原標(biāo)題：多案例描述壓鑄件無(wú)飛邊毛刺的模具設(shè)計(jì)及制造

導(dǎo)讀

壓鑄件的去飛邊毛刺工程巨大，需要的人工成本高。機(jī)器人去毛刺對(duì)壓鑄模具的一致性提出了更高的要求。重點(diǎn)論述了模具設(shè)計(jì)制造階段導(dǎo)入無(wú)飛邊毛刺的模具設(shè)計(jì)制造技術(shù)。主要是從鑄件的收縮率，模具配合間隙，模具強(qiáng)度設(shè)計(jì)，制造精度等方面進(jìn)行闡述，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等推算出計(jì)算公式。結(jié)果表明在模具的設(shè)計(jì)制造階段利用所述技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)能有效的實(shí)現(xiàn)壓鑄件的無(wú)飛邊毛刺壓鑄，該標(biāo)準(zhǔn)在模具的維護(hù)保養(yǎng)階段依然有效。

壓鑄件的飛邊毛刺的清除，企業(yè)需要投入大量的人力物力，企業(yè)毛刺工人數(shù)是壓鑄工人數(shù)的1～2倍。壓鑄件的去毛刺人工成本非常高。機(jī)器人去毛刺代替人工將來(lái)非常普遍，這在未來(lái)是很重要的降低人工成本的方法。但利用機(jī)器人去毛刺更要保證鑄件的一致性，分型線的間隙合理穩(wěn)定，鑄件的尺寸波動(dòng)，變形波動(dòng)等造成機(jī)器人損傷鑄件，損傷刀具，去毛刺的效果達(dá)不到理想狀態(tài)。

壓鑄件產(chǎn)生毛刺的原因貫穿于壓鑄的3大要素為壓鑄機(jī)，壓鑄模，壓鑄工藝。壓鑄工藝方面，模具溫度，鋁液溫度過(guò)高，鑄造壓力過(guò)大都可能產(chǎn)生毛刺；壓鑄機(jī)方面，鎖模力不足，模板變形也會(huì)產(chǎn)生毛刺；壓鑄模方面，模具的分型面，抽芯銷(xiāo)，頂桿孔的制造精度不夠產(chǎn)生毛刺；其中模具的設(shè)計(jì)精度制造精度差是壓鑄件產(chǎn)生毛刺的主要原因。圖1中輪轂的分型面毛刺大片相連，毛刺的工作量增加，甚至由于模具的脹型力導(dǎo)致鑄件尺寸超差變厚，原材料鋁的使用增加。這種情況下需要停止生產(chǎn)進(jìn)行對(duì)策。圖2中嵌套的端面，倒角面，內(nèi)孔都有毛刺。嵌套的端面不加工，又必須清理干凈毛刺，對(duì)碰孔完全被鋁皮聯(lián)通封閉，這都是給毛刺清理增加了難度。

圖1 輪轂滑塊間隙毛刺

圖2 箱體嵌套毛刺

為了定義毛刺的厚度，在壓鑄模具上制作錐形模具間隙，見(jiàn)圖3，鋁材為ADC12進(jìn)行最小壁厚的壓鑄驗(yàn)證，在壁厚≥0.09 mm以上成形都較清晰，0.09 mm以下，0.06 mm以上成形不連續(xù)。

為了定義毛刺的長(zhǎng)度，在壓鑄模具上制作模具分型面不同間隙進(jìn)行毛刺長(zhǎng)度的試驗(yàn)，見(jiàn)圖4。當(dāng)壁厚為0.08 mm時(shí)，從鑄件本體溢出的長(zhǎng)度約為4 mm；當(dāng)壁厚為0.07 mm，從鑄件本體溢出的長(zhǎng)度約為2 mm；當(dāng)壁厚為0.06 mm及以下時(shí)，從鑄件本體溢出的長(zhǎng)度＜1 mm，并且較難成形，鋁膜像粉狀存在，壓鑄件的拋丸處理完全能去除。總結(jié)以上試驗(yàn)結(jié)果定義圖5的模具配合間隙標(biāo)準(zhǔn)。

定義1：壓鑄模具生產(chǎn)時(shí)的間隙C≤0.06 mm 為無(wú)飛邊毛刺的模具設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)

圖3 鋁合金最小厚度試驗(yàn)

圖4 鋁合金壓鑄件薄壁長(zhǎng)度試驗(yàn)

