汽車覆蓋件沖壓模具鑄造工藝研究

譚高山

廣汽乘用車有限公司（廣東廣州 511434）

1 模具鑄造工藝流程介紹

沖壓模具是在冷沖壓加工中，將材料（金屬或非金屬）加工成汽車覆蓋件成品（或半成品）的一種專用工藝裝備，其主體結(jié)構(gòu)（模座、壓料板、凹模、凸模等）主要由鑄造成型，如圖1所示。

圖1 下模座鑄件

沖壓模具從設(shè)計圖紙到鑄件成品，具有一套完善的鑄造工藝流程，其中最主要的部分是泡沫模（FMC模具）制造、工藝配方制造、填砂造型及鑄后去應(yīng)力處理，如圖2所示。

圖2 鑄造工藝流程圖

通過選擇不同的鑄件材質(zhì)及相應(yīng)熱處理工藝，滿足模具不同功能部位高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性及高沖擊韌性等性能需求。模座本體、一般壓料板等對硬度、耐磨性要求不高的常規(guī)結(jié)構(gòu)類部件選用HT300（灰鐵）材質(zhì)，過橋壓料板、修邊凸模、修邊/整形/翻邊鑲塊等對硬度、耐磨性、耐沖擊性要求高的功能部件選用ICD-5（鑄鋼7CrSiMnMoV）、QT600（球墨鑄鐵）等材質(zhì)，如表1所示。

表1 常用鑄鐵材質(zhì)

2 泡沫模制造質(zhì)量控制

現(xiàn)代鑄造一般采用消失模（泡沫模）實型鑄造工藝（見圖3），其具有模型加工靈活便捷、生產(chǎn)周期快（約22～25天）、成本低、尺寸精確等優(yōu)勢。

圖3 泡沫模實型

泡沫模質(zhì)量直接影響最終鑄件成品質(zhì)量，作為鑄造工藝流程中重要的環(huán)節(jié)，須嚴(yán)格控制泡沫模質(zhì)量。主要如下：

（1）材質(zhì)、密度：泡沫模型需使用泡沫顆小，密度大的泡沫材料進(jìn)行制造，建議18～25kg/m3。目前國內(nèi)泡沫模主要使用的材質(zhì)是可發(fā)性聚苯乙烯泡沫（EPS），其優(yōu)點是價格低、模型強(qiáng)度好，缺點是由于其碳含量高，易形成表面皺皮缺陷。碳渣上浮到鑄件頂面容易使鑄件產(chǎn)生夾渣缺陷，需設(shè)置好澆鑄面及加工余量（一般10～15mm，根據(jù)需要可增加至20mm）來避開夾渣層。

a.縮水比：鑄件在液態(tài)、凝固、固態(tài)的冷卻過程中會發(fā)生體積減少現(xiàn)象，即收縮。泡沫模型需根據(jù)模具材質(zhì)設(shè)定相應(yīng)的縮水比（泡沫模型尺寸/模具設(shè)計理論尺寸），一般灰鐵、球墨鑄鐵縮水量比約為1.01，鑄鋼約為1.025。

b.加工余量：鑄件成型后，需對模具型面、導(dǎo)板/鑲塊安裝面、滑配面等功能配合面進(jìn)行精加工處理。為保證加工量及避開鑄件表面夾渣層，在泡沫模制造時對加工面設(shè)置一定加工余量，如表2所示。

c.尺寸檢測：為保證泡沫模型尺寸及加工余量準(zhǔn)確，在泡沫模型成品完成后需進(jìn)行尺寸檢測，常用白光掃描檢測，如圖4所示。

（3）外觀處理：為保證鑄件表面質(zhì)量，要求泡沫表面平整光滑，避免變形、破損、缺料、表面粗糙、存在異物、不清潔等缺陷。對于不同部位粘接部位，避免脫落、裂縫、開口等缺陷。對凹凸模等重要部件，建議采用整體泡沫機(jī)加工方式保證表面質(zhì)量。此外，為提高鑄造質(zhì)量，泡沫模實型投鑄前，需涂一層水基涂料。其主要作用如下：①降低鑄件表面的粗糙度值；②提高泡沫模型的剛度，防止在搬運(yùn)、埋砂時變形；③防止鑄件產(chǎn)生機(jī)械粘砂，阻止金屬液滲入砂粒之間。

