真空压铸模具设计方案

真空压铸模具设计方案

引言

与砂型和重力铸造相比，传统压铸件的微观结构不尽人意，主要原因是高速金属流在浇口处的喷射，要比金属缓慢喂入砂型或金属模腔更容易接触型腔内的空气和烟气。真空压铸工艺的重点是尽量减少这种气液接触，因此将型腔内气体有效的排出是真空压铸模具设计的关键。对于压铸模具，传统排气设计与真空排气设计并无本质区别。只是排气的方式上前者为被动排气，利用金属流动将气体排出，即所谓的正压压射；后者为主动排气，即由采用真空装置，随压射的进行将型腔内的气体抽出，也称为负压压射。就排气效果而言，相差甚远，正确的真空排气应用将会极大降低型腔内的气体含量，从而有效地提高产品的质量。本文将就真空模具方案设计所涉及的一些内容展开讨论，重点是排气方案设计。

1 真空压铸模具设计基础

了解和掌握产品和铸件方面的知识越多，真空模具设计方案越准确。首先要进行的是模具型腔布置，包括确定分型面、模穴数量和布置方式；其次要考虑的是可能的充型位置和方向等。其中最重要是浇口设计。为了确定正确的浇口面积，以下因素必须要先行考虑：

- 铸件大小

- 几何形状，包括壁厚，流动路径，最后充型点，排气点等等

- 优化的模具温度

- 去边操作可行性

- 铸件质量要求，包括整体性和局部性的安全性，气密性，表面处理和机加要求等

- 充型时间

- 浇口速度

其中铸件净重，充型时间，浇口速度是模具设计的最基本计算数据。锌和铝铸件的充型时间请分别参考表一及表二。

表一：锌合金充型时间选择经验数据

铸件净重壁厚短流动路径中流动路径长流动路径

5克小于1毫米 5 3 1 大于3毫米8 4 3

15克小于1.1毫米7 5 2 大于3毫米9 7 5

50克小于1.2毫米10 7 4 大于3.5毫米14 10 7

150克小于1.2毫米14 11 8 大于4毫米17 14 11

500克小于1.3毫米18 16 12 大于5毫米26 21 16

1000克小于1.5毫米22 20 15 大于6毫米32 26 20

表二：铝合金充型时间选择经验数据

铸件净重壁厚短流动路径中流动路径长流动路径

30克小于1.1毫米 6 4 2 大于3毫米10 8 5

100克小于1.2毫米10 8 6 大于3.5毫米17 13 9

500克小于1.4毫米24 19 12 大于4毫米38 28 21

1000克小于1.6毫米34 29 22 大于4.5毫米50 37 30

3000克小于2毫米58 50 38 大于5毫米75 65 53

9000克小于2.5毫米94 85 65 大于7毫米150 110 92

至于浇口速度，锌和铝铸件请参看表三和表四。

表三：锌合金浇口速度选择经验数据

铸件壁厚短充型路径长充型路径

0.6-3毫米42-46米/秒45-56米/秒

2-6毫米40-44米/秒40-48米/秒

5-14毫米36-42米/秒38-45米/秒

表四：铝合金浇口速度选择经验数据

铸件壁厚短充型路径长充型路径

1-5毫米40-44米/秒42-52米/秒

4-10毫米38-42米/秒40-45米/秒

8-18毫米32-40米/秒36-43米/秒

以上经验数据基于高质量压铸件的一个平均值。对于具体的设计，其它诸如壁厚突变，复杂几何形状，模温以及集渣包等因素也要考虑进去。

最困难的决定是将单穴模变成多穴模，模穴越多，变数越多。多穴模的设计要点是要使所有模穴同时充型，同时结束。但计算是从一个模穴开始的。

2 浇道方案设计

现举例说明单穴模浇道方案设计过程，见图1。

铝铸件净重：2500克

壁厚：最薄2.4毫米；最厚12毫米

几何形状：复杂

模具温度：定模180oC，动模190-210oC

优化充型时间：50毫秒

优化浇口速度：40米/秒

金属流量：20.6升/秒

浇口面积：518毫米2

冲头直径：90毫米

100毫米110毫米

冲头充型速度： 3.30米/秒 2.70米/秒 2.25米/秒

浇道中间系数： 1.75

图1 单模穴浇道方案

现在根据铸件的几何形状来分配浇口：确定充型流动方向和流量分配，由此可确定浇口的位置，导流方向，厚度及长度。本例中，浇口分为10段（最左边两个合为一个），每段面积都为51.8毫米2，厚度为2.8毫米，宽度为18.5毫米，见图2。

图2 浇口分配方案

浇口设置完毕后，进行浇道方案设计。需要考虑以下问题：怎样使得从浇道进入到浇口的热金属流无紊乱？其优化的截面积是多少？其最佳的几何形状是什么？

浇道的设计，其截面积应该是从压室开始朝着浇口方向逐步递减，最实用和简捷的方法是在浇道截面积上使用厚度系数来确定。一般说来，对于厚壁件，系数为1.8至2.2；中等厚度件为1.5至1.8；薄壁件为1.3至1.6。本案例选择了1.75作为中间优化系数，从压室至浇口间，以1.9开始，1.5结束。见图3。

图3 浇道截面积分布

从能量损失方面考虑，浇道的最佳几何形状应是圆形，考虑到便于加工等原因，常采用其近似的梯形来代替，见图4。

图4 圆形和梯形浇道截面

3 排气方案设计

真空压铸模具排气方案设计，主要包括真空系统选型—即真空机及排气元件的选择、排气元件的安装、排气接口及排气通道的设置。

3.1真空系统选型

首先选择排气元件，瑞士方达瑞（FONAREX）公司的排气元件按结构形式有真空阀或真空冷却块，其选择取决于产品质量要求和经济性。产品质量要求高的需采用真空阀。按规格和排气能力分为超小型、小型、中型、大型和超大型。

然后是选择真空机，其排气能力要与排气元件的大小相匹配，这样才能发挥出所选用的真空排气元件的特点与能力。真空阀和真空机选择的原则见表5。冷却块的选择见表6。依本例，根据铝铸件净重，选择中型单腔真空机和中型冷却块，见图5。

表5 真空阀和真空机选择的原则

真空阀铝合金净重锌合金净重镁合金净重压铸机对应的真空机

超小0.05 – 0.3 kg 0.15 – 0.8 kg 0.03 -0.2 kg 直到250 t 所有型小型0.1 – 0.6 kg 0.25 – 1.6 kg 0.06 – 0.35 kg 直到400 t 所有型中型0.6 – 4.0 kg 1.6 – 10 kg 0.3 – 2.4 kg 200 – 800 t 所有型大型 4 – 8 kg – 2.4 – 4.5 kg 600 – 2000 t 大型超大8 – 16 kg – 4.5 – 9.5 kg 1600 – 4000 t 大型

表6 冷却块型号

冷却块型号高X宽X厚

（毫米）

冷却块间隙

（毫米）

排气面积

（毫米）

排气能力

（升/秒）

对应真空阀

标准型：

SCS30小型150x63x50 0.65 30 1.5 小型阀

SCS60中型250x100x50 0.8 64 3.5 中型阀

SCS100大型300x140x60 0.9 108 6.5 大型阀

图5 中型真空机及冷却块

3.2. 排气元件安装

排气元件最佳安装位置是在模框内，如果安装在模框外，其背面与模板之间需增加支撑块，以防止压射时排气元件涨开；同时尽量靠近铸件排气接口。至于放在上面还是侧面，不影响排气效果。本例中图6，排气冷却块设计在上模框内。

3.3 排气接口的设置原则