周國基，易小明

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1 前言

輕工產(chǎn)品涉及三十多個(gè)行業(yè)門類，涵蓋家電、五金制品、家具、玩具和輕工機(jī)械等品類。壓鑄件是諸多輕工產(chǎn)品的基本構(gòu)件，也是輕工產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。壓鑄、沖壓和注塑被認(rèn)為是最重要的三大材料成型體系，其中壓鑄是指熔融金屬在高壓下高速充型并在壓力下凝固成形的鑄造方法，其具有成型性能好和綜合成本低等多方面的優(yōu)點(diǎn)，且擁有更復(fù)雜的工藝要素組合。壓鑄件對(duì)輕工產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)效益的影響巨大，如某五金鎖具產(chǎn)品頭部企業(yè)2021 年壓鑄車間的生產(chǎn)成本（含鋅合金材料、直接人工成本和壓鑄車間電能消耗等）占全廠變動(dòng)成本的37.4%。輕工產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員，只有掌握壓鑄件開發(fā)所需的專業(yè)知識(shí)，才能通過合適的壓鑄件設(shè)計(jì)，使輕工產(chǎn)品的創(chuàng)新與改進(jìn)更加高效。

應(yīng)用于輕工產(chǎn)品的壓鑄件（以下簡稱輕工產(chǎn)品壓鑄件），按照不同的用途，可以分成裝飾性為主的壓鑄件和結(jié)構(gòu)功能為主的壓鑄件；依據(jù)材質(zhì)的不同，還可以分成鋅合金壓鑄件、鋁合金壓鑄件、鎂合金壓鑄件和銅合金壓鑄件等。不同的壓鑄件類別具有不同的特性和應(yīng)用環(huán)境，在設(shè)計(jì)方面也有不同的要求和技巧。但目前輕工產(chǎn)品行業(yè)中，真正受過壓鑄工藝和壓鑄件設(shè)計(jì)的完整培訓(xùn)，全面了解壓鑄件設(shè)計(jì)知識(shí)及要求的產(chǎn)品開發(fā)人員并不多。因此，將輕工產(chǎn)品壓鑄件的設(shè)計(jì)所需的知識(shí)進(jìn)行梳理和總結(jié)，并使其模塊化，形成系統(tǒng)的壓鑄件設(shè)計(jì)知識(shí)管理模型，可為壓鑄件的設(shè)計(jì)提供具體的方法論，這對(duì)于輕工產(chǎn)品的研發(fā)具有重要意義和現(xiàn)實(shí)緊迫性。

2 壓鑄件設(shè)計(jì)的理論和方法論研究簡介

2.1 設(shè)計(jì)中的實(shí)體特征要求

現(xiàn)有的壓鑄件設(shè)計(jì)的主要理論依據(jù)是機(jī)械設(shè)計(jì)、金屬材料和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)等。1）設(shè)計(jì)的具體知識(shí)和方法主要包括：①基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；②尺寸精度；③幾何公差；④表面粗糙度及重量公差；⑤加工余量設(shè)計(jì)；⑥合金材質(zhì)的選擇等。其中，基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又包括壁厚、脫模斜度、圓角、鑄孔、鑲嵌件和凹凸紋等。2）設(shè)計(jì)的規(guī)范包括機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)體特征要求、國家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品整體的配合要求和性能要求等。3）設(shè)計(jì)的工具包括設(shè)計(jì)軟件和仿真軟件等。

實(shí)體產(chǎn)品設(shè)計(jì)都需要考慮結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)和成本約束等，故部件的設(shè)計(jì)也會(huì)面臨制造工藝選擇的決策。比如，輕工產(chǎn)品常用的鋁合金部件的制造工藝包括鍛打、機(jī)加工、型材、液態(tài)金屬壓鑄和半固態(tài)金屬壓鑄等，若選擇壓鑄工藝，那么在鋁合金部件的設(shè)計(jì)上與其他工藝就會(huì)有明顯的區(qū)別，包括壁厚、機(jī)械強(qiáng)度、零件基體的缺陷量，以及是否可以運(yùn)用熱處理增加部件的強(qiáng)度等。[1]

2.2 設(shè)計(jì)中的工藝要求

進(jìn)行壓鑄件的設(shè)計(jì)時(shí)，需要選擇適當(dāng)?shù)闹圃旃に?；?dāng)選擇了工藝后，又必須因應(yīng)工藝對(duì)產(chǎn)品本身的設(shè)計(jì)進(jìn)行審視，確保工藝能夠符合產(chǎn)品實(shí)體特征設(shè)計(jì)的要求?，F(xiàn)有壓鑄件設(shè)計(jì)的方法中，將壓鑄工藝作為關(guān)鍵要素之一，特別是對(duì)壓鑄模具的考量，即在設(shè)計(jì)前期就考慮工藝對(duì)壓鑄件實(shí)體設(shè)計(jì)的約束，包括模具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、分型面的選擇、澆道的順暢性、合金從液體到固態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的收縮規(guī)律、可以達(dá)到的精度等級(jí)、潛在的缺陷種類及形成機(jī)理等。

