砂型铸造模具设计及制造分析

砂型铸造模具设计及制造分析
摘要:模具是注塑成型工艺的一个组成部分，也是铸造工业的重要组成部分。

设计思路和技术方案与模具的整体质量息息相关，决定了砂芯及铸件的质量。

因此，铸造模具设计应该得到铸造企业的高度重视。

本文从铸造的角度，对铸造模
具设计，特别是冷芯盒模具设计和模具各部件设计进行了详细的研究，以期用于
模具制造前的设计工作。

关键词:砂型铸造；模具设计；制造工艺
经过多年的不断发展，铸造模具质量有了明显提高，但整体自主创新能力仍
然不足，且欠缺足够的竞争力。

另外，大多数铸造模具设计师在铸造领域缺乏经验，也没有设计铸造工艺的能力，开发出来的模具很多不能满足铸件的实际生产
需要，铸造企业经常需要根据各种生产情况修改模具，于是铸造企业不得不培
养自己的模具设计人员并改进模具设计，铸造工艺设计和模具设计的紧密结合是
模具质量保证的前提，也是铸造企业追求创新需要大力推行的重要过程。

1铸造企业要培养模具设计工程师
即使在今天，仍有部分铸造企业完全依赖模具供应商提供生产所需模具，这
样做会让铸造企业不用在模具的设计和制造上投入过多的精力，但是，它会给铸
造生产带来很多隐患，后续的优化更改花费大量时间和费用。

如果模具供应商开
发的模具不符合所制造铸件的技术要求，铸造企业将不得不进行许多更改和优化，如模具的射砂系统、砂芯固化系统、浇注系统等重要细节，以后也会经常进行复
杂的更改。

基于以上原因，铸造企业需要培养自己的模具设计工程师。

模具设计
工程师可以兼顾铸造工艺设计，这样做的好处是使设计的模具更接近铸件的实际
生产，减少或避免新铸件开发的后续修改，提供更全面的模具技术，从而可以成
功开发新产品。

由于模具制造需要投资大量的加工设备，也需要大量的模具技术
人员。

所以，作为一家铸造企业，可能没有自己的模具制造设备，但需要有自己
的铸造工艺设计师和模具设计师，以确保模具工艺的可行性和新产品顺利开发。

2铸造工艺设计
2.1分型面的选择
在砂型铸造中，分型面选择合理可以简化组芯、造型操作，提高生产率，在
选择分型面时一般需要考虑以下几个方面：为便于起模，一般分型面应选择在铸
件最大截面处，一个截面无法起模时，局部阻碍起模的形状可做成活块，尽可能
减少分型面和活块数量。

为使铸件的重要加工面或大部分加工面尺寸波动小，应
将其和加工基准面位于同一砂型中。

尽量减少型芯数量和便于组芯下芯，减少合
型及检验位置，这样可以减少组合位置从而减少披锋。

优先采用简单平直分型面，以简化制芯模具的设计制造。

2.2收缩率的确定
当金属在室温下由液态变为固态时，它必须在液态中经历液固收缩和凝固收缩，然后才能从固态冷却到室温。

铸件在凝固过程中，它的各部分尺寸一般都要
缩小，铸件尺寸缩小的百分率，叫做铸造线收缩率或铸造收缩率。

通常，在设计
模具时，要按确定的铸造收缩率，将型腔模型放大一些，以保证冷却后铸件的尺
寸符合要求。

铸造收缩率要结合实际情况来选择，尺寸要求精确的铸件，铸造收
缩率要根据后期试制的铸件进行修正。

同一个铸件，由于结构上的差异，其长、宽、高三个方向的收缩率可能不一致，对于尺寸要求较精确的铸件，各个方向应
给以不同的收缩率。

在实际生产中，一般的铸件，特别是尺寸不大的铸件，各个
方向都用同一收缩率，这样便于模具的设计及加工制造。

对于砂型铸造，收缩率
的选择主要取决于造型设备、合金类型、铸件形状和砂质等因素。

常见铸件收缩
率的选择：中小型灰铸铁铸件一般取1%，中型与大型铸件取0.9%；高强度铸铁
取1~1.5%；球墨铸铁取1%。

3铸造工艺模拟分析
如果条件允许，可以使用华铸CAE、Magma、Flow 3D等铸造模拟分析软件对
设计的浇注系统进行模拟分析。

分析可以清楚地识别浇注和凝固过程中的实际状态。

除了铸造缺陷的位置和大小外，还可以多次调整浇注系统的形状和大小，进
行多次模拟分析。

最后，可以在设计模具之前确定最佳浇注系统，以尽量减少生产后铸件批量质量问题造成的经济损失。

一些形状比较复杂的砂芯，为确保射芯饱满，有条件的应进行射砂仿真，通过模拟射芯进行分析，调整射嘴、排气塞的位置或大小，进行一到三轮的优化重复仿真，直到获得比较理想的砂芯质量效果。

