汽車覆蓋件模具鑄件結構分析探討

馬小喆，王潤明，計明旭

（1.北汽福田汽車股份有限公司，北京 102206；2.天津虹岡鑄鋼有限公司，天津 300457）

汽車公司在開發(fā)模具時，參考業(yè)務計劃來確定模具的壽命。批量生產(chǎn)的模具壽命一般設定為30萬次、50 萬次。不同的模具壽命要求不同強度的模具結構。在實際加工或沖壓生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)有些模具設定模具壽命為30 萬次或50 萬次，但不到1 萬次就出現(xiàn)了鑄件開裂缺陷，甚至有的鑄件在加工過程中就出現(xiàn)了縮松缺陷。鑄件加工過程中出現(xiàn)的縮松和模具使用過程中開裂缺陷是汽車覆蓋件模具中常見的重要缺陷，而鑄件結構是導致鑄件縮松及沖壓過程中產(chǎn)生開裂的重要原因。本文針對鑄件縮松及開裂和模具結構強度展開分析探討。

1 汽車覆蓋件模具鑄件縮孔縮松

1.1 汽車覆蓋件模具鑄件使用情況介紹

汽車覆蓋件模具可分為拉延、翻整成型、修邊沖孔、斜楔類模具。由于鑄件有良好的耐磨性、切削加工性以及消震性，且能生產(chǎn)結構復雜件常被用在汽車覆蓋件模具的生產(chǎn)中。汽車覆蓋件模具中，90%以上的重量是鑄件，常用在汽車覆蓋件模具中的鑄件有灰鑄鐵、球墨鑄鐵、合金鑄鐵或鑄鋼件。覆蓋件模具如圖1 所示。

圖1 覆蓋件模具外形圖

汽車覆蓋件模具分為工作部分部件和上下模座。板材厚度為1.2 mm 以下的拉延模凸凹模、壓邊圈所用材質為鉬鉻鑄鐵或GM246、球墨鑄鐵等；板材厚度1.2 mm 以上的，凸凹模、壓邊圈鑲塊所用材質為Cr12.

翻整類及修沖類模具、上下模座和壓件器材質通常都是HT300.當板材厚度為1.2 mm 以下時，翻整及修邊類模具工作部件的上下翻邊/修邊刀塊采用鑄造空冷鋼；當板材厚度為1.2 mm 以上時，翻整及修邊類模具工作部件的上下翻邊/修邊刀塊采用鍛造鋼Cr12、SKD11 等。斜楔類模具的大中型非標斜楔材質一般為HT300，其余模具部件材質與翻整/修沖類模具類同。

1.2 鑄件縮孔縮松分析

在模具實際制造過程中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)有些鑄造的模具在加工過程中出現(xiàn)縮孔縮松缺陷。如圖2 拉延凹模所示。模具加工后縮孔縮松的表現(xiàn)形式為：孔洞、組織粗大。縮孔縮松是指鑄件最后凝固的區(qū)域沒有得到液態(tài)金屬或合金的補縮形成分散和細小的孔洞。常分散在鑄件壁厚的軸線區(qū)域、厚大部位、冒口根部和內澆口附近?？s松隱藏于鑄件的內部，外觀上不易被發(fā)現(xiàn)。鑄件在凝固時，表層的先凝固，組織致密。而在厚大鑄件面層的中心位置或筋板交叉位置凝固緩慢出現(xiàn)熱節(jié)，就會出現(xiàn)組織石墨粗大或者縮孔縮松缺陷。

圖2 模具鑄件加工后縮孔縮松表現(xiàn)

根據(jù)縮孔形成的機理可知，鑄件壁厚應該均勻一致，保持冷卻速度一致，盡量避免局部鑄件壁厚過大。如果局部不能保持和整體相一致的壁厚，要制定局部放置冷鐵方案，防止縮孔、縮松風險的產(chǎn)生。

而在實際的模具制作中這種缺陷又會發(fā)生新的種類。如用實型鑄造的方法制造模具鑄件，往往在泡沫模型制作時局部凹角部位因泡沫模型制作廠家刀具過大的問題不能按技術要求保留10 mm加工余量，實際余量過大有的甚至達到30 mm 以上，而鑄造廠家又不能從模型上直觀的識別這些缺陷而在風險處未制定對策時，當鑄件將表面的致密層加工20 mm 以上時就會出現(xiàn)縮松類缺陷。

此外，如圖3 所示，型面局部因產(chǎn)品設計變化，實型更改時局部增加了貼量。因為貼量導致余量過大且在泡沫上貼量時使用的膠水中所含的水分都會成為鑄鐵產(chǎn)生縮松的重要因素。受鑄鐵本身特性所限，從鑄件表面至內部15 mm 處組織最為致密，硬度也比較高。而如果加工時將致密層加工去除則會出現(xiàn)內部的縮松缺陷并會導致硬度的降低。

