一種雙脊喇叭天線板壓鑄模具工藝設(shè)計及優(yōu)化*

付國華，張禮學

（1. 桂林長海發(fā)展有限責任公司，廣西 桂林 541001；2. 陸軍裝備部駐柳州地區(qū)軍事代表室，廣西柳州 545012）

引 言

雙脊喇叭天線板廣泛應(yīng)用于軍工和民用行業(yè)，屬于使用率較高的電子產(chǎn)品零件。該類喇叭板零件對尺寸精度和表面質(zhì)量的要求都較高，因此當前國內(nèi)的主要制造工藝都是傳統(tǒng)的機加工方式，即備料板材后由加工中心將零件銑削出來。喇叭天線板的外形大多不規(guī)則，多具有翼狀和脊狀結(jié)構(gòu)，這會造成備料重量遠大于工件的成品重量。本文的雙脊喇叭天線板在采用機加工工藝進行生產(chǎn)時，備料重量是成品重量的11.2倍，不僅造成材料的大量浪費，還導致加工工時居高不下，而且該類零件的壁厚普遍偏小，加工過程極易變形，因此加工時進刀量小，生產(chǎn)效率較低，零件的尺寸一致性也較差。如果零件生產(chǎn)批量小，這些問題不會暴露，但當零件數(shù)量達到數(shù)百上千甚至更多時，傳統(tǒng)的銑削加工工藝將會導致上述問題完全暴露。在調(diào)研了國內(nèi)喇叭天線板的生產(chǎn)工藝后發(fā)現(xiàn)，到目前為止尚無利用壓鑄工藝生產(chǎn)喇叭天線板的案例，因此本文提出采用精密壓鑄工藝來生產(chǎn)喇叭天線板，開發(fā)一套適用于某雙脊喇叭天線板的壓鑄模具，以降低該零件批量生產(chǎn)時的綜合制造成本并大幅提高生產(chǎn)效率。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析及技術(shù)要求

1.1 結(jié)構(gòu)分析

機加工方式生產(chǎn)的雙脊喇叭天線板零件（以下簡稱零件）采用牌號為3A21–H112的防銹鋁材料，成品質(zhì)量為178 g。零件外形呈等腰梯狀，兩側(cè)有翼狀支腿，外形尺寸為220 mm×150 mm×10 mm，如圖1所示。零件壁厚不均，主體厚度為3.7 mm，最薄處僅0.7 mm，兩側(cè)及頭部厚達10 mm。

圖1 零件示意圖

1.2 技術(shù)要求

零件的尺寸及形位公差要求較高，工作面的厚度尺寸公差為±0.1 mm，平面度偏差不允許超過±0.05 mm；零件表面粗糙度Ra≤3.2 μm，裝配時不允許有鑄造斜角殘留，以免對喇叭天線的電氣性能產(chǎn)生影響；同時該零件工作時長期暴露在大氣環(huán)境中，承受較苛刻的氣候環(huán)境壓力，須通過高低溫、濕熱、沖擊振動、鹽霧等環(huán)境適應(yīng)性試驗。

2 工藝及模具設(shè)計

2.1 原材料選擇

壓鑄鋁合金的機械性能普遍優(yōu)于3A21防銹鋁，材料替代僅考慮耐蝕性及電氣性能即可，因此選用防腐性較好的YL113壓鑄鋁合金作為原材料，最后再驗證該材料的電氣性能是否滿足天線板的要求。

2.2 鑄造工藝設(shè)計

2.2.1 加工余量

在內(nèi)腔面的兩側(cè)槽內(nèi)各設(shè)置0.4 mm的加工余量以便清除鑄造斜角。為了防止加工時出現(xiàn)接刀印，給槽底的0.7 mm薄壁處增加了0.3 mm的加工余量。鑄件外側(cè)面增加0.5 mm的加工余量以便去除鑄造斜角和飛邊。零件各加工面如圖2所示。

圖2 鑄件示意圖（深色部位為加工面）

2.2.2 鑄孔設(shè)置

除了直徑小于2.5 mm的螺紋孔外，零件孔位還包括2個直徑3 mm的固定安裝孔和1個放置插座的5 mm直徑臺階孔。由于孔徑較小，且相互距離較遠，不易設(shè)置滑塊，因此孔位采用鑄后加工。

