气缸端盖压铸模设计

气缸端盖压铸模设计

学 生：xx 指导老师：xxx 三峡大学机械与材料学院

摘 要：低压铸造具有铸件尺寸精度较高充型平稳易获得优质铸件以及后续加工量少节能降耗等许多优点,已成为生产汽车铝合金铸件的重要工艺,是缸盖铸造生产的发展趋势\低压铸造生产铝合金缸盖在中国刚刚起步,目前还没有非常成熟的低压铸造生产铝合金缸盖的理论和技术,因而对铝合金气缸盖低压铸造技术进行研究具有重要的工程应用价值,对中国的工业的快速发展也具有重要的意义首先,结合低压铸造及缸盖本身的结构特点质量要求,对缸盖进行模具结构设计及工艺系统设计进行研究,包括:模具整体结构的确定模具分型面的确定以及模具外形尺寸的确定原则模具壁厚与金属型的热平衡之间的关系铸件的浇注系统的设定内浇口截面积的计算冷却系统的设置各种排气方法的应运砂芯的定位以及砂芯射口的确定等内容

本文介绍了铝合金带轮低压铸造的实际试生产过程:制芯、熔化、浇注、清理及后处理等以及各环节中需要注意的问题。并提出缸盖低压铸造中主要的质量控制点,如:缩孔与缩松的形成原因与解决措施、氧化夹杂的成因与解决措施等。解决了生产中的实际难题,积累了经验和数据,缩短了产品的开发周期,使得该产品顺利投入量产。

关键词：低压铸造；铝合金 ；气缸盖；模具设计

ABSTRACT: Low pressure die casting is an important process of aluminum alloy die casting for manufacturing industry with the advantage of high precision, smooth filling, easy to make high quality casting and small machining allowance, saving energy etc. which has been the development trend for Cylinder Head casting industry. In China, as Low Pressure Die Casting for Aluminum Alloy cylinder head is still in the initial step now, and the theory and technology for Low Pressure Die Casting Aluminum Alloy cylinder head is not very maturity. So there will be important value for engineering application to perform the study on aluminum alloy cylinder head low pressure die casting process and technology, and also for our country industry rapid development.

This article introduces Al-alloy cylinder head low pressure die casting actual production processes, such as sand core making, melting, pouring, cleaning and

post-treatment, as well as the main problems in each process.Raise the key quality control points for Al-alloy cylinder head low pressure die casting, such as: the reasons for shrinkage holes and porosity and its solutions,as well as oxide inclusion. This article solves the difficult problem during the

production and provides the data and experience for later other die casting product developing to shorten the development lead time, which make thisproduct enter into the mass production smoothly.

Key words: low pressure die casting, aluminum alloy cylinder header, tooling design, process optimization

前 言

1.1低压铸造概述

1.1.1低压铸造的工艺过程

低压铸造是便液体金属在压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。由于所用的压力较低，所以叫做低压铸造。其工艺过程（见图1）是：在密封的坩埚（或密封罐）中，通入干燥的压缩空气，金属液2在气体压力的作用下，沿升液管4上升，通过浇口5平稳地进入型腔8，并保持坩埚内液面上的气体压力，一直到铸件完全凝固为止。然后解除液面上的气体压力，使开液管中未凝固的金属液流坩埚，再由气缸12开型并推出铸件。

图1低压铸造的工艺示意图

1一保温炉 2一液体金属 3一坩埚 4一升液管 5一浇口 6一密封盖 7一下型 8一型腔 9一上型 10一顶杆 11一项杆板 12一气缸 13一石棉密封垫

低压铸造是—种特种铸造工艺,是介于压力铸造和重力铸造之间的—种新的浇注工艺。在装有合金液的密封容器(坩埚)中,通入干燥的压缩空气(或者惰性气体),作用在保持—定浇注温度的合金液面上,造成密封容器内与铸型型腔内的压力差,使合金在较低的充型压力(0.01—0.05MPa)作用下,沿着升液管内孔自下而上地经升液通道、铸型浇口、平稳地充入铸型中,待合金液充满型腔后,增大气压,使型腔里的合金液在较高的压力作用下结晶凝固,然后卸除密封容器内的压力,让升液管、浇道内尚未凝固的合金液依靠自身的重力回落到坩埚中,再打开铸型取出铸件。至此,即完成了—个低压浇注工艺过程。

低压铸造解决了重力铸造中浇注系统充型和补缩的矛盾。在重力铸造中为了充型平稳,避免气孔、夹渣,常采用底注式,因此铸型内温度场分布不利于冒口补缩。低压铸造则巧妙地利用坩埚内气压,将金属液由下而上充填铸型,在低气压下

保持浇道与补缩通道合二为—,始终维持铸型温度梯度与压力梯度的—致性,从而解决了重力铸造中充型平稳性与补缩的矛盾,而且使铸件品质大大提高。同时,由于低压铸造有较高的补缩压力和温度梯度,有效地提高了厚大断面铸件的致密性,所以用低压铸造的方法可以获得比—般重力铸造质量更高的铸件。而且,低压铸造所用的浇注系统比较简单,可使铸件成品率大大提高,通常可在90%以上。

1.2低压铸造的国内外发展历史及研究现状

1.2.1国内外发展历史

低压铸造法的雏形可以追溯到上世纪初。适用于铝合金是1917年在法国，1924年在德国提出的申请，但并没有形成大规模的工业生产。为商业的目的而开始生产是在二战以后的1945年，由英国的路易斯先生创立了阿鲁马斯库公司，开始生产雨水管道、啤酒容器等。在那以后的五十年代里，奥地利和德国开始生产气缸头。

