例析壓射頭直徑及內澆道截面積的確定

■ 崔愛軍

1. 概述

在壓鑄模設計中，澆注系統(tǒng)的設計是壓鑄模成功與否的關鍵，已廣泛得到了設計人員的重視。但在澆注系統(tǒng)的組成中澆口套直徑（即采用的壓射頭直徑）的確定還遠未得到應有的重視，在常見的參考資料中也沒有一個明確的設計標準，往往是根據(jù)個人的經驗進行選擇，甚至是選擇壓射頭尺寸也不進行壓室充滿度的核算，造成壓鑄模的設計方式可能存在一些失誤，壓射頭直徑的選擇甚至可能是錯誤的，因此會導致壓鑄模在生產中出現(xiàn)成形不良、廢品率高、生產效率低等問題，而這種壓射頭直徑選擇錯誤是很難通過壓鑄工藝的調整來彌補的。然而，這種錯誤往往具有很大的隱蔽性而被忽視，這就是壓鑄中生產中許多質量問題很難找到真正原因的癥結所在。

內澆道截面積的計算一般也是停留在靠經驗來確認的地步，常用的內澆道截面積計算公式有十幾種之多，從不同的觀點出發(fā)得出了各種內澆道截面積的計算公式，而這些公式往往適用于不同的壓鑄合金和不同的具體情況。相同情況下，用不同的公式計算，得出的數(shù)值相差較大，有時根本不具有現(xiàn)實的指導意義。由于這方面的書籍、論文資料繁多，在此不再對這些計算公式進行深入的探討。根據(jù)筆者多年的實踐經驗應用，依據(jù)p-Q2圖來確認壓射頭直徑與內澆道截面積的計算方法還是簡便可行的，下面對此問題做簡要論述。

2. 壓射頭直徑的選擇

對于具體的一個壓鑄件來說，在設計模具之初，我們必須要確定的一個問題就是將來這個模具在什么樣的壓鑄機上進行生產，如果不把這個問題搞清楚，那么后續(xù)的模具設計就失去了最基本的設計依據(jù)，因為在將來的生產中，是由特定的壓鑄模和確定的壓鑄機來構成一個確定的壓鑄系統(tǒng)，壓鑄工藝的設計與調整都是在這個固定的系統(tǒng)中進行的，拋開這個特定的壓鑄系統(tǒng)來談論壓鑄工藝、模具澆排系統(tǒng)設計基本上是空談，對實際的生產沒有任何指導意義。

現(xiàn)實當中，國產壓鑄機生產商往往是根據(jù)壓鑄機的國家標準《GB 10925—1989 壓鑄機參數(shù)》中的相關規(guī)定，壓鑄機配備三種不同規(guī)格的壓射室，這三種壓射室直徑都是在標準范圍內以10mm級差設置，就用戶來講，為統(tǒng)一模具的標準，很少在標準規(guī)格之外再增加其他規(guī)格的壓射室。也就是說，當我們依據(jù)鑄件圖樣資料的基本數(shù)據(jù)，結合本公司的實際機型，選擇了壓鑄機的型號之后，能夠采用的壓射頭直徑就基本限定在了三選一的方案之中。

（1）“粗基準” 的使用 利用p-Q2圖確定壓射頭直徑時，我們需要知道內澆道截面積的值，在沒有明確內澆道截面積之前，我們暫時引入“粗基準”的概念。這里的“粗基準”是借用了機械加工用的一個名詞，即工件加工的第一工序或最初幾道工序中，只能用毛坯上未經加工的表面作為定位基準，這種定位基準稱為粗基準。就是說，在沒有確定內澆道截面積之前，為了能夠確認壓射頭的直徑而必須暫時利用某個經驗公式得出的內澆道截面積的值，這個“值”就是作為計算壓射頭直徑的“粗基準”。最終得到的內澆道截面積的值會與這個“粗基準”有差異，但不影響壓射頭直徑的確定。

在多年的實踐應用中發(fā)現(xiàn)，歐美壓鑄公司提出的內澆道截面積的計算公式與最終確定的值差別較小，且該公式適用于所有的壓鑄合金，在設計鋁合金壓鑄模時可作為確認壓射頭直徑的“粗基準”使用，具體公式為

