶拼结构，可以降低加工难度，防止型腔开裂、变形等缺陷。

2.1.2　动定模块外形结构

模具在连续生产过程中，型腔温度会高于套板的温度，会导致成形模块膨胀量大于套板膨胀量，而套板和型腔采用H7/g6的配合间隙无法抵御热膨胀的变化，模具就会产生热变形。型腔模块尺寸越大，变形量就越大。为解决此问题，型腔模块外形采用图2结构，相邻两直面做定位基准面，另相邻两面制作成斜面，镶块受热膨胀后，分型面水平方向的膨胀量可以通过垂直方向来释放，可以有效地解决模板膨胀变形的问题，一般α取6°。同时，在成形模块外形设计时，模块四周和底面采用大圆角过渡，以保证套板的强度不被破坏。

图2 镶块与套板的装配

2.2　方形导柱导套

对于大型模具而言，由于导柱导套布置在模具的边缘中心距较大，在动静模受热条件不同的情况下，其膨胀量有差异，如果采用圆形导柱导套，在模具温度升高变化时，导柱导套就会发生异响甚至表面拉伤，从而影响模具配合精度。因此，大型模具采用方形导柱导套结构，在热膨胀小的方向采用H9/e8的滑动配合，热膨胀大的方向采用2 mm间隙。因模具温度场是以型腔为中心呈放射状向外辐射，所以方导柱导套的布置一般在模具套板的四角，方向和间隙值确定见图3。

图3 方形导柱导套结构

2.3 分流锥和熔杯的设计

大型模具料缸直径较大，要保证增压压力有效的传递，还需要料饼有足够的厚度。由于大体积的料饼与铸件的冷却速度不匹配，导致留模时间延长，生产节拍加长，而且经常在开模取件时，出现料饼爆裂现象，因此必须加大分流锥和熔杯的冷却，才能有效缩短料饼的冷却时间，提高生产效率。图4所示为优化后的分流锥和熔杯结构。

2.3.1 分流锥结构

在大型压铸模中尽量设计分流锥，这样可以减小熔杯的长度及压射冲头的推出行程。分流锥内部加工成大空穴，加大冷却水通道体积，根据强度计算保证单边壁厚>25 mm。冷却水采用单点独立喷管式水冷却方式，不锈钢水管内壁进水，外壁回水，并加大进出水管的直径（截面积），保证足够的冷却水流量，以实现快速冷却。冷却水回水端在模具外接流量阀，生产试制时用红外线摄像机监控分流锥处的模具温度，根据模具温度调整回水端的流量阀，最后锁定冷却水流量的管理值。批量生产中，通过监控冷却水的流量值来保证分流锥冷却的稳定性。

2.3.2 熔杯结构

熔杯采用两体式结构，熔杯前端长度只满足料饼的高度即可，这样既有利于在熔杯前端布置冷却水加快料饼的冷却，又能保证一体式料缸的优点，压射冲头运行稳定可靠。

熔杯前端用专用夹具在加工中心上沿孔周边加工出V型孔（如图4），加大了冷却水通道的长度和表面积；熔杯后端采用常规的冷却水通道。冷却水的调整和使用方法同上。

图4 分流锥及分体熔杯结构

2.4 抽芯油缸的设计

由于液压抽芯机构可以实现抽拔阻力大、抽芯行程长的特点，因此大型压铸模的滑块一般采用液压抽芯机构。大型压铸模的结构特点决定了滑块会出现尺寸大、抽芯行程大两种情况，针对这两种情况，可以对抽芯油缸的结构进行以下优化。

滑块在分型面方向尺寸大，采用双油缸抽芯。双油缸抽芯结构如图5所示，两侧油缸活塞杆4固定在套板上，油缸缸体1固定在油缸连接板2上。工作时活塞杆4固定不动，油缸缸体1通过油缸连接板2带动滑块运动。当前端无杆腔进油，油缸带动滑块抽芯；反之，有杆腔进油，油缸带动滑块插芯。模具采用双油缸结构，不仅可以减小油缸直径，更重要的双侧受力滑块运行更稳定。

图5 双油缸抽芯结构

滑块抽芯力大且行程大时，采用复合油缸。复合抽芯油缸结构如图6所示。件2既是小缸的缸体又是大缸的活塞杆。工作时由于滑块初始抽芯力大，需要大缸先启动，当滑块成形面脱离型腔后，抽芯力只剩下运动的摩擦力，小油缸带动完成抽芯行程即可。抽芯时下油口进油，大缸活塞杆2带动滑块向左移动L1行程时，大缸停止运行，小缸活塞杆5带动滑块继续向左移动L2行程。模具采用复合抽芯油缸结构，既可以满足大油缸实现大的抽芯力，又避免了大油缸因体积大、进油速度慢而导致抽芯速度慢的问题，可以降低生产节拍，提高生产效率。

图6 复合抽芯油缸结构

2.5 局部增压机构的设计

随着产品的大型化以及集成化，压铸件的结构形状也越来越复杂，壁厚不均匀的薄壁件日趋增多，同时对铸件的质量提出了更高的要求，高性能、轻量、低成本是发展趋势。而薄壁铸件在局部壁厚热节处就会存在补缩困难的问题，容易产生缩孔等铸造缺陷，造成铸件强度降低及渗漏的风险。局部增压技术就是在压铸模上设置增压油缸，对局部壁厚热节处实施二次加压，从而得到组织致密的铸件，消除局部缩孔的产生。局部增压机构根据铸件热节处存在的部位，可
以设置在动静模或侧抽滑块上（图7）。