1958年美国的泽讷拉路默它斯在小型汽车的发动机零件上（气缸头、箱体、齿轮箱）大量运用了铝合金铸件，并采用了低压铸造法。这件事对至今仍广泛采用的低压铸造法而言是不可或缺的推动，特别是在全世界的汽车工业界引起了极大的反响。低压铸造法被介绍进我国是1957年左右，但真正引起业界的注意，开始进行各种研究、引进设备是从1960年左右开始的。但是这种打破了以往常识的划时代的工艺方法，几乎没有冒口，与已经作为一种“技术”确立起来的重力金型铸造的技术相比具有完全不同的难度，因此业界的反应比较冷淡。

在这种状况下，1961年的轻型汽车用空冷气缸头的生产成为低压铸造法在我国实用化的开端。以后的发展非常迅速，在克服了多个技术难题后，利用低压铸造法所具有的材料利用率高、容易实现注汤自动化等优点，以汽车部件为中心，逐步确立了轻合金铸件的主要铸造法的牢固地位。在铝合金铸件的生产量中，低压铸造品已占了大约50%，并以其巨大的生产量和优良的品质而著称于世。产品扩大到汽车相关部件，如气缸头、气缸体、刹车鼓、离合器罩、轮毂、进气岐管等。特别是1970年以后大量应用在轮毂上，并且随着汽车轻量化和提高性能等要求，在以往从未有过的复杂内部品质和机械性质的严格要求下，气缸头、气缸体上的使用也逐渐增加。

我国是从50年代开始研究低压铸造的,经过半个世纪的发展,从简单件到复杂零件,从铝合金到铜合金,从有色低压铸造到黑色低压铸造,我国的低压铸造技术不断发展,日臻完善。尤其是近年来,随着中国汽车工业的飞速发展和国际间技术合作与交流的增强,如广州肇庆本田金属公司、昌河铃木公司(九江)、天津丰田公司、烟台大宇东岳动力公司、沈阳三菱以及瑞明集团等几家公司纷纷引进低

压铸造工艺用于生产气缸盖铸件。六丰机械、扶顺轮毂、秦皇岛戴卡轮毂公司和广东中南铝合金轮毂公司等用低压铸造生产铝轮毂。目前,我国己有许多科研单位如沈阳铸造研究所、中国兵器工业第五二研究所以及中国科学院金属研究所等正在从事低压铸造的研究工作,并在扩大其应用范围,尤其是对低压铸造的工艺参数和工艺控制的研究工作不断深化,设备的机械化、自动化和稳定化水平也在迅速地提高。

综上所述,低压铸造在我国的研究和应用虽然时间不长,但发展很快,己经从生产轻金属发展到重金属,又从有色合金发展到黑色金属,铸件从小到大、从简单到复杂。低压铸造铸件所占的比重不断增加,工艺装备日趋完善,机械化、自动化水平不断提高。因此,低压铸造将展现更广阔的应用前景。 1.2.2 低压铸造研究现状

低压铸造是目前较为广泛应用的铸造成型工艺，随着工业技术的不断发展，对低压铸造质量的要求越来越高。目前低压铸造方面出现了多种新技术，如电磁泵低压铸造技术，新低压铸造技术，反重力铸造技术等。

随着计算机硬件水平的提高，铸造CAE软件对实际生产的指导作用日益显著。低压铸造领域也开始使用它们来优化和改进工艺，以便提高产品质量、降低废品率、减少冒口损耗、提高成品率、缩短试制周期、降低生产成本、减少工艺设计对人员经验的依赖、保持工艺设计水平稳定等。经十多年开发的计算机模拟仿真中北大学铸造中心CASTsoft是分析优化铸造工艺的专用系统，是在生产实践中完善的软件产品：它以充型过程、凝固过程数值模拟技术为核心。进行铸造工艺的分析，可完成多种合金材质和铸造方法的流动分析、凝固分析、流动和温度的耦合分析。

低压铸造技术的发展趋势有以下几个方面：

1）采用新的加压方式，提高气体压力和金属液流量的控制精度和平稳性； 2）低压铸造工艺与多种铸造工艺相结合； 3）大型铸件低压铸造技术；

4）低压铸造设备向全自动、高精度、大型化发展。

低压铸造技术是一种多用途的先进的铸造工艺方法，该技术铸造的铸件质量优良应用范围广泛，并不断地在扩展，同时，越来越多的科研人员开始投入或关注低压铸造技术的研发，使得低压铸造技术的应用前景更加广阔。

1.3 铝合金缸盖低压铸造时存在的主要问题

目前,铝合金缸盖低压铸造时存在的主要问题如下:

1 .模具设计水平低低压铸造件模具设计,目前国内水平—般凭经验设计,对于

合金液在铸型中流动情况、温度分布和凝固大多是凭经验。大部分模具设计无冷却和加热系统,—般很难保证铸件各部位均能达到顺序凝固和充分补缩。且由于生产中模具各部分温度变化,使原来预定的较好的加压规范、工艺参数并不能重复保证铸件品质。

2.低压铸造设备稳定性差

低压铸造液面加压自动控制系统应具有以下功能和特点:分级加压:对液体金属升液、充型、结晶和保压等各阶段,系统能以不同的加压规范给出不同的加压工艺参数并实时显示。

目前国产低压铸造设备大都不能保证原定铸造工艺实现和重现。最典型的是液面加压系统。低压铸造最重要的是工艺过程要靠液面加压系统来保证,如升液曲线—定是指保温炉内液面压力和时间曲线。但目前国内数家工厂或公司出品的液面加压系统均只能在控制柜试压筒或控制柜反馈管内实现预定加压时间参数。由于液面加压系统不能保证原定最佳工艺实现和重现,造成铸件成品率下降。

3.低压铸造机零部件可靠性不高

低压铸造机零部件存在以下问题如:减压阀流量小;升液管容易被侵蚀;保温套热效率低且寿命短,且经常造成升液管最上端过早凝固堵塞;保温电炉的电流电压冲击大,合金液温度波动大;液压泵和电磁阀质量差,经常损坏。低压铸造机中很多元件并非低压机专用,它们与整个国家工业基础和质量保证体系水平相关。

