一副壓鑄模的開發(fā)成功，是一系列細(xì)致的分析與計算設(shè)計的結(jié)果。在設(shè)計中需要考慮零件的技術(shù)要求、設(shè)備條件、結(jié)構(gòu)工藝性、模具結(jié)構(gòu)等，有時還需要模擬分析。現(xiàn)在以一個電子殼體零件的壓鑄解決方案為例進(jìn)行分析。
１ 零件的技術(shù)要求和設(shè)備條件
圖１是一個電子零件的殼體結(jié)構(gòu)件，材料為Ａ３８０鋁合金［１］，外形尺寸為２４０ｍｍ×１６６ｍｍ×１３０ｍｍ，要求組織致密，表面完整，并滿足氣密性要求。壓鑄設(shè)備為ＷＯＴＡＮ７００，其額定鎖模力為７０００ｋＮ；其最大料缸直徑為８０ｍｍ，拉杠間距為７５０ｍｍ，最大模厚為９００ｍｍ；設(shè)備有一個液壓抽芯裝置。
２ 結(jié)構(gòu)工藝分析
該零件形狀復(fù)雜，臺階多，５個面有腔體結(jié)構(gòu)，一個面有散熱筋，壁厚不均勻，最大壁厚為１２ｍｍ，最小壁厚為２．５ｍｍ，平均壁厚為３．２ｍｍ。零件的壓鑄填充過程遵循主干型腔填充原則，即應(yīng)遵循主干型腔的填充———優(yōu)質(zhì)填充區(qū)滿足７０％的要求；非主干型腔的填充———金屬液互相沖擊區(qū)約為３０％［２］。
圖１ａ為原殼體零件，從任何一個方向選擇澆注系統(tǒng)，優(yōu)質(zhì)填充區(qū)域不超過５０％，其中有一個面將全部是金屬液沖擊區(qū)。這種結(jié)構(gòu)不具備壓鑄工藝性，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)更改。經(jīng)過結(jié)構(gòu)分析，將圖１殼體箭頭１所指位置的蓋揭開，變成圖１ｂ箭頭４所指的無蓋位置，基本達(dá)到了主干型填充原則要求。
３ 鎖模力的計算
在壓鑄過程中，鋁合金液在分型面投影面積上的反壓力Ｐ反要小于壓鑄機(jī)的額定鎖模力，即：Ｐ反≤Ｐ鎖·ｋ （１）Ｐ反＝ΣＦ·ｐ×０．１ （２）式中，ΣＦ 為鑄件在分型面上的總投影面積，ｃｍ２；ｐ 為壓射比壓，ＭＰａ；Ｐ鎖為壓鑄機(jī)額定鎖模力，ｋＮ；ｋ 為許用安全系數(shù)，對于鋁合金，ｋ＝０．８。計算得到零件的總投影面積為６９０ｃｍ２，氣密件一般選用比壓為７０ＭＰａ，代入式（２）得Ｐ反＝４ ８３０ｋＮ；而ＷＯＴＡＮ７００壓鑄機(jī)的額定鎖模力Ｐ鎖＝７ ０００ｋＮ，代入式（１）得Ｐ反≤Ｐ鎖·ｋ≤５ ６００ｋＮ，滿足模具要求。
４ 澆注位置的選擇
澆注位置的選擇應(yīng)符合金屬液填充流線原則，即內(nèi)澆道與壓鑄件主干型腔所屬范圍內(nèi)的任意部位可通達(dá)的金屬流線的應(yīng)是最短的；內(nèi)澆道壓出的金屬液的流動方向應(yīng)基本一致，并沿著主干型腔型面的方向擴(kuò)展填充［３］。按照金屬液填充流線原則，澆注系統(tǒng)設(shè)計見圖２，以保證金屬流線最短，同時為了保證金屬液沿主干型腔型面的方向順利填充，在圖２中箭頭所指位置增加了３處導(dǎo)流筋。
５ 澆注系統(tǒng)計算
５．１ 內(nèi)澆口截面積的計算
