作者姓名：刘辉 雷永伟模具设计对铝合金压铸件质量的影响
【摘要】在压铸生产中，常常会遇到很多质量问题，使得压铸件存在或多或少 的缺陷，其原因也是多方面的。它与压铸件自身的设计、压铸设备的使用(特别是压 射力和压射速度)、工艺参数的选用、模具结构(特别是浇注系统和排溢系统)的合理 程度、合金熔炼的质量以及压铸操作等多种因素有关。本文主要从模具的型腔数设 定、浇注系统的设计、排溢系统的设计、模具温度控制、成型零件尺寸的控制、分 型面位置的确定、模具变形等方面探讨了模具设计对压铸件质量的影响；同时，分 析了压铸件常见缺陷产生的原因及排除措施。 关键字：模具设计 压铸件 质量 因素
随着科学技术的发展，对压铸件产品的安全性和美观性的要求不断提高。根据 压铸件的使用要求，对零件的质量要求也有所不同。比如用于火车上的摇头扇支架， 在保证尺寸之外，主要考虑的是零件的强度；而用于天然气计量的仪表外壳，不仅 仅考虑的是尺寸、外观，更重要的是考虑压铸产品的气密性。良好的模具设计，可 以生产出高质量的压铸件， 对节约材料、 能源并提高生产效益具有很重要的意义。 一、影响压铸件质量的模具设计因素 影响压铸件质量的模具设计因素 模具设计 在压铸生产中，产品质量与压铸件自身的设计、压铸设备的使用(特别是压射力 和压射速度)、 工艺参数的选用、 模具结构(特别是浇注系统和排溢系统)的合理程度、 合金熔炼的质量以及压铸操作等多种因素有关。良好的模具设计，是保证压铸件质 量的先决条件，主要包括以下环节： 1、压铸件的设计 模具设计时，应首先充分了解用户的使用要求及工作条件，然后根据使用要求 及工作环境选择压铸性能合适的材质。但要特别注意在满足使用要求的前提下，尽 量使压铸件结构简单，并注意到以下几点： （1）保持壁厚均匀且留有必要的出模斜度，避免压铸件出现气孔、欠铸、拉痕、 裂纹、变形等缺陷。 （2）尽量消除侧面凹凸和深腔。内部侧面的凹凸和深腔是脱模的最大障碍，在
无法避免时，也应保证铸件能顺利从压铸模具中取出。 （3）尽量减少抽芯部位。模具上采用抽芯机构是很常见的，但在设计时，减少 抽芯机构是十分必要的，这样既可简化结构，又可较少模具使用中的故障。 （4）消除模具型芯出现交叉的部位。型芯的交叉，不但使模具结构复杂，而且 容易出现故障，难以保障批量正常生产。 （5）消除尖角以减少铸造应力。 2、压铸工艺的制定 压铸工艺的制定 压铸 模具设计必须充分考虑压铸工艺，才能保证模具的正常使用。因为，压铸工艺 直接影响生产加工和产品的质量，而压铸工艺的制定和执行必须结合企业的生产、 加工条件考虑，与压铸设备的性能、操作人员的专业技术水平有关。 压铸机是压铸生产的要素之一，在压铸过程中，需要根据不同的产品、材料和 工艺要求等因素选择具有不同特性的压铸机。不同型号的压铸机可提供的工艺参数 不同，可加工的压铸材料也常常有一定限制。压铸机的锁模力、压射力、动模板行 程及动、定模座板间的开距等工艺参数直接影响模具设计，也决定产品的质量能否 得到保障。比如压射力过小，往往会造成零件的欠铸。因此，必须熟悉压铸机的特 性、技术规格，以便能通过设计计算，合理地选用压铸机，保证压铸生产的正常进 行。同时，熟悉压铸机的操作规程、方法和维护保养，做到正确操作压铸机，准确 控制其工艺参数，从而，获得优质的压铸产品。 3、模具结构、加工精度及模具材料的选择 模具结构、 压铸件是由模具压铸出的，无疑模具的设计、加工、模具材料的选用等与压铸 产品质量有密切关系。模具结构不合理，无论从工艺上采取何种措施，也很难保证 产品质量。 根据压铸模中各零部件与熔融合金的接触情况和功能不同，可分为成型零部件、 结构零部件和其他机构。其中，成型零部件主要指与熔融金属合金接触并构成模具 型腔和型芯的各种零件，显而易见，成型零件直接决定产品的形状、尺寸等；结构 零件包括支承零件、导向机构、推出机构、抽芯机构等，这些机构决定模具能否正 常投入批量生产；浇注系统、排溢系统、加热冷却系统属于其他机构，也是生产合 格压铸件所必需的模具结构，缺少这些机构将导致众多的产品质量问题并加速模具 的报废。