2.2.3 鑄造斜角

設(shè)置鑄件內(nèi)腔的鑄造斜角為2°（減重槽處的鑄造斜角為3°），外側(cè)面的鑄造斜角統(tǒng)一設(shè)置為1°，鑄造圓角半徑為0.5 mm。

2.2.4 鑄件圖

根據(jù)以上條件為鑄件建模，如圖2所示，鑄件總質(zhì)量約為201 g。

2.3 成型鑲件設(shè)計

2.3.1 尺寸設(shè)計

鑄件的收縮條件較差，綜合收縮率按經(jīng)驗取0.5%。零件的關(guān)鍵尺寸為工作面的厚度及平面度，尺寸精度要求為±0.1 mm，平面度要求為±0.05 mm。因此，模具加工時須保證非加工面的成型面尺寸公差為±0.03 mm，整個工作面的平面度為±0.02 mm，零件工作面對應(yīng)的動模鑲塊成型面和零件背面非加工面對應(yīng)的定模鑲塊成型面的平行度為±0.02 mm，同時保證該成型平面的表面粗糙度Ra≤0.4μm。

2.3.2 澆注系統(tǒng)

渣包質(zhì)量取鑄件質(zhì)量的30%，約為60 g，即鑄件與渣包的總質(zhì)量約為260 g。利用常用的尾關(guān)公式計算內(nèi)澆口橫截面積An：

零件內(nèi)澆口區(qū)域較寬，因此采用扁平進水口設(shè)計，厚度設(shè)置為1 mm，以便清理水口。內(nèi)澆口設(shè)計遵循可修原則，取橫截面積為70 mm2，待仿真模擬后再做調(diào)整。

鑄件部分區(qū)域壁厚較小，橫澆道橫截面積按增速澆道設(shè)計原則憑經(jīng)驗取3.5倍內(nèi)澆口橫截面積。橫澆道厚度為12 mm，寬度為24 mm。壓鑄機沖頭選擇Φ50 mm的錘頭。

2.3.3 排溢系統(tǒng)

鑄件的排溢系統(tǒng)主要開設(shè)在鑄件尾部，分為3個渣包，為保證翼狀支腿的填充度，在兩側(cè)翼狀支腿處各開設(shè)一個渣包。溢流槽總截面積憑經(jīng)驗取內(nèi)澆口截面積的40%，約為32 mm2。溢流槽進水口厚度統(tǒng)一取0.7 mm，合計長度約46 mm。

綜合上述考慮，為鑄件添加澆溢系統(tǒng)后建模，如圖3所示。

圖3 鑄件澆溢系統(tǒng)示意圖

2.3.4 頂出機構(gòu)設(shè)置

頂出機構(gòu)采用最常用的桿狀頂針機構(gòu)，頂針端面設(shè)置在鑄件兩側(cè)厚壁處的加工面上，遵循鑄件在頂出過程中受力均勻的原則將頂針均勻分布為兩排。模具復位后，頂針端面應(yīng)凸出成型面0.1 mm左右，防止鋁液堵塞頂針孔。

3 壓鑄過程模擬及優(yōu)化

3.1 壓鑄過程模擬

將以上鑄造工藝及模具設(shè)計方案導入FLOW-3D模擬軟件，對鑄件的充型、凝固及氣體流動等過程進行模擬。模擬條件如下：模具預熱溫度為200°C，壓鑄時鋁液溫度為660°C，壓射比壓為60 MPa，內(nèi)澆道速度為40 m/s。圖4為氣體流動過程的仿真模擬截圖。

圖4 氣體流動過程的仿真模擬截圖

從軟件模擬的氣體流動截圖可以看出，隨著壓鑄進程的推進，鋁液迅速填滿中部區(qū)域，并在排氣槽的引導下快速將初期帶氧化物渣料的鋁液推入渣包，但鑄件澆注口兩側(cè)厚壁的型腔處有較嚴重的憋氣現(xiàn)象，如果不對模具進行優(yōu)化，氣體在高壓下會被壓入鑄件內(nèi)，極易產(chǎn)生鼓包或氣孔現(xiàn)象。

