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小噸位產(chǎn)品通常外觀質量要求高、產(chǎn)品尺寸要求高，在進行模具設計時更專注精密制造與澆排系統(tǒng)優(yōu)化，十分考驗選手結合產(chǎn)品結構特點對易變形尺寸的把控能力。

第三屆全國“適創(chuàng)杯”模具設計挑戰(zhàn)賽小噸位組參賽團隊——鄭州日新精密機械有限公司大象隊，在模具細節(jié)上做足功夫，設計雙螺旋冷卻水路、3D打印內冷鑲件、增加排水防塵、增加快換機構等，既保證了品質，也方便生產(chǎn)維護，在不大幅增加成本的基礎上，使工藝出品率達到64.9%。

本期內容就讓我們一起來解讀他們的設計作品。

>>回顧大賽題目，了解產(chǎn)品情況

01設計展示

模具整體展示

設計展示

該產(chǎn)品尺寸約 237.92×170.61×300 mm，產(chǎn)品體積約 624 cm3，質量約 1655 g，基本壁厚約 2.7 mm，平均壁厚約 3.22 mm，局部最大壁厚達 15.32 mm。

模具整體體積約 961465 mm3，其中澆道體積 171582 mm3，渣包體積 151513 mm3，出品率達到 64.9%。根據(jù)模具尺寸，鎖模力需求約 5095 kN，沖頭直徑 ?80 mm，匹配 580T壓鑄機，壓室充填率約 38%。從參數(shù)上看，這是一個需要在小噸位范圍內追求效率與質量平衡的典型案例。

02設計思路

澆口位置直接影響產(chǎn)品分型的選擇，在澆口位置的設計中，團隊首先明確了四項原則：一是流程盡量要短，最長流動距離基本控制在550mm以內；二是澆口位置要接近并且完全覆蓋產(chǎn)品的重要和風險區(qū)域；三是去除方便；四是盡量設置在壁厚區(qū)域。

智鑄超云-粒子追蹤仿真結果

基于以上原則，團隊確定的產(chǎn)品分型方案如圖所示：

產(chǎn)品分型的選擇

■ 澆排系統(tǒng)

在澆排系統(tǒng)的設計方面，團隊共進行了五版方案設計與迭代。從下表可以看到，每一次優(yōu)化，產(chǎn)品的卷氣壓力都得到了明顯改善。

澆排迭代思路

到第五版方案，根據(jù)模擬仿真結果，整個流態(tài)相對平穩(wěn)且沒有出現(xiàn)明顯的卷氣現(xiàn)象。同時，經(jīng)過澆道截面積計算，沖頭截面積5026.5mm2，澆口截面積總和349mm2，速度比為5026.5÷349=14.4，流道基本遵循截面積遞減原則，澆道設計合理。據(jù)此，確定第五版方案為定版方案。

定版澆排方案-氣體含量仿真結果

進一步模擬分析，卷氣壓力結果顯示高壓區(qū)域主要集中在末端渣包位置，整體氣孔風險較低；氣體含量百分比鎖定在10%以內。

智鑄超云-卷氣壓力仿真結果

智鑄超云-氣體含量仿真結果

充填時間方面，金屬液充填到澆口附近位置的時間點為0.154s左右，直到產(chǎn)品充填完成時的時間在0.204s左右，產(chǎn)品區(qū)域的充填時間在0.045s左右，對比壁厚特征來看，相對合理。

智鑄超云-充填時間仿真結果

充填溫度方面，初始溫度為670℃，充填結束末端的位置為645℃，溫差25℃，基本無冷隔流痕風險。

智鑄超云-充填溫度仿真結果

智鑄超云-液流追蹤仿真結果

此外，從流量統(tǒng)計的結果來看，各澆口的流量百分比與澆口截面積百分比基本比較契合；內澆口平均速度理論值為40m/s，實際各個澆口的平均速度在30-47m/s之間，處于相對溫和的工藝參數(shù)區(qū)間內，對減緩模具的沖蝕效果較好；在整個充填過程，未出現(xiàn)明顯氧化夾雜情況。

