摘要：基于數(shù)字化工具CimatronE，介紹帶側(cè)面凸臺(tái)的手表殼體壓鑄模具設(shè)計(jì)，分析澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、頂出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，給出了合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。該設(shè)計(jì)方法對(duì)縮短壓鑄模具設(shè)計(jì)與制造周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量具有積極作用。

隨著汽車(chē)、數(shù)碼產(chǎn)品和家電等產(chǎn)品的不斷更新，以及對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的要求不斷提高，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造水平的要求也越來(lái)越高。以手表殼體零件為例，該零件對(duì)模具除了有較高的幾何精度要求外，其形位精度要求也較高，交貨期要求越來(lái)越短，而目前大部分企業(yè)仍沿用二維繪圖系統(tǒng)或混合應(yīng)用3D/CAD和2D/CAD系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)任務(wù)，不能適應(yīng)市場(chǎng)需要。采用CimatronE軟件進(jìn)行壓鑄模具設(shè)計(jì)，分析了澆注系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，頂出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，給出了合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)的數(shù)字化設(shè)計(jì)，大大提高了模具設(shè)計(jì)效率。

一、主要模具零件設(shè)計(jì)

1、工藝分析

圖1為手表殼體零件圖及斷開(kāi)模型。殼體體積為5.1cm³，材質(zhì)為鋅合金。從圖1中可看出，該零件有兩對(duì)對(duì)稱(chēng)分布的小凸臺(tái)，常規(guī)做法是采用側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)才能順利脫模，但該殼體主體以凸臺(tái)中部為對(duì)稱(chēng)分為上下兩部分，且上下兩部分均向內(nèi)錐度2º，以此位置為斷開(kāi)面通過(guò)創(chuàng)建曲面分型面來(lái)完成分模，可避免抽芯機(jī)構(gòu)。此外，該鑄件壁厚不均勻，設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)要考慮確保所有的腔體都能有效填充，以獲得較好的成形質(zhì)量。根據(jù)零件大小和生產(chǎn)實(shí)際，采用1模2腔的模具結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)可加載2330標(biāo)準(zhǔn)模架，為確保型芯和型腔充分閉合，設(shè)置動(dòng)、定模板間的間隙參數(shù)各為0.5 mm，選擇動(dòng)、定模板尺寸分別為50 mm和70 mm的標(biāo)準(zhǔn)模板，設(shè)置方鐵高度為80 mm，用于頂出系統(tǒng)，其余模板采用CimatronE軟件的默認(rèn)尺寸。

2、分型面零件的設(shè)計(jì)

應(yīng)用CimatronE軟件的曲面設(shè)計(jì)功能，以凸臺(tái)中線為基準(zhǔn)做一條曲線斷開(kāi)手表殼體曲面，把模型剖成兩半，一半在凹模，一半在凸模，見(jiàn)圖1b。隨后用分模功能從已斷開(kāi)的曲面位置快速斷開(kāi)形成型腔和型芯分模兩個(gè)曲面，見(jiàn)圖1c。

圖1：手表外殼零件及快速斷開(kāi)模型

圖2為創(chuàng)建分型面的過(guò)程。以圖1中曲線為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)成曲面分型線，將這條曲面分型線設(shè)計(jì)成分型面，這樣形成曲面式分型，避免使用側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，而表鏈位置既有斜面又有曲面，可通過(guò)分步補(bǔ)曲面來(lái)完成。用封閉孤島的功能把中心孔創(chuàng)建成內(nèi)分型面，見(jiàn)圖2a。沿著分型面的輪廓在表鏈位置創(chuàng)建一個(gè)混合曲面，見(jiàn)圖2b,再以該曲面的外側(cè)輪廓?jiǎng)?chuàng)建組合曲線，并以此曲線創(chuàng)建掃掠面，見(jiàn)圖2c，通過(guò)鏡像可得到另一側(cè)掃掠面，見(jiàn)圖2d。以掃掠面外側(cè)輪廓和殼體其他輪廓?jiǎng)?chuàng)建組合曲線，以此曲線創(chuàng)建掃掠面,通過(guò)鏡像把已創(chuàng)建的腔殼體分型面鏡像到另一腔，然后用ZX平面裁減外分型面，完成分型面零件的設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖2e，這些曲面歸集在分型面零件中，用于后續(xù)模具成形零件的設(shè)計(jì)。

圖2：創(chuàng)建分型面

3、型芯、型腔零件設(shè)計(jì)