圖5 壓鑄模具分型面及抽芯滑塊間隙

本文從模具設(shè)計(jì)的收縮率，強(qiáng)度設(shè)計(jì)，配合間隙及制造精度方面進(jìn)行研究和驗(yàn)證。試驗(yàn)條件：東芝800T壓鑄機(jī)，鋁材ADC12，鋁液溫度640 ℃，鑄造壓力660 kgf/，模具材料8407系。

1壓鑄模的熱膨脹

壓鑄件從模具中頂出時(shí)處于高溫狀態(tài)，然后冷卻至室溫產(chǎn)生收縮。模具設(shè)計(jì)時(shí)，先完成鑄件的3D后確定鑄件的收縮率。一般資料推薦是0.4～0.7，對(duì)于模具設(shè)計(jì)者需要針對(duì)不同的鋁合金選擇相應(yīng)的收縮率。

1.1 金屬材料的熱膨脹系數(shù)

壓鑄過(guò)程中涉及到的金屬熱膨脹系數(shù)就是模具鋼和壓鑄材料兩種。壓鑄模具材料常用8407，DIEVAR，H13，SKD61等都?xì)w類(lèi)為8407系金屬材料。對(duì)于鋁合金壓鑄，模具預(yù)熱后的正常生產(chǎn)時(shí)的模具溫度范圍在75～425 ℃之間。根據(jù)模具的使用溫度選擇對(duì)應(yīng)的模具熱膨脹系數(shù)（圖6）。不同的壓鑄企業(yè)模具使用時(shí)溫度存在差異，企業(yè)需要根據(jù)大數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)確認(rèn)。

圖6 金屬材料8407模具鋼的熱膨脹系數(shù)

壓鑄鋁合金鎂合金的熱膨脹系數(shù)主要是和Si的含量有關(guān)，同一溫度情況下Si的含量越高，熱膨脹系數(shù)越小。圖7為3種常用壓鑄材料ADC12，A380，AM50的熱膨脹系數(shù)，對(duì)應(yīng)牌號(hào)豎線是該材料成分需求的中值。壓鑄廠家可以根據(jù)自己公司的常用Si含量進(jìn)行查詢。

圖7 鋁合金的熱膨脹系數(shù)

1.2 壓鑄模具設(shè)計(jì)收縮率的選定

壓鑄模具設(shè)計(jì)選擇收縮率時(shí)需要根據(jù)模具材料，鋁合金種類(lèi)，壓鑄時(shí)模具的溫度綜合選擇。

(1）壓鑄件和模具的溫度：

收縮率是壓鑄件從模具頂出的瞬間開(kāi)始冷卻到常溫的鑄件尺寸的變化，需要測(cè)量模具和鑄件的實(shí)際溫度。當(dāng)鑄件頂出完成測(cè)量模具的溫度，熱成像儀測(cè)量的結(jié)果是鑄件對(duì)應(yīng)的模具區(qū)域溫度289.5 ℃（鑄件頂出瞬間模具還在快速降溫），鑄件的外部溫度在350 ℃，內(nèi)部約400 ℃（這種熱成像儀測(cè)量溫度有延遲，溫度低于實(shí)際溫度約50 ℃），見(jiàn)圖8。

圖8 模具的熱成像溫度

（2）不同的溫度下模具鋼材料和壓鑄件材料的熱膨脹系數(shù)對(duì)應(yīng)表：

表1為根據(jù)圖6和圖7以及文獻(xiàn)資料制作的壓鑄件與模具溫度變化不同的熱膨脹系數(shù)的變化對(duì)應(yīng)表。常用的3種壓鑄材料ADC12，A380，AM50的熱膨脹系數(shù)。

表1中，當(dāng)鑄件頂出模具時(shí)，鑄件內(nèi)部的溫度350 ~400 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)模具溫度為280 ℃~300 ℃，此時(shí)材料為ADC12的鑄件和材料為8407系列模具鋼的公稱尺寸接近。經(jīng)過(guò)測(cè)試模具和鑄件的溫度，以及統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)中的模具的尺寸溫度變化，確定了表中合理的推薦值作為模具設(shè)計(jì)需要的參考數(shù)據(jù)。

案例一：壓鑄件在模具內(nèi)頂出困難時(shí)采用烘烤鑄件升溫再頂出鑄件的原理：

當(dāng)鑄件在模具內(nèi)頂出困難時(shí)，最常用的現(xiàn)場(chǎng)處理問(wèn)題的方法是在鑄件與模具的結(jié)合部位涂上一層油脂，然后用天然氣烘烤鑄件（圖9）往往能再次頂出鑄件。

