镁合金压铸模具设计的关键技术分析

2015-04-17李有新李阳

机械工程师 2015年8期

李有新，李阳

（青海盐湖特立镁有限公司，西宁 810000）

0 引言

随着可持续发展理念的深入，汽车轻量化成为行业共识，节约油耗已经成为现代化汽车的重要发展方向。镁合金作为最轻的金属材料，其具备多种特性，已越来越多地引起行业内人士的关注。而作为镁合金压铸成型中模具设计的成功与否将直接影响镁合金压铸件的品质和压铸效率。

1 镁合金性能分析

镁合金最突出的特点为相对体积质量小（1.74 g/cm3），只是铝合金2/3，并且在刚性一致的前提下，镁的质量只是钢的1/2。镁和铝、铜与钛等相关金属元素所构成的多种合金，其中相对体积质量仅为1.8 g/cm3，但是却具备相对较大的强度和硬度。此外镁合金传热与膨胀系数相对较大，而弹性模量在比较常用的金属当中为最低的，具备比较高的导热性和导电性，还具备良好的尺寸稳定性和能量吸收特点，比较适宜制造抗振零件。镁合金具有非常好的机加工性能，可有效保持加工精度。但由于镁是易燃物质，镁液遇水后还会产生剧烈反应，故在压铸生产时必须采取安全防范措施。近年来，压铸技术的不断发展，使镁合金可以铸造薄壁和接近成品尺寸相对复杂的零件，有时还能够和塑料相比拟，具备一定的稳定性，并且在重量及功能等方面拥有一定优越性。

2 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。

2.1 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。

2.2 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喷嘴，确保喷嘴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。

2.3 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。我公司引进的瑞士布勒锁模力为3200t的大型压铸机定模和动模上分别固定有6个和4个抽芯液压缸。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。

2.4 计算机数值模拟仿真分析

现阶段，数值模拟仿真分析软件已经成为优化汽车零部件压铸模具工艺设计的关键工具。常用的压铸模拟分析软件主要有FLOW-3D、MAGMA及PRO-CAST，最主要的方法是有限差分法、有限元法、边界元法和直接差分法。在数值模拟仿真分析中，可预测分析镁合金液的流动充型状况，进行浇注系统的初步设计，在合理的压铸工艺参数下，对充型过程中的速度场、温度场等进行模拟，根据模拟结果，进一步优化浇注系统及工艺参数，从而预测出生产中可能出现的压铸缺陷及所在位置，实现工艺优化，改善铸件质量，充分发挥压力铸造的技术优势。据美国铸造协会统计，运用数值模拟仿真分析可提高产品质量10倍，提高25%的材料利用率，降低30%的成本，提高45%的设备利用率，缩短45%产品设计和试制周期。