模具材料、加工精度、表面粗糙度、热处理以及模具装配等都会影响压铸产品 的质量及模具的使用寿命。压铸模的使用条件极为恶劣，以铝合金压铸模为例，铝 合金的熔点为 580～740℃，使用时铝合金熔体温度一般控制在 650～720℃。在不对 模具预热的情况下压铸，型腔表面温度由室温直升至熔体温度，型腔表面承受极大 的拉应力。开模顶件时，型腔表面承受极大的压应力。数千次的压铸后，模具表面 便产生龟裂等缺陷。可见，压铸模不仅是在高温、高压、高速金属熔体冲刷的条件 下使用，而且，使用条件属于急热急冷型。因此，模具材料应当是具有冷热疲劳抗 力、高断裂韧性、高热稳定性的热作模具钢，如 H13 或 3Cr2W8V。同样，加工精度、 表面粗糙度、热处理如果达不到要求，也将加速模具型腔表面的损坏，进而影响产 品的质量。 4、铸件材料的收缩率 铸件材料的收缩率一般以平均百分率计算，基本可以保证压铸件的尺寸精度。 但对于高精度的压铸件，设计模具时选用材料收缩率应特别注意。必要时甚至可以 先作试验模具，在试验模具上取得需要的数据之后，再着手设计和制造用于大量生 产的模具。 二、压铸件质量与模具的关系 模具是生产压铸件的主要载体，因此，在设计模具时应尽量注意使模具总体结 构及模具零件结构合理，以便于制造、使用，安全可靠；保证模具在压铸中不变形； 使金属液在模内流动稳定，并能均匀地使铸件冷却。此外，要根据生产批量，材质 情况等合理地选用适宜的模具材料。 1、模具结构要合理，模具零件的结构也要合理 模具结构要合理， 结构要合理 从强度的观点来看，把模具零件设计成整体的好，坚固耐用，在使用中不易损 坏，不易变形。但是如果压铸件形状复杂，模具零件也复杂，会使模具加工困难， 并且加工的精度不高。若把模具零件做成组合式，则可使模具的制造大为简化，易 获得高的加工精度，进而可获得高质量的压铸件。同时，整体式的零件一旦损坏， 更换异常麻烦，而组合式的可以相对轻松地更换损坏的零件；不过，组合件有可能 在零件上产生印痕，需引起注意。 2、模具型腔数的设定 模具型腔数的设 型腔数的
设定型腔数，要考虑设备能力，模具加工的难易程度，生产批量大小，铸件的 精度要求等。特别是多型腔模具，由于模具加工难度大，尺寸精度误差大，浇道配 置不易取得均衡，使各型腔铸件性能不一致。压铸件要求精度高，几何形状复杂时 最好一模一腔，多型腔模具往往用于生产小型铸件。 3、浇注系统的设计 浇注系统指从压铸机的压室开始到内浇道为止的进料通道，一般由直浇道、横 浇道、内浇道、余料四部分组成。 浇注系统不仅是液体金属充填压铸型腔的通道，还对熔融金属流动速度、压力 的传递、充填的时间、模具的热分散以及排气条件等因素有调节作用。所以设计浇 注系统必须分析铸件的结构特点，技术要求，合金种类及其特性，还要考虑压铸机 的类型及特点等，合理地设计浇注系统。 4、排溢系统设计 排溢系统由溢流槽和排气槽组成。排溢系统和浇注系统在整个型腔充填过程中 是一个不可分割的整体。溢流槽与排气槽的功能，是保证在液态合金充填铸型的过 程中能够及时排出型腔中的气体、气体夹杂物、涂料残渣及冷污金属等。这是确保 压铸件质量、消除某些压铸件缺陷的重要措施之一。其效果往往与溢流槽和排气槽 在型腔周围或局部部位的布局合理性、布置的位置、数量的分配、尺寸和容量的大 小等有关。 1）溢流槽的设计 溢流槽的设置，不仅可以用来接纳型腔中的气体、气体夹杂物及冷污金属，而 且，还可以用来调节型腔局部温度、改善充填条件。通常溢流槽应设置在金属熔体 最先冲击、最后充填的部位，或者在两股或多股金属熔体汇流、易裹入气体或产生 涡流的部位，以及压铸件局部过厚或过薄的部位。一般，溢流槽常设置在分型面上 和型腔内、防止金属倒流等部位。溢流槽的设计中须考虑下述五方面： (1)设计溢流槽时，要注意便于从压铸件上去除，且在去除后尽量不损坏铸件的 外观。 (2)溢流槽的布置应有利于排除型腔中的气体，排除混有气体、氧化物、分型剂 残渣的金属熔体，改善模具的热平衡状态。 (3)不应在同一溢流槽上开几个溢流口或一个很宽的溢流口。这样，可避免金属