圖3 局部加工量過大導致縮松

鑒于以上分析，為了避免出現(xiàn)縮松缺陷，覆蓋件模具鑄件結構的壁厚、型面厚度要均勻一致，保證整體鑄鐵冷卻速度偏差不大。泡沫實型制作完成后，因產(chǎn)品設計局部要增加貼量的，一方面要求貼量不能太大，貼量過大會導致局部型面過厚，且盡可能采用將局部加工去除并鑲入調整過余量的新泡沫的方式修改，減少貼量時膠水及型面不貼合導致的空氣在型面的存在；另一方面，如果鑄件局部厚度不能保證一致時，鑄造廠家要考慮局部置鐵冷措施。（受型面曲度所致鑄件細小的縮松類缺陷不能提供超聲波探傷發(fā)現(xiàn)）。

2 汽車覆蓋件模具鑄件出現(xiàn)裂紋情況分析

模具制造完成驗收合格后投產(chǎn)，設計壽命為30萬次，實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)有個別模具生產(chǎn)1 萬件左右，模具疲勞失效，鑄件出現(xiàn)局部開裂，產(chǎn)生嚴重的安全隱患。對產(chǎn)生裂紋的部位現(xiàn)場勘查，并結合模具結構圖進行分析，發(fā)現(xiàn)鑄件結構的強度差是導致鑄件開裂的一個原因。下面針對鑄件結構強度問題進行分析探討。

2.1 鑄件受力不平衡

如圖4 所示的側修邊模具，外形較大，吊修斜楔已經(jīng)探出了壓力機工作臺外。側修邊力加載在下模座斜楔安裝座上，安裝座靠懸置的斜筋支撐，斜筋受斜向下40°的沖擊載荷，無其他力平衡，長期受不平衡重載荷力，導致下模加強筋產(chǎn)生裂紋。此類裂紋形態(tài)一般為下面開口大上面開口小的狀態(tài)。裂紋呈從下向上開裂的趨勢。改進設計方案見圖5所示，斜筋（凃紅色線）作了加強，提高了抗斜下沖擊力。采用改進方案后模具的壽命得到了提高。

2.2 上下模座鑄件底板筋設計強度分析

上下模座鑄件底板筋是為了提高鑄件的強度而設計，底面筋板設計不合理，以及強度不足在模具使用過程中極有可能導致模座開裂，如圖6 所示。上下模座底面板筋設計有兩種結構，如圖7 和如圖8.圖7 是常見的模座底面筋分布，鑄件筋等距離分布，通常筋的距離設計為350 mm～450 mm 左右，最好不超過500 mm.間距越大，模具強度越低。圖8 鑄件筋交叉分布，成網(wǎng)格狀，筋與筋之間的支持能力大于圖6 所示的等間距布置筋。模具壽命要求較高的，要求上下模座底面鑄造筋采用圖8 設計。

圖4 鑄件產(chǎn)生裂紋

圖5 鑄件結構設計改進

圖6 底面筋板強度不足導致開裂

圖7 筋等距離分布

圖8 筋交叉分布

2.3 鑄件側壁筋設計強度分析

鑄件側壁筋設計常見的有兩種結構，一種是側面挖空減輕設計，如圖9 所示；一種是向下挖空減輕，如圖10 所示。側面挖空使模具外觀看起來敞亮，在工作刀塊受力區(qū)設置一圈立筋和側挖分布的橫筋，以此來保證刀塊受力有支撐，滿足沖壓受力平衡。如果側向挖空的面積大于向下挖空面積時，側向挖空結構減輕模具重量優(yōu)于向下挖空結構。由于沖壓的力量來自模具的高度方向，故向下挖空的鑄件結構能更好地抵抗沖壓時的沖擊力，向下挖空鑄件的模具強度優(yōu)于側挖空結構的模具強度。模具壽命要求較高的，建議鑄件側壁設計采用向下挖空結構。

圖9 側面挖空

圖10 向下挖空

2.4 鑄件壁厚設計分析

一般把新產(chǎn)品生命周期內每年度的業(yè)務需要量的總和作為模具壽命規(guī)劃的依據(jù)。通常把模具壽命規(guī)劃為30 萬次和50 萬次兩個等級，那么30 萬次和50 萬次的模具有何不同？這是沖壓規(guī)劃技術人員經(jīng)常探討的話題。除了模具材質存在差異外，在鑄件的壁厚上也存在較大差異。50 萬次壽命模具的型面厚度、主筋厚度參數(shù)都要大于30 萬次的模具。

30 萬次模具的鑄件壁厚可參考圖11 所示，50萬次模具鑄件壁厚可在此表參數(shù)的基礎上放大1.5倍。

圖11 鑄件結構參數(shù)

3 結束語

鑄件是覆蓋件模具的主體和核心，鑄件的質量決定了模具的質量?？s孔、縮松是覆蓋件模具鑄件中常見的缺陷，縮孔、縮松的存在直接降低了模具的壽命。防止鑄件存在縮孔、縮松，需要控制好鑄件壁厚，合理設計鑄件的結構。覆蓋件模具鑄件在使用過程中最主要的失效形式是出現(xiàn)裂紋，出現(xiàn)裂紋的主要原因是鑄件的結構不合理、鑄件的強度不足。所以提高覆蓋件模具鑄件壽命的主要措施是合理的結構設計與足夠的強度設計。