砂型鑄造模具的設(shè)計(jì)與工藝研究

李原

廣西玉林達(dá)業(yè)機(jī)械配件有限公司 廣西玉林 537000

1 鑄造工藝設(shè)計(jì)

1.1 繪圖軟件

目前，在鑄造工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)過(guò)程中使用最為廣泛的軟件有UG、Solidworks、PRO/E、CIMATRON 和CATIA 等。對(duì)于砂型鑄造來(lái)說(shuō)，只要方法正確，不管使用哪一款軟件都能設(shè)計(jì)出較為合理的工藝。因此，在進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)之前應(yīng)充分掌握至少一種軟件的運(yùn)用方法。

1.2 分型面的選擇

在砂型鑄造中分型面是為了造型的需要而設(shè)置的鑄型若干部分的接觸面。由于砂型鑄造所生產(chǎn)的鑄件大多形狀復(fù)雜，不管是水平分型面還是垂直分型面，一個(gè)平面往往不能做到完全將其所有形狀分開(kāi)。因此，砂型鑄造的分型面一般都是曲面分型。這就要求所選擇的分型面既能保證鑄件質(zhì)量，又便于造型工藝操作。

1.3 縮尺的確定

為了避免最終鑄件的尺寸不小于圖紙的要求，一般情況下，在設(shè)計(jì)模具的時(shí)候都會(huì)在原有鑄件尺寸的基礎(chǔ)上加上一定比例的縮尺。對(duì)于砂型鑄造來(lái)說(shuō)，縮尺的選擇主要受到造型設(shè)備、合金類(lèi)型、鑄件形狀和型砂質(zhì)量等因素的影響。對(duì)于球墨鑄鐵來(lái)說(shuō)還應(yīng)考慮到石墨化膨脹導(dǎo)致的鑄型漲大所抵消的縮尺比例。因此，球墨鑄鐵的縮尺一般在0．3%～0．7%，灰鐵和蠕墨鑄鐵的縮尺一般在0．4%～0．9%。對(duì)于鑄鋁、鑄銅等有色合金的縮尺一般都設(shè)計(jì)為1%左右。

1.4 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

不論是開(kāi)放式、封閉式，或者是半開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，各有各的優(yōu)點(diǎn)，沒(méi)有哪一種澆注系統(tǒng)是最好的，只有相對(duì)更為適合所生產(chǎn)鑄件類(lèi)型的澆注系統(tǒng)。設(shè)計(jì)良好的澆注系統(tǒng)的目的是在澆注過(guò)程中形成平穩(wěn)的充型模式、減少或避免氣體與夾雜物的卷入、減少熱量及動(dòng)能耗損、最終目的是能夠生產(chǎn)出滿足質(zhì)量需求的合格鑄件[1]。

2 模具材料的設(shè)計(jì)

2.1 模具模板

模板是支撐模芯，與造型設(shè)備相連的框架結(jié)構(gòu)，以往很多鑄造企業(yè)為了省事和模具制作的方便，會(huì)采用鑄造毛坯的方法將模具的模板和模芯做成一體的鑄鐵材料。由于模板和模芯對(duì)于砂芯鑄造模具來(lái)說(shuō)他們的作用和所承受的壓力有著很多的不同。所以，為了充分發(fā)揮不同材料的優(yōu)勢(shì)和模具不同部位的需求，目前大部分鑄造企業(yè)已經(jīng)將模具的模板和模芯分別選材、加工。由于模板在模具上的主要功能是為了實(shí)現(xiàn)模芯與造型機(jī)的連接、兼顧分型和造型的需求。在砂型鑄造的造型過(guò)程中，模板通常和模芯需要一起被加熱至30～70℃。因此，模板材料必須在此溫度范圍內(nèi)具有足夠的強(qiáng)度和硬度。通常情況下，使用鑄鐵材料作為模板，可以滿足造型過(guò)程中對(duì)其力學(xué)性能和硬度的要求。

2.2 模芯

模芯是模具的核心，是形成鑄件的關(guān)鍵部位。因此對(duì)于模芯的材料，一定要選用強(qiáng)度和硬度高，塑性和耐磨性優(yōu)良，耐沖擊韌性和耐疲勞強(qiáng)度高的材料作為模芯材料。一般情況下應(yīng)根據(jù)模具的類(lèi)別和所生產(chǎn)鑄件的基本要求，選用與之相適應(yīng)的不同型號(hào)的模具鋼作為模芯材料。

2.3 澆注系統(tǒng)

