文|鹽城工學(xué)院 鄭浩 張紅蕾 宦海祥

壓鑄件在各行各業(yè)中有著廣泛應(yīng)用，壓力鑄造的生產(chǎn)效率高，適合大規(guī)模和自動化生產(chǎn)，適用于形狀復(fù)雜，精度要求較高的金屬零件的成型，因此壓鑄模結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對設(shè)計的要求更高。在模具設(shè)計中，NX 軟件被廣泛使用，NX提供了非常專業(yè)和強大的模具設(shè)計工具，使得設(shè)計更加簡單和高效。相比于鋁合金，鎂合金密度小、熔點低和成形性好，適用于生產(chǎn)輕量化的零件，并且我國的鎂資源豐富，因此鎂合金零件壓鑄模的設(shè)計與制造具有重要意義。某型號汽油機齒輪室蓋具有大量的復(fù)雜曲面，精度要求較高，以此零件為例，基于NX 軟件設(shè)計其鎂合金殼體壓鑄模具。

一、零件的建模及壓鑄工藝分析

1、零件結(jié)構(gòu)分析

依據(jù)汽油機齒輪室蓋零件尺寸和形狀要求，應(yīng)用NX 軟件的建模模塊建立零件的三維模型，如圖1 所示。應(yīng)用NX軟件的分析工具得到該零件的最小壁厚僅為1.2mm。另外，該零件上下表面都有很多凹槽和凸臺。在中間部分有兩個方向相反的凹槽，所以需要用兩個方向相反的大型芯。由于存在側(cè)孔，所以還需要側(cè)向抽芯機構(gòu)。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較高的精度要求使得鑄模設(shè)計難度較大。

圖1 汽油機齒輪室蓋零件三維模型

2、零件材料性能分析

該零件材料為YM5 鎂合金。雖然鎂合金也是一種常用的壓鑄合金，但是相比于鋁合金，鎂合金的密度更小、熱膨脹系數(shù)更大、與模具的親和性低以及溶液的冷卻凝固時間更短。因此，鎂合金零件的壓鑄模設(shè)計要困難的多。設(shè)計時要求入射速度要達到80m/s 以上，充填時間短，因此排氣能力要強，模具的溫度要控制在230℃以上。

二、模具的設(shè)計過程

1、壓鑄機的選用

壓鑄機是通過鎖模力來確定的。計算鎖模力可參照式（1）：

式中，F(xiàn)鎖是壓鑄所需的鎖模力，單位為kN；K是安全系數(shù)，一般取值1.25；F主是主脹型力，單位為kN；F分是分脹型力，單位為kN。

通過NX 軟件的分析工具可以得到分型面投影面積A0≈251.24 cm2。另外，再加上澆注和排溢系統(tǒng)的面積后，最終總面積A≈251.24×(1+0.3)=326.612 cm2，取壓射比壓p=60Mpa， 得 到F主=Ap/10=326.612×60/10kN=1959.672 kN。然后使用同樣的方法計算得出分脹型力，α設(shè)計為20°，得到F分=∑[A芯ptan/10]=190.818 kN。得到鎖模力F鎖≥K(F主+F分)=1.25×(1959.672+190.818)≈2688 kN?？紤]到零件結(jié)構(gòu)特點和工藝特點，還要使壓鑄機的合模力大于所需要的鎖模力，所以選擇J1163E 型臥式冷室壓鑄機。

2、壓室容量的估算

J1163E 型壓鑄機對于鋁合金的金屬液的最大注射量為9kg。通過鋁合金和鎂合金的密度換算，可以得到壓鑄機對于鎂合金的最大注射量為6.19kg，而零件的質(zhì)量僅為0.31kg。所以我們得到G室＞G澆，滿足要求。

3、分型面的選擇

通過對壓鑄件機構(gòu)和幾何特征的分析和研究，確定以零件底面分型，平面、臺階面和曲面結(jié)合起來得到分型面。

4、澆注系統(tǒng)的設(shè)計

通過分析壓鑄件的結(jié)構(gòu)，最終確定選用側(cè)澆道的形式，并將側(cè)澆道設(shè)置在動模上，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 側(cè)澆道設(shè)計示意