相對(duì)于其他成形工藝，壓鑄具有成形特征復(fù)雜和尺寸精度較高的優(yōu)點(diǎn)，但這種優(yōu)點(diǎn)也受制于生產(chǎn)技術(shù)，比如模具的質(zhì)量和壓鑄機(jī)的參數(shù)合理性，這會(huì)直接影響到壓鑄工藝的成本。因此，現(xiàn)有研究方法也關(guān)注壓鑄的生產(chǎn)總成本。壓鑄件的總成本包括壓鑄的材料費(fèi)（Raw Material Cost）、轉(zhuǎn)形成本（Transformation Process Cost）、附加操作的成本（Accessory Operations Cost）、生產(chǎn)調(diào)機(jī)成本（Set-up Operation Cost）等方面，基于實(shí)際樣板的核算結(jié)果顯示這4 項(xiàng)成本的比例分別約是64.5%～84.5%，12.53%～23.53%，0.4%～3.2%，2.5%～14.71%。[2]

2.3 現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法體系的不足和實(shí)踐改善需求

現(xiàn)有的壓鑄件設(shè)計(jì)理論和方法體系，存在重實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模具，而忽視壓鑄工藝選擇和參數(shù)適配性的問題，且也不重視并行工程的運(yùn)用。如鋁合金壓鑄件的設(shè)計(jì)中，不同結(jié)構(gòu)和不同工藝可以達(dá)到的尺寸精度，目前并沒有系統(tǒng)性的知識(shí)工具，這就要求設(shè)計(jì)者應(yīng)具備一定的經(jīng)驗(yàn)性隱性知識(shí)。

不同專業(yè)的技術(shù)人員需要不同的知識(shí)模塊。在知識(shí)應(yīng)用領(lǐng)域，如企業(yè)的技能評(píng)估和知識(shí)管理等，往往存在知識(shí)欠缺和知識(shí)沒有被共享的問題。因此，對(duì)壓鑄件的設(shè)計(jì)，以及由設(shè)計(jì)帶出的工藝和質(zhì)量控制知識(shí)，需要進(jìn)行專業(yè)知識(shí)評(píng)估和模塊化管理。壓鑄件設(shè)計(jì)的知識(shí)模塊評(píng)估，包括知識(shí)中間態(tài)的多個(gè)維度：掌握度（企業(yè)應(yīng)該培養(yǎng)出能夠應(yīng)用知識(shí)并付諸行動(dòng)的有能力的員工，提升他們的專業(yè)精通度）、擴(kuò)散度（企業(yè)需要保證知識(shí)傳遞到任何有需要的員工的手里）、編碼度（盡量通過程序、文件和培訓(xùn)資料等方式將壓鑄件設(shè)計(jì)的知識(shí)顯性化）等。[3]只有基于專業(yè)知識(shí)評(píng)估，才能持續(xù)推動(dòng)壓鑄技術(shù)知識(shí)在企業(yè)內(nèi)的不斷創(chuàng)新，從而提升相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3 輕工產(chǎn)品壓鑄件設(shè)計(jì)的知識(shí)模塊分類總結(jié)

3.1 市場(chǎng)需求分析和設(shè)計(jì)輸入管理的知識(shí)

無論是整體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)構(gòu)想，還是具體的壓鑄件設(shè)計(jì)，都需要在明確客戶或市場(chǎng)的需求的前提下進(jìn)行。設(shè)計(jì)要求的分類包括：①產(chǎn)品定位；②目標(biāo)市場(chǎng)；③價(jià)格或成本范圍；④設(shè)計(jì)風(fēng)格類型；⑤技術(shù)創(chuàng)新程度；⑥供應(yīng)鏈與項(xiàng)目時(shí)間；⑦標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)和規(guī)范性；⑧材質(zhì)性；⑨環(huán)保性；⑩與現(xiàn)有產(chǎn)品線或市場(chǎng)類似產(chǎn)品的差異化程度等。

明確設(shè)計(jì)的要求和規(guī)范后，應(yīng)運(yùn)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)輸入文件的方式，將要求列入項(xiàng)目的檔案，并進(jìn)行詳細(xì)的功能性分析。輕工產(chǎn)品設(shè)計(jì)輸入的管理流程和基本分析方法，如圖1 所示。

圖1 輕工產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)輸入管理流程

3.2 款式要求和外觀設(shè)計(jì)的知識(shí)

在重視產(chǎn)品“顏值”的時(shí)代背景下，外觀設(shè)計(jì)顯得尤為重要。而這個(gè)產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域的重要因素，過去曾被眾多產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員所忽視。隨著市場(chǎng)的競(jìng)爭越來越激烈，除在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可靠性等質(zhì)量指標(biāo)方面發(fā)力外，輕工行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)也開始重視產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)（包括款式、外觀、功能等）。中國五金（鎖具）行業(yè)的10 家頭部企業(yè)的專利數(shù)據(jù)（共2377 項(xiàng)有效專利，數(shù)據(jù)截止日期為2022 年10 月30 日）顯示（見圖2），外觀設(shè)計(jì)專利的數(shù)量最多，占全部專利的比例高達(dá)45.90%。

圖2 中國五金（鎖具）行業(yè)10 家頭部企業(yè)專利的分類及占比

符合現(xiàn)代理念的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，需要包含以下要素：①形制（形態(tài)和構(gòu)造）；②色彩（色彩的性質(zhì)與色彩的心理效應(yīng)）；③品質(zhì)（性質(zhì)、質(zhì)量、檔次）；④以人為本的操作功能。而通常所說的外觀設(shè)計(jì)，屬于工業(yè)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，但不代表工業(yè)設(shè)計(jì)的全部。外觀設(shè)計(jì)一般包括產(chǎn)品的形態(tài)、色彩，以及外觀形態(tài)所展示的品質(zhì)感知等，而壓鑄因其成形方面的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于外觀設(shè)計(jì)具有良好的支撐作用。