熔体产生倒流，使部分金属熔体从溢流槽流回型腔。 (4)在溢流槽上开设排气槽时，应合理设计溢流口，避免过早堵塞排气槽。 (5)溢流槽的截面积应大于连接在溢流槽后的排气槽截面积。 2）排气槽设计 排气槽是指在充型过程中型腔内受到排挤的气体的逸出通道。原则上，排气槽 应与溢流槽配合使用，在压铸模上的开设位置应与溢流槽基本相同。这样，能够降 低溢流槽内的气体压力，更好地发挥溢流槽的作用。排气槽的设计需注意以下几点： (1)排气槽尽可能设置在分型面上，以便脱模。 (2)排气槽尽可能设置在同一半模上，以便制造。 (3)当排气量较多时，可增加排气槽数量或宽度，切忌增加厚度，以防金属熔体 堵塞或向外喷溅。 (4)型腔深处可利用型芯和推杆的间隙排气。 (5)溢流槽尾部应开排气槽，如图 1 所示。
图1
溢流槽尾部开排气槽
(6)排气槽也可以根据需要在型腔的必要部位单独设置。 (7)排气槽通常为扁宽的缝隙式结构，其深度与浇注合金的流动性有关，一般为 0．05～0．30mm。 5、模具温度控制 模具温度控制 压铸模的温度是影响铸件质量的一个重要因素。模温控制不好，不但影响压铸 件的内外质量(如铸件产生气孔、缩孔、疏松、粘膜、晶粒粗大等缺陷)，还影响铸 件尺寸精度甚至造成铸件变形，使压铸模出现龟裂，并在铸件表面形成难以清除的 网状毛刺，影响压铸件的外观质量。以铝合金为例，在长期生产实践中总结得出模
具最佳温度应控制 230～280℃，模具温度在这一范围内有利于获得优质高产铸件。 6、成型零件尺寸的控制 成型零件尺寸的控制 成型零件尺寸的 计算压铸零件尺寸时选用压铸材料的收缩率要符合实际，根据产品零件的尺寸 及压铸材料的收缩率确定型腔、型芯，不然会导致生产的产品不合格。必要时通过 试验模具实测之后再计算压铸件的尺寸。对于高精度的产品，甚至要把模具零件材 料的热膨胀及环境因素对产品尺寸精度的影响考虑在内。 7、分型面位置的确定 分型面位置的确 分型面的位置会影响到模具加工、排气、产品脱模等。通常分型面会在产品上 留下一条痕迹线，影响产品的表面质量及尺寸精度。因此，设计分型面位置时，除 考虑到产品脱模、模具加工、排气等问题外，可把分型面位置放在产品表面质量要 求不高或尺寸精度不高的地方。主要遵循以下原则： （1）分型面的选择应便于压铸件的顺利脱模； （2）分型面应选择在压铸件外形最大轮廓处； （3）分型面的选择应利于浇注和排溢系统的布置以及排气； （4）分型面的选择应保证压铸件的尺寸精度和表面质量要求； （5）分型面的选择要便于模具制造，使制造具有可行性和加工质量的可靠性。 8、模具变形的控制 模具变形的控制 往往由于模具结构不合理或模具材料选用不当，造成模具在使用中裂口、变形， 进而导
致产品不合格，为此，在设计模具时必须采取适当的措施来保证产品的质量。 通常压铸时，为使模具不变形错位，型腔要充分厚，安装型芯的板及垫板要充分厚， 必要时垫板下可以增加支垫。型芯与型腔要安装可靠，型芯与安装孔侧面粗糙度要 合适，粗糙度不能太低，型芯应固定，并使型芯受力均衡。模具设计时，需对压铸 模的型腔、垫板进行强度校核；对型腔壁厚进行强度、刚度校核；对垫板进行刚度 校核。除在模具结构上采取必要保证措施之外，还得选用变形小，强度好的模具材 料。另外，模具导柱与导套之间存在间隙或导柱、导套在使用过程中的磨损都会影 响到产品的质量。 推出系统应设置导柱，用以防止推杆等工作不平稳受单侧磨损，保证产品受力 均匀，顶出时不使产品变形。
