汽车模具铸造过程及泡沫模制作的探讨

（上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西 柳州 545007）

随着汽车行业的飞速发展，对汽车模具的开发周期要求越来越短，同时对模具的品质要求越来越高，生产成本越来越低。在开发出短周期、高品质、低成本的模具过程中，铸造起到了相当重要的作用。所谓铸造就是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造毛胚因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的，降低了成本并在一定程度上减少了时间。因而铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一。

本文对汽车模具泡沫模的制作流程和制作方法进行了详细的介绍，并总结了汽车模具机加工时各部位所需的加工余量的经验值，以期对从事汽车模具行业的工作者，特别是泡沫模制作人员提供参考。

1 铸造种类及工艺流程

铸造种类很多，按造型方法习惯上分为：

（1）普通砂型铸造，包括湿砂型、干砂型和化学硬化砂型三类。

（2）特种铸造，按造型材料又可分为以天然矿产砂石为主要造型材料的特种铸造（如熔模铸造、泥型铸造、铸造车间壳型铸造、负压铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等）和以金属为主要铸型材料的特种铸造（如金属型铸造、压力铸造、连续铸造、低压铸造、离心铸造等）两类。

铸造工艺通常包括：铸型（使液态金属成为固态铸件的容器）准备；铸造金属的熔化与浇注；铸件处理和检验，铸件处理包括清除型芯和铸件表面异物、切除浇冒口、铲磨毛刺和披缝等凸出物以及热处理、整形、防锈处理和粗加工等。

汽车模具常用的铸造种类为普通砂型铸造，其工艺流程如图1所示。

图1汽车模具铸造工艺流程图

2 泡沫模型制作

汽车模具铸造的质量有很大程度上取决于泡沫模型的制作。如何才能做出符合要求的泡沫模型，一般步骤可分为：数据预备、着色、放缩水量、做加工余量、分层、CNC程序的设计、CNC程序的加工、粘贴修整、检查出库。

2.1 数据预备

在加工前要对所获得的数模进行认真分析，对不同软件进行数据转换所造成的数据丢失应进行确认和修复。在一般情况下，泡沫模型数据的属性应该是实体，所以，在进行其他制作前须把所得数据通过曲面缝合等方式转换成实体属性。

2.2 着色

认真分析、研究模具图纸，从图纸上提取模具加工面与非加工面信息，并对所获得的信息进行回纳、分类，作好相应记录。对加工的面比如型面、导板面、镶块安装面等进行着色，以便做加工余量的确认。

2.3 放缩水量

由于泡沫与铁水冷却的收缩率不同，所以要对泡沫模型放一定的收缩量△X。泡沫模型放的收缩率△X根据所浇铸填充的材质不同而有所不同。如铸铁，需要对泡沫模型整体进行（1+△X）即（1+11/1 000=1.011）缩放，铸钢需要对泡沫模型整体进行（1+△X）即（1+20/1 000=1.02）缩放。

2.4 做加工余量

根据上述对加工面所做的颜色，比如导板、镶块安装面等外形比较规则的面做加工余量处理。加工余量可以参考图2.

图2加工余量

2.5 分层

由于受加工机床、刀具等因素的限制，泡沫加工首先要对3D模型进行分层处理。分层处理在整个CNC程序编制与加工过程中至关重要。分层时要尽可能少，以保证各个单元层粘合后模型的精度，还要尽可能少的产生窄槽、负角等难加工或者不能够加工的几何体。

2.6 CNC程序的设计

做NC数据前，对分割好的模型分别设定主负坐标，记录加工方向和加工基准，采集模型的几何外型尺寸，确定所需泡沫毛坯规格。泡沫材质不同于钢铁等金属材料，材质十分疏松，况且泡沫模座多由25~40mm筋板构成，相比相同壁厚的钢铁材质的模具，强度低，在加工过程中，由于难以承受刀具切削所产生的挤压力，很容易造成部分薄壁泡沫损坏，所以要求切削刀具刃口要锋利、转速高、进给不能够太快。

