优化模具设计应对挑战


乍 看起来,汽车的电器外壳似乎是标准的铝合金压铸件,在生产中不需要特别注意。这个1.74磅的铸件包含了电路板以及控制传动装

置转换的步进电机,其年产量为120万个。从设计方面考虑,它不需要过度复杂,但是其密封性和表面光洁度的要求成为了生产新铸件系列产品中的障碍。

Imperial压铸公司(南卡罗来纳州利伯蒂)是RCM工业有限公司的压铸事业部,接受了生产这批铸件的挑战,但是其中有几项困难与压铸工艺有关。铸态表面涉及了多重机加工表面。此外,这些多重机加工表面与铸件表面是独立的,因此产生了尺寸公差的问题。由于多层次和铸件的全球通用,铸件的设计更改受到了严格的限制。由于铸件在生产之前已经进行了很多的投入,客户希望铸件经过多个铸造模具之后的改变程度最小,可以和32个不同的加工夹具同时生产。

客户的超高性能要求对尺寸提出了严格要求,几个位置和尺寸特征必须满足严格要求:

整个铸件的密封槽的平滑轮廓有严格的公差限制,对每部分1 x 1-in. (25 x 25-mm)还有额外的平滑度要求。

发动机的4个安装芯有位置要求,这些铸态的位置尺寸反馈于包括电机定子总成的机械轮廓。

缸盖的5个安装芯同样有位置要求。这些铸态的位置尺寸反馈于一对机加工芯,反过来反馈于缸盖的机加工孔芯,以及铸件外侧的安装凸缘。

铸件的所有没有特殊要求的表面不应出现任何超出公差范围的飞边、热裂纹或冲蚀。在其他铸件铸造之前,所有的缺陷都必须及时修复。客户希望使用100,000次之后的模具仍像新的一样。而且,无论如何,起模杆的飞边不应超过一定范围的公差或出现疏松。这是为了确保疏松微粒在组装之后不会进入到步进电机或电子元件中。

外部的安装凸缘需要接近完美,而且凸缘按预期是没有任何缺陷的,从而它们的完整性就不会有任何问题。由于压铸和安装凸缘几乎没有孔的限制,使这个完美的特征充满了挑战。

机加工表面的孔隙率要求也对铸件质量起了重要的作用。具体而言,较厚的孔芯部位经过加工,没有出现超过规定量的孔隙。这些孔以及铸件必须密封严密并经过密封性的测试。这些铸件将用于电子组件装配,因此,铸件壳体中不允许有任何水分。

中心孔芯的每一边都有最大的机加工公差范围,以减少偏转和振动。当压铸件的尺寸发生过多的改变时,机加工的密封窗口将引起问题。

客户对压铸件的表面光洁度给出了不同的要求。表面光洁度对于密封表面和通气口非常关键,确保表面使用的粘合剂与铸件充分地粘结。水气不允许进入到组装好的壳体中。表面张力测试对决定粘合剂是否恰当使用也是非常重要的。当粘合剂可能出现问题时,模具喷雾器是关键的部件。

铸件和模具设计
铸件到达Imperial公司后,其电器罩壳体已经开始了生产,因此,基本上不能采取任何改良铸件或工艺的措施。Imperial公司为提高铸件的铸造性能提出了几个要求,其中的一个主要要求是改变铸件的部分几何结构。Imperial公司要求安装凸缘的侧板更厚,从而使凸缘更易于填充,减少填充不完全的问题。由于铸件已处于生产过程中,表面处理和组装工艺也按照原有的设计方案准备就绪,这个要求被拒绝了。因此,这个挑战留给了Imperial公司的模具设计和铸造工艺,以保证生产出足够的铸件。

Imperial公司决定采用两个型腔模的压铸模具,从而以较低的废品率和较高的生产率实现高产量。

为了找到铸件充型的最佳方案,公司提出了不同的流道设计方案并进行了模拟。铸态密封面的性能要求对既能够提供足够的浇注金属液来浇注铸件同时满足密封性能要求提出了挑战。铸态密封槽包围了整个铸件,直接进入立管的金属液将加速侵蚀。客户的设计方案中包括使凸缘的一部分具有较厚的壁厚,使金属液从密封槽上面进入而不是直接穿过。这个设计方案确定以后,充型区域受到了限制。

潜在的可能解决这一难题的模具设计方案选定后,铸造工艺也同时进行了模拟,以找到可以完全填充铸件的最佳流道设计方案。每个流道设计方案的模拟有不同的变量,例如轮缘直径、模具温度、浇注速度以及快速浇注的启动。模拟结束后,选出了生产模具的最佳设计方案,从而启动生产。

由于具有严格的平整度和表面光洁度的公差要求,冷却管道位于型腔的特定区域,从而达到一致的温度。Imperial公司的标准操作要求热油管能够用于预加热并稳定型腔的温度,而且,水冷管用于冷却喷射部件和流道。最初的模拟试验中发现了型腔中吸热更多的区域,表明这些区域需要额外的冷却,比如在流道附近的直管。

冷却管道的设计有助于确保在模具生产启动时尽可能少的振动,并在生产中保持温度。由于严格的尺寸公差要求,模具中所有的芯核都覆盖有铬基的涂料,防止模具损耗并减少焊接。该涂料还使整个芯核的尺寸保持在要求的公差范围内。还使用了真空管来减少气孔的产生。

最初的模具生产启动之后,在机加工完成后的2个凸缘外部发现了很小的气孔。孔芯每一边的机加工公差值是0.02 in. (0.5 mm)。由于孔芯的厚度很厚,因此,缩松孔隙是常见现象。为了减少机加工后的孔隙数量,增大了孔芯内外直径的公差。这一措施减小了机加工公差的数值并降低了产生孔隙的可能性。

尽管铸件看起来是简单的,但是其公差、低孔隙度、密封性和表面光洁度要求以及客户改动的限制却提出了非常大的挑战,对要求全面铸件分析的模具设计和铸造工艺提出了挑战。

Imperial公司在模具设计和质量生产工艺方面给予了关注并满足了这些要求。自2011年开始,Imperial公司生产该铸件已实现了高产量和系列化生产。