選擇動(dòng)板系統(tǒng)建立一個(gè)命名為“型芯”的文檔，利用草圖繪制工具在XY平面上創(chuàng)建草圖,見(jiàn)圖3a，設(shè)置拉伸正增量為45 mm，反向增量為35 mm，見(jiàn)圖3b，通過(guò)軟件參數(shù)化的切除功能完成型芯設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖3c。選擇定板系統(tǒng)同樣方法可完成型腔設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖3d。

圖3：設(shè)計(jì)型腔和型芯零件

二、澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)尺寸隨著鑄件材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及具體生產(chǎn)條件的不同而變化。由于鑄件厚度不均勻，會(huì)出現(xiàn)排氣困難和浮渣殘存缺陷，采用兩側(cè)澆注式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)順序凝固和避免產(chǎn)生縮孔。為了避免合金液沖刷直澆道底部，降低金屬液的流速及改變流向，直澆道采用流錐和分流錐配合。澆注系統(tǒng)的計(jì)算取決于最小截面積，可根據(jù)比例確定其他截面積。

1、內(nèi)澆口設(shè)計(jì)

（1）內(nèi)澆口截面積計(jì)算

式中，_內(nèi)為內(nèi)澆口截面積，cm³；T為充填時(shí)間，s。

（2）充填時(shí)間計(jì)算

式中，GF=0.31c㎡代入式（3），可得直澆道截面積_直F=0.37c㎡。

2、澆口套和分流錐設(shè)計(jì)

熱壓室壓鑄機(jī)采用的直澆道見(jiàn)圖4，主要由澆口套和分流錐組成，澆口套設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)來(lái)確定尺寸，澆口套導(dǎo)入口直徑查壓鑄件質(zhì)量手冊(cè)取值d1=8mm。為能將熔融鋅合金平穩(wěn)地引入型腔，增加熔融合金對(duì)分流錐的包緊力，便于開(kāi)模時(shí)能使直澆道余料留在動(dòng)模，設(shè)計(jì)分流錐的單側(cè)脫模斜度，長(zhǎng)度L為50~70 mm，端面至分流錐頂端距離l=10~12 mm，R=4~5mm，h=2.5~3.5 mm，根據(jù)直角三角形定理，分流錐底部直徑可由以下公式推導(dǎo)：

式中，d₃為直澆道底部分流錐直徑，mm；L為長(zhǎng)度，L=50~70 mm，取值L= 60mm；d₁為導(dǎo)入口直徑，mm。

由式（4）計(jì)算得d3=18 mm，澆口套大端直徑d2=d3+2h=18+2×2.5=23mm，通過(guò)優(yōu)化后實(shí)際直澆道的截面積為，單腔橫澆道的截面采用矩形，尺寸為15 mm×5 mm，單腔截面積為F單橫=0.75c㎡，雙腔截面積為F橫=1.50c㎡，計(jì)算出的單腔內(nèi)澆口截面積F單內(nèi)=0.31c㎡，雙腔截面積為F內(nèi)=0.62c㎡，計(jì)算出優(yōu)化后實(shí)際的截面比例為1.61:1.50:0.62=2.60:2.42:1。
綜上計(jì)算，設(shè)計(jì)出的澆注系統(tǒng)見(jiàn)圖5。

圖4 臥式熱壓鑄機(jī)用直澆道

圖5澆注系統(tǒng)

三、冷卻及頂出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

合金的工作溫度為150~200℃。為了保證冷卻效果，采用直徑為6 mm的水道，孔壁距離型腔的壁面取15 mm。根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和鋅合金材料的特性，設(shè)計(jì)出冷卻系統(tǒng)見(jiàn)圖6a。通過(guò)分析，溫差控制在3 ℃，最大翹曲量為0.11 mm,位于左右凸臺(tái)位置，，滿足客戶的需求，見(jiàn)圖6b和圖6c。

圖6 冷卻及質(zhì)量分析

2、頂出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本鑄件較小，頂桿直徑取2 mm，單腔布置均勻?qū)ΨQ(chēng)布置10根。為了便于脫模及余料餅的去除，在分流錐的后面加設(shè)4根推桿，保證能將分流錐頂出復(fù)位，其間隙還有利于排氣。

四、結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行壓鑄模具設(shè)計(jì)與制造，可更好對(duì)產(chǎn)品外形、模具結(jié)構(gòu)、成形工藝等優(yōu)化，顯著縮短模具設(shè)計(jì)與制造周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)出的手表殼體模具，調(diào)試后生產(chǎn)出的鑄件，質(zhì)量?jī)?yōu)良，獲得較短的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，該方法對(duì)同類(lèi)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)具有一定的借鑒作用。

作者：胡濱鎧 林明山
漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院

本文來(lái)自：《特種鑄造及有色合金》雜志社2019年第39卷第09期