3.2 成型鑲塊優(yōu)化

對內(nèi)澆口左右兩側(cè)厚壁處的憋氣情況進行分析，其原因考慮是內(nèi)澆口過窄，未能兼顧兩側(cè)的進水，氣體無法沿進水方向向尾部推進，導致氣體被滯留在鑄件中。因此將內(nèi)澆口向兩側(cè)擴展至邊緣區(qū)域，增大進水區(qū)域，將70 cm2的橫截面積擴大至96 cm2，同時將溢流槽的橫截面積略增至36 cm2。優(yōu)化后再次進行仿真模擬，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，內(nèi)澆口兩側(cè)厚壁區(qū)域的憋氣情況得到明顯改善。

圖5 模具優(yōu)化后的仿真模擬截圖

3.3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

模具采用兩開模模架，需要注意的是，鑄件的尺寸精度要求較高，模具裝配后，導柱導套的軸心線與分型面的垂直度偏差在200 mm長度內(nèi)不得大于0.03 mm。另外，為保證模具的使用壽命，成型鑲塊的材料以及與鋁液接觸的澆口套和料口的材料需采用熱作模具鋼4Cr5MoSiV1，并進行熱處理，保證熱處理硬度為HRC43-47，成型面需要進行表面滲氮處理。

4 試鑄

模具制成后，選用300 t壓鑄機進行現(xiàn)場試模生產(chǎn)。壓鑄原材料為符合國標GB/T 15115—2009的YL113鋁錠，采用石墨坩堝熔煉。壓鑄前將鋁液溫度設(shè)置為660°C，保溫0.5 h。將壓鑄機的各壓力參數(shù)設(shè)置好，關(guān)閉增壓模式，保證壓鑄機的快速壓射比壓為60 MPa，壓射時間為1 s，保壓時間為1.8 s，冷卻時間為3.5 s。模具預熱溫度為180°C，采用2188唯氏脫模劑，壓鑄錘頭采用Φ50 mm球鐵錘頭，錘頭潤滑劑采用油性潤滑顆粒，壓鑄周期設(shè)置為30 s一模。生產(chǎn)的試鑄樣件如圖6所示。

圖6 試鑄樣件照片

試鑄過程無異常情況出現(xiàn)，脫模正常。生產(chǎn)的壓鑄件無明顯變形情況，鑄件各部位填充飽滿，無欠鑄和缺肉現(xiàn)象。鑄件分型面處有輕微飛邊，不影響鑄件質(zhì)量。鑄件表面有輕微壓鑄鋁液流痕，但不影響表面光潔度，可依靠后處理解決。

5 鑄件缺陷分析及解決措施

鑄后樣件在加工和打磨后發(fā)現(xiàn)“縮孔”和“表面流痕起皮”兩處缺陷，缺陷情況分析如下。

5.1 縮孔

加工零件尾部的臺階孔時發(fā)現(xiàn)有約10%的鑄件會出現(xiàn)米粒大小的縮孔。其原因是鑄件頂部厚度達到7.5 mm，為頂部區(qū)域的熱節(jié)區(qū)，屬最后凝固區(qū)域，由于壓鑄無法設(shè)置冒口補償系統(tǒng)，因此最后凝固區(qū)域易產(chǎn)生縮孔。解決措施是在臺階孔待加工位置預鑄一個小孔，使縮孔缺陷向兩側(cè)轉(zhuǎn)移；加工臺階孔時，在預鑄孔基礎(chǔ)上直接擴孔即可。為此，模具需增加一個滑塊，滑塊上設(shè)置一根直徑為4 mm、長度為6 mm的頂針。壓鑄時，鑄件在頂部形成一個半通孔（圖7）。增加滑塊后縮孔問題不再出現(xiàn)。