內(nèi)澆口的尺寸計算按照公式（2）：

式中，L是內(nèi)澆口的寬度，單位為cm；T是內(nèi)澆口的厚度，單位為cm；V是壓鑄件和溢流槽的總體積，單位為cm3。

其中，內(nèi)澆口的厚度采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取1mm；計算出內(nèi)澆口的寬度L≈10mm。根據(jù)技術(shù)手冊，得知橫澆道深度D=(5-8)T，取T=1mm，考慮到盡量減小熱量損失，取D=9mm。溢流槽的截面形狀采用半圓形，尺寸選用經(jīng)驗數(shù)據(jù)。排氣通過頂桿和溢流槽的縫隙來完成。

三、基于NX 軟件的模具設(shè)計

1、模具設(shè)計初始化

設(shè)計模具之前應(yīng)該對零件進行初始化，在模具向?qū)K中，單擊“初始化項目”按鈕，同時設(shè)置零件的材料和收縮率。

2、設(shè)置坐標系

在“模具CSYS”對話框中設(shè)置模具坐標系。

3、創(chuàng)建毛坯

創(chuàng)建毛坯是為了得到成型零件，而且毛坯的大小直接影響模架的選用，因此至關(guān)重要。在“工件”對話框中設(shè)定毛坯大小，一般情況下，系統(tǒng)默認的毛坯參數(shù)設(shè)置就可以滿足要求，設(shè)置的參數(shù)如圖3 所示。在“型腔布局”中選擇2個型腔，得到毛坯。

圖3 工件設(shè)置參數(shù)

4、創(chuàng)建分型面

通過傳統(tǒng)方法確定了結(jié)合平面、曲面和臺階面的分型面。利用NX 軟件，創(chuàng)建分型面。選擇“創(chuàng)建分型面”的方法為“拉伸”，拉伸出第一段分型面。然后系統(tǒng)會自動切換到下一段分型線，仍然使用“拉伸”命令來拉伸出第二段分型面，依次進行，直到創(chuàng)建出最終的分型面。

5、創(chuàng)建型腔和型芯

分型面創(chuàng)建完成之后，在“分型導(dǎo)航器”對話框中勾選“產(chǎn)品實體”、“工件”、“工件線框”和“曲面補片”復(fù)選框。在“定義型腔和型芯”對話框中分別選擇“型腔區(qū)域”和“型芯區(qū)域”，可以得到型腔和型芯。這樣就完成了成型零件的設(shè)計，如圖4 所示。

圖4 成型零件設(shè)計

6、加載模架

軟件中的模架庫提供了許多標準模架系列。設(shè)計人員只需要在“模架庫”中按需選取模架。根據(jù)所創(chuàng)建的毛坯尺寸，零件的推出距離等，該零件選擇LKM 公司的SDC-H-5555壓鑄模標準模架，如圖5 所示。

圖5 模架加載

7、添加標準件

NX 軟件提供了豐富的模具標準件。在“標準件庫”對話框中設(shè)計定位環(huán)、澆口套和頂桿等。該模具不需要定位環(huán)，根據(jù)所選的壓鑄機的澆口直徑，確定澆口套的內(nèi)徑為70mm。在不同部位設(shè)計不同直徑的頂桿，直徑分別設(shè)計為5mm、8mm 和10mm，如圖6 所示。

圖6 添加頂桿

8、設(shè)計抽芯機構(gòu)

設(shè)計側(cè)向抽芯機構(gòu)時，在“滑塊和浮升銷庫”對話框中選擇系統(tǒng)自帶的“滑塊和/或浮升銷”。

9、“澆口庫”、“流道”和“腔體”

在“澆口庫”對話框中設(shè)計主澆道、澆道和澆口。在“流道”對話框中創(chuàng)建流道的路徑和截面。通過“腔體”命令給標準件和其它組件的放置創(chuàng)建空腔。

10、模具總裝

在設(shè)計完成后，利用NX 軟件的裝配模塊，將設(shè)計好的模型提升為組模型。裝配模塊中的所有組件與組模型相關(guān)，模具總裝爆炸圖如圖7 所示。

圖7 模具總裝爆炸圖

四、結(jié)語

由于某型號汽油機齒輪室蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且材料為冷縮嚴重的鎂合金，所以其壓鑄模的設(shè)計很難通過傳統(tǒng)設(shè)計方法來完成。通過運用NX 軟件中相應(yīng)功能和命令可以快捷地設(shè)計出零件和總體。不僅降低了模具設(shè)計工作量，而且提高了模具設(shè)計質(zhì)量。