多滑块复合抽芯压铸模设计

邹齐

1零件工艺分析
图1所示为光学测量器械水准仪的外壳，外形尺寸为82 mm×104 mm×173.4 mm，由于其使用环境大多是在户外工地，难免磕碰挤压，同时为了避免质量过重，材料选用铝合金（YL113），收缩率3‰~9‰（因收缩条件改变而有所不同），液态铝合金的密度为2.4 g/cm³。该铸件采用压铸模成型，既能保证成型一致性，又能降低生产成本。铸件内、外拔模角度为0.5°~1°（因拔模深度有所不同），满足脱模要求。铸件表面多为曲面，外观四面为鼓形圆筒，底座由几个圆柱体组合而成。铸件内部结构复杂，多个方向都需要与相应零件配合，铸件作为光学仪器的一部分，对几何公差的要求较高。物镜装配处由于孔距较深，采用液压抽芯机构脱模；目镜配合处采用斜导柱滑块抽芯机构脱模；两侧面的微调机构比较小，尺寸要求较高，型芯采用镶嵌方式，方便后续模具的安装与维护；底座与上盖处采用斜导柱滑块抽芯机构脱模。

图1 外壳结构
通过经验和理论分析可以得出铸件的成型难点，因此在设计之初就对其模具结构进行改进。
（1）在尺寸36.5 mm、φ27 mm处，由于拔模斜度及空间窄小问题，尺寸36.5 mm会偏小，没有加工余量，在尺寸36.5 mm上增加0.1~0.3 mm的加工余量，提高了铸件合格率，节省了生产成本。
（2）φ8.6 mm孔处由于热胀冷缩的原因，成型零件易磨损，导致尺寸偏小，该处成型零件采用镶件结构，便于其后续更换与维修。
（3）由于物镜与目镜两边孔的同轴度公差都是φ0.05 mm，在设计时应考虑加工和装配两边滑块时留有足够的修模余量。
（4）底座端面距离中心51 mm，且要保证与X基准面的平行度公差为0.05 mm，由于底座端部圆环较薄且窄，在进料时受到阻力较大，导致端面尺寸51 mm加工余量不足，将51 mm尺寸加大了0.3 mm。
（5）φ43.4 mm孔的表面粗糙度须低于Ra0.1 μm，不能采用镗孔加工，因此使用压光刀进行加工，以保证粗糙度要求。
（6）主视图的2个螺纹孔是在圆弧面上，需要单独使用四轴加工中心加工，设计压铸模时须在这两处设置好加工余量。
2分型面与成型零件设计及型腔布局
2.1 分型面与成型零件设计
根据铸件结构特点进行分型设计，最初按照铸件实际摆放位置进行凸、凹模设计，但是分析时发现铸件外表面多个部位存在分型痕迹，不仅增加打磨的工作量，还使铸件表面质量难以保证，降低生产合格率。对于4处抽芯机构的分型，在保证表面统一的原则下，各滑块分型面如图2所示。

图2 分型面设计
模具成型零件如图3所示。模具成型部分由上模、下模和4个滑块共同组成，对于细长孔采用镶嵌式结构成型，以保证模具的使用寿命。为保证模具质量和铸件表面粗糙度，凸模、凹模、4个滑块材料均选用8433模具钢。由于凸模、凹模结构复杂，要使用多个铜电极加工，同时还需采用高速数控加工工艺和线切割工艺。

图3 成型零件
物镜连接处采用液压抽芯机构，其余的底座、目镜、上盖处均采用传统的斜导柱滑块机构抽芯，滑块抽芯机构如图4所示，其中3处为斜导柱滑块机构、1处为液压抽芯机构。

图4 滑块抽芯机构
由于物镜孔是深孔，抽芯距离较长，需要较大的抽芯力，并且滑块Ⅱ也存在1个同轴的浅孔。在考虑传动平稳性、铸件不变形的情况下，滑块Ⅳ设计了液压抽芯机构。同时，设计了与上模一体的楔紧块提供锁紧力，节省了模具的安装时间。由于滑块与楔紧块之间相互运动，磨损较大，设计了耐磨块并安装在滑块上。如果不采用耐磨块，更换时需要拆卸整个上模或滑块，导致安装时间延长，生产效率降低。
由于浅孔和深孔同轴，加工要注意同轴度要求，不同于深孔抽芯滑块的设计，滑块Ⅱ与滑块Ⅲ采用了成型部位与导向部位分离的设计，滑块Ⅱ与滑块Ⅲ成型部位采用耐高温材质，导向部位采用综合性能好的钢材，这既可以保证铸件成型质量，又可以控制生产成本。
滑块Ⅰ成型水准仪的底座，由于底座需要与度盘配合，底座配合处有圆柱度要求，中心螺纹孔与底座相互之间有垂直度要求。
滑块Ⅰ要求底座端面离中心距离51 mm，且要保证与X基准面的平行度公差为0.05 mm，同时为保证加工余量，把51 mm尺寸加大了0.3 mm。其次，该压铸模的精度要求由切削加工保证，如果机械加工余量过小，良品率就会降低，所以在实际生产中需要保证足够的加工余量。
2.2 型腔布局
铸件尺寸不大，但结构复杂，根据企业的压力机等相关设备，模具设有4个抽芯机构，采用1模1腔布局。经分析验证，该单型腔模具模架尺寸为600 mm×550 mm，如图5所示。型芯材料为低碳、低铬、高钼、高钨的模具钢，使用寿命为8万模次。