模具上澆注系統(tǒng)的主要功能是在澆注過(guò)程中為金屬液進(jìn)入鑄件型腔提供充型通道。在砂型鑄造的造型過(guò)程中，澆注系統(tǒng)和模芯同樣都要長(zhǎng)期地經(jīng)受來(lái)時(shí)型砂和氣流的沖擊與摩擦。設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮到模具整體重量的輕量化[2]。因此，一般選用耐磨的高合金鑄鋁或具有高硬度與高耐熱性的表面鍍鉻材料作為澆注系統(tǒng)。

2.4 芯盒

芯盒一般采用牌號(hào)較高的鑄鐵材料經(jīng)機(jī)械加工制造而成。對(duì)于熱芯盒使用鑄鐵作為基體材料時(shí)，芯盒在制芯過(guò)程中一般要求加熱至210～300℃，要充分考慮鑄鐵在長(zhǎng)期熱環(huán)境下使用的材料脫碳問(wèn)題。因此，對(duì)于熱芯盒應(yīng)使用低碳當(dāng)量的鑄鐵材料，以延長(zhǎng)熱芯盒的使用壽命。

2.5 頂芯桿

頂芯桿是安裝在芯盒中，用于頂出砂芯的桿狀頂芯裝置，它的作用主要是便于在芯盒開(kāi)模后從中取出砂芯。在保證具有一定強(qiáng)度的前提下，主要考慮的是頂芯桿的頂部要具有良好的耐磨性。通?？刹捎肁3 鋼材料加工，要求稍高的可用45#鋼，經(jīng)過(guò)熱處理后得到硬度為40～48HRC 的耐磨硬度。

2.6 下芯框

下芯框是安裝在造型機(jī)上的下芯裝置，其目的是將造型前制備好的砂芯、冷鐵或過(guò)濾網(wǎng)等精確的下入型腔的相應(yīng)位置中。下芯框在造型過(guò)程中需要不斷地重復(fù)夾持砂芯等物體到型腔內(nèi)的動(dòng)作。對(duì)于下芯框的材料要求，一般以輕量化和耐磨性為前提。因此，一般會(huì)選用鑄鋁或樹(shù)脂材料作為下芯框的框架，使用耐磨鋼片作為砂芯、冷鐵或過(guò)濾網(wǎng)等的夾持面和接觸點(diǎn)，以減少長(zhǎng)期使用過(guò)程中摩擦帶來(lái)的局部磨損[3]。

2.7 定位銷(xiāo)與定位銷(xiāo)套

在鑄造生產(chǎn)中，我們要借助定位銷(xiāo)和定位銷(xiāo)套的相互配合來(lái)實(shí)現(xiàn)定位、防止安裝位置和方向等的錯(cuò)誤。由于定位銷(xiāo)與定位銷(xiāo)套的配合精度直接決定著所生產(chǎn)鑄件的尺寸精度。因此，在模具上對(duì)它們的精度要求都特別高?；诙ㄎ讳N(xiāo)和定位銷(xiāo)套的功能與目的，所以要求它們的材料必須能夠經(jīng)得起頻繁相互配合過(guò)程中的沖擊和摩擦?？蓪?5#鋼調(diào)質(zhì)處理+半精加工+高頻表面淬火+低溫回火處理，得到硬度為55～58HRC 的耐磨材料；也可將GCr15 鋼進(jìn)行鹽浴分級(jí)淬火+低溫回火處理，處理后的硬度可高達(dá)58～62HRC。模具設(shè)計(jì)完成和材料準(zhǔn)備完畢后就可以投入到實(shí)質(zhì)性的模具加工過(guò)程了。但是，在進(jìn)行機(jī)械加工前還應(yīng)確保所設(shè)計(jì)模具的制造可行性。特別是對(duì)于模具上的細(xì)小刻字一定要注意現(xiàn)有刀具是否能滿足加工的需要，如果不能滿足應(yīng)考慮電火花加工；對(duì)于凹入特別深的模具部位還應(yīng)考慮刀具的刀柄是否足夠長(zhǎng)，如果不夠長(zhǎng)還要采用分層加工的方法將凹深部位加工好之后，然后再裝配到模具相應(yīng)的位置上。

3 結(jié)語(yǔ)

鑄造模具的工藝和材料設(shè)計(jì)關(guān)系到模具加工的難易程度、模具制造的成本和模具的使用壽命，關(guān)系到鑄件生產(chǎn)的可行性和可靠性。因此，作為鑄造企業(yè)要想提升模具的整體質(zhì)量，就應(yīng)該從模具的設(shè)計(jì)，特別是模具上的鑄造工藝設(shè)計(jì)著手加大設(shè)計(jì)和研發(fā)的投入，盡量避免因設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)鑄造工藝考慮的不充分造成后期多次更改情況的發(fā)生，避免后期更改帶來(lái)的一系列損失。