例析壓射頭直徑及內(nèi)澆道截面積的確定

■ 崔愛軍

1. 概述

在壓鑄模設(shè)計中，澆注系統(tǒng)的設(shè)計是壓鑄模成功與否的關(guān)鍵，已廣泛得到了設(shè)計人員的重視。但在澆注系統(tǒng)的組成中澆口套直徑（即采用的壓射頭直徑）的確定還遠(yuǎn)未得到應(yīng)有的重視，在常見的參考資料中也沒有一個明確的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，往往是根據(jù)個人的經(jīng)驗進(jìn)行選擇，甚至是選擇壓射頭尺寸也不進(jìn)行壓室充滿度的核算，造成壓鑄模的設(shè)計方式可能存在一些失誤，壓射頭直徑的選擇甚至可能是錯誤的，因此會導(dǎo)致壓鑄模在生產(chǎn)中出現(xiàn)成形不良、廢品率高、生產(chǎn)效率低等問題，而這種壓射頭直徑選擇錯誤是很難通過壓鑄工藝的調(diào)整來彌補(bǔ)的。然而，這種錯誤往往具有很大的隱蔽性而被忽視，這就是壓鑄中生產(chǎn)中許多質(zhì)量問題很難找到真正原因的癥結(jié)所在。

內(nèi)澆道截面積的計算一般也是停留在靠經(jīng)驗來確認(rèn)的地步，常用的內(nèi)澆道截面積計算公式有十幾種之多，從不同的觀點(diǎn)出發(fā)得出了各種內(nèi)澆道截面積的計算公式，而這些公式往往適用于不同的壓鑄合金和不同的具體情況。相同情況下，用不同的公式計算，得出的數(shù)值相差較大，有時根本不具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。由于這方面的書籍、論文資料繁多，在此不再對這些計算公式進(jìn)行深入的探討。根據(jù)筆者多年的實踐經(jīng)驗應(yīng)用，依據(jù)p-Q2圖來確認(rèn)壓射頭直徑與內(nèi)澆道截面積的計算方法還是簡便可行的，下面對此問題做簡要論述。

2. 壓射頭直徑的選擇

對于具體的一個壓鑄件來說，在設(shè)計模具之初，我們必須要確定的一個問題就是將來這個模具在什么樣的壓鑄機(jī)上進(jìn)行生產(chǎn)，如果不把這個問題搞清楚，那么后續(xù)的模具設(shè)計就失去了最基本的設(shè)計依據(jù)，因為在將來的生產(chǎn)中，是由特定的壓鑄模和確定的壓鑄機(jī)來構(gòu)成一個確定的壓鑄系統(tǒng)，壓鑄工藝的設(shè)計與調(diào)整都是在這個固定的系統(tǒng)中進(jìn)行的，拋開這個特定的壓鑄系統(tǒng)來談?wù)搲鸿T工藝、模具澆排系統(tǒng)設(shè)計基本上是空談，對實際的生產(chǎn)沒有任何指導(dǎo)意義。

現(xiàn)實當(dāng)中，國產(chǎn)壓鑄機(jī)生產(chǎn)商往往是根據(jù)壓鑄機(jī)的國家標(biāo)準(zhǔn)《GB 10925—1989 壓鑄機(jī)參數(shù)》中的相關(guān)規(guī)定，壓鑄機(jī)配備三種不同規(guī)格的壓射室，這三種壓射室直徑都是在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)以10mm級差設(shè)置，就用戶來講，為統(tǒng)一模具的標(biāo)準(zhǔn)，很少在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格之外再增加其他規(guī)格的壓射室。也就是說，當(dāng)我們依據(jù)鑄件圖樣資料的基本數(shù)據(jù)，結(jié)合本公司的實際機(jī)型，選擇了壓鑄機(jī)的型號之后，能夠采用的壓射頭直徑就基本限定在了三選一的方案之中。

（1）“粗基準(zhǔn)” 的使用 利用p-Q2圖確定壓射頭直徑時，我們需要知道內(nèi)澆道截面積的值，在沒有明確內(nèi)澆道截面積之前，我們暫時引入“粗基準(zhǔn)”的概念。這里的“粗基準(zhǔn)”是借用了機(jī)械加工用的一個名詞，即工件加工的第一工序或最初幾道工序中，只能用毛坯上未經(jīng)加工的表面作為定位基準(zhǔn)，這種定位基準(zhǔn)稱為粗基準(zhǔn)。就是說，在沒有確定內(nèi)澆道截面積之前，為了能夠確認(rèn)壓射頭的直徑而必須暫時利用某個經(jīng)驗公式得出的內(nèi)澆道截面積的值，這個“值”就是作為計算壓射頭直徑的“粗基準(zhǔn)”。最終得到的內(nèi)澆道截面積的值會與這個“粗基準(zhǔn)”有差異，但不影響壓射頭直徑的確定。

在多年的實踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，歐美壓鑄公司提出的內(nèi)澆道截面積的計算公式與最終確定的值差別較小，且該公式適用于所有的壓鑄合金，在設(shè)計鋁合金壓鑄模時可作為確認(rèn)壓射頭直徑的“粗基準(zhǔn)”使用，具體公式為