1.4 选题意义及本文的主要研究内容

1.4.1 选题意义

当今世界,随着环保意识的不断增强和石油能源的不可再生性,为了降低燃料消耗,轿车铸件必须朝着轻量化、精确化、强韧化和复合化方向发展,而扩大铝合金的应用是轿车工业的重要发展趋势。气缸盖、汽缸体是发动机的核心部件,因而使用铝合金材料可以减轻发动机的重量,从而达到减轻整车重量的目的。

目前,在国内主要采用两种铸造工艺来生产铝合金缸盖,—种是利用重力铸造,另—种就是低压铸造。由于低压铸造相对于重力铸造有高质量、高效率等优点,

另外,由于缸体、缸盖这类复杂铸件模具的设计是—个复杂的系统工程,它不但涉及通常的模具设计、制造知识,也涉及到铸件的充型与凝固过程、浇注系统的设计、排气系统的设计、砂芯与芯座的定位及温度对模具材料的强度、硬度、变形量影响等诸多方面。它要求设计者不但在本领域有较深的理论知识和实践经验,而且对相关领域也应有所了解,属于复杂的金属型铸造模具的设计。这种技术在工业发达国家已经比较成熟,但目前在国内,金属型铸造模具的设计相对还较

落后,且缺乏系统的理论依据。因此本论文的目的在于全面、系统地总结设计经验、阐明整套模具的设计过程并在某些方面进行理论探讨,同时对所设计的工艺进行模拟验证,从而全面提升复杂金属型铸造模具的设计水平,并为今后复杂金属型铸造模具的设计提供理论依据。 1.4.2 本文的主要研究内容

本课题低压铸造铝合金气缸盖实例,系统研究了缸盖的模具设计、工艺模拟及生产验证等三个方面的主要内容,生产出合格产品。

低压模具的设计是本课题中非常重要的环节,本课题中的缸盖铸件就需要五套模具,包括—套复杂的外形模具和四套芯盒模具,因而这类模具的设计是—个复杂的系统工程。整个铸型包括铸型系统、砂芯系统、浇注系统、铸型排气系统和冷却系统五大组成部分,采用金属型外模+内腔砂芯模的工艺方案。根据低压铸造本身的特点,考虑到铝液的流动方向、补缩方向、温度梯度和凝固方向来设计浇注系统和冷却系统。

本课题以气缸端盖为机体，研究并进行铝合金压铸模具的设计。结合材料成型及控制工程专业的学习，对于巩固课堂所学相关知识，了解压铸模结构，熟悉压铸模设计的具体流程和操作具有重要作用，同时也为为今后从事该类设计奠定基础。

1.4.3 毕业设计内容

本课题设计内容是铝合金铸件压铸模具设计，主要包括浇注系统和排溢系统，成形零件，抽芯机构，推出机构以及模架结构等，研究并进行铝合金压铸模具的设计。结合材料成型及控制工程专业的学习，对于巩固课堂所学相关知识，了解压铸模结构，熟悉压铸模设计的具体流程和操作具有重要作用，同时也为为今后从事该类设计奠定基础。

2压铸模的总体方案设计

2.1铸件工艺性分析

2.1.1铸件的零件图

本课题设计的零件结构简单，尺寸对称，材料为铝合金YL104，铸件精度要求为CT5。

图2.1气缸端盖立体图

2.１.2铸件型腔数及分型面确定

考虑到气缸端盖尺寸中等，保证铸件尺寸精度的要求和工厂设备及生产条件，综合各方面的因素，选择一模一腔式结构。

接下来，我们需要选取分型面。分型面是指两者在闭和状态时能接触的部分，也是将工件或模具零件分割成模具体积块的分割面，具有更广泛的意义。同时分型面的设计直接影响着产品质量、模具结构和操作的难易程度，它是模具设计成败的关键因素之一。

分型面是处于压铸模的定模与动模表面，一旦选择合理的确定分型面，不但能简化压铸模的结构，而且能保证铸件的质量。根据铸件的结构和形状，我们一般选择直线分型面。

此铸件的分型面选择现有三种方案如图2-2所示。

图2-2 铸件分型面选择

方案I，使铸件整体放在定模中，保证了铸件的同轴度，有利于气体的排出。 方案II，铸件的同轴度不易保证，由于合模不严会使分型面出产生飞边，不易清除痕迹，也不利于浇铸系统的放置。

方案III，影响铸件的外观，也不利于浇铸系统的放置。 综上分析，决定选取I—I面为该铸件的分型面。 2.1.3浇注位置的确定

铸件中心有型芯，所以不宜采用中心浇注，由于铸件结构比较对称，采用侧面浇铸，浇铸位置选在侧面的分型面上。

2.1.4脱模斜度

（1）脱模斜度的选取标准

1）不留加工余量的压铸件。为了保证铸件组装时不受阻碍，型腔尺寸以大端为基准，另一端按脱模斜度相应减少；型芯尺寸以小端为基准，另一端按脱模斜度相应增大。

2）两面均留有加工余量的铸件。为保证有足够的加工余量，型腔尺寸以小端为基准，加上加工余量，另一端按脱模斜度相应增大；型芯尺寸以大端 为基准，减去加工余量，另一端按脱模斜度相应减少。

3）单面留有加工余量的铸件。型腔尺寸以非加工面的大端为基准，加上斜度尺寸差及加工余量，另一端按脱模斜度相应减少。型芯尺寸以非加工面的小端为基准，减去斜度尺寸差及加工余量，另一端按脱模斜度相应放大。

（2）脱模斜度的尺寸

配合面外表面最小脱模斜度α取0?15?，内表面最小脱模斜度β取0?30?。非配合面外表面最小脱模斜度α取0?30?， 内表面最小脱模斜度β取1°。 2.1.5压铸件的加工余量

由于铸件具有较为精确的尺寸和良好的铸造表面，所以一般情况下，可以不进行机械加工。同时，由于压铸件内部可能有气孔，所以应尽量避免再进行机械加工。但是，某些部位还是应该进机械加工。如装配表面、装配孔、成型困难没有铸出的一些形状，去除内浇口、溢流口后的多余部分等。