輕工產(chǎn)品的壓鑄件，特別是外觀壓鑄件，其設(shè)計(jì)需要達(dá)到整體產(chǎn)品賦予的功能上的要求并符合審美要求，因此界定這些要求并在設(shè)計(jì)前進(jìn)行分析是必要的步驟。外觀設(shè)計(jì)的要求可以分為設(shè)計(jì)前有清晰的設(shè)計(jì)要求和無清晰的設(shè)計(jì)要求兩種情況。清晰的外觀設(shè)計(jì)要求可以分成三部分：①外部的要求（明確的客戶輸入、市場(chǎng)風(fēng)格）；②企業(yè)內(nèi)部的要求（市場(chǎng)部門或者管理層的要求、現(xiàn)有產(chǎn)品線的一致性、新產(chǎn)品的外觀風(fēng)格目標(biāo)）；③內(nèi)外混合要求。沒有清晰的設(shè)計(jì)要求時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要自行考慮的因素至少包括：①產(chǎn)品的定位；②產(chǎn)品的系列化；③目標(biāo)市場(chǎng)的風(fēng)格；④材質(zhì)和成形工藝的制約；⑤成本方面的制約等。[4-5]

3.3 相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（成品、材質(zhì)、檢測(cè)等）的知識(shí)

除整體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要考慮相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)外，在壓鑄件的設(shè)計(jì)中，也需要執(zhí)行這些標(biāo)準(zhǔn)，使之落到實(shí)處。關(guān)于壓鑄件設(shè)計(jì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，至少應(yīng)包括以下方面：①輕工產(chǎn)品的成品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；②壓鑄合金材質(zhì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；③壓鑄件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；④壓鑄工藝要素（如模具）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；⑤通用的產(chǎn)品質(zhì)量或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。表1 列出了壓鑄件設(shè)計(jì)應(yīng)該參考的一些國家標(biāo)準(zhǔn)，包括不同類型壓鑄件標(biāo)準(zhǔn)，以及與壓鑄件相關(guān)的合金材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等。在進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)人員需要掌握并參照這些標(biāo)準(zhǔn)。需要特別提出的是，不同產(chǎn)品目標(biāo)市場(chǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)往往存在差異，比如美標(biāo)和歐標(biāo)，就與我國國家標(biāo)準(zhǔn)有所不同，因此研究目標(biāo)市場(chǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也是必不可少的設(shè)計(jì)步驟。

不同類型壓鑄合金在輕工產(chǎn)品中的應(yīng)用與發(fā)展各具不同的特點(diǎn)。常用的壓鑄合金主要有四種：①壓鑄鋅合金：熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好、壓鑄性能優(yōu)良、易電鍍，大量應(yīng)用于衛(wèi)浴、鎖具、玩具、建筑五金等行業(yè)；②壓鑄鋁合金：比強(qiáng)度大，具有良好的耐蝕耐磨性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性和切削性能，可加工成各種型材，在輕量化和環(huán)保要求日益提高的當(dāng)下，廣泛應(yīng)用于汽車、家電、航空、機(jī)械、電子等諸多行業(yè)；③壓鑄鎂合金：輕質(zhì)高強(qiáng)，具備較高的剛性、減震性、尺寸穩(wěn)定性及電磁屏蔽性，主要應(yīng)用于交通運(yùn)輸、電子產(chǎn)品、航空航天和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域；④壓鑄銅合金：力學(xué)性能優(yōu)良，具有良好的耐蝕性、耐磨性和導(dǎo)電導(dǎo)熱性，普遍應(yīng)用于機(jī)械、造船、電氣、化學(xué)等行業(yè)。表2 列出了該四種合金材質(zhì)的主要性能對(duì)比情況，可作為設(shè)計(jì)壓鑄件時(shí)甄選材質(zhì)的參考。

表2 四種應(yīng)用較廣的壓鑄合金主要性能對(duì)照

輕工產(chǎn)品品類眾多，但各品類產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)化程度較高，在進(jìn)行產(chǎn)品的質(zhì)量和性能檢測(cè)時(shí)，需要分類查找和對(duì)標(biāo)對(duì)表，如GB/T 2828 計(jì)數(shù)抽樣檢驗(yàn)程序系列標(biāo)準(zhǔn)、GB/T 5121 銅及銅合金化學(xué)分析方法系列標(biāo)準(zhǔn)、GB/T 228 金屬材料拉伸試驗(yàn)系列標(biāo)準(zhǔn)等。企業(yè)在需要時(shí)（如壓鑄件出口），可在國標(biāo)/行標(biāo)的基礎(chǔ)上制定更高技術(shù)要求的自控標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)體特征的設(shè)計(jì)知識(shí)