式中 L——內(nèi)澆道寬度（cm）；

T——內(nèi)澆道厚度（cm）；

V——鑄件和溢料槽體積（cm3）。

由式（1）可以得出，鑄件的內(nèi)澆道截面積S為

式中 S——內(nèi)澆道截面積（mm2）；

V——鑄件和溢料槽體積（cm3）。

利用式（2）計算出的內(nèi)澆道截面積的值可以用于制作p-Q2圖，用來確定壓射頭直徑。

（2）在p-q2圖中確認(rèn)壓射頭直徑 下面舉一簡單的例子來說明壓射頭直徑的確認(rèn)過程。

鑄件特征：平均壁厚為3.5mm，澆道厚度1.90mm，充型體積800cm3，總重量2950g，流量系數(shù)取0.5，材質(zhì)為ADC12。

設(shè)備參數(shù)：DCC800壓鑄機(jī)，空壓射速度6m/s，儲能壓力13MPa，壓射頭直徑80mm、90mm、100mm，澆注溫度650℃，模具溫度220℃。

根據(jù)式（2）計算“粗基準(zhǔn)”得出，內(nèi)澆道截面積為S＝2.68×8000.745＝390（mm2）。

依照上述這些條件分別畫出內(nèi)澆道截面積為390mm2情況下，對應(yīng)直徑80mm、90mm、100mm三種壓射頭的p-Q2圖，如圖1～圖3所示。

從圖1可看出，模具線偏向窗口的下方，這樣的圖形告訴我們：壓射頭直徑過小或內(nèi)澆道截面積過大，此時系統(tǒng)的流量不足，對此需減小內(nèi)澆道截面積或加大壓射頭直徑。

從圖2可看出，內(nèi)澆道截面積偏小，此時需要適當(dāng)加大內(nèi)澆道截面積，或減小壓射頭直徑即可。

從圖3可看出，相對于圖2來講，屬于內(nèi)澆道截面積嚴(yán)重偏小或壓射頭直徑嚴(yán)重偏大的情況，這個壓射系統(tǒng)的填充流量過大，系統(tǒng)壓力偏低。由于壓射頭直徑嚴(yán)重偏大，故不選擇。

至此，所能選擇的壓射頭直徑限定在了f80mm或f90mm，如果選擇f80mm壓射頭則必須減小內(nèi)澆道截面積，選擇f90mm壓射頭則必須增加內(nèi)澆道截面積。而減小內(nèi)澆道截面積帶來的問題是最短填充時間增加，在系統(tǒng)允許最長填充時間不變的情況下， 造成系統(tǒng)工藝窗口范圍變窄，工藝適應(yīng)性下降。因此，在壓室充滿度滿足使用要求的情況下，還是選取f90mm壓射頭為宜。

（3）壓室充滿度核算 當(dāng)然選擇f90mm壓射頭是否合適，我們還要驗算壓室的充滿度。

壓室的充滿度對夾雜在鑄件內(nèi)的氣體量有著很大的影響，通常壓室的充滿度控制在30%~70%為宜。當(dāng)充滿度低于30%時，壓射頭在壓室慢速過程內(nèi)液態(tài)金屬的熱量消耗過大，一部分熱量通過壓室壁及壓射頭迅速散發(fā)，從而在壓室壁上形成冷凝薄殼。當(dāng)薄殼被充填至模具型腔后，就會造成鑄件內(nèi)部缺陷，特別是澆口部位易出現(xiàn)夾層，去澆口時出現(xiàn)掉肉現(xiàn)象。反之，當(dāng)充滿度過高時，壓射頭的初始運(yùn)動會造成合金液從壓室注料口溢出，快速壓射時壓射頭加速距離過短，難以加速到充型所需的最佳速度。

根據(jù)選定的f90mm的壓射頭，查設(shè)備說明書可知，f80mm壓室射料量為9kg，壓室充滿度K為32.78%。

壓室充滿度大于30%，可以滿足使用要求。

3. 內(nèi)澆道截面積的核定

在確定了壓射頭直徑之后，剩下的工作就是在“粗基準(zhǔn)”的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，選擇一個合適的內(nèi)澆道截面積值，這項工作相對要簡單一些。

圖2模具線略偏工藝窗的上部，表明“粗基準(zhǔn)”得到的內(nèi)澆道截面積390mm2偏小，我們可以通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整內(nèi)澆道的截面積大小，來改變模具線的位置，以便使模具線落在工藝窗中的長度最大化。當(dāng)我們將內(nèi)澆道截面積增大到450mm2時，模具線基本上斜穿工藝窗口，此時的模具與壓鑄機(jī)的匹配性達(dá)到最優(yōu)，壓鑄模的工藝性達(dá)到最佳，如圖4所示。

但是，我們在模具實際制作時，考慮模具后續(xù)的維修整改方面的簡便性，不會第一次就將模具內(nèi)澆道截面積開到最大值，一般需要保留5%～10%的修模余量，因此這副模具內(nèi)澆道截面積取值應(yīng)在405～425mm2。

圖1 采用f80mm壓射頭

圖2 采用f90mm壓射頭

圖3 采用f100mm壓射頭

圖4 調(diào)整內(nèi)澆道面積的效果

4. 結(jié)語

在壓鑄模的設(shè)計中，壓射頭直徑的選擇應(yīng)引起設(shè)計人員的足夠重視。實際應(yīng)用時，結(jié)合壓鑄機(jī)進(jìn)行合理選擇，應(yīng)用p-Q2圖這一工具能夠快速、準(zhǔn)確地來選擇一個合適的壓射頭直徑，為后續(xù)確定內(nèi)澆道截面積奠定一個良好的基礎(chǔ)。

另外，還要強(qiáng)調(diào)的是，壓射頭直徑和澆道面積的正確設(shè)計是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的必要條件，除此之外，還要合理控制內(nèi)澆道厚度，做好澆口位置、澆道的幾何形狀、排氣槽、溢流槽等設(shè)計工作。