铸件的加工余量选取根据参考文献[3]中推荐的加工余量选择，平面按最大边长确定，孔按直径确定。加工余量的选用如表

表2-1 机械加工余量

基本尺寸 每面余量

≤100 0.5

＞100 -250 0.75

＞250-400 1.0

＞400-600 1.5

＞630-1000 2.0

表2-2 铰孔的加工余量

孔径 加工余量

≤6 0.05

＞6-10 0.1

＞10-18 0.15

18-30 0.2

30-50 0.25

50-80 0.3

2.2压铸机设备的选择

2.2.1压铸机的选择

1.本课题设计的压铸件在分型面的投影面积为368.91cm2，考虑到浇注系统与排溢系统的存在，增加30%，总投影面积479.58cm2，压射比亚P=110MaP。

2.初选注射机

根据压铸机选用的基本原则，初选压铸机为卧式冷压压铸机型号为J1170A。

其工艺参数如下[3]：

锁模力： 7000KN 拉杆之间的内尺寸： 750mm × 750mm 拉杆直径： 160mm

压铸模厚度： 350mm~850mm 压射力： 650KN 压室直径： 70/80/90/100mm 压射比压： 80~120Map 最大浇铸量： 10kg 一次空循环时间： <12s 动座板行程： 650mm

2.3浇铸系统设计

将压铸机室内熔融的金属液在高温高压高速状态下引入到型腔的通道称为浇铸系统。它主要包括直浇道、横浇道、内浇口以及溢流排溢系统。直浇道是指从浇口套起到横浇道为止的一段浇道，它是传递金属液压力的首要浇道，其尺寸大小可以影响金属液的流动速度、充型时间、气体的存储空间和压力损失大小，起到能否使金属液平稳引入横浇道和控制金属液充型条件的作用。浇铸系统在引导金属液填充型腔过程中，对金属液的流动状态、速度和压力的传递、排气效果以及压铸模的热平衡状态等起着控制和调节的作用。因此，浇铸系统决定着压铸件表面质量以及内部显微组织状态，同时也影响压铸生产的效率和模具的寿命。 2.3.1内浇口设计

内浇口是引导熔融的金属液以一定的速度、压力和时间填充成型型腔的通道，它的重要作用是形成良好填充压铸型腔所需要的最佳流动状态。因此，内浇口的设计主要是：确定内浇口的位置、方向以及内浇口的形状和截面尺寸；预计金属液在填充过程中的流态，分析可能出现的死角区或裹气部位，从而在适当部位设置有效的流溢槽和排气槽[3]。

（1）内浇口速度

由参考文献[3]查得，铝合金铸件内浇口充填速度60m/s。

（2）充填时间

经计算，压铸件的平均壁厚约为5.3mm，利用参考文献中的充填时间t推荐值为0.08~0.30，取0.25s。

的推荐值为20～60m/s，

由于气缸端盖与气缸缸体配合面质量要求较高，需选用较大的值，故选取为

（3）内浇口截面积的确定

内浇口截面积的确定可根据以下公式[3] 式中：

（式2-1） —内浇口流速，m/s； —型腔的填充时间，

—内浇口横截面积，cm2；G—通过内浇口金属液的总质量，g；

?—液态金属的密度，g/cm3；

s；。

计算得出数值如下：

=3600/（2.4×60×0.25）=100 mm2

(4)内浇口厚度、长度、宽度的确定

查经验数据表，适当选取铝合金铸件内浇口厚度为2.0mm，宽度为20mm，长度为2.5mm。 2.3.2横浇道设计

（1）横浇道的形式及尺寸

根据铸件及内浇口特点，选用等宽横浇道，截面为梯形。 截面形状

表2-3 横浇道截面形状及尺寸的计算表

计算公式 说明

Ag—内浇口截面积，mm2 Ar—横浇道截面积，mm2 Ar=(3~4)Ag

D—横浇道深度，mm D=（5~8）T

T—内浇口深度，mm ?=10~15○

W=Dtan?+Ar/D ?—脱模斜度

r=2~3 r—圆角半径，mm

W—横浇道宽度，mm

由表2-1算出，D=10mm， W=76.76mm，Ar=750mm2 由公式

L=0.5D+(25~35)(mm)

（式2-2）

D—直浇道导入口出直径，mm

图2-3横浇道长度计算图

计算横浇道的长度L=35mm。 （2）横浇口与内浇口的连接方式

内浇口和压铸件在一侧，横浇道在另一侧，故采用如下图的链接方式

图2-5连接方式

2.3.3直浇道设计

直浇道是指金属液从压室进入型腔前首先经过的通道，这时需要设计浇口套。浇口套（英文翻译为：Ingate Sleeve）是让熔融的材料从注塑机的喷嘴注入到模具内部的流道组成部分，用于连接成型模具与注塑机的金属配件。直浇道尺寸由浇口套尺寸决定，浇口套内径与压室内径相同，由于压铸机选择型号为J1170A，其压室直径为70/80/90/100mm。选取90mm为浇口套内径，浇口套的长度一般应小于压铸机压射冲头的跟踪距离，以便于余料从压室中脱出。横浇道入口应开设在压室上部2/3以上的部分，避免金属液在重力作用下进入横浇道而提前开始凝固。分流器上形成余料的凹腔的深度等于横浇道的深度，直径与浇口套相等，沿圆周的脱模斜度为5°。浇口套如图所示

图2-6 浇口套

2.3.4排溢系统设计

排溢系统是熔融的金属在填充过程中，排出气体、冷污金属液以及氧化夹杂物的通道和存储器，用以控制金属液的填充流态，消除某些压铸缺陷，是浇注系统中不可缺少的重要组成部分。排溢系统包括溢流槽和排气道两个部分，主要由溢流口、溢流槽和排气道组成。

