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第三屆全國“適創杯”模具設計挑戰賽大噸位組季軍團隊——重慶東科模具鋼鐵藝術隊，圍繞一款2000T電控箱體模具展開設計，從產品風險識別、澆排迭代、溫控匹配到結構細節優化，形成了一套兼顧氣密性、表面質量與量產穩定性的方案。

本期內容，就讓我們一起來拆解鋼鐵藝術隊的設計思路。

>>回顧大賽題目，了解產品情況

01設計展示

模具整體展示

澆排設計展示

該產品尺寸約為415x525.5x152mm，體積為1704.41cm3，質量為4601.91g，平均壁厚為3mm，最大壁厚為15.77mm。鑄件總體積為7806.05cm3，其中澆道體積為1183.21cm3。

從設備匹配看，團隊按 58MPa 的壓射比壓進行初選，計算得到所需鎖模力約為 2000T；產品投影面積約 1715.49 cm2，總鑄造投影面積約 2621.29 cm2，有效料管長度 880 mm，料管充滿度約 32.7%，沖頭直徑選為 130 mm。

在工藝取舍上，團隊將工藝出品率控制在 48.3%，通過適當加大澆道與渣包來提升產品合格率，對于這類氣密要求高的大噸位產品，這種取舍是值得的。

02設計思路

鋼鐵藝術隊判斷，這款產品真正的難點并不在于整體壁厚，而在于其工藝屬性：冷卻水道區域需要通過摩擦焊實現密封，同時還要滿足氣密測試要求，一旦發生泄漏，就可能引發電控系統短路，嚴重時甚至帶來安全風險，因此這一部分是整個產品最重要的控制區域。

與此同時，產品中部存在一處較高的凸臺，頂部帶有螺紋孔，屬于卷氣和溫度異常都較為敏感的區域。側面三處接插安裝臺區域厚大，又處在噴涂盲區，容易形成熱節、粘模和拉傷問題。

在此基礎上，團隊對產品局部結構做了針對性優化。團隊對部分R角和拔模方向進行了調整，使局部加工面在后續機加工后更容易去除毛刺，從而減少清理和打磨工作量。

同時，針對多處內腔搭子與側壁距離較近的位置，提出通過連接筋避免早期開裂和掉肉的優化思路。

這些調整幅度雖然不大，但體現出團隊在前端設計中的基本判斷：對于大噸位電控產品，產品優化不能只考慮脫模和成型，還要把后續加工、清潔度和長期穩定性一并納入考慮。

■ 澆排系統

在澆排設計上，團隊進行了比較完整的迭代。

澆排迭代思路

最開始，曾嘗試從關鍵水道區域方向進料，希望優先兼顧最重要的功能區，但模擬結果顯示，遠端和中間區域成型效果不理想，而且主沖刷會直接作用于關鍵水道區域，早期沖蝕風險較大；隨后又嘗試從大面橫向進料，但頂部區域和中間孤島區域仍然難以兼顧。

澆排迭代思路

最終，團隊采用了短邊主進料 + 兩側輔助流道補充的方案，并在第三版基礎上繼續迭代至第六版，逐步把卷氣壓力、氣體含量和溫度控制到技術要求范圍內。

澆排定版方案

結合流道設計計算，沖頭面積為130mm，沖頭截面積為13273.39mm2，澆口截面積總和為884mm2，速度比為15，團隊確認該方案基本遵循截面積遞減原則，速度比控制在合理范圍內。

流道設計計算及校核

經過PQ2圖驗證，工作點落在工藝窗口的中間位置，表明模具與壓鑄機的匹配性合理，工藝范圍寬裕。

在模擬分析結果上，團隊主要從氣體含量、縮孔縮松、熱節和溫度場幾方面進行判斷。定版方案中，局部氣體含量最高約為 21.84，大部分區域控制在 15% 以下，關鍵部位約在 10% 左右。

智鑄超云-氣體含量仿真結果

縮孔縮松最大位置約為 118 mm3，且遠離泄漏風險較大的區域。

智鑄超云-縮孔縮松仿真結果

熱節在既定開模、壓射和冷卻時間下不會引發表面粘模。

智鑄超云-熱節仿真結果

各內澆口平均速度基本處于 40~60 m/s 范圍內，整體符合設計預期。

內澆口平均速度分析

■ 溫控系統

在溫控設計方面，鋼鐵藝術隊先對無冷卻狀態下的溫度場進行了分析，再根據熱點和低溫區布置冷卻與局部加熱。整體思路是通過溫差管理改善成型一致性：例如，團隊刻意讓遠端上方區域溫度略高、下方溫度略低，以利于產品充型。

動模冷卻                           靜模冷卻

而針對中間伸出較長、模擬后溫度只有 165℃ 左右的鑲塊，則專門設置了油溫加熱，避免深腔區域因溫度過低而成型困難。

滑塊冷卻

從熱平衡結果看，增加冷卻后，模具溫度梯度明顯降低，溫度波動變小；傳感器監控也表明，有冷卻和無冷卻狀態之間存在顯著差異。

溫度監控傳感器分析

除溫度外，團隊還做了變形與頂出力分析。結果顯示，型腔局部最大變形約為 0.22 mm，實際整體變形可控制在 0.3 mm 以內；頂出力模擬結果約為 521 kN，低于2000T設備 650 kN 的頂出能力，說明模具與設備匹配是合理的。