三、压铸件常见缺陷及排除措施 压铸件常见缺陷及排除措施 缺陷及排除 压铸件常见缺陷及排除措施表 1
缺陷 名称 产生原因 特征：铸件表皮起下 特征：铸件表皮起下，聚集气体热胀所鼓起的泡 模具温度过高 金属流卷入气体过多 气泡 涂料过多，浇注前未燃净，使挥 发气体被包在铸件表层 排气不畅 开模过早 冷却模具至工作温度 避免涡流，金属流速度不能过快 用涂料要均匀 增设溢流槽和排气道 延长持压时间；调整留模时间 排除措施
特征：金属液未充满型腔， 特征：金属液未充满型腔，铸件出现局部短缺 金属液含气量高，氧化严重，以 致流动性下降 金属液浇入温度及模具温度过 低 欠铸 内浇口速度过低 蓄压器内氮气压力不足 倒入压室内金属液太少 铸件壁过薄等设计不当 采用正确的熔炼工艺，排除气体及非金属夹杂物
适当地提高浇入温度和模具温度 提高压射速度 灌入氮气，提高压力 检查操作及金属定量装置是否失灵，并加以调整 设计铸件壁厚应大于压铸允许的最小壁厚；应放适量加工余 量；增设加强筋，使金属容易流入搭子处；转角处圆滑过渡
特征：铸件上穿透或不穿透的开裂细长缝隙， 特征：铸件上穿透或不穿透的开裂细长缝隙，开裂处金属未被氧化 铸件结构不合理，收缩受阻碍 抽芯及顶出装置在工作中产生 偏斜，受力不均匀 模具温度低 开模及抽芯时间太晚 有残余应力的铸件，在清理过程 冷裂纹 中受外力而断裂 合金成份有差错或有害杂质过 高，使合金可塑性下降 严重拉伤而开裂 操作循环太快，没有足够的凝固 时间 密集的夹杂产生应力集中，严重 时产生裂纹 高硅铝合金保温时间过长 修改铸件设计，避免收缩阻碍；壁厚应尽量均匀，厚薄转接应 缓和；增加工艺圆角；加设工艺筋；合理设计浇口系统 修正模具并将顶出装置调整好；推杆修齐平 控制模具温度至工作温度 缩短留模时间及抽芯时间 清理过程中避免剧烈的撞击
严格控制有害杂志，调整合金成分达规定范围 消除型壁的倒斜度或不平整现象，避免拉伤；避免粘模 改进操作及调整机器
消除夹杂 严格遵守工艺规范
压铸件常见缺陷及排除措施表 2
缺陷 名称
产生原因
排除措施
特征：表面光滑、形状无一定规律的空洞（常在加工后发现） 通常在铸件壁厚中心附近为 。通常在铸件壁厚中心附近 特征：表面光滑、形状无一定规律的空洞（常在加工后发现） 通常在铸件壁厚中心附近为分散性细 。 小气孔， 小气孔，位于金属聚集处为较大气孔 浇口位置选择和导流形状不当，导 致金属液进入型腔产生正面撞击 和旋涡 选择有利于腔内气体排除的浇口位置和导流形状，避免金属液先 封闭分型面上的排溢系统； 避免采用金属液正面撞击型芯 （或型壁） 的浇口位置和导流形状； 对非良形状铸件及大铸件采用多股浇口以减少卷入气体。 采用梯形截面横浇道，在保证金属不过早凝固的条件下选取最大 的 c 值（宽度和深度的比值 c，一般取 1.5~5） ； 浇道形状设计不良 横浇道与横浇道之间的连接应避免金属液在转弯处形成低压区； 直浇道的喷口截面积应尽可能比内浇口截面积大，避免直浇道喷 口处的金属流动速度比内浇口速度高而卷气。 压室充满度不够 内浇口速度太高，产生湍流 气 孔 在型腔最后填充部位开溢流槽和排气道，并应避免溢流槽和排气 道被金属液封闭； 排气不畅 用镶拼方式增加排气； 保证足够的排气截面； 控制模具温度至工作温度。 尽可能更改压铸件结构； 模具型腔位置太深(“死区”) 加大排气道总截面积； 引导金属流先填充“死区” ； 采用通气塞。 机械加工余量太大 涂料过多，填充前未燃尽 炉料不干净、精炼不良 尽可能减少加工余量 涂料适量，吹匀；采用发气量小的涂料 炉料必须处理干净、干燥、 ，并严格遵守熔炼工艺 提高压室充满度，尽可能选用较小压室。 在满足成型良好的情况下，内浇口厚度应厚些。