4模具设计制造的关键要求
4.1模块材质及要求
模具设计工程师需仔细考虑模具设计和材料选择，使材料能够满足所设计模具的模具强度、硬度、磨损、韧性和疲劳要求。

其中铸造模具主体模块材质及要求如表1所示。

表1铸造模具主体模块材质及要求
4.2射嘴布置要求
在射砂过程，射嘴穿过芯盒的射砂孔，是芯砂从射头快速进入芯盒的通道。

射嘴布置要求如下：（1）射嘴布置在砂芯的厚大位置；（2）砂流难进入的狭窄、凹窝、拐角位置，必须考虑布射嘴，周边的射嘴布置向这些位置靠近；（3）尽量布置在平面位置，局部曲面、斜面或圆角位置需考虑填成平面再布射嘴；（4）在开阔平面上，射嘴布置的间距按100mm ～180mm ，砂芯越厚大布置越密；（5）砂芯配合面的射嘴的边缘与铸件面距离一般按≥5mm；（6）射嘴布置不能正对下芯盒的凸起筋条或装配的针棒等模样；（7）芯腔浇注系统模样上不布射嘴，且射嘴距离浇注系统模样≥10mm；（8）当一个砂芯的组合面有浇注系统时，其对应组合的砂芯的组合面在浇注系统范围内不布置射嘴（避免披锋漏修被铁液冲进铸型造成铸件缺陷）；（9）位置足够，一般优先选用较大规格的射嘴。

4.3排气塞布置要求
（1）芯腔的凹窝及角落位置、射砂过程气流对冲位置、凸起模样背对射嘴的位置，必需布排气塞；（2）局部不能填高或填平的狭小位置需考虑从背面布φ15以上大排气塞；（3）芯腔浇注系统模样上一般不布置排气塞，但滤网座模样在上芯盒时在中间布置1个排气塞，在下芯盒时不布置排气塞；（4）局部凹窝凹槽或尖角位置需考虑填高或填平再布排气塞；（5）凹窝及角落的排气塞按边缘距侧壁根部3mm左右布置；（6）开阔平面上，排气塞与排气塞、顶芯杆或射嘴的间距按60mm~100mm，砂芯越厚大布置越密；（7）砂芯配合面排气塞的边缘与铸件面距离一般按≥5mm；（8）上下芯盒分型配合面一般不布置排气塞和排气通道，局部狭小形状布不下排气塞或需加强排气时，可在分型配合面开0.1mm 深，10mm宽的排气通道；（9）气缸体芯盒轴承座位置、气缸盖进气道导杆凸台位置不布置排气塞；（10）一般优先采用φ15的排气塞，其次可选
φ12/φ10/φ8/φ6/φ5的排气塞，优先选用大规格的。

对于厚大砂芯的芯头平面可采用φ18或φ20的排气塞.
4.4 顶芯杆布置要求
（1）布置在芯盒的深凹位置；（2）考虑全部或大部分布置到非铸件面上，铸件面尽可能不布或少布；（3）布置在平面位置，局部曲面、斜面或圆角位置需考虑填成平面再布顶芯杆，不能填平则尽量布在较平坦位置；（4）在开阔平面上，顶芯杆布置的间距按180mm～250mm；（5）芯腔浇注系统模样上不布顶芯杆，且顶芯杆距离浇注系统模样边缘≥10mm；（6）砂芯非铸件面的顶芯杆的边缘与铸件面距离一般按≥5mm；（7）属于铸件加工定位的对应芯腔位置不得布置顶芯杆；（8）当一个砂芯的组合面有浇注系统时，其对应组合的砂芯的组合面在浇注系统范围内不能布置顶芯杆；（9）一般每个砂芯顶芯杆数量≥3根，顶芯杆布置位置连线应是多边形而不能是一条直线；（10）一般最大采用φ16的顶芯杆，位置足够优先选用较大规格的顶芯杆。

4.5模具加工要求
对冷芯盒模具，为了保证砂芯的分型面无披锋，设计时平面分型面一般按0间隙进行设计，斜面或曲面的分型面按0.05mm进行设计，模具实物验收间隙控制在0.076mm以内，可以使用标准的检测压条及检测卡进行实际间隙检测。

分型
面较复杂的模具，有条件的可以采用大型电火花机床进行对分型面电火花加工，
从而使分型面间隙达到控制要求。

铸造模具形成铸件面的型腔尺寸精度一般控制
在±0.1mm，有特殊配合或定位要求的控制在±0.05mm。

为保证尺寸及配合精度，模具各部件粗加工后需进行去应力处理，防止其后续变形影响尺寸及配合精度，
精加工时采用高速的精度较高的机床进行加工，以得到较好的表面质量，从而可
以实现型腔面免抛光。

5结语
模具材料的工艺和设计关系到模具工艺的复杂程度、模具的成本和寿命，以
及铸件生产的可行性和可靠性。

因此，铸造企业要想提高模具的整体质量，就要
从模具的设计，尤其是铸造工艺入手，加大设计、仿真模拟的投入，在设计和模
拟中对铸造工艺进行改进，避免后期工艺、模具的更改造成的一系列损失。

【参考文献】
[1] 李佳兴,胡显俊,张绍旭,等. 砂型铸造模具设计及制造的思考[J]. 湖北
农机化,2021(12):127-128.
[2] 李原. 砂型铸造模具的设计与工艺研究[J]. 商品与质量,2020(27):91.。