3.4.1 壁厚和加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)要求

當(dāng)明確了壓鑄件的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和輸入要求，并選擇合適的材質(zhì)（或者在產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中已充分考慮材質(zhì)的選擇）后，就可以進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。壓鑄件的幾何特征設(shè)計(jì)（Design of Geometric Features），包括壁厚、加強(qiáng)筋、孔、槽、圓角、斜度、螺紋、齒輪、柱、凸和凹、紋路、齒、標(biāo)志、文字、圖案、鑲件和臺(tái)階等。[6-7]如圖3 所示，這是一種由多種幾何特征復(fù)合而成的鋅合金鎖具面板，具有集成度高、成型簡單、強(qiáng)度好和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 具有多種幾何圖形要素的外觀件（電子鎖鋅合金面板）

壓鑄件的壁厚和加強(qiáng)筋，應(yīng)盡量做到整體均衡，每個(gè)零件的主要面的最大壁厚和最小壁厚之比，不應(yīng)超過3∶1，加強(qiáng)筋的厚度為產(chǎn)品壁厚的2/3～3/4，具體的設(shè)計(jì)參考值如表3 所示。[6-8]此類設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮壓鑄時(shí)金屬液流動(dòng)的順暢性、合金材料的特性和工藝能力（如壓射比壓和模具的性能）等。在壁厚過大的地方，需要通過挖孔/槽的方法減少壁厚，以降低成本并提高設(shè)計(jì)的工藝性。加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)需要考慮以下因素：①盡量做到對(duì)稱，使受力均勻，讓壓鑄時(shí)的金屬液流動(dòng)更合理；②筋上盡量不增加其他幾何特征（如果需要增加螺絲孔等，應(yīng)在螺絲孔位置增加筋的寬度，以保證其截面積沒有大的變化）；③考慮外觀的要求（壁厚變動(dòng)而導(dǎo)致的外表面質(zhì)量影響）；④筋的走向需與壓鑄成型時(shí)的金屬液的流動(dòng)一致；⑤加強(qiáng)筋通常沒有裝配方面的配合要求，故應(yīng)適當(dāng)增加其脫模斜度；⑥加強(qiáng)筋的寬度要參考其所連接的壁厚并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選取，特別是外觀面背面的加強(qiáng)筋，若其寬度與壁厚相差太大，將影響外觀面的壓鑄質(zhì)量；⑦盡量避免加強(qiáng)筋直接交錯(cuò)，且加強(qiáng)筋底部應(yīng)有圓角。

表3 壓鑄件的壁厚設(shè)計(jì)參考值（以鎖具面板為例）

加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)對(duì)于壓鑄件質(zhì)量的影響非常明顯，除增加強(qiáng)度以滿足機(jī)械性能外，還可以改善壓鑄工藝效果，提升壓鑄件表面質(zhì)量。但是，加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)若不遵循上述設(shè)計(jì)指南，可能會(huì)導(dǎo)致壓鑄件的加工困難和成本增加，甚至出現(xiàn)壓鑄件缺陷。而為了糾正加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，需要投入大量時(shí)間、精力和資源去調(diào)查、分析和改正，會(huì)使企業(yè)遭受各種顯性和隱形損失。如圖4 所示，這是一張帶加強(qiáng)筋的鎖具面蓋設(shè)計(jì)圖，其加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)的不合理之處包括：①加強(qiáng)筋之間有交錯(cuò)；②底部沒有圓角；③脫模斜度的設(shè)計(jì)較?。虎芗訌?qiáng)筋的寬度比壁厚大較多。

圖4 加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)不合理的鎖具壓鑄件設(shè)計(jì)圖

3.4.2 圓角和倒角的設(shè)計(jì)要求

圓角和倒角的具體作用是可以改善壓鑄充型時(shí)金屬液的流動(dòng)性，增強(qiáng)排氣效果，減少型腔中的渦流，避免應(yīng)力集中，并增加幾何特征連接處的機(jī)械強(qiáng)度，從而大大改善壓鑄件的性能。外露面的倒角，還可有效增加模具的壽命，有利于壓鑄件的表面處理和后加工。但需要注意的是，壓鑄模具的分型面上不能有圓角（分型面通常為壓鑄件的最大投影面積的面）。

圓角R 值的選擇，與其連接的兩個(gè)面的壁厚（h1，h2）有關(guān)，壁厚越大，則R 值越大。當(dāng)h1和h2都等于h 時(shí)，R 值選擇的計(jì)算見公式（1）。其中，壓鑄件為鋅合金材質(zhì)時(shí)，k 值為1/4；壓鑄件為鋁合金、鎂合金、銅合金材質(zhì)時(shí)，k 值為1/2。而當(dāng)h1和h2不相等時(shí)，R 值選擇的計(jì)算見公式（2）。

3.4.3 孔和槽的設(shè)計(jì)要求

機(jī)械設(shè)計(jì)中的孔一般包括通孔和盲孔兩種類型。根據(jù)其他分類方法還可以將孔分成：大孔和小孔；直通孔和階梯孔；圓柱孔和錐孔；攻絲的有螺孔和底孔；淺孔和深孔；裝配孔和工藝孔等。槽的幾何形狀通常為鍵槽、腰形槽、T 型槽和錐形槽四種類型。

由于壓鑄工藝的成形優(yōu)點(diǎn)，壓鑄件能夠以較高的精度將各種形狀的孔/槽直接一次成形。在設(shè)計(jì)壓鑄件的孔/槽時(shí)，需要關(guān)注孔的直徑、深度和距離零件邊界的距離等主要技術(shù)參數(shù)。工藝技術(shù)視角下的壓鑄件孔徑設(shè)計(jì)規(guī)范，如表4 所示。