應力變形分析

03設計亮點

總體來看，鋼鐵藝術隊這套方案的亮點，在于圍繞關鍵風險區域，把材料、溫控、排氣、噴涂和結構保護組合起來，形成了一套更適合大噸位電控箱體的系統化設計方案。

? 亮點一：靜模水道關鍵區域采用鑲拼，并使用高導熱材料。水道一旦發生粘模或拉傷，就可能提升后續泄漏風險。

通過局部鑲拼，團隊不僅提高了關鍵區域的可維護性，也借助高導熱材料降低了粘模和拉傷的可能性，從源頭上減少了泄漏風險。

? 亮點二：對局部溫度過低區域增加油加熱。在模擬中，團隊發現中間箱塊區域因突出較長、噴涂影響明顯，溫度偏低，不利于成型。因此，在該處采用局部油加熱進行補償。

? 亮點三：深腔卷氣問題通過3D打印內排氣并連接真空來解決。針對深腔螺紋孔區域的卷氣風險，團隊采用了3D打印內排氣結構，并與真空系統相連，以有效減少深腔區域的氣孔問題。

這一設計既改善了局部排氣效果，也避免了深腔區域因排氣不足帶來的質量波動。

? 亮點四：針對噴涂盲區增加模具內噴涂。滑塊背面區域雖然從模擬結果看溫度和熱節并無明顯異常，但實際生產中屬于噴涂盲區，容易引發粘模。

為此，團隊在模具結構中加入內噴涂，使原本正面噴不到的位置得到補充保護，從而保證產品表面質量。

? 亮點五：冷卻水布置到推板后方，縮短頂針長度。團隊認為，將冷卻水布置到推板后面后，可以有效縮短頂針長度，降低頂針彎曲和斷裂的風險。

? 亮點六：增加推板后限位信號，保護模具安全。團隊采用油缸行程開關，在推板上設置后限位信號，一旦拉回故障發生，可以及時避免模具受損。

從整體上看，這套方案體現出的一種比較典型的大噸位模具設計邏輯：在保證關鍵功能區安全的前提下，通過澆排、溫控和結構細節的配合，把原本容易在后期暴露的問題盡量消化在前端。

04技術研討

在賽后的作品交流中，適創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。

適創工程師：從設計角度看，這款產品最難的地方主要體現在哪些方面？

鋼鐵藝術隊：這款產品從整體壁厚來看相對均勻，單純從結構本身判斷，并不屬于特別難做的類型。真正的難點主要在工藝性上。最重要的是冷卻水道區域，這一位置不能出現任何泄漏，否則就可能引起短路，嚴重時還會帶來安全風險。

除此之外，產品中間有一處較高的凸臺，頂部帶有螺紋孔，這一位置成型和排氣都比較困難；側面幾處厚大區域雖然泄漏風險較小，但容易形成熱節，也容易因為噴涂盲區出現粘模和拉傷。

適創工程師：為什么最終選擇短邊主進料，而不是從關鍵水道區域直接進料？

鋼鐵藝術隊：團隊最開始也嘗試過從幾個不同方向進料。比如曾經考慮從水道區域方向進料，因為這個方向流程最短，也希望優先兼顧關鍵區域。但模擬之后發現，遠端和中間區域成型并不理想，而且如果主流直接對著這個位置沖刷，關鍵水道區域更容易出現沖蝕、粘模和拉傷。

隨后又嘗試過從大面方向進料，結果發現頂部區域和中間高位區域依然難以兼顧。最終采用短邊主進料，并在兩側增加輔助流道，主要是為了先保證頂部成型，同時兼顧側面厚大區域的補充填充。

適創工程師：澆口套轉角處為什么采用井式強冷方案？

鋼鐵藝術隊：澆口套轉角處本身就是一個溫度比較高的位置，如果不做針對性處理，局部熱量容易積聚，影響開模時間和整體生產節拍。基于這一點，我們在這個位置采用了井式強冷方案，并對澆口套結構做了相應優化，目的就是把這個高溫點盡量壓下來。

根據模擬結果，優化后該區域溫度由約 307℃ 降至 128℃，這樣既降低了爆料餅風險，也有助于縮短開模時間，提高整體壓鑄效率。

適創工程師：為什么你們會特別重視前期計算和模擬？

鋼鐵藝術隊：因為大噸位模具和小噸位模具最大的區別之一，就是容錯空間更小。小模具有時某些地方做得不夠理想，后續還有調整空間；但大模具一旦某個環節出錯，帶來的往往就是大件報廢或較高的返工成本。

因此，從鎖模力、澆口截面積、速度比，到設備匹配和模流驗證，每一個環節都必須在前端做扎實。

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鋼鐵藝術隊表示，團隊形象地把模流分析稱為“第24號機”，因為公司有23臺真實的壓鑄機，模流分析就是第24臺。得益于模流分析的精準計算，公司95%的模具都可以做到一次試模成功。通過模流分析，提前識別潛在問題，為方案比選、參數校核和后續現場調試提供依據，從而減少試錯成本，提升量產階段的穩定性與可靠性。