圖9 鑄件頂出困難時(shí)烘烤鑄件的方法

圖10 鑄件（公稱尺寸為40 mm時(shí)）與模具在不同溫度下的尺寸變化

根據(jù)表1做出鑄件公稱尺寸為40 mm時(shí)（其它尺寸斜率一樣）和模具隨溫度的變化關(guān)系曲線圖10，鑄件和模具的尺寸都會(huì)隨溫度的升高而升高，但是斜率不同，圖中的A點(diǎn)是鑄件和模具膨脹量等同時(shí)的交叉點(diǎn)，隨溫度的再升高，鑄件的尺寸＞模具的尺寸。造成鑄件包模頂出困難的原因之一就是生產(chǎn)中的停頓使鑄件溫度下降到鑄件與模具尺寸等同的A點(diǎn)以下，鑄件的收縮使尺寸小于模具的尺寸造成包緊力更大。采用烘烤的方法使鑄件的溫度上升，熱膨脹量增加，甚至大于了模具的尺寸，使包緊力減小。在這個(gè)過(guò)程中可以采用一邊烘烤一邊嘗試頂出的方法，很多企業(yè)沒(méi)有條件也不需要進(jìn)行溫度測(cè)試來(lái)等到條件符合才頂出，這種方法快速簡(jiǎn)單有效。否則需要下模具由模具工剔除的方法，非常的費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

圖11 鑄件與模具尺寸對(duì)于溫度的變化過(guò)程

2模具設(shè)計(jì)的收縮率

壓鑄件一般情況下形狀復(fù)雜，尺寸多。在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以直接套用經(jīng)驗(yàn)公式，如果在復(fù)制模情況下，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析，鑄件在生產(chǎn)中尺寸超差有沒(méi)有規(guī)律性，在壓鑄工藝確定的情況下，尺寸超差的偏向性是一致的，比如長(zhǎng)期偏大或者偏小，在復(fù)制模具時(shí)需要植入這個(gè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，也可以進(jìn)行現(xiàn)有模具的修正。但要注意的是大數(shù)據(jù)分析時(shí)大時(shí)小的無(wú)規(guī)律波動(dòng)就不能輕易修改模具，而要從工藝上讓該尺寸穩(wěn)定下來(lái)后尋找對(duì)策。

3模具設(shè)計(jì)的配合間隙

模具設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮模具的分型線分型面，銷(xiāo)子的對(duì)碰面，抽芯滑塊的配合面，凹凸模的配合面都需要設(shè)計(jì)合理的配合間隙,這在模具方面是產(chǎn)生飛邊毛刺的主要原因。

3.1 模具不同部位溫度測(cè)量

選擇四套模具分別測(cè)量模具的動(dòng)模定模，凹凸部位，抽芯滑塊，銷(xiāo)子及周邊溫度，得到表2和表3的結(jié)果。

圖12 模具的不同部位測(cè)量溫度

表2中，銷(xiāo)子與附近部位溫度高50.2 ℃，表3中，模具的凹凸部位抽芯滑塊的對(duì)應(yīng)部位，凸部溫度比凹部溫度高28.8 ℃。

3.2 凹凸面滑塊配合間隙

模具階梯分型以及抽芯滑塊的分型都存在凹凸的模具部分，由于散熱吸熱的不同，以及動(dòng)模定模在生產(chǎn)中與設(shè)備的動(dòng)定面的配合不同，熱量傳遞存在差異，所以會(huì)有不同的模具溫度，不同的溫度對(duì)應(yīng)于模具不同的熱膨脹量，不考慮配合間隙就可能造成模具的對(duì)碰面的損壞壓塌等造成鑄件該處的飛邊毛刺。

圖5中，已經(jīng)定義1：壓鑄模具生產(chǎn)時(shí)的間隙C≤0.07 mm 為無(wú)飛邊毛刺的模具設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn),這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是模具在正常生產(chǎn)中該處的間隙。

（1）階梯分型凹凸部配合間隙

在日常的工作中，模具設(shè)計(jì)制造者很難確定這兩種溫度的實(shí)際值，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)多次的測(cè)試驗(yàn)證，階梯分型，同一副模具的凹凸部表3統(tǒng)計(jì)的溫差為28.8 ℃（取30 ℃）簡(jiǎn)化計(jì)算。