表4 壓鑄件的孔徑和孔深設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范

雖然利用壓鑄一次成形工藝有成本和質(zhì)量方面的優(yōu)點(diǎn)，但如果超過技術(shù)界限，則應(yīng)該考慮利用機(jī)加工等手段，以保證配合尺寸的精度。為節(jié)省成本，可以利用壓鑄工藝做成初步成形的孔/槽，再利用后加工提高精度?？缀筒垭x邊界的距離，在保證脫模斜度的前提下，可以參照壁厚的設(shè)計(jì)規(guī)格。

3.4.4 脫模斜度的設(shè)計(jì)要求

為了使壓鑄件可以順利從模具中脫離出來而不會(huì)變形，也為了延長模具的壽命和防止壓鑄件表面因?yàn)槊撃６鴦潅?，需要在壓鑄件的脫模面設(shè)計(jì)一定的斜度（以分型面為界）。脫模斜度的大小取決于多種因素，包括：①需要脫模的面的深度，深度越大則需要的脫模斜度越大；②零件的結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜要求的脫模斜度也越大；③合金材料的屬性，如鋅合金的壓鑄工藝性相對(duì)較好；④模具的設(shè)計(jì)和加工質(zhì)量。

當(dāng)配合尺寸要求的精度非常高，已超出壓鑄工藝的能力時(shí)，需要在設(shè)計(jì)壓鑄件的毛坯尺寸中預(yù)留加工余量，以便通過后加工處理，確保最終產(chǎn)品的尺寸精度符合規(guī)定要求。推薦的壓鑄件脫模斜度設(shè)計(jì)下限值，如表5 所示。

表5 推薦的壓鑄件脫模斜度設(shè)計(jì)下限值

3.4.5 其他結(jié)構(gòu)特征的設(shè)計(jì)要求

由于壓鑄模具加工凹陷的形體相對(duì)容易，壓鑄件上的各種凸紋、網(wǎng)紋、文字、標(biāo)志和圖形等應(yīng)盡量使用外凸式的設(shè)計(jì)。為獲得較好的效果，壓鑄件上這些凸起形體應(yīng)至少高出基準(zhǔn)面0.3 mm。各種凸起特征的設(shè)計(jì)，還需要考慮脫模方向，并與之平行。

螺紋的壓鑄需要考慮精度和成形的難度，以及模具和壓鑄生產(chǎn)的成本。壓鑄件齒輪的最小模數(shù)m 為：鋅合金0.3，鋁/鎂合金0.5，銅合金1.5。壓鑄件齒輪同樣需要參照脫模斜度的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，且若要求的齒形精度較高，則需要進(jìn)行后加工（留有0.2 mm～0.3 mm的加工余量）。而對(duì)于鑲件的壓鑄，在設(shè)計(jì)時(shí)則需要考慮包圍鑲件的最小壁厚（與鑲件的大小有關(guān)，通常為1 mm 以上，鑲件的直徑越大則包圍鑲件的壁厚也越大，但不成正比）。

關(guān)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中遇到的特殊需求，如實(shí)心的大拉手壓鑄件，其壁厚和圓角等因?yàn)槭褂靡蠖荒馨凑丈鲜鲆?guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，此時(shí)需要適當(dāng)犧牲工藝性能并充分考慮生產(chǎn)的工藝成本。

3.5 配合尺寸精度與公差要求及后加工的知識(shí)

壓鑄件的尺寸精度主要取決于壓鑄工藝，相關(guān)因素包括：①模具的加工精度；②分型面設(shè)計(jì)和鎖模力；③合金材料的體收縮率；④合金材料的成分；⑤壓鑄設(shè)備的溫度控制和環(huán)境溫度；⑥模具的磨損情況；⑦模具安裝平臺(tái)的精度等。

壓鑄件的尺寸精度依其尺寸的性質(zhì)不同也會(huì)有所差異。壓鑄件線尺寸的公差帶優(yōu)先選對(duì)稱分布，按照GB/T 6414—2017《鑄件 尺寸公差、幾何公差與機(jī)械加工余量》的要求，批量生產(chǎn)中鋅合金的基本尺寸公差等級(jí)為DCTG4～DCTG6，鋁/鎂合金的基本尺寸公差等級(jí)為 DCTG4～DCTG7，而銅合金的基本尺寸公差等級(jí)為DCTG6～DCTG8。

關(guān)于壓鑄件的形位公差（直線度、平面度、圓度、平行度和垂直度、同軸度和對(duì)稱度等），需要參照GB/T 6414 和產(chǎn)品的配合精度要求進(jìn)行選擇。

當(dāng)壓鑄工藝難以保證要求的尺寸精度時(shí)，壓鑄件的設(shè)計(jì)圖檔將需要分成坯件圖和成品圖兩種，且坯件圖需要預(yù)留適當(dāng)?shù)募庸び嗔?。另外，如果線性尺寸會(huì)受分型面的影響，還需要將設(shè)計(jì)與實(shí)際的脫模樣板檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。壓鑄坯件加工余量的設(shè)計(jì)，需要滿足加工工藝的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性要求。不同大小的尺寸，其加工余量的設(shè)計(jì)會(huì)存在差異?；境叽绮淮笥?0 mm 的，預(yù)留加工余量為0.2 mm～0.3 mm；基本尺寸為40 mm～63 mm 的，其加工余量為0.3 mm；基本尺寸為63 mm～100 mm 的，其加工余量為0.4 mm～0.5 mm；基本尺寸為100 mm～160 mm 的，其加工余量為0.5 mm～0.8 mm。需要特別指出的是，設(shè)計(jì)加工余量時(shí)，需要考慮脫模斜度，因?yàn)榧庸び嗔恳_保去除脫模斜度。[9]

