砂型铸造模具的设计与工艺研究

李原

广西玉林达业机械配件有限公司 广西玉林 537000

1 铸造工艺设计

1.1 绘图软件

目前，在铸造工艺设计和模具设计过程中使用最为广泛的软件有UG、Solidworks、PRO/E、CIMATRON 和CATIA 等。对于砂型铸造来说，只要方法正确，不管使用哪一款软件都能设计出较为合理的工艺。因此，在进行铸造工艺设计和模具设计之前应充分掌握至少一种软件的运用方法。

1.2 分型面的选择

在砂型铸造中分型面是为了造型的需要而设置的铸型若干部分的接触面。由于砂型铸造所生产的铸件大多形状复杂，不管是水平分型面还是垂直分型面，一个平面往往不能做到完全将其所有形状分开。因此，砂型铸造的分型面一般都是曲面分型。这就要求所选择的分型面既能保证铸件质量，又便于造型工艺操作。

1.3 缩尺的确定

为了避免最终铸件的尺寸不小于图纸的要求，一般情况下，在设计模具的时候都会在原有铸件尺寸的基础上加上一定比例的缩尺。对于砂型铸造来说，缩尺的选择主要受到造型设备、合金类型、铸件形状和型砂质量等因素的影响。对于球墨铸铁来说还应考虑到石墨化膨胀导致的铸型涨大所抵消的缩尺比例。因此，球墨铸铁的缩尺一般在0．3%～0．7%，灰铁和蠕墨铸铁的缩尺一般在0．4%～0．9%。对于铸铝、铸铜等有色合金的缩尺一般都设计为1%左右。

1.4 浇注系统的设计

不论是开放式、封闭式，或者是半开放式浇注系统，各有各的优点，没有哪一种浇注系统是最好的，只有相对更为适合所生产铸件类型的浇注系统。设计良好的浇注系统的目的是在浇注过程中形成平稳的充型模式、减少或避免气体与夹杂物的卷入、减少热量及动能耗损、最终目的是能够生产出满足质量需求的合格铸件[1]。

2 模具材料的设计

2.1 模具模板

模板是支撑模芯，与造型设备相连的框架结构，以往很多铸造企业为了省事和模具制作的方便，会采用铸造毛坯的方法将模具的模板和模芯做成一体的铸铁材料。由于模板和模芯对于砂芯铸造模具来说他们的作用和所承受的压力有着很多的不同。所以，为了充分发挥不同材料的优势和模具不同部位的需求，目前大部分铸造企业已经将模具的模板和模芯分别选材、加工。由于模板在模具上的主要功能是为了实现模芯与造型机的连接、兼顾分型和造型的需求。在砂型铸造的造型过程中，模板通常和模芯需要一起被加热至30～70℃。因此，模板材料必须在此温度范围内具有足够的强度和硬度。通常情况下，使用铸铁材料作为模板，可以满足造型过程中对其力学性能和硬度的要求。

2.2 模芯

模芯是模具的核心，是形成铸件的关键部位。因此对于模芯的材料，一定要选用强度和硬度高，塑性和耐磨性优良，耐冲击韧性和耐疲劳强度高的材料作为模芯材料。一般情况下应根据模具的类别和所生产铸件的基本要求，选用与之相适应的不同型号的模具钢作为模芯材料。

2.3 浇注系统

模具上浇注系统的主要功能是在浇注过程中为金属液进入铸件型腔提供充型通道。在砂型铸造的造型过程中，浇注系统和模芯同样都要长期地经受来时型砂和气流的冲击与摩擦。设计时还要考虑到模具整体重量的轻量化[2]。因此，一般选用耐磨的高合金铸铝或具有高硬度与高耐热性的表面镀铬材料作为浇注系统。

2.4 芯盒

芯盒一般采用牌号较高的铸铁材料经机械加工制造而成。对于热芯盒使用铸铁作为基体材料时，芯盒在制芯过程中一般要求加热至210～300℃，要充分考虑铸铁在长期热环境下使用的材料脱碳问题。因此，对于热芯盒应使用低碳当量的铸铁材料，以延长热芯盒的使用寿命。

2.5 顶芯杆

顶芯杆是安装在芯盒中，用于顶出砂芯的杆状顶芯装置，它的作用主要是便于在芯盒开模后从中取出砂芯。在保证具有一定强度的前提下，主要考虑的是顶芯杆的顶部要具有良好的耐磨性。通常可采用A3 钢材料加工，要求稍高的可用45#钢，经过热处理后得到硬度为40～48HRC 的耐磨硬度。

2.6 下芯框

下芯框是安装在造型机上的下芯装置，其目的是将造型前制备好的砂芯、冷铁或过滤网等精确的下入型腔的相应位置中。下芯框在造型过程中需要不断地重复夹持砂芯等物体到型腔内的动作。对于下芯框的材料要求，一般以轻量化和耐磨性为前提。因此，一般会选用铸铝或树脂材料作为下芯框的框架，使用耐磨钢片作为砂芯、冷铁或过滤网等的夹持面和接触点，以减少长期使用过程中摩擦带来的局部磨损[3]。

2.7 定位销与定位销套

在铸造生产中，我们要借助定位销和定位销套的相互配合来实现定位、防止安装位置和方向等的错误。由于定位销与定位销套的配合精度直接决定着所生产铸件的尺寸精度。因此，在模具上对它们的精度要求都特别高。基于定位销和定位销套的功能与目的，所以要求它们的材料必须能够经得起频繁相互配合过程中的冲击和摩擦。可将45#钢调质处理+半精加工+高频表面淬火+低温回火处理，得到硬度为55～58HRC 的耐磨材料；也可将GCr15 钢进行盐浴分级淬火+低温回火处理，处理后的硬度可高达58～62HRC。模具设计完成和材料准备完毕后就可以投入到实质性的模具加工过程了。但是，在进行机械加工前还应确保所设计模具的制造可行性。特别是对于模具上的细小刻字一定要注意现有刀具是否能满足加工的需要，如果不能满足应考虑电火花加工；对于凹入特别深的模具部位还应考虑刀具的刀柄是否足够长，如果不够长还要采用分层加工的方法将凹深部位加工好之后，然后再装配到模具相应的位置上。

3 结语

铸造模具的工艺和材料设计关系到模具加工的难易程度、模具制造的成本和模具的使用寿命，关系到铸件生产的可行性和可靠性。因此，作为铸造企业要想提升模具的整体质量，就应该从模具的设计，特别是模具上的铸造工艺设计着手加大设计和研发的投入，尽量避免因设计过程中对铸造工艺考虑的不充分造成后期多次更改情况的发生，避免后期更改带来的一系列损失。