（2）對(duì)碰銷(xiāo)子配合間隙

圖13 對(duì)碰銷(xiāo)配合間隙    圖14 抽芯滑塊碰穿銷(xiāo)配合間隙

（3）銷(xiāo)子與滑塊配合間隙

圖14中銷(xiāo)子與滑塊配合，一是要考慮銷(xiāo)子頂端與滑塊的出模斜度一致，銷(xiāo)子就需要防轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，同時(shí)還要設(shè)計(jì)銷(xiāo)子的間隙。由于滑塊在合模開(kāi)模階段，抽芯滑塊的運(yùn)動(dòng)波動(dòng)和制造精度±0.03 mm，凹凸面滑塊配合間隙，三者累計(jì)相加。

圖15 抽芯滑塊碰穿銷(xiāo)0.15間隙毛刺

不同的壓鑄廠生產(chǎn)的工藝差異，配合間隙可能存在差異，需要日常的數(shù)據(jù)積累和分析改進(jìn)，總體上差異不大，可能0.01～0.03的波動(dòng)是正常的，以上的推薦計(jì)算公式依然是有效。

分型面對(duì)碰銷(xiāo)間隙設(shè)計(jì)合理后，壓鑄實(shí)現(xiàn)無(wú)飛邊毛刺完全可能，有錯(cuò)誤的觀點(diǎn)認(rèn)為模具設(shè)計(jì)制造沒(méi)有間隙才可以實(shí)現(xiàn)無(wú)飛邊毛刺的壓鑄。實(shí)際情況是配合過(guò)緊，模具壓塌變形產(chǎn)生更大的毛刺，并造成模具的損壞。

案例二：新模具或者新更換的銷(xiāo)子在第一模壓鑄時(shí)是正常的，但壓鑄幾十模的時(shí)候銷(xiāo)子變彎曲或者折斷的原因是什么？

新模具設(shè)計(jì)制造時(shí)沒(méi)有考慮銷(xiāo)子的配合間隙，模具在生產(chǎn)幾十模后銷(xiāo)子溫度上升，與模具附近的溫度存在差異，熱膨脹導(dǎo)致銷(xiāo)子的長(zhǎng)度增長(zhǎng)，導(dǎo)致銷(xiāo)子被碰彎曲或者壓斷裂。特別是與滑塊配合碰穿的的銷(xiāo)子更容易折斷和彎曲：首先是銷(xiāo)子頂部的斜度沒(méi)有設(shè)計(jì)，其次是銷(xiāo)子沒(méi)有防轉(zhuǎn)，第三是配合的間隙過(guò)小。以上都設(shè)計(jì)完成后還需要在模具冷裝配時(shí)進(jìn)行手工確認(rèn)，滑塊推進(jìn)后用塞尺檢查間隙，生產(chǎn)中進(jìn)行銷(xiāo)子間隙的合理調(diào)整。長(zhǎng)度超過(guò)200 mm的銷(xiāo)子需要檢討產(chǎn)品尺寸的穩(wěn)定性以及日常的監(jiān)察跟蹤及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。

3.3 嵌套的配合間隙

當(dāng)壓鑄件有嵌套時(shí)，嵌套外露部分與模具配合，間隙設(shè)計(jì)不合理產(chǎn)生的飛邊毛刺去除困難。圖16中，嵌套外露的abcg段都有毛刺。ag段要加工，鑄件上毛刺可以不清理,但bc段不加工，鑄件加工后bc段依然有毛刺，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配使用中的毛刺掉落是不允許的，如何防止毛刺的產(chǎn)生在模具設(shè)計(jì)階段需要核算。

圖16 嵌套上毛刺

在模具設(shè)計(jì)的圖17中，其中嵌套的a～g段都是外露，h為三個(gè)均布的嵌套定位銷(xiāo)孔，嵌套的a段與模具壓緊。

嵌套與模具的有效的封水（封鋁液）面為嵌套的a面和內(nèi)徑g面，這里的封水面就是防止鋁液進(jìn)入到需要外露的嵌套部分。

圖17 嵌套與模具的配合間隙設(shè)計(jì)（其中尺寸均為嵌套尺寸）

圖17的嵌套的封水面的距離a段只有1.5 mm距離太短，R角的b段也要參加封水的作用，否則bcde段都可能因?yàn)閍段的封水效果不好而產(chǎn)生毛刺。

圖18 嵌套與模具的配合間隙設(shè)計(jì)（其中尺寸均為嵌套尺寸）

綜合嵌套的各面與模具的配合情況，形成案列的設(shè)計(jì)間隙標(biāo)準(zhǔn)表4。

隨著模具使用壽命的增加，與嵌套配合的面，模具變形和磨損增加，飛邊毛刺也會(huì)增加。最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案是與嵌套有關(guān)的嵌套安裝銷(xiāo)，定位銷(xiāo)等模具設(shè)計(jì)為組合鑲拼式，制作備件進(jìn)行及時(shí)的更換。