圖7 試鑄樣件缺陷部位及模具修改后鑄件截面圖

5.2 表面流痕起皮

部分樣件工作面上背對進水口的減重槽后方位置有輕微的局部流痕現(xiàn)象，鑄件減重槽的反面有減重槽印記，手觸有輕微凸感。對工作面進行噴砂處理后，部分流痕有起皮分層的傾向，減重槽印記也無法完全清除，可能會對產(chǎn)品的電氣性能產(chǎn)生影響。此類缺陷的產(chǎn)生率約為7%，其原因可能是減重槽四周的拔模斜度過小，鋁液在壓鑄時高速沖擊模具上凸出的減重槽成型臺階，在減重槽成型臺階后方形成渦流，出現(xiàn)輕微的起皮分層現(xiàn)象；并且由于鑄件較薄，拔模角度過小對脫模產(chǎn)生輕微影響，造成減重槽印記的出現(xiàn)。解決措施是加大模具減重槽成型凸臺的倒角，將其增大至45°，使鋁液平穩(wěn)流過凸臺，不再形成沖擊和渦流，減重槽后方的局部流痕現(xiàn)象得到緩解，再通過絲瓜輪輕輕打磨工作面，流痕和減重槽印記徹底消除。

6 零件驗證

將鑄件毛坯加工成零件，利用絲瓜輪輕微打磨表面，清洗后進行化學氧化，將零件氧化成彩虹色，裝配后進行環(huán)境試驗。

對組裝后的雙脊喇叭天線板樣件分別進行高低溫、濕熱、沖擊振動和鹽霧試驗。高溫試驗要求樣件在60°C的環(huán)境下保持2 h。低溫試驗要求樣件在?45°C的環(huán)境下保持2 h。濕熱試驗要求樣件在溫度35°C、濕度(95±3)%的環(huán)境下儲存48 h。振動試驗要求以隨機振動方式進行三向振動，振動條件為：垂直軸向5～500 Hz，總均方根值2.2g；橫軸向5～500 Hz，總均方根值1.62g；縱軸向5～500 Hz，總均方根值2.08g。沖擊試驗的波形為后峰鋸齒波，加速度為20g，脈寬為11 ms，X,Y,Z軸每軸正反兩個方向各3次。鹽霧試驗前天線板樣件需進行封閉處理，然后在鹽霧試驗箱進行鹽霧試驗。試驗要求如下：溫度為(35±2)°C，NaCl濃度為(5±1)%，PH值為6.5～7.2，每小時鹽霧沉降率為1～3 mL/80 cm2，間歇噴霧方式，試驗時間為連續(xù)噴霧24 h后干燥24 h，重復兩個周期，共計96 h，干燥期間溫度保持在15°C～35°C，相對濕度≤50%。環(huán)境試驗后，天線板樣件未發(fā)生變形、松動、鼓包、開裂等異常情況，表面無明顯腐蝕現(xiàn)象。

對經(jīng)過環(huán)境試驗的雙脊喇叭天線板樣件進行電氣性能測試，測試在微波暗室中進行，要求駐波比≤3.0。經(jīng)過20次駐波比測試，天線板樣件的最大駐波比為2.76，滿足技術(shù)要求。

7 結(jié)束語

通過對雙脊喇叭天線板的生產(chǎn)工藝進行革新，采用壓鑄工藝順利生產(chǎn)出天線板成品。該成品通過了環(huán)境適應(yīng)性試驗和電氣性能測試，并成功應(yīng)用到產(chǎn)品上。由此得出以下結(jié)論：

1）壓鑄工藝設(shè)計、模具設(shè)計、生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)選擇都較為合理；

2）采用壓鑄工藝生產(chǎn)喇叭天線板完全可行，壓鑄制件的機械性能、表面質(zhì)量、防腐性能以及電氣性能都能達到設(shè)計要求；

3）壓鑄工藝生產(chǎn)的雙脊喇叭天線板僅需少量加工和后處理即可投入使用，有效降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

雙脊喇叭天線板的工藝革新成果，可應(yīng)用于各種喇叭天線板及其他外形尺寸不規(guī)則、對尺寸精度要求較高的薄壁鋁合金零部件，從而有效提高工作效率，降低綜合生產(chǎn)成本。成本核算發(fā)現(xiàn)，批量生產(chǎn)本文的雙脊喇叭天線板時，壓鑄工藝可使原材料消耗降低90%，加工時間縮短70%。