智鑄超云-氧化夾雜仿真結果

■ 溫控系統(tǒng)

在溫控系統(tǒng)方面，團隊在無冷卻的前提下，對產(chǎn)品的低溫區(qū)和高溫區(qū)進行了鎖定。隨后根據(jù)CAE仿真結果進行溫控系統(tǒng)設計，設置線冷卻、點冷卻以及加熱管道。

經(jīng)過15次熱平衡循環(huán)后，根據(jù)傳感器對比數(shù)據(jù)，在凝固階段有無冷卻的溫度相差50度以上，整體冷卻時間縮短1-2秒。

對比縮孔縮松結果看到，增加冷卻系統(tǒng)后，縮孔體積明顯降低，其他位置縮孔同樣有所改善。

冷卻前（左）后（右）縮孔縮松結果對比

同時，通過溫度場對比分析可以發(fā)現(xiàn)，未加冷卻時模具存在明顯熱點，而優(yōu)化后溫度分布趨于均衡，從而提升了成型穩(wěn)定性。

■ 結構優(yōu)化

針對產(chǎn)品存在的孤島風險區(qū)域，團隊采取以下方案來優(yōu)化產(chǎn)品結構：一是增加工藝筋，方便氣體排出以及增加強度；二是增加低筋，以提升使用強度并優(yōu)化導流作用；三是增加/增大R角，減少產(chǎn)品開裂風險。

增加工藝筋

下圖展示的是原始三維與變形后的三維輪廓對比（放大20倍），其中灰色是原始三維模型，有顏色的是模擬變形后的三維模型?？梢钥闯?，變形后的模型有往中間收縮的趨勢。

根據(jù)智鑄超云應力仿真結果，下圖紅色圓圈區(qū)域變形問題較大。針對該問題，團隊提出三種解決方案。一是增加結構筋，增加產(chǎn)品強度，減少變形風險；二是增大拔模斜度到2-3°，降低開模拉出變形風險；三是在上述建議的基礎上，通過后期變形校正。

增加結構筋

03設計亮點

總體來說，大象隊的設計方案在多個關鍵細節(jié)體現(xiàn)出可參考的工程價值。

? 亮點一：3D打印內冷鑲件。將澆口沖蝕易損位置制成鎢鋼材料3D打印鑲件，并增加隨形內冷，既能夠較大程度保證模芯壽命，同時也帶來了很大的維護便利性。

? 亮點二：雙螺旋冷卻水路。通過澆口套螺旋水路的設計，可以穩(wěn)定澆口套溫度，改善沖頭在推動鋁液高速運動過程中的穩(wěn)定性、確保產(chǎn)品的品質與生產(chǎn)的穩(wěn)定性，延長料套使用壽命。

? 亮點三：滑塊延時開模。上下模開模15mm后，滑塊開始移動，防止產(chǎn)品受力不均產(chǎn)生開模變形。

? 亮點四：排水防塵。為模具增加防水，防塵以及防飛鋁等，一方面增加安全性，另一方面起到穩(wěn)定生產(chǎn)的作用。

? 亮點五：頂針板位置檢測。防止頂針未回到位滑塊就動作造成模具損壞，團隊在模具加裝行程開關，行程開關安裝板可微調。

? 亮點六：3D砂型打印-鑄造支架。采用砂型3D打印鑄型，可快速制造、設計自由度高、材料利用率高且成本相對較低。

總的來看，大象隊的方案體現(xiàn)出較強的前期優(yōu)化意識與細節(jié)把控能力，在保證質量的同時，兼顧了穩(wěn)定生產(chǎn)、模具壽命與成本控制。