（1）溢流槽的设计

溢流槽的截面形状有三种，如图所示：

一般Ⅰ型在分型面上的投影面积比，Ⅱ、Ⅲ型要小。将金属液从型腔流出至溢流槽的通道称为溢口，为便于脱模，溢口脱模斜度为30°~ 45°。溢口与铸件连接处应有（0.3-1）mm*45°的倒角，以便清除。全部溢流槽的溢口截面积的总和应等于内浇口截面积的60%~75%。溢口的厚度应小于内浇口的厚度，以保证溢口内浇口早凝固，使型腔中正在凝固的金属液，形成一个与外界不相通的密闭部分而得到最终压力的压实作用。

溢流槽选用Ⅰ型，设置在分型面上，结构为弓形，尺寸初选为：

A=15.72mm，B=32mm ，R=8mm，H=6.5mm，a=5mm，c=0.8mm，h=0.8mm，b=16mm。

（2）排气道设计

根据参考文献[4],当金属液注入型腔时，如果型腔内原有气体、蒸汽等不能顺利地排出，将在制品上形成气孔、灰雾、银丝、表面轮廓不清、接缝、型腔不能安全充满等弊病；同时还会因气体压缩而产生高温，引起流动前沿物料温度过高，粘度下降，容易从分型面溢出，发生飞边，重则灼伤铸件，而产生焦痕。而且型腔内气体压缩产生的反压力会降低充模速度，影响压铸周期和产品质量。因此设计型腔时必须充分地考虑排气问题。

根据压铸件的特点，查阅铸模设计手册，选取排气道尺寸如下：

采用曲折的排气槽，尺寸初选如下：深度0.10mm，排气槽宽度为15mm，长度为30mm。

2.4压铸模具的总体结构设计

压铸模由定模和动模两个主要部分组成。定模固定在压铸机压室一方的定模座板上，是金属液开始进入压铸模型腔的部分，也是压铸模型腔的所在部分之一。定模上有直浇道直接与压铸机的喷嘴或压室连接。动模固定在压铸机的动模座板上，随动模座板向左、向右移动与定模分开和合拢，一般抽芯和铸件顶出机构设于其内。

压铸模具的基本结构，根据参考文献[4]，它通常包括以下六个部分。 （1）成型零件部分。 （2）浇注系统。 （3）模架结构。 （4）顶出和复位机构。 （5）侧抽芯机构。

（6）其它。除以上各结构单元外，模具内还有其它用于固定各相关零件的内六角螺栓以及销钉等。

3成型零件及侧抽芯结构设计

3.1成型零件设计概述

构成模具型腔的零件统称为成型零件，它主要包括凸模、凹模、型芯、镶块、各种成型环、各种成型杆。由于型腔直接与高温高压的金属液相接触，它的质量直接影响制件壳的质量，因此要求型腔有足够的强度、刚度、硬度、耐磨性，以承受金属液的挤压力和流动力、摩擦力，有足够的精度和适当的表面粗糙度，以保证铝合金质表面的光亮美观、容易脱模。一般来说，成型零件都应进行热处理，或预硬化处理，使其具有一定的硬度。成型零件由浇注系统成型零件和铸件成型零件两部分组成。

3.2铸件成型零件设计

3.2.1成型收缩率

成型收缩率是指铸件收缩量与成型状态铸件尺寸之比，收缩分三种情况（见图3-3）：

（1）自由收缩 在型腔内的压铸件没有成型零件的阻碍作用，图中L1。 （2）阻碍收缩 如图中L2，有固定型芯的阻碍作用。 （3）混合收缩 如图中L3，这种情况较多。

图3-3 压铸件收缩率的分类

由参考文献[16]中查得铝合金的自由收缩率为0.6%～0.8%，阻碍收缩率为0.3%~0.4%，混合收缩率为0.4%～0.6%。取铝合金的自由收缩?1=0.7%，阻碍收缩为?2?0.4%，混合收缩为?3?0.5%。 3.2.2铸件成型尺寸的计算

成型零件表面受高温、高压、高速金属液的摩擦和腐蚀而产生损耗，因修型引起尺寸变化。把尺寸变大的尺寸称为趋于增大尺寸，变小的尺寸称为趋于变小尺寸。在确定成型零件尺寸时，趋于增大的尺寸应向偏小的方向取值；趋于变小的尺寸应向偏大的方向取值；稳定尺寸取平均值。

根据参考文献[1]，成型零件尺寸的计算公式如下：

‘’?A?（A?A??n?）’? （式3-1）

式中：A'—成型件尺寸；??—成型零件制造偏差；A—压铸件尺寸（含脱模斜度、加工余量）；?—收缩率；n—补偿系数；?—压铸件尺寸偏差。

n为损耗补偿系数，由两部分组成，其一是压铸尺寸偏差的1/2，其二是磨损值，一般为压铸尺寸偏差的1/4，因此因此n??0.7?。成型零件尺寸制造偏差：

‘ ?=（15～14）? （式3-2）

已知铸件尺寸公差等级为CT5，根据参考文献查表可得铸件基本尺寸的相应尺寸公差。由铸件图可知型腔尺寸有：Φ100，Φ160，200，15，h60。型芯尺寸有：Φ22，Φ45，Φ75，h15,h35 。中心尺寸有：L160，L80。 c.型腔壁厚的计算

型腔模在注射成形过程中，由于注射压力很高，型腔内部承受熔融塑料的巨大压力，这就要求型腔要有一定的强度和刚度。模具型腔如果强度不够，将产生塑性变形或断裂破坏；如刚度不够，将产生较大的弹性变形，使模具贴合面处出现较大的间隙，由此发生溢料及飞边现象。另外，当成型后成型压力消失时，型腔因弹性恢复而收缩，当收缩量大于塑件的收缩时，型腔就会紧紧地包住塑件，造成开模困难或塑件残留在定模上而损坏塑件或塑件质量不良。因此，有必要对模具型腔进行强度和刚度的计算。型腔侧壁所受的压力应以型腔内所受最大压力为准，对于大型模具型腔，常由于刚度不足而弯曲变形，应按刚度计算；对于小