图5 下模型腔布局
3浇注系统与排气系统设计
通过对铸件形状进行分析，分流锥到进料位置采用环形浇口，理论上可以布置在左右两端，而根据滑块斜导柱的布置，选择在图5所示物镜配合的左端；如果选择侧浇口从待成型铸件外壳表面进料，会在外表面的分型处留下浇口痕，影响外观质量，而且会使凝料去除难度增大。
为了保证外壳的外观质量，熔体浇注末端采用了渣包处理，以便排除型腔内的气体、冷污金属液，稳定流态，减少涡流，并将浇口两侧的气体排除。当金属液填充完型腔，流入渣包后，所有渣包用渣带连接，最后进入渣料缓冲带，如图6（a）所示，既保证了熔体充填速度，又保证了充填质量。这些渣包渣带后期会随着铸件一起被推出，之后进行人工分离，分离后还需打磨用于后续加工。浇注系统结构如图6所示，滑块位的渣包溢流口厚度原为1.3 mm，但在锯渣包时废料容易崩入铸件，现将滑块位渣包溢流口厚度减至0.8 mm，如图6（b）箭头处。通过经验分析可知，筒壳铸件壁厚较薄，质量较轻，可以使用成型部件与渣包槽之间的间隙排气，不需要增设排气槽。

图6 浇注系统结构
4推出机构设计
分析成型铸件发现，铸件的脱膜包紧力主要由滑块承受，而上模与下模由于材料的冷却收缩，铸件容易脱膜。为了保证铸件外观良好，铸件外表面不设置推杆推出，而是在渣包位置采用推杆推出，如图7所示。为保证推出平衡且有足够推出力，包紧力大的部位应增加推杆数量，包紧力小的部位可适当减少推杆数量，空间充足的部位采用7根φ8 mm圆推杆推出，空间狭窄的部位采用3根φ6 mm圆推杆推出。该推出机构通过现场生产实践证明可行，且在类似模具中已应用。

图7 推出机构
5冷却系统设计
各处滑块体积较小，空间狭窄，且铸件壁厚较薄，故滑块内未设计冷却水路。模具的浇口位置集中且分布均匀，所以采用普通线型冷却水路，型芯处冷却水路直径为φ12.0 mm，模板处冷却水路直径为φ22.0 mm，如图8所示

图8 冷却水路
1.上模芯水路 2.下模芯水路 3.铸件
6模具工作过程
模具结构如图9所示，经保压、冷却铸件成型后，压铸机模板带动模具下模套板6向下运动进行开模，模具首先沿PL处分型，斜导柱2、16推动滑块镶件4、17，使滑块5、19产生相对运动，沿斜导柱2、16向外运动，完成浅孔的侧抽芯动作。同理，滑块19对称面的斜导柱也会推动滑块Ⅲ（见图4），使其向外运动，完成端盖处的抽芯动作。

图9 模具结构
1.上模套板 2.斜导柱 3.耐磨块 4.滑块镶件 5.滑块Ⅱ 6.下模套板 7.垫块 8.限位钉 9.推板导柱 10.螺钉 11.螺钉 12.滑块Ⅳ 13.抽芯滑块 14.耐磨块 15.螺钉 16.斜导柱 17.滑块镶件 18.耐磨块 19.滑块Ⅰ 20.推杆固定板 21.推板 22.推板导柱 23.推杆 24.复位杆 25.下模板 26.成型块 27.成型块 28.浇口套 29.螺钉 30.固定环 31.上模板 32.铸件
3个滑块在开模时完成抽芯动作，并到达限位块所限制的最大位置，接着液压抽芯机构将带动滑块12进行抽芯运动。开模完成后，铸件32及其渣包都会留在下模。
所有滑块抽芯结束后，压铸机顶出装置推动推板21，带动推杆固定板20和推杆23运动，铸件被推杆完全推出后，掉落至预先做好防摔措施的压铸机出料位置，检查压铸模熔料口及成型部位有无残渣。若没有即可进行合模继续压铸。合模时，先将液压抽芯机构复位，复位杆24会带动推杆固定板20、推板21、推杆23复位。
合模过程中，滑块12先由液压机构进行复位运动，3个斜导柱滑块抽芯机构由斜导柱带着剩余3个滑块复位，最后上、下模在分型面处合模完毕，随着压铸机压力达到铸件的阈值即可进行下一压铸周期。铸件进行打磨和机加工后如图10所示。

图10 零件实物
▍原文作者：张家民 1吴光明 1戴二林 2张国庆 1

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0qQzLFL8
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