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
铸件金属液最后充型处和重要控制点都应设置排气接口，接口的截面积总和至少要等于相应的排气元件的面积和。

本例中中型冷却块的排气面积为64平方毫米，而排气接口面积总和为72平方毫米。

3.4 排气通道的设置
设排气元件的接口处为100%，以下的分支总和至少按1.1倍递增。

见图6。

排气通道的脱模斜度为12-15度。

如果按15度考虑，采用中型真空冷却块SCS60，其尺寸分配为：
1）12×6；2）9×6.6；3）7.6×5；4）7×4；5）6×3.6；6）5×3；7）4×3
图6 排气通道接口及尺寸设计
本例的真空排气设计方案见图7。

有关排气元件的详细安装尺寸，请参见瑞士方达瑞公司提供的相关型号设计手册。

图7 真空排气方案设计
4 应用示例
图8展示的是平板铸件真空压铸模具浇注系统及排
气方案的设计要点。

左半部展示的是标准的真空压铸排气接口及通道的设计图，右半部展示的是带集渣包的真空压铸排气通道的设计图。

图8 平板铸件真空压铸模具浇注系统及排气方案
图9展示的是一铸件真空压铸设计错误的浇注系统和排气通道设计，应按细线条标明的位置及要求做修改，才能保证真空压铸的效果。

图9 真空压铸设计错误的浇注系统和排气通道设计
图10和图11展示的是典型的圆筒形压铸件，采用双冷却块的浇注系统及排气方案设计。

图10 双冷却块排气筒形模具
图11 双冷却块排气筒形铸件
5 结论
真空压铸模具的设计取决于产品结构、质量等要求，需考虑的因素与传统被动排气模具是一致的。

真空压铸模具的型腔抽真空时，模具分型面不需要增加密封圈，但要求模具表面平整，无飞料！所有内部排气通道都要求汇合于排气元件接口处，除了与排气元件相连的接口外，不容许出现任何其它排气口。

同时，真空元件的排气点一定要设置在定模块上，否则会造成排气胶管拖动而过早损坏！如对传统排气模具进行真空模具的改造，除以上要求外，一定要将通往模具外的其它排气槽全部封死。

一般来讲，采用与铸件重量匹配的单个排气元件最经济；但由于受到铸件形状的限制，或排气通道过长的影响，换成两个低一级的排气元件，效果更佳！严格来说，即使在排气面积一样的情况下，设计合理的冷却块排气，其效率仅为机械式真空阀的60%左右。

但从一次性投资成本以及维护成本上考量，冷却块比机械阀占优。

瑞士方达瑞真空系统设计应用范围较宽：可用于设计新模，或旧模改造；可用于铝，锌，镁合金等有色金属生产；可用于冷室和热室压铸机；可用于有自动化数据控制要求的压铸工艺中。

对于特殊的应用，如低压、低速压铸等，作适当的调整后也可采用。

总之，真空压铸生产是一个影响因素众多，彼此干涉交错而非常复杂的工艺。

真空压铸模具的设计，既有一定规律可循，也要具体问题具体分析，灵活掌握。

要做到基本数据、信息收集全面，分析透彻，尽可能充分考虑所有的外部条件。

确保设计优质的模具，才能生产高质量压铸件。