型模具的型腔，型腔常常在弯曲变形前，其内应力往往已经超过了材料的许用应力，所以应以强度计算为主。

方凳是长方形型腔，并且为矩形整体式。 1）型腔壁厚。由刚度计算

Sc?3cpa4

（式3-3）E?2）型腔底板厚度。由刚度计算

4c'pb Sh?3（式3-4）E?上两式中，L是型腔长度；a是型腔深度；b是型腔宽度；c是L/a决定的常

数；c'是L/b决定的常数；E是弹性模量，钢材取2.1?105MPa；p是型腔内熔体的压力，一般取25~45MPa，此处取25MPa；?是允许变形量，为保证尺寸精度，?可取塑件允许公差的1/5左右，取0.56。 查[17]表4-6和4-7得，c?0.93，c'?0.0138 由上两式计算得：Sc?9.85mm，Sh?25.23mm 成型零件尺寸计算见表型腔和型芯工作尺寸计算。

表3-1 成型零件尺寸计算表

模具

制件尺寸

类别

零件

/mm

名称

型 腔

型

的

腔

计 算 型

型芯

15 60 22

?0.076 14.8140?0.100 59.9680计算公式 型腔或型芯的工作尺寸/mm

100 160 200

?0.112 100.1380?0.124 160.4140?0.144 200.556022.4110?0.084

芯 的 计 算

160

中心矩

80

45 75 15 35

45.5890?0.100

75.7900?0.112 15.3460?0.076 35.5080?0.092

160.848?0.124

L'??'??L?L????'

80.424?0.112

4推出机构设计

4.1推出机构概述

压铸模必须设有准确可靠的脱模机构，以便在每一循环中将铸件从型腔内或型芯上自动地脱出模外，脱出铸件的机构称为脱模机构或推出机构。推出机构用于卸除铸件对型芯的包紧力，所以机构设计的好坏，直接影响铸件的质量。因此，推出机构的设计，是压铸模具设计的一个重要环节。

推出机构一般由下列部分组成：

(1)推出元件：推出铸件，使之脱模，包括推杆、推管、卸料板、成形推块、斜滑块等。

(2)复位元件：控制推出机构，使之在合模时回到准确的位置，如复位杆及能起复位作用的卸料板、斜滑块等。

(3)限位元件：保证推出机构在压射力的作用下，不改变位置，起到止退的作用，如挡钉、挡圈等。

(4)导向元件：引导推出机构的运动方向，防止推板倾斜和承受推板等元件的重量，如推板导柱(导钉、导杆支柱)、推板导套等。

(5)结构元件：使推出机构各元件装配成一体，起固定的作用，如推杆固定板、推板、其他连接件、辅助零件等。

推出机构的分类：

推出机构的基本传动形式有机动推出、液压推出器推出和手动推出3种。推出机构的结构形式按动作分为直线推出、旋转推出和摆动推出；推出机构常按照推出元件的结构特征不同可分为推杆推出、推管推出、卸料板推出、推块推出和综合推出等多种推出形式[7]。

4.2推杆设计

（1）推杆结构

采用圆柱形推杆，其截面形状如图4-1所示。

图4-1推杆推出端截面形状

（2）推杆的固定形式 采用沉入式的固定形式。 （3）推杆尺寸及配合

推杆直径是按推杆端面在铸件上允许承受推力p决定的，由参考文献[3]查得，推杆截面积计算：

A?F推 （式4-1） n[p]式中 A—推杆前端截面积，mm2

F推—推杆承受的总推力，N

n—推杆数量； [p]—许用推力。

由参考文献[1]查表得，铝合金的许用受推力[p]为50MPa,设计中共使用2个推杆，推出力F推由公式：

F推＞KF=K×Alpsinα （式4-2）

确定，其中K=1.2，F推＞25091.61N，A>250.92mm2。

由 A??d2/4 得d?17.89mm，取d为18mm。

为保证推杆的稳定性，需要根据单个推杆的细长比调整推杆的截面积，

EJ K稳?? （式4-3） 2F推l式中，K稳—稳定安全系数；

η—稳定系数，η=20.19； E—弹性模量

F推—推杆承受的实际推力（N）；

l—推杆全长（mm）

J—推杆最小截面处的抗弯截面矩量（cm4）。

计算后，选择基本尺寸为，d=18mm，D?24mm，L =223mm，h?6mm。（I型推杆）。

4.3推板限位装置设计

（1）推板的限位装置

选择机构如图4-2所示，利用限位钉对推板进行精确定位。

图4-2推板限位钉

4.4复位机构设计

（1）复位机构的动作过程

复位机构的动作过程如图4-3所示。图（a），开模时，复位杆随推出机构同时向前移动，推杆将压铸件推出；图（b），合模时，定模板触及复位杆，推出机构复位；图（c），合模动作完成时，在限位钉2的作用下，推出机构回复到。

图4-3复位机构动作图

（2）复位杆的布置

复位杆应对称布置，常取2～4根，但最好多于2根。与复位杆头部接触的定模板应淬火或局部镶入淬火镶块。采用复位杆复位时只有当模具完全闭合时，复位动作才完成。某些模具要求在模具完全闭合之前完成复位动作，这时应采用特殊的先行复位装置。

采用如图4-4的复位杆布置，在成型镶块外设置对称的复位杆。

图4-4复位杆的布置

4.5推出、复位零件的表面粗糙度、材料及热处理后的硬度

（1）零件表面粗糙度

根据参考文献[9]，推杆与金属液接触表面粗糙度为Ra?0.2，推杆，复位杆和推板导柱配合表面粗糙度为Ra?0.8，推板和推板固定板配合表面粗糙度为

Ra?0.8，其他非工作的非配合表面Ra?6.3。

（2）材料及热处理后硬度

导柱,复位杆采用材料T8A，热处理后强度要求为50~55HRC，推杆采用4Cr2W8,热处理后要求强度为45~50HRC,推板和推板固定板采用45钢，热处理要求回火。