在壓鑄件的設(shè)計(jì)過程中，還需進(jìn)行零件的多步驟評(píng)價(jià)，包括初步設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)特征的初評(píng)價(jià)、特征的詳細(xì)評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)完成后的總體評(píng)價(jià)等，這是伴隨設(shè)計(jì)過程的必要活動(dòng)。[10]評(píng)價(jià)的依據(jù)可以參照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和壓鑄件的上述設(shè)計(jì)知識(shí)。

3.6 表面粗糙度和表面處理方法的知識(shí)

外觀壓鑄件的表面質(zhì)量要求一般包括：①無表面的外觀缺陷；②符合設(shè)計(jì)要求的粗糙度；③坯件需要保證能夠進(jìn)行電鍍等后續(xù)表面處理。壓鑄坯件表面的水紋和氣泡等是常見的表面外觀缺陷。為滿足表面質(zhì)量的要求，需要從壓鑄件的設(shè)計(jì)階段就予以考慮。依據(jù)GB/T 6060.1—2018《表面粗糙度比較樣塊 第1 部分：鑄造表面》，壓鑄件的表面粗糙度設(shè)計(jì)參考值，如表6 所示。

表6 壓鑄件的表面粗糙度設(shè)計(jì)參考值

壓鑄件做表面處理可以提升外觀質(zhì)量和增強(qiáng)耐腐蝕性能等。輕工產(chǎn)品壓鑄件常用的表面處理方法包括化學(xué)轉(zhuǎn)化處理、陽極氧化處理、電鍍、噴涂、物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）和電泳漆（Electrophoresis，EP）等。為了獲得較好的表面處理效果，在表面處理之前，還需要進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理方法可分為機(jī)械預(yù)處理和化學(xué)預(yù)處理兩類。其中，機(jī)械預(yù)處理包括磨光、拋光、噴砂、震研等，化學(xué)預(yù)處理包括脫脂、酸洗、堿洗等。此外，某些壓鑄件要承擔(dān)嚴(yán)苛的密封和耐壓的功能，需對(duì)其進(jìn)行浸滲處理，即將浸滲劑沖填入壓鑄件中并進(jìn)行固化，使壓鑄件具備更高的密封和耐壓能力。表7 列出了輕工產(chǎn)品壓鑄件常用的表面處理方式，以供參考。

表7 輕工產(chǎn)品壓鑄件常用的表面處理方法及對(duì)比

4 壓鑄件開發(fā)的綜合評(píng)審知識(shí)

4.1 壓鑄件DFM 的基本要求

在傳統(tǒng)的開發(fā)過程中，從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)到制造再到銷售過程的流程是串行的，項(xiàng)目管理的流程一般也是單向的。這種模式下的設(shè)計(jì)人員因?yàn)橹R(shí)或者職責(zé)理解上的局限，往往只考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能要求，而未能充分考慮設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可制造性。具體表現(xiàn)為在產(chǎn)品應(yīng)用階段，還需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和實(shí)體模具上進(jìn)行較多修改。實(shí)踐中，某企業(yè)因產(chǎn)品設(shè)計(jì)修改和工藝改善，甚至出現(xiàn)過壓鑄模具修改高達(dá)6 次以上的現(xiàn)象，造成巨大的浪費(fèi)。另外，壓鑄件在制造過程中需要進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，包括外觀、金相、化學(xué)成分、無損探傷、耐壓、耐腐和尺寸等多個(gè)方面，針對(duì)的缺陷也多種多樣，而此類檢測(cè)（即產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可測(cè)試性）也屬于產(chǎn)品可制造性的范疇，應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的前期就予以考慮[11]。

可制造性設(shè)計(jì)（Design for Manufacture，DFM）是并形工程的關(guān)鍵技術(shù)，強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就考慮制造工藝的技術(shù)要求，在設(shè)計(jì)初始就對(duì)可能出現(xiàn)的制造方面的問題進(jìn)行分析。狹義的DFM 只是針對(duì)產(chǎn)品的制造工藝，而廣義的DFM 指設(shè)計(jì)過程中就考慮產(chǎn)品的生產(chǎn)、品質(zhì)控制、銷售和維護(hù)保養(yǎng)等全生命周期的管理。作為設(shè)計(jì)與制造協(xié)作的橋梁，DFM 是發(fā)揮企業(yè)綜合潛力和提高創(chuàng)新能力的有效途徑[12]，具有縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)。DFM 管理模式的核心就是要保證設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品易于制造和裝配，這對(duì)于效率、速度和高生產(chǎn)率都至關(guān)重要。因此，DFM 越來越受到各大企業(yè)的關(guān)注和重視，華為公司就明確要求其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師必須掌握DFM 的方法和工具，諸多跨國企業(yè)如Dell、Intel、BMW 和Ford 等，也均有應(yīng)用DFM 的要求。