2.7 CNC程序的加工

在加工时须对下列各项进行确认，它是控制产品质量的最后一个环节，其过程包含：

（1）加工范围，判定留量区域；

（2）加工余量的确认；

（3）刀具的长度和刀具大小的确认。

根据前面的加工信息，为了便于指导加工，需把这些必要的信息提供给现场数控加工职员，在CNC指导书中，需要包括程序名、刀具类型、刀具几何参数、加工留量、切削参数范围、加工完毕的模型检测文件等。

2.8 粘贴、修整

粘贴、修整就是把分层加工的泡沫模型用粘贴剂粘贴成一个完整的模型，修整掉飞边、分缝等缺陷，粘贴模型编号、材质等铸字内容。

2.9 检查、出库

泡沫模型制作完成后，用白光扫描等设备对泡沫模型和3D设计模型进行检查，检查合格后，就可以出库并发铸了。

3 铸造工艺

3.1 埋沙

所谓埋沙是指把制作好的泡沫模型放入沙箱，用铸造沙填充、紧实，并留出浇铸系统的过程。埋沙所用型沙是由原砂和粘结剂组成，必要时，还加入各种附加物。原砂是耐高温材料，常用的是含SiO2较多的硅砂。常用的粘结剂有粘土、水玻璃等。型砂应具有以下性能：透气性、强度、耐火度、可塑性、退让性。上述性能要求是最基本的，有时又是互相矛盾的，因此，要求型砂具有良好的综合性能。生产中常采用砂子、粘土（常用膨润土）和水等经混制而成的粘土砂。为满足透气性、型砂中还可加入锯末、煤粉等。

3.2 浇铸

将熔化的液态金属注入铸型的过程，称为浇注。浇注不当，可能会使铸件产生气孔、冷隔、浇不足、缩孔等缺陷。浇注前应做好现场准备工作，如选好浇包、清理场地等。临浇注时，要扒去金属液面上的熔渣，以免其进入铸型。浇注时，要合理掌握浇注温度和浇注速度。对复杂件、薄壁件，浇注温度要高，浇注速度要快，而对简单件、厚壁件，则正好相反。

3.3 落沙

铸件浇铸结束即开始在铸型内冷却，冷却到一定温度就需要开箱落沙。铸铁开箱落沙的温度一般按以下原则控制：一般件为300~500℃；易冷裂、变形件为200~300℃；易产生热裂的铸件为800~900℃；铸钢件的开箱落沙温度一般控制在200~450℃范围。铸件经过落沙，铸件外部型沙基本剥离，部分溃散性的型沙也都留在落沙系统上。但型沙落沙往往都不彻底，特别是溃散性差的沙芯，需要经清沙除芯工序处理。

3.4 热处理

铸件的热处理就是为了消除粗大晶粒及内应力等缺陷而采用的必要工艺。现在汽车模具的制造周期越来越短，没有时间让铸件进行半年甚至更久的时效处理，为了避免加工后变形，影响模具的精度，往往会对铸件进行回火处理来消除内应力。

4 结束语

经过以上的程序后，铸件再经过检测合格后就能转入机加工了。到此模具完成了由3D数模到实体的转变，迈出了模具制造的第一步。随着现代机械化、自动化、智能化的水平越来越高，高新技术在模具制造中运用得越来越广泛，数控革命时代已经到来，使泡沫模型制作越来越精确，铸造的精度也随之提高。再加上模具的数控加工，特别是5轴数控机床的广泛应用，对模具的制造周期和质量都起到了决定性作用，时间就是金钱，抢先一步就能压倒很多竞争对手，如何能快速的制作出高质量、短周期的模具，在这一领域还有很多技术题目需要我们进一步探索、研究。

[1]王文清.铸造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]崔振铎.金属材料及热处理[M].长沙：中南大学出版社，2010.

[3]杨 玻，何正君，蔚孝华.汽车模具铸造件泡沫模型的CNC加工[J].汽车制造业，2006，(9)：66-68.