表2 加工余量 mm

圖4 泡沫模白光掃描

3 鑄件熱處理工藝及成分性能分析

金屬材料在固體范圍內(nèi)進(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織，獲得所需性能的一種方法稱熱處理。鑄件通過不同的熱處理方式，可以獲得所需的特定鑄鐵材料力學(xué)性能及金相組織。

熱處理的種類很多，根據(jù)其目的、加熱和冷卻方法的不同，可以分為：普通熱處理、表面熱處理及其他熱處理方法。

普通熱處理有退火、正火、淬火、回火；表面熱處理有表面淬火（感應(yīng)加熱、火焰加熱等）、化學(xué)熱處理（滲碳、滲氮等）；其他熱處理有真空熱處理、變形熱處理和激光熱處理等。熱處理方法雖然很多，但都是由加熱、保溫和冷卻3個階段組成，通常用熱處理工藝曲線表示。

高潮掏出手機(jī)，翻出美之廈公司齊眉打來的電話號碼，正想讀給馮可兒，可轉(zhuǎn)念一想，又把手機(jī)合上了。高潮貌似不知情地督促馮可兒：傻逼啊，網(wǎng)上蕩啊。

普通熱處理是鋼制零件制造過程中非常重要的工序，其中：

（1）退火：退火工藝是將工件加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝，實際生產(chǎn)中常采取隨爐冷卻的方式。常用退火工藝方法 根據(jù)處理的目的和要求的不同，鋼的退火可分為完全退火、球化退火和去應(yīng)力退火等。退火的主要目的是：①降低硬度，改善鋼的成形和切削加工性能；②均勻鋼的化學(xué)成分和組織；③消除內(nèi)應(yīng)力。

（2）正火：正火工藝是將鋼加熱到Ac3（或Accm）以上30℃～50℃，保溫一定時間，出爐后在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火的主要目的是：①對力學(xué)性能要求不高的結(jié)構(gòu)、零件，可用正火作為最終熱處理，以提高其強(qiáng)度、硬度和韌性；②對低、中碳素鋼，可用正火作為預(yù)備熱處理，以調(diào)整硬度，改善切削加工性；③對于過共析鋼，正火可抑制滲碳體網(wǎng)的形成，為球化退火作好組織準(zhǔn)備。

（3）淬火：淬火工藝是將鋼件加熱到奧氏體化后以適當(dāng)方式冷卻，獲得馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝。淬火可以顯著提高鋼的強(qiáng)度和硬度，是賦予鋼件最終性能的關(guān)鍵性工序。

（4）回火：回火工藝是將經(jīng)過淬火的鋼件重新加熱到低于下臨界溫度Ac1（加熱時珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度）的適當(dāng)溫度，保溫一段時間后在空氣或水、油等介質(zhì)中冷卻的金屬熱處理工藝，是鋼件獲得所需性能的最后一道重要工序?；鼗鸬闹饕康氖牵孩傧ぜ慊饡r產(chǎn)生的殘留應(yīng)力，防止變形和開裂；②調(diào)整工件的硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性，達(dá)到使用性能要求；③穩(wěn)定材料組織與尺寸，保證精度；④改善和提高加工性能。通過淬火和回火的相配合，才可以獲得所需的力學(xué)性能，如表3所示。

4 鑄件常見缺陷及對策

消失模實型鑄造工藝采用泡沫實型模樣，澆注時邊充型邊氣化，存在著復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)，如果工藝控制不當(dāng)，就會產(chǎn)生鑄造缺陷。常見的缺陷類型包括粘砂、縮松、縮孔、縮裂、夾渣、夾砂等缺陷。其中，夾渣、夾砂等夾雜類缺陷往往出現(xiàn)在鑄件底面或型面等重要部位，易導(dǎo)致鑄件報廢不良，需重點避免。

表3 鑄鐵材料的力學(xué)性能及金相組織要求

（1）夾渣。夾渣是夾雜缺陷的一種，又稱渣眼，包括鐵液熔渣和模樣殘渣。一般呈黑色，大小不一，形狀很不規(guī)則，有塊狀、片狀、線條狀等。一般存在于鑄件內(nèi)部，多見于鑄件上表面的皮下和拐角處。通常鑄件外觀良好，加工去除表面金屬后才能發(fā)現(xiàn)，對生產(chǎn)和質(zhì)量危害很大。建議從以下幾點防止：