DFM 應(yīng)用的基本準(zhǔn)則包括：①簡化零部件形狀設(shè)計(jì)以降低加工難度；②在可行的范圍內(nèi)盡量減少加工量以節(jié)省加工成本；③選擇便于加工的材料；④在保證質(zhì)量的前提下降低或去掉不必要的要求；⑤設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)零部件，提高產(chǎn)品的可維修性；⑥優(yōu)先考慮綠色環(huán)保的生產(chǎn)工藝，并選用環(huán)保材料。

4.2 壓鑄件DFM 的應(yīng)用和評(píng)審

壓鑄件的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響壓鑄模具的設(shè)計(jì)、壓鑄工藝的難易程度、生產(chǎn)效率的高低和生產(chǎn)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命等。如果在壓鑄件的產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就提前考慮到可制造性，則可以在后續(xù)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)時(shí)，獲得更好的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益。壓鑄件的DFM 評(píng)審包括壓鑄件生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段約束和企業(yè)的生產(chǎn)資源約束兩個(gè)方面，相關(guān)指標(biāo)可以具體分成：①模具適用性（盡量避免分型面上的圓角、避免模具局部過薄或出現(xiàn)尖銳部件、避免出現(xiàn)互相交叉的不通孔、避免內(nèi)側(cè)凹，充分考慮脫模和抽芯等）[13]；②工藝技術(shù)能力（需要的關(guān)鍵工藝技術(shù)和難度）；③資源容量（產(chǎn)能和生產(chǎn)效率）；④經(jīng)濟(jì)性（成本效率、材質(zhì)選擇、精度設(shè)定的合理性、標(biāo)準(zhǔn)件的比例、零件的可替換性等）；⑤安全性和環(huán)保性（生產(chǎn)的安全性、產(chǎn)品使用的安全性、環(huán)保材料和環(huán)保工藝的使用情況）等。

在DFM 評(píng)審的過程中，設(shè)計(jì)失效模式及影響分析（Design Failure Mode and Effect Analysis，DFMEA）和過程失效模式及影響分析（Process Failure Mode and Effect Analysis，PFMEA）是發(fā)現(xiàn)潛在工藝問題和設(shè)計(jì)問題的有效工具。進(jìn)行上述各種指標(biāo)的評(píng)價(jià)時(shí)，可以通過分析DFMEA 和PFMEA 結(jié)果的合理性來發(fā)現(xiàn)潛在的問題和風(fēng)險(xiǎn)，以確保指標(biāo)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。為使DFM 在產(chǎn)品開發(fā)中落到實(shí)處，企業(yè)可以制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序，發(fā)揮其知識(shí)顯性化和規(guī)范運(yùn)作的作用。在整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)流程中，DFM 發(fā)揮最大作用的階段是項(xiàng)目的前期，特別是產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型前的綜合評(píng)審階段。

4.3 基于質(zhì)量視角的壓鑄件設(shè)計(jì)

4.3.1 壓鑄件的質(zhì)量設(shè)計(jì)評(píng)審

狹義的質(zhì)量觀認(rèn)為質(zhì)量是滿足標(biāo)準(zhǔn)/要求的程度，但其對(duì)標(biāo)準(zhǔn)/要求的定義上往往過于寬泛和虛化，不利于在產(chǎn)品開發(fā)中進(jìn)行具體應(yīng)用。因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，需要參考廣義的質(zhì)量觀從不同維度對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量特征進(jìn)行合理分類和分析，將“質(zhì)量是設(shè)計(jì)出來的”理念落到實(shí)處。

基于產(chǎn)品全生命周期的質(zhì)量維度涵蓋多個(gè)方面，質(zhì)量設(shè)計(jì)評(píng)審需要對(duì)其進(jìn)行全面考量。表8 列出了壓鑄件的相關(guān)質(zhì)量維度的評(píng)審依據(jù)，這些質(zhì)量維度還可以進(jìn)一步細(xì)化為具體的質(zhì)量指標(biāo)[14]。

表8 基于質(zhì)量維度的壓鑄件質(zhì)量設(shè)計(jì)評(píng)審

4.3.2 壓鑄件的生產(chǎn)質(zhì)量管控設(shè)計(jì)

針對(duì)壓鑄件質(zhì)量設(shè)計(jì)的評(píng)審結(jié)果，是其生產(chǎn)質(zhì)量管控設(shè)計(jì)的輸入。在產(chǎn)品投入批量生產(chǎn)前的開發(fā)階段，對(duì)質(zhì)量管控的設(shè)計(jì)范圍包括：①相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量特征要求的設(shè)計(jì)；②如何將產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)/要求落實(shí)到生產(chǎn)、銷售、售后服務(wù)和維修保養(yǎng)等各個(gè)領(lǐng)域的規(guī)劃；③參照的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和符合性檢查的設(shè)置；④相關(guān)技術(shù)條件和資源的設(shè)置（如檢具、工具、設(shè)備）等。[15]