图4-5复位杆

5模架设计

5.1模架设计概述

压铸模模架是设置、安装和固定浇注系统、成形零件、推出机构、侧抽芯机构、模温调节系统的装配载体以及安装在压铸机上进行正常运作的基体。因此，在设计模架时应根据已确定的设计方案，对有关结构件进行合理的布局，对主要承载件进行必要的计算，并根据所选用的压铸机的技术规格确定模架的安装尺寸。

构成模架的结构件主要包括：定模座板、定模板、动模板、支承板、垫块、动模座板；导柱、导套[4]。

（1）定模座板

定模座板与定模套板构成了压铸模定模部分的模架，由于定模座板与压铸机的固定模板大面积接触，故一般不作强度计算。

（2）定模板

定模板一般受拉伸、弯曲、压缩3种应力，变形后会影响型腔的尺寸精度。因此，在考虑套板的尺寸时，应兼顾模具结构与压铸工艺。

（3）动模板

动模板的主要作用是：

①固定成型镶块、成型型芯、浇道镶块以及导向零件的载体。

②设置压铸件脱模的推出元件，如推杆、推管、卸料板以及复位杆等。 ③设置侧抽芯机构。

④在不通孔的模架结构中，起支承板的作用。 （4）动模支承板

动模支承板的主要作用是：

承受金属液填充压力的冲击，而不产生不允许范围内的变形。因此，不通孔的模架结构，有时也可设置支承板。

（5）模座

动模座板与垫块组成动模的模座。模座与动模套板、动模支承板及推出机构组成了动模部分的模架。压铸时，动模部分模架通过动模座板连接固定在压铸机的移动模板上，因此动模座板上也必须留出安装压板或紧固螺钉的位置。垫块的作用是支承动模支承板，用来形成推出机构工作的活动空间。对于中小型模具，还可以用垫块的厚度来调节模具的合模高度垫块在压铸模锁紧时，承受压铸机的锁模力，所以必须有足够的受压面积

（6）推出板

推出板包括推杆固定板和推板。

在设计推出板时，主要考虑到以下几点：

1)推出板应有足够的厚度，以保证强度和刚度的需要，防止因金属液的间接冲击或脱模阻力产生的变形。

2)推出板各个大平面应相互平行，以保证推出元件运行的稳定性[4]。

5.2模架尺寸

查阅参考文献[3],依据动模套板尺寸，选用标准模架500?560，其尺寸如下： 定模座板：长560mm，宽500mm，厚50mm； 动模座板：长560mm，宽500mm，厚50mm； 定模套板：长560mm，宽500mm，厚140mm； 动模套板：长560mm，宽500mm，厚100mm； 支撑板： 长560mm，宽500mm，厚63mm； 垫块： 长560mm，宽80mm， 厚120mm。 推板： 长560mm，宽330mm， 厚40mm。 推杆固定板：长560mm，宽330mm， 厚20mm。

5.3模架构件的表面粗糙度和材料的选择

（1）零件表面粗糙度

模架构件件表面粗糙度选取：动模和定模座板与压铸机的安装面Ra=0.8μm，排气槽表面Ra=1.6μm，其他非配合面Ra=3.2μm。

（2）材料选择

导柱、导套的材料选用T8A,热处理要求50~55HRC,其他零件的材料选用45钢，热处理要求25~32HRC。

6 压铸机的校核

1.由参考[3],锁模力的校对：一般情况下锁模力可按下式计算

Fkp(A件+A浇)/10 (式6-1)

式中F锁----压铸机的锁模力，kN; k-----安全系数，一般取k=1.25; p-----压射比压，MPa;

A件----压铸件在主分型面上的正投影面积，多型腔模则为各型腔下投影面积之和，cm2

A浇----浇注与溢流，排气系统的正投影面积之和，一般也可能取A浇=0.3 A件, cm2

将数据代入(6-1) F锁≥1.25×110(1.3×368.91)/10=6594.27kN F锁=7000 kN >6594.27kN，所以锁模力符合要求 2.核算压室容量

压铸机初步选定后，压射压力和压室的尺寸也相应得到确定，压室可容纳金属液的质量也为定值，但是否能够容纳每次浇注的金属液的质量，需要按下式进行核算[3]

式中，G室—压室容量，kg

G浇—每次浇注的金属液的质量，包括铸件、浇注系统、溢排系统的

质量，kg。G浇≈1.96kg,

压室质量可按下式计算

G主=πD室2LρK/4 (式6-3) 式中，G主—压室容量，kg D室—压室直径，m

L—压室长度（包括浇口套长度），m

ρ —液态金属合金密度，铝合金ρ=2.4×103kg·m-3 K—压室充满度，60%~80%。

J1170A型卧式冷室压铸机压室直径D=70/80/90/100mm，压室长度L=0.3m，计算得

G主 =3.39kg> G浇≈1.96kg，校核满足要求。

3. 模具闭合高度和开模行程校核

压铸机给定了压铸模厚度的范围。它是通过模具高度的调节装置调节动座板的相对位置实现的；而动模座板可调节的最大距离是给定的，即调节的范围不超过压铸机所允许的最小模具厚度和最大模具厚度。因此，压铸模的闭合高度必须

G室>G浇 (式6-2)

符合下列条件：

Hmin?H?Hmax （式6-4）

式中 Hmin— 最小模具厚度，mm； H— 压铸模的设计闭合高度，mm； Hma—x 最大模具厚度，mm。

H?A?B?C?D?E?F?G?H ?50?140?100?63?120?50?40?20 ?583mm J1170A型卧式冷室压铸机厚度范围为350~850mm，故符合要求。