根據(jù)Ｗ．Ｄａｖｏｋ經(jīng)驗公式：Ａｇ ＝０．４８５ Ｖ （３）在壁厚為２．４～３．２ｍｍ時有一定的適應(yīng)性。根據(jù)Ｇ．Ｌｉｅｂｙ經(jīng)驗公式：Ａｇ ＝５ ０００ Ｖ／（Ｖ ＋１０ ０００） （４）在壁厚為３～５ｍｍ時有一定的適應(yīng)性。式中，Ａｇ為內(nèi)澆口截面積，ｍｍ２；Ｖ 為零件體積，ｃｍ３。使用Ｐｒｏ／Ｅ三維分析可得到零件體積Ｖ ＝７９０ｃｍ３，用式（３）計算得Ａｇ＝３８３ｍｍ２，用式（４）計算得Ａｇ＝３６６ｍｍ２，設(shè)計時，取兩者中間值Ａｇ＝３７０ｍｍ２。根據(jù)零件的平均壁厚為３．２ｍｍ，取內(nèi)澆口的厚度為ｂ＝２ｍｍ，內(nèi)澆口長度Ｌ＝Ａｇ／ｂ＝１８５ｍｍ。
５．２ 料缸的選擇
５．２．１ 料缸截面驗證
按連續(xù)性原理，流體流過某一限定部位，在一段時間內(nèi)流體連續(xù)地充滿這個部位，因此在這個時間內(nèi)流入、流出的流量Ｑ 是相等的。
Ｑ ＝Ｖｇ·Ａｇ ＝Ｖｐ·Ａｐ
Ｖｇ ＝Ｖｐ·Ａｐ／Ａｇ （５）
式中，Ｖｇ為充填速度；Ｖｐ為射料桿壓射速度；Ａｐ為料缸截面積。
射料桿壓射速度Ｖｐ一般以１．５～２．５ｍ／ｓ比較合適，設(shè)計時選擇Ｖｐ＝２．４ｍ／ｓ，料缸直徑為８０ｍｍ 時，Ａｐ＝５ ０２４ｍｍ２，代入式（５）得Ｖｇ＝３２．５ｍ／ｓ，符合一般經(jīng)驗填充速度為３０～５０ｍ／ｓ的要求。
５．２．２ 充滿度驗證
料缸直徑為８０ｍｍ時，料缸能容納金屬液的最大總質(zhì)量為５．８ｋｇ，而帶澆注系統(tǒng)的零件總質(zhì)量為３．５ｋｇ，充滿度為３．５／５．８＝５１．７％，符合充滿度３０％～７５％的要求。所以選擇型號為ＷＯＴＡＮ７００壓鑄機(jī)、直徑為８０ｍｍ的料缸符合設(shè)計需求。
６ 模具總裝簡圖的設(shè)計
由于該零件復(fù)雜，外形偏大，需要４ 個滑塊抽芯———兩個液壓油缸抽芯和兩個斜拉桿抽芯。圖３是模具總裝簡圖。
圖４為充填型腔不同步的情況，其中模具外形尺寸為８３０ｍｍ×７５０ｍｍ×７００ｍｍ，偏心距為２００ｍｍ。而７０００ｋＮ壓鑄機(jī)拉杠間距為７５０ｍｍ，最大模厚為９００ｍｍ，模具不能直接裝入壓鑄機(jī)。通過計算，將模架切去下面兩個角，并將模具動模和定模分開來安裝，可以將模具裝入壓鑄機(jī)。
壓鑄機(jī)只有一個液壓抽芯裝置，通過三通結(jié)構(gòu)，可用一個液壓抽芯裝置帶動兩個液壓缸，直徑分別是１５０ｍｍ 和１２５ｍｍ。合模時推桿與滑塊會有干涉，設(shè)計先回程機(jī)構(gòu)可以有效解決這個問題。
７ 模擬試驗
考慮到該殼體零件結(jié)構(gòu)工藝的復(fù)雜性，為慎重起見，進(jìn)行了壓鑄仿真模擬試驗，將壓射桿射速設(shè)定為２．４ｍ／ｓ，澆注溫度設(shè)定為６５０℃，快壓射的切入點選擇為４支橫澆道全部充滿時，零件收縮率為０．６％，劃分網(wǎng)格數(shù)為３ ５００萬，模擬時間為５．５ｈ。試驗結(jié)果：①４支澆道不能同步填充，中間兩支先進(jìn)入型腔，見圖４；②部分區(qū)域填充不完整，見圖５。
８ 工藝修
根據(jù)仿真模擬分析的結(jié)果，對殼體零件進(jìn)行了工藝修改：①將４支澆道改為兩支，以保證澆道同步填充，見圖６；②更改零件局部位置壁厚，減少填充阻力，保證金屬液填充流線原則。圖１ａ、圖１ｂ分別是修改前和修改后的殼體，將箭頭２、３所指的壁厚２．５ｍｍ分別改為箭頭５、６所指的３．５ｍｍ及４．５ｍｍ。其中箭頭所指的修改壁厚不影響使用結(jié)構(gòu)，箭頭所指的修改壁厚則可以通過銑削加工去除。
９ 結(jié) 語
殼體零件通過以上工藝分析、計算、模擬和修改，試模獲得成功，零件表面完整，內(nèi)部組織致密，滿足氣密性要求。
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