镁合金压铸模具设计的关键技术分析

镁合金压铸模具设计的关键技术分析

师伟哲

长城汽车股份有限公司河北保定071000

摘要：镁合金压铸模具设计的关键技术体现在浇排、冷却等部分，根据模具尺寸，量身定做，使模具浇铸的过程更加稳定。

关键词：镁合金；压铸模具设计；关键技术分析

1.前言

科技的不断进步，新材料、新工艺日新月异，镁合金压铸产品具有良好韧性和可塑性，成为新的研发热点。

2.镁合金的特性

压铸模是进行压铸生产的主要工艺装备。在批量生产中，铸件质量合格率的高低，作业循环的快慢，以及模具制造的难易及使用寿命，在很大程度上受压铸模结构设计是否正确、合理、先进和适用程度的制约。譬如：设计合理的横浇道和内浇道的几何形状，以达到最佳的充填效果；规划合理的加热及冷却系统，以均衡模具温度来影响铸件凝固后的微观结构等。

随着汽车工业的发展，以及节能、环保的要求，汽车轻量化需求日渐迫切，因此压铸镁合金的汽车零部件越来越多，如方向盘骨架类件、罩盖类件、仪表盘类件、脚踏板类件及汽车轮毂等。虽然在大多数情况下，镁合金压铸生产的产品和其他合金压铸产品相类似，镁合金压铸模具和其他合金压铸模具也相类似，但由于镁合金不同于铝、锌等合金的一些特性，因此在设计镁合金压铸模时应给予充分考虑。

镁合金的特性：镁合金密度小，液态为1.65g/cm3，固态为1.8g/cm3。其密度比铝、铁、钢等都小，是目前最轻的金属结构材料，因此成为汽车零部件制造的理想材料。镁合金比强度高于铝合金和钢，略低于比强度最高的纤维增强塑料；其比刚度与铝合金和钢相当，远高于纤维增强塑料。

镁合金具有极好的滞弹吸震性能，可吸收振动和噪声，用作壳体类零部件时可减少噪声传递，预防冲击，防止凹陷损坏。镁合金具有防电磁辐射的特性，能够阻隔电磁波，适合生产电子产品，其磁屏蔽性能远优于铝合金。镁合金具有优良的机加工性能，且加工成本低，加工能量仅为铝合金的70%。部分镁合金的耐腐蚀性比低碳钢好的多，已超过压铸铝合金A380。

镁合金具有优良的充填特性，较易压铸成形，在适当条件下铸件壁厚可＜1mm（最小可达到0.6mm），正常的厚度为2~4mm。另外，其比热容较小，合金液的冷却速度快，压铸周期相应变短，适合大批量压铸生产（生产效率是铝合金的1.5倍左右）。由于镁合金单位体积的比热容较铝合金低，且铁在镁液中的溶解度非常有限，所以压铸镁合金相比铝合金不容易粘模，镁合金压铸模的磨损也较铝合金压铸模低，模具寿命相对来说要长。镁合金在熔化和成形过程中易氧化燃烧。

3.镁合金压铸模具设计关键技术

镁合金压铸模具是正确选择和调整压铸工艺参数的基础，故能否顺利实现压铸、压铸件质量的优劣、成型效率等在很多程度上取决于压铸模结构是否合理、技术是否先进、模具制造是否科学等，故压铸模具设计实质上是对压铸生产中预计产生的结构和可能出现的各种问题的综合反映。

3.1成型部分设计

成型部分是模具压铸件尺寸精度与形状尺寸的部位，是按照压铸件设计图纸，根据压铸工艺及压铸实际情况而设计的，其型腔和型芯组成的部分必须符合用户压铸件的要求。模具成型表面的质量决定着压铸件的表面质量及压铸件脱模阻力的大小。

3.2浇注和排溢系统设计

浇注系统是压铸机内熔融的镁合金液在高温高压高速状态下填充压铸模型腔的通道，其在引导金属液填充型腔过程中，对金属液的流动速度、状态、压力传递、排气效果及压铸模的热平衡起着重要的控制和调节作用。排溢系统是金属液在填充过程中，排除气体、冷污金属液及氧化夹杂物的通道和储存器，用以控制金属液的填充状态、消除压铸缺陷。浇注系统的设计主要包括：1）根据压铸件尺寸、质量及企业现有压铸条件选用适当的内浇口，确保内浇口形状与浇注系统相适应；2）根据压铸件尺寸精度、表面质量确定金属液进入型腔的位置方向和流动状态；3）根据压铸件的结构特点、后续机械加工方法，确定合理的分型面、浇注系统的总体结构和各部分的主要尺寸；4）分析金属液流动状态，确定溢流槽及排气道；5）分析金属液的流动对模具温度的影响，选择合适的模具温度调节装置。

3.3抽芯机构设计

现阶段在大型压铸机模具上的抽芯机构均设计为液压式抽芯机构。液压抽芯机构指固定在定模或动模部分的液压缸在压铸成型后，通过油路和液压阀的控制，使与液压缸活塞杆连接的型芯进行抽芯的一种机构。抽芯机构设计时不宜将抽芯方向设置在操作侧，以避免发生意外。抽芯机构设计时应设置楔紧装置，在合模前使型芯复位，防止侧滑块和楔紧块被毁。

3.4计算机数值模拟仿真分析

在这个阶段，数值模拟分析软件已经成为优化汽车零部件压铸模工艺设计的关键工具。常用压铸模拟分析软件主要包括FLOW-3D，MAGMA和PRO-CAST。最重要的方法是有限差分法，有限元法，边界元法和直接差分法。在数值模拟分析中，可以预测和分析镁合金液体的流动状态，并进行浇注系统的初步设计。在合理的压铸工艺参数下，模拟了填充过程中的速度场和温度场。仿真结果进一步优化了浇注系统和工艺参数，从而预测了可能的压铸缺陷及其在生产中的位置，实现了工艺优化，提高了铸件的质量，充分发挥了压铸技术的优势。据美国铸造协会统计，使用数值模拟分析可以提高产品质量10倍，材料利用率提高25％，成本降低30％，设备利用率提高45％，缩短产品设计和试用周期增加45％。

4.模具材料的选择

模具材料一般分为核心部件材料（如衬板，滑块，型芯等）和外围辅助材料（如模框，模脚，推板，推板固定器，滑块安装件等）。选择模具材料的原则是：不仅要保证模具的使用寿命，而且要考虑模具的制造成本和经济性。由于模芯组件材料之一的衬套模具与熔融金属直接接触，因此每个压铸生产周期会经历突然的热量和冷量变化，并且容易产生热疲劳。因此，选择耐热冲击热模钢。最常用的是H13钢或具有相似性能的材料（H11，HP1等）。为了确保多次冲击后的表面质量，必须使用低硫含量的优质钢材。H13钢一般在购买时退火，碳化物球化以提高切削性能。在机械加工后，衬模需经过淬火硬化处理，通常回火到46～48HRC，最后衬模表面做软氮化处理，氮化层深度0.06～0.10mm，硬度≤1100HV。

5.结束语

通过对镁合金特点及镁合金压铸模具设计关键技术的分析，充分证明镁合金的大量应用不仅能够保护环境，降低能源损耗，还可以为企业获取更大的经济效益。

参考文献：

[1]蔡紫金，潘宪曾.我国压铸模制造简况.特种铸造及有色合金.2016年增刊：45～49

[2]黄汉元，岳强，谢悦.铝合金背盘压铸模设计.热加工工艺，2016（9）：63～64