特征：形状不规则、呈暗色、表面粗糙的孔洞（通常探伤或加工发现） 特征：形状不规则、呈暗色、表面粗糙的孔洞（通常探伤或加工发现） 合金热规范不适宜 缩 孔 铸件结构有热节、壁厚不均匀 溢流槽容量不够、溢口过薄 立式机器的冲头返回太快（尤其是 冲头与压室间隙太小时） .尽可能降低浇入温度，调整模具至适宜的工作温度。 改进压铸件设计，减小或消除热节；尽可能使壁厚均匀。 加大溢流槽容量、增厚溢口。 应有一定的持压时间；加大冲头与压室之间的间隙至适宜的程度
压铸件常见缺陷及排除措施表 3
缺陷 名称 产生原因 特征：铸件分型面上（或活动部位处） 特征：铸件分型面上（或活动部位处）突出过多的金属薄片 压射前机器的调整、操作不合理 模具及滑块损坏、闭锁元件失效 飞边 模具镶块及滑块摩损 模具强度不够造成变形 分型面上杂物未清理干净 投影面积计算不正确，超过锁模力 检查合模力及增压情况，调整压射增压机构 检查模具滑块的损坏程度并修整；检查闭锁元件，并修整 检查磨损情况，并修复 正确计算模具强度 检查分型面上有无杂物并清理 正确计算 排除措施
特征： 特征：铸件几何形状与图纸不符的整体变形 铸件设计不良，引起不均匀的收缩 浇口收缩使铸件局部受力不均 顶出过程中铸件偏斜 变形 开模过早 模具受疲劳应力而变形 铸造斜度太小及涂料太少 擦伤严重，使脱模时受力不均 侧浇口压铸件，各部位热量不均匀 改进铸件设计，如：改变截面厚度避免不恰当的凸块 检查并修改浇口系统以减少铸造应力。 检查铸件顶出时受力均衡情况及推杆位置。 适当延长留模时间 压铸中每隔一定时间用涂料润滑模具 改进模具；注意操作 修正脱模斜度或模具压伤面 内浇口对面的铸件边上增设溢流槽；改变浇口位置
特征：顺着出模方向损坏铸件表面的线痕， 特征：顺着出模方向损坏铸件表面的线痕，严重时成为擦伤面 型芯、型壁的铸造斜度太小 型芯、型壁斜度不对 硬度不够 擦伤 型芯、型壁有压伤 合金粘附模具 铸件顶出有偏斜 在低压区模具产生“空蚀”现象 合理设计铸造斜度 修正脱模斜度 对铝合金：提高硬度 检查并修正压伤部分 合理设计浇口系统，避免金属流对冲型芯或型壁；模具粘附处增 加涂料；提高型芯硬度和光洁度： 铝合金铁含量应不少于 0.6 % ；检查模具结构和制造的问题，并 加以修正；检查机器顶出是否均衡，并调整合适 空蚀处增加涂料，可得到改善；改变铸件设计以消除低压区。
特征：两股金属流互相对接或搭接未完全融合，其交接边缘圆滑，在外力作用下有发展的趋势。 特征：两股金属流互相对接或搭接未完全融合，其交接边缘圆滑，在外力作用下有发展的趋势。 下有发展的趋势 金属液流动性差 冷隔 内浇口速度太低 金属液分股填充，融合不良 铸件壁过薄 排气不畅 适当提高金属液的浇入温度及模具温度；改变合金成份，以提高 流动性；避免金属液氧化过多。 提高冲头速度或比压，缩短填充时间；合理计算内浇口截面积。 合理设计浇口系统，改善填充条件；适当增大内浇口截面积； 适当增加壁厚。 设置或增添溢流槽及排气道；清理排气道；使其畅通。
四、结束语 目前模具设计基本上采用类比的方法，依靠经验进行。因此，从事模具设计者 应在生产中积累经验，特别是根据材料的压铸性能等特点所得的模具设计经验，借 助计算机应用技术进行模具设计；将模具分类，使其规格化、标准化；运用计算机 辅助设计，进行自由曲面设计、流动设计、温度确定、强度计算，以提高设计模具 的速度，使模具结构更加合理。
参考文献： 1、 压铸技术简明手册》 《 编写组 .压铸技术简明手册. 国防工业出版社,1980.2,ISBN:15034.1867 2、马晓录，李海平 .压铸工艺与模具设计. 机械工业出版社，2010.1，ISBN：978-7-111-29209