4模具的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

壓鑄模具的強(qiáng)度和剛性設(shè)計(jì)不合理，壓鑄時(shí)模具變形也會(huì)導(dǎo)致飛邊毛刺的產(chǎn)生。

定義2：壓鑄模具變形量δ≤0.05  mm為模具恢復(fù)原狀的最大變形量

圖19 壓鑄模具強(qiáng)度設(shè)計(jì)

當(dāng)模具有抽芯滑塊時(shí)，模具剛性不夠，壓鑄時(shí)滑塊退位，導(dǎo)致毛刺增加，分型面跑鋁。圖示20。

圖20：抽芯滑塊的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

4.3 成形鑲件對(duì)模框的作用力

當(dāng)鑄件有復(fù)雜的深腔部分時(shí)，模具會(huì)采用鑲件的形式，圖21的模具鑲件直接與模框接觸，鑄造壓力完全作用在相同的輪廓面積上，鑄造壓力等同傳遞到模框上，隨著模次的增加在圖19中模框的對(duì)應(yīng)面積底部下沉，導(dǎo)致鑄件形狀尺寸發(fā)生變化，所以模具開(kāi)發(fā)時(shí)需要識(shí)別該處的尺寸影響，納入質(zhì)量管理范疇。

很多的壓鑄企業(yè)鑄造壓力70MPa~110MP，甚至更大，而模框的屈服強(qiáng)度為91.5，每壓鑄一件沖擊模框一次，所以模框被壓塌。對(duì)策：一是保證質(zhì)量的情況下降低鑄造壓力；二是模框提高硬度，屈服強(qiáng)度得以提高；三是模框材料QT50更換為P20。

圖21 復(fù)雜深腔的鑲件

案例三：輪轂壓鑄圖22在冷模壓鑄時(shí)滑塊對(duì)碰面貫穿無(wú)毛刺，但該班生產(chǎn)1小時(shí)左右成片毛刺甚至封堵整個(gè)分型面。計(jì)算的結(jié)果變形量0.075 mm＞0.05 mm,滑塊受力不能恢復(fù)原位，造成跑鋁，產(chǎn)生飛邊毛刺。

圖22 輪轂滑塊面毛刺

對(duì)策：方案一是鑄造壓力780 kgf/降低到540/，前提條件是必須進(jìn)行產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度的CPK驗(yàn)證，本案例驗(yàn)證CPK合格。

方案二是降低模框的溫度：模具開(kāi)始生產(chǎn)的前50模沒(méi)有飛邊毛刺，生產(chǎn)過(guò)程中模框QT50從常溫20 ℃升高到100 ℃左右，此時(shí)抗拉強(qiáng)度降低，模框變形量增大。此時(shí)可考慮模框用自來(lái)水降低溫度的方法。

圖23 輪轂?zāi)＞呋瑝K結(jié)構(gòu)及尺寸

5總結(jié)

通過(guò)分析壓鑄模具鋼以及壓鑄鋁合金的熱膨脹系數(shù)，在模具開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)壓鑄鋁合金種類(lèi)正確選擇收縮率。壓鑄模具凹凸部銷(xiāo)子部存在溫度差異會(huì)導(dǎo)致熱膨脹量不同，同時(shí)模具的不同部位配合間隙的也不同，模具設(shè)計(jì)和制造時(shí)都需要對(duì)此進(jìn)行修正，以此來(lái)提高模具的精度。模具在使用中隨模具溫度變化其屈服強(qiáng)度也發(fā)生變化。只要模具的設(shè)計(jì)合理，制造精度提高，在模具方面實(shí)現(xiàn)無(wú)飛邊毛刺的壓鑄是能實(shí)現(xiàn)的。模具精度的提高鑄件的精度才有保證，鑄件的一致性好是壓鑄毛刺機(jī)器人正常使用的前提。本文僅從模具進(jìn)行了分析，壓鑄件的無(wú)飛邊毛刺還需要從設(shè)備工藝等全方位進(jìn)行分析對(duì)策。

作者：
唐和雍 李永杰 羅久林
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本文來(lái)自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