浅谈压铸模具设计与压铸工艺对压铸模具寿命的影响

影响压铸模具寿命的因素很多，如：模具材料，模具的热处理，模具的表面处理，模具浇道与浇口的设计，模具的排气设计，脱模剂的喷涂量，模具温度场的设计，压铸工艺的设定，慢压射临界速度的选择，快压射的速度选择，增压比压等等诸多因素。通常讨论比较多的是模具材料的选择，模具的热处理，模具的表面处理。但是，在实际应用与使用中，模具的浇道与浇口的设计以及设备的使用直接影响模具寿命。

       对于多数汽车部件的产品，压铸企业希望模具制造厂家能够保障模具使用寿命在8－10万件的产品制造。对于通讯基站盒类产品，压铸企业希望模具能够有4－6万模次的模具寿命。无论是模具生产厂家还是压铸企业，谈及模具寿命首先想到的是模具材料以及模具的热处理。那么什么是好的模具材料或者什么是好的进口模具材料？什么是好的热处理？答案很简单：NADCA北美压铸学会认证的C类与E类材料均是好材料。好的热处理是严格按照NADCA北美压铸学会技术规定进行的热处理操作，并且有冲击韧性记录，冲击韧性值最低在13焦耳（V型样品）以上。多数实际模具冲击韧性在20焦耳以上（V型样品）的热处理就是好的热处理。问题是：以上技术指标都达到了，而且模具的硬度也是正确的，但是为什么模具还是不耐用？这就需要考量模具的浇道与浇口的设计以及压铸参数的设定等其他因素。

1、 压铸参数直接影响模具寿命：
       图1是日本Ryobi公司对模具在正常压铸与模具在使用高射速压射时进行的模具寿命对比分析结果。右侧列表是压铸参数的变化。在正常压铸条件下，快压射速度2米／秒；金属压力63MPa; 设备合模力1250吨； 铝合金温度660度；模具的使用寿命是10万件产品以上。但是，如果把压射速度加快一倍到3.7米／秒；金属压力61MPa；合模力增加一倍到2500吨；金属温度660度时，模具寿命缩短到6万模次左右。这个研究的结果说明：压铸时使用高压射速度与高压力使得模具寿命下降40％。  


如果仅从模具材料与模具热处理角度分析，希望延长模具寿命。那么，选用NADCA技术标准里的C类模具材料，如：日本山阳特殊制钢的QDX-Harmotex材料并且附加表面处理使得模具表面产生压应力也是可以把模具寿命提高到12万模次。QDX－Harmotex材料具有比通常使用的优质H13类材料（8407材料）韧性提高2倍，耐高温性能提高36％的特点。
       如果把浇道与浇口的设计改善的更加合理，那么压铸参数不需要提高太多也能够生产制造良好质量的产品。这才是可以真正提高与延长模具寿命的最好办法。

2、 模具的浇道的设计：

       现在市场上普遍的问题是浇道与浇口的设计是拷贝的。有拷贝日本的，有拷贝德国的，有拷贝美国的，有拷贝澳洲的，等等。而浇道设计的背后的原理没有搞清楚，使得模具使用操作的窗口太小。产品制造时，有时很好，有时很差。而且，普遍使用的浇口是凿子形的多。浇口面积偏小，浇口厚度过厚导致浇口处乃至铸件的浇口附近就有缩孔。
      有的的铸件在浇口附件有缩孔。浇道设计不是太合理，浇道的分流不应当是直角，凿子型浇口厚度过厚。由于浇道设计的不合理，产品内部有缩孔或气孔。在压铸过程中，必须使用较高的增压比压力，目的是把气孔或者缩孔压缩。但是这样就会使得模具寿命下降。


那么合理的浇道应当是怎样的？浇道在不同状态下的转弯数字模拟的结果是 不一样的。当主浇道横截面积比转弯后的浇道小，而且是直角转弯时，浇道内流动的液体会在直角处形成涡流。直角转弯之后，沿着转弯后的侧壁也会形成涡流而且液体在此处没有流动。如果把直角的转弯改成有R角的转弯，那么液体的流动会比较顺畅但是由于主浇道的横截面积比转弯后的面积小，液体在浇道流动过程中，转弯之后会形成乱流。最理想的情况是主浇道的横截面积比转弯后的横截面积大而且转弯处需要有足够大的R角，这样液体在浇道中的流动就非常的顺畅。


3、 浇口的设计：

       浇口的位置安排，要根据铸件的形状与填充状态来设置。压铸时，铝合金液体是通过浇口瞬间喷射到模具型腔内。理想的浇口设置应当是金属液体把模具型腔内的空气均匀的赶出，使得铸件产品没有气孔。 浇口的面积应当与压铸设备相关联。理想的浇口设计应当是把内浇口的面积加大，这样内浇口的速度就会下降。对应铝合金压铸，建议的内浇口速度应当控制在30－40米／秒之间。对应外观件产品，可以考虑把内浇口速度提高到40－50米／秒。除非是薄壁产品（<2毫米），内浇口速度可以设定在50米／秒以上。

       浇口的种类有很多。通常使用的有扇形浇口，锥形切线浇口，以及凿子形浇口。扇形浇口的特点是液态金属按照扇子形状在模具型腔内流动如图4所示。锥形切线浇口特点是浇口可以很长，液态金属进入浇口后沿45度角向模具型腔内喷射。凿子形浇口的不良之处是液态金属进入模具型腔后，直冲到底。这样在浇口之间容易形成卷气导致铸件产品在浇口附近有气孔等缺陷。

因此，考虑到铸件产品内部质量应当尽量少使用凿子形浇口。


压铸模具浇口面积的计算也需要与压铸设备建立起联系。压铸设备的机理是P－Q2图。压铸设备的最大射速与被成形金属的压力有相应的关系。模具设计时，需要参考P－Q2图选择压铸设备最快射速的30－70％之间来设计内浇口的面积。这样才能使得模具在使用时操作窗口最大。在此范围内设计的模具应当比较容易成形产品。典型的模具使用的P－Q2 图如下图所示。


       当模具设计的内浇口面积过小的时候，金属压力会很容易达到。但是，压铸工艺比较难控制。因为所使用的快压射速度太低。当模具的内浇口面积过大时，压铸时需要使用较高的压射速度。但是，金属的压力达不到所需要的要求。产品成形会有问题。

常见的情况是，压铸的产品质量时好时坏。主要的原因是设计的模具浇口超出了30－650％的最佳操作窗口。计算浇口面积时，需要取最快压射速度的35－65％为计算基础。这样，压铸设备会把最多的能量作用在金属成形上而不是全部的能量使用到以最快的速度推动冲头的运动。这样金属的压力是上不去的。