压铸机的开模行程是有限制的，压铸件从模具中取出时所需的开模距必须小于压铸机的最大开模距离，否则压铸件无法从模具中取出。

经测得压铸件从模具中取出时所需的开模距为150mm左右，压铸机的开模行程为350mm，符合要求。

7 压铸模加热与冷却系统的设计

压铸模在压铸生产前应进行充分的预热，并在压铸过程中保持恒定的温度范围内。压铸生产时压铸模的温度由加热与冷却系统来控制和调节，其作用主要有：使压铸模达到较好的热平衡和改善顺序凝固条件，使铸件凝固速度均匀并有利于压力的传递，提高铸件的内部质量；保持压铸合金填充时的流动性，具有良好的成形性和提高铸件的表面质量；稳定铸件尺寸精度，提高生产率；降低压铸件热交变应力，提高压铸模使用寿命。

7.1加热系统设计

（1）加热方法

加热系统主要用于预热压铸模，或对模温较低区域的局部加热，主要有以下几种加热方法

①用燃气加热，如喷灯、喷枪。 ②用热介质循环加热。

③用模具温度控制装置加热，如电阻加热器，电感应加热器和红外线加热器等。

（2）模具预热规范，参考文献，铝合金预热温度为180~300℃[3]。

表7-1模具的预加热规范

合金种类 预热温度/℃

铅合金 60~120 锡合金 60~120 锌合金 150~200 铝合金 180~300 镁合金 200~250 铜合金 300~350 （3）模具预热所需的功率，模具预热所需的功率按式（7-1）进行计算

mc(?s??i)kP? （式7-1）

3600t式中 P—预热所需的功率，KW；

m—需预热的模具的质量，Kg；

C—比热容，KJ/（Kg·℃），钢的比热容取C=0.460 KJ/（Kg·℃） ?s—模具预热温度（见表7-1），℃；?i—模具初温（室温），℃ k—系数，补偿模具在预热过程中因传热散失的热量，一般取1.2~1.5 t—预热时间，h

7.2冷却系统设计

压铸生产效率以及压铸件的质量，在很大程度上取决于模温的调节；调节模温是为了获得合理的温度场分布，达到顺序凝固的要求。

压铸模的冷却方法主要有风冷和水冷两种。风冷的特点是风冷的风力主要来

自压缩空气，压铸模内不需要设置冷却装置，结构简单，能将模具型腔内的涂料吹均匀，加速驱散涂料所挥发的气体，减少铸件气孔，但冷却速度慢，生产率较低，主要用于散热量较小的压铸模。

水冷的特点是在模具内增设冷却水道，使循环水通入晨星镶块或型芯内，因而结构复杂，但冷却速度快，效率高，控制起来比较方便，要求控制冷却水的温度和防止冷却水道内沉积物的堆积及防止漏水现象，一般用于要求散热量大的压铸模。

对于大多数的压铸模来说，在连续生产中，风冷和水冷是同时使用的，风冷主要是用来喷涂、吹匀涂料，降低型腔的表面温度，水冷主要是用来降低压铸模内部的温度。由于本可以设计的气缸端盖结构简单，尺寸较小，散热量较小，考虑工艺结构的简单，采用风冷的冷却方式。

8 模具总装图

8.1模具总装图

模具总装图及零件图详图见图纸。

8.2工作过程简述

利用PRO/E软件，对铸件的开模动作、顶出动作以及合模动作进行了模拟，模拟结果显示，模具的运动过程流畅，零件之间无干涉现象。

模具的开、合动作呈水平移动，开模后，压铸件留在动模。其具体工作步骤如下：

（1）合模；

（2）将金属液以人工或其它方式浇入压室；

（3）压射冲头按预定的速度和一定的压力推送金属液，使之通过模具的浇道，从内浇口填充进入模具型腔；

（4）填充完毕，冲头保持一定的压力，直至金属液完全凝固成为压铸件为止；这时，浇道和浇口套（没有浇口套的模具在该处即为连体压室）内的金属液也同时凝固，成为浇口和余料饼；

（5）打开模具，活塞与开模动作同步移动，从而推着余料饼随着压铸件和浇口一同留在动模而脱离定模，到达一定的距离时，活塞便返回复位；

（6）开模后，压铸件、浇口和余料饼留在动模上，随即顶出并取出压铸件，喷雾冷却，涂喷涂料，合模，等待下一次压铸循环。

9设计总结

通过对铝合金气缸盖的工艺性分析，在不影响工艺性的前提下对铸件的结构进行调整，以简化型芯的结构，便于抽芯。将分型面设置在与气缸缸体配合的端面上。本课题在工艺性分析中确定了铸件的加工余量为0.4~0.9mm，收缩率为0.4%～0.6%，脱模斜度为15’~30’。

由于成型零件受高压作用，与气缸缸体接触面要求密闭性较好，因此选择制造材料为代号为YL104的YZALSi10Mg铝合金。压铸模具在使用中，成型零件的尺寸可能增大、减小，也可能不变，所以根据成型零件的工作条件，分别确定了型腔、型芯、孔间距的尺寸及公差。

通过Pro/E绘图软件设计出了完整的模具，模具开合模动作灵活，零件未产生干涉现象。

经过此次毕业设计，我认识到欠缺太多机械设计知识，也初步了解到模具设计的复杂与先进性，也许多实际模具生产工艺方面的知识有初步了解。由于本人专业水平有限，并且缺乏模具设计经验。论文和图纸中难免出现错误，恳请老师批评指正。

致 谢

我衷心感谢邹老师对我的悉心指导，本次毕业设计让我领略到了邹老师严谨的治学态度以及渊博的专业知识，使我受益匪浅。邹老师每周的指导培训都让我学到了很多知识，也让我感受到了邹老师的细心和严谨，论文的每一章都凝结着老师的汗水。在此，向导师表达我深深的谢意。此外，还要感谢在此次毕业设计中给我许多帮助的同学极为同学，和他们一起的讨论让我收获颇多。

最后对参加本文评审和答辩工作的各位老师致以诚挚的谢意。

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