a.鐵液熔渣：①加強(qiáng)扒渣和檔渣工作：在出爐前，鐵水表面撒聚渣劑并進(jìn)行扒渣，使倒入澆包內(nèi)的鐵水表面渣子盡可能少，鐵水包液面上撒蓋聚渣劑并鎮(zhèn)靜2～3min，讓熔渣上浮聚合，然后充分扒凈渣子再澆注；②設(shè)置底注式澆道和聚渣冒口：底注式澆道能使鐵水自下而上平穩(wěn)充型，有利于泡沫模樣的充分有序氣化和渣子的上浮，鑄件頂部設(shè)置聚渣冒口，便于渣子的收集和去除；③采用過濾網(wǎng)：過濾網(wǎng)對細(xì)小的熔渣都有很好的過濾作用，特別是澆注初期效果明顯，如果能夠控制潔凈的鐵水，就沒必要采用過濾網(wǎng)。

b.模樣殘渣：①控制泡沫模的材質(zhì)密度：模樣密度越低，熱解氣化反應(yīng)越迅速、固態(tài)殘余物越少，越有利于鑄件的澆注成型，減少鑄件產(chǎn)生夾渣的機(jī)會，一般情況下，要求EPS模樣密度控制在18kg/m3以上，如果模樣本身不易變形，外觀成型良好，盡可能將密度控制在下限；②減少粘結(jié)膠的用量：粘接模樣和澆口要使用粘結(jié)膠，各種膠的發(fā)氣量和殘留物量，遠(yuǎn)大于泡沫塑料本身，粘接模樣和澆冒口時，要做到盡可能少用膠，對于減少夾渣提高質(zhì)量有利，但須保證具有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度；③使用空心澆道：空心澆道有利于鐵水的順利充型，并最大限度減少發(fā)氣和殘渣，采用空心澆道有困難時，選用泡沫板材切割澆道，也要盡可能選擇低密度板材，密度在0.014～0.018g/cm3，在實際生產(chǎn)中往往忽視澆道模樣的密度。

（2）夾砂：夾砂是鑄件夾雜類缺陷的另一種主要形式，主要是型砂隨澆注的鐵水進(jìn)入型腔而滯留在鑄件內(nèi)部形成的。夾砂與夾渣的外觀區(qū)別在于：機(jī)加工后夾砂為白色顆粒狀，大小同砂粒，多見于鑄件澆注位置的上表面皮下。建議從以下幾點防止：

a.保證涂層連續(xù)、均勻、完整：根據(jù)我國消失模鑄造原材料、工藝和負(fù)壓澆注的實際情況，小型鑄件涂層厚度一般控制在1～2mm為宜。澆注系統(tǒng)由于鐵水沖刷時間長、沖力大，澆道涂層一般要厚于鑄件涂層，實際操作時可加厚一遍?？刂普麄€涂層不開裂、不破損、不漏白。

b.提高模樣粘接質(zhì)量：模樣與澆道粘結(jié)縫要嚴(yán)密，不存在開口和縫隙，防止涂料滲入接縫中。模樣與澆道連接處要圓滑過渡，避免澆道與模樣粘結(jié)部位存在尖角，造成澆注沖砂。

c.提高涂料強(qiáng)度：合適的涂料強(qiáng)度有利于抵抗鐵水沖刷，涂料配比中，耐火粘結(jié)劑與有機(jī)粘結(jié)劑合理搭配，使涂層具備良好的綜合強(qiáng)度，增強(qiáng)耐高溫沖刷能力。膨潤土、硅溶膠、水玻璃等無機(jī)粘結(jié)劑有利于保持涂料高溫強(qiáng)度。

d.使用專用澆口杯和密封泥：干砂造型需要用塑料薄膜密封砂箱上口，將泡沫直澆道上端覆蓋于塑料薄膜之下。其上面需要放置或架設(shè)澆口杯，如為架設(shè)澆口杯其出鐵口要有一定的直段使鐵流呈圓柱下落，架設(shè)時要與泡沫直澆道中心對正；如為放置澆口杯其下面用耐火泥條與塑料薄膜結(jié)合嚴(yán)密，兩種情況下都要掌握澆杯出口小于直澆道，防止高溫金屬液散流將干砂沖入鑄件。

5 結(jié)束語

消失模（泡沫模）實型鑄造工藝，在汽車覆蓋件沖壓模具中普遍應(yīng)用。從泡沫模材質(zhì)選用、質(zhì)量控制、鑄造材料及熱處理工藝選用、常見鑄造缺陷提前預(yù)防等各鑄造工藝流程嚴(yán)格控制，可生產(chǎn)出尺寸精確、表面平整光滑、具有良好韌性、耐磨、耐沖擊等性能優(yōu)異的鑄件。