壓鑄件的質(zhì)量管控設(shè)計(jì)，除了運(yùn)用上述的質(zhì)量維度方法，還可以參考?jí)鸿T件常見的質(zhì)量問題。具體包括：①表面缺陷（水紋、毛刺及印痕、飛邊、凹陷、起泡、沖蝕、拉傷、粘模損傷、劃痕/碰傷等）；②內(nèi)部缺陷（氣孔、縮孔/縮松、夾渣、氧化等）；③形狀和尺寸缺陷（欠鑄、變形、尺寸超差等）；④力學(xué)性能缺陷（強(qiáng)度低、脆性大、形成硬質(zhì)點(diǎn)等）；⑤基體不連續(xù)（冷隔、分層、裂紋等）；⑥化學(xué)成分不合格；⑦致密性不夠。[16]

另外，壓鑄件的質(zhì)量管控設(shè)計(jì)，需要遵循以下原則：①事前預(yù)防優(yōu)先；②設(shè)計(jì)余量和經(jīng)濟(jì)性的平衡；③客戶滿意度與質(zhì)量成本相結(jié)合；④文件化和規(guī)范化（如在受控圖紙上標(biāo)注重要尺寸就是該原則的一種體現(xiàn)）。

4.4 壓鑄件設(shè)計(jì)的綜合評(píng)審

廣義的DFM 評(píng)審包括了大部分質(zhì)量評(píng)審的知識(shí)要素，但兩者還是存在一定差別。因此，在壓鑄件的綜合評(píng)審知識(shí)領(lǐng)域，依然需要綜合兩者進(jìn)行系統(tǒng)考慮，特別是從企業(yè)的知識(shí)管理角度。壓鑄件設(shè)計(jì)的綜合評(píng)審，可以劃分為工藝參數(shù)考慮、質(zhì)控參數(shù)考慮、設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估、安全性評(píng)估和環(huán)境考慮等方面的知識(shí)模塊。

5 關(guān)于輕工產(chǎn)品壓鑄件的模塊化知識(shí)管理模型

5.1 輕工產(chǎn)品壓鑄件設(shè)計(jì)的知識(shí)模塊

在壓鑄件對(duì)經(jīng)營業(yè)績具有明顯影響的輕工企業(yè)，只有進(jìn)行系統(tǒng)化的壓鑄件設(shè)計(jì)知識(shí)管理，才能有效提升整體的產(chǎn)品創(chuàng)新能力。厘清所需知識(shí)并進(jìn)行模塊化管理，可以參照以下分類方法：市場(chǎng)需求和設(shè)計(jì)輸入分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、款式和外觀設(shè)計(jì)、材質(zhì)選擇、部件或成品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、尺寸和公差的規(guī)范、表面要求和處理、壓鑄工藝、加工和后處理、檢測(cè)技術(shù)、綜合評(píng)審（包括DFM 和質(zhì)量等方面）。可運(yùn)用輸入—過程—輸出的模式，將壓鑄件設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行模塊化設(shè)置（見圖5），并將其作為企業(yè)實(shí)踐應(yīng)用時(shí)的指導(dǎo)。

圖5 基于開發(fā)流程的輕工產(chǎn)品壓鑄件設(shè)計(jì)的知識(shí)模塊

該知識(shí)模塊的范圍不僅包括顯性知識(shí)（如文件化、程序化和實(shí)體化的壓鑄件設(shè)計(jì)知識(shí)），也包括存在于技術(shù)人員個(gè)體層面的隱性知識(shí)。隱性知識(shí)顯性化是企業(yè)提升核心競(jìng)爭力的關(guān)鍵要素，它與企業(yè)的管理實(shí)踐息息相關(guān)。[17]因此，企業(yè)管理者需要意識(shí)到隱性知識(shí)管理的重要性，并掌握相關(guān)的管理技巧，充分發(fā)揮隱性知識(shí)對(duì)提高企業(yè)創(chuàng)新能力、強(qiáng)化產(chǎn)品質(zhì)量控制、推動(dòng)新產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)的巨大作用。

5.2 輕工產(chǎn)品壓鑄件設(shè)計(jì)的知識(shí)管理模型

開發(fā)輕工產(chǎn)品壓鑄件的過程，也是知識(shí)管理的過程。為提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和壓鑄件設(shè)計(jì)能力，需要將產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程與知識(shí)管理的流程進(jìn)行融合，形成如圖6 所示的知識(shí)管理框架模型。

圖6 基于知識(shí)管理視角的輕工產(chǎn)品壓鑄件設(shè)計(jì)的基本模型

6 總結(jié)與建議

壓鑄件是輕工產(chǎn)品的重要構(gòu)成部件，其設(shè)計(jì)需要遵循一系列的技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。就目前而言，諸多輕工產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員對(duì)于壓鑄件的相關(guān)專業(yè)知識(shí)和技能的掌握方面還有不少欠缺，這成為制約該行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的一大瓶頸。因此，建議企業(yè)管理層和相關(guān)責(zé)任部門，綜合運(yùn)用前文所述方法體系，建立系統(tǒng)的壓鑄件設(shè)計(jì)知識(shí)管理模型，輔以針對(duì)性的培訓(xùn)，盡快提升相應(yīng)人員的輕工產(chǎn)品壓鑄件的設(shè)計(jì)能力，進(jìn)一步改進(jìn)壓鑄件在輕工產(chǎn)品行業(yè)中的應(yīng)用效果。將壓鑄件的設(shè)計(jì)技能和壓鑄工藝的管控要點(diǎn)融合起來，并運(yùn)用知識(shí)管理的方法將其體系化、顯性化，是值得推廣的輕工制造企業(yè)的質(zhì)量管理創(chuàng)新。