04技術研討

在賽后的作品交流中，適創(chuàng)科技工程師團隊與獲獎選手再次針對作品中的技術點進行了探討，以下記錄了技術探討過程中的部分亮點內容。

適創(chuàng)工程師：該產(chǎn)品在設計上的難點主要體現(xiàn)在哪些方面？

大象隊：從產(chǎn)品本身來看，它最薄處只有1.6mm，基本壁厚2.5mm，整體是適合壓鑄成形的，難點在于對外觀和尺寸的要求比較高。一方面，薄壁區(qū)域與滑塊側更容易出現(xiàn)變形，對尺寸控制要求高；另一方面，產(chǎn)品還存在孤島區(qū)域、深腔區(qū)域，容易帶來困氣、拉模等風險。再加上產(chǎn)品后續(xù)還有較高的表面質量要求，我們的前期方案必須把產(chǎn)品結構優(yōu)化、澆排方向、排氣路徑和后續(xù)加工風險放在一起綜合分析判斷。

適創(chuàng)工程師：你們覺得團隊的這套方案最突出的亮點是什么？做得好的地方在哪里？

大象隊：我們認為，方案最核心的亮點是從設計前端就把量產(chǎn)穩(wěn)定性放在優(yōu)先位置。后續(xù)生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性、產(chǎn)品品質以及交期保障都必須提前考慮，所以無論是鑄造過程中的風險，還是后續(xù)加工中可能出現(xiàn)的缺陷，盡可能都會在前端設計中進行預判和規(guī)避。同時，我們團隊強調成本控制，更看重“最實性價比”，在滿足圖紙、性能和使用要求的基礎上，我們力圖讓質量、壽命與成本達到更平衡的狀態(tài)。

適創(chuàng)工程師：在頂出設計中，為什么選擇半圓形頂針，而不是常見的方形異形頂針？

大象隊：我們更看重頂出系統(tǒng)在長期生產(chǎn)中的穩(wěn)定性。相較于方形頂針，半圓形或圓形頂針在鑄造過程中不容易出現(xiàn)卡滯、拉傷等問題，對模具結構和生產(chǎn)過程的影響也更小；而方形頂針由于本身帶有尖角和棱邊，發(fā)生卡頓后更容易損傷模具、影響生產(chǎn)效率。對于局部狹窄或薄壁區(qū)域，我們會通過增加工藝臺、設置頂桿座等方式，來解決放置空間不足與防頂破的問題。

適創(chuàng)工程師：澆口套位置采用的是螺旋冷卻水路，這種螺旋水路通常怎么加工？

大象隊：這類結構一類可以通過3D打印實現(xiàn)，但成本相對較高；另一類則可以通過金屬粉末成形、拼接加特殊熱處理等工藝完成，成本可能低于直接3D打印?？梢愿鶕?jù)成本和加工條件選擇更合適的實現(xiàn)方式。

適創(chuàng)工程師：回到模具結構本身，你們在結構細節(jié)上還做了哪些重點優(yōu)化？

大象隊：在模具結構部分，我們重點強化的是長期量產(chǎn)中的穩(wěn)定性和可維護性。比如，在型芯位置增加快換和防退縮機構，避免長時間使用后發(fā)生微小位移，保證尺寸精度和模具安全；同時，在模架上增加排屑漏油孔槽、防塵板及位置檢測機構，用于處理離型劑積水、雜質進入以及頂針未復位就觸發(fā)滑塊動作等問題。我們做這些細節(jié)，是希望模具在現(xiàn)場長期生產(chǎn)中更安全、更穩(wěn)定，也更方便維護。

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大象隊表示，模流軟件在模具設計前期能夠有效驗證方案、提高設計效率，是必不可少的工具。方案設計的優(yōu)劣直接關系到后期生產(chǎn)的穩(wěn)定性與品質穩(wěn)定性，而模流分析能最大程度地提前發(fā)現(xiàn)各類潛在問題，結合專業(yè)工程數(shù)據(jù)判斷反饋現(xiàn)場，既縮短了試模周期，也為后期問題快速驗證提供了有力支撐。