式中 L——內澆道寬度（cm）；

T——內澆道厚度（cm）；

V——鑄件和溢料槽體積（cm3）。

由式（1）可以得出，鑄件的內澆道截面積S為

式中 S——內澆道截面積（mm2）；

V——鑄件和溢料槽體積（cm3）。

利用式（2）計算出的內澆道截面積的值可以用于制作p-Q2圖，用來確定壓射頭直徑。

（2）在p-q2圖中確認壓射頭直徑 下面舉一簡單的例子來說明壓射頭直徑的確認過程。

鑄件特征：平均壁厚為3.5mm，澆道厚度1.90mm，充型體積800cm3，總重量2950g，流量系數(shù)取0.5，材質為ADC12。

設備參數(shù)：DCC800壓鑄機，空壓射速度6m/s，儲能壓力13MPa，壓射頭直徑80mm、90mm、100mm，澆注溫度650℃，模具溫度220℃。

根據(jù)式（2）計算“粗基準”得出，內澆道截面積為S＝2.68×8000.745＝390（mm2）。

依照上述這些條件分別畫出內澆道截面積為390mm2情況下，對應直徑80mm、90mm、100mm三種壓射頭的p-Q2圖，如圖1～圖3所示。

從圖1可看出，模具線偏向窗口的下方，這樣的圖形告訴我們：壓射頭直徑過小或內澆道截面積過大，此時系統(tǒng)的流量不足，對此需減小內澆道截面積或加大壓射頭直徑。

從圖2可看出，內澆道截面積偏小，此時需要適當加大內澆道截面積，或減小壓射頭直徑即可。

從圖3可看出，相對于圖2來講，屬于內澆道截面積嚴重偏小或壓射頭直徑嚴重偏大的情況，這個壓射系統(tǒng)的填充流量過大，系統(tǒng)壓力偏低。由于壓射頭直徑嚴重偏大，故不選擇。

至此，所能選擇的壓射頭直徑限定在了f80mm或f90mm，如果選擇f80mm壓射頭則必須減小內澆道截面積，選擇f90mm壓射頭則必須增加內澆道截面積。而減小內澆道截面積帶來的問題是最短填充時間增加，在系統(tǒng)允許最長填充時間不變的情況下， 造成系統(tǒng)工藝窗口范圍變窄，工藝適應性下降。因此，在壓室充滿度滿足使用要求的情況下，還是選取f90mm壓射頭為宜。

（3）壓室充滿度核算 當然選擇f90mm壓射頭是否合適，我們還要驗算壓室的充滿度。

壓室的充滿度對夾雜在鑄件內的氣體量有著很大的影響，通常壓室的充滿度控制在30%~70%為宜。當充滿度低于30%時，壓射頭在壓室慢速過程內液態(tài)金屬的熱量消耗過大，一部分熱量通過壓室壁及壓射頭迅速散發(fā)，從而在壓室壁上形成冷凝薄殼。當薄殼被充填至模具型腔后，就會造成鑄件內部缺陷，特別是澆口部位易出現(xiàn)夾層，去澆口時出現(xiàn)掉肉現(xiàn)象。反之，當充滿度過高時，壓射頭的初始運動會造成合金液從壓室注料口溢出，快速壓射時壓射頭加速距離過短，難以加速到充型所需的最佳速度。

根據(jù)選定的f90mm的壓射頭，查設備說明書可知，f80mm壓室射料量為9kg，壓室充滿度K為32.78%。

壓室充滿度大于30%，可以滿足使用要求。

3. 內澆道截面積的核定

在確定了壓射頭直徑之后，剩下的工作就是在“粗基準”的基礎上進行優(yōu)化，選擇一個合適的內澆道截面積值，這項工作相對要簡單一些。

圖2模具線略偏工藝窗的上部，表明“粗基準”得到的內澆道截面積390mm2偏小，我們可以通過適當?shù)卣{整內澆道的截面積大小，來改變模具線的位置，以便使模具線落在工藝窗中的長度最大化。當我們將內澆道截面積增大到450mm2時，模具線基本上斜穿工藝窗口，此時的模具與壓鑄機的匹配性達到最優(yōu)，壓鑄模的工藝性達到最佳，如圖4所示。

但是，我們在模具實際制作時，考慮模具后續(xù)的維修整改方面的簡便性，不會第一次就將模具內澆道截面積開到最大值，一般需要保留5%～10%的修模余量，因此這副模具內澆道截面積取值應在405～425mm2。

圖1 采用f80mm壓射頭

圖2 采用f90mm壓射頭

圖3 采用f100mm壓射頭

圖4 調整內澆道面積的效果

4. 結語

在壓鑄模的設計中，壓射頭直徑的選擇應引起設計人員的足夠重視。實際應用時，結合壓鑄機進行合理選擇，應用p-Q2圖這一工具能夠快速、準確地來選擇一個合適的壓射頭直徑，為后續(xù)確定內澆道截面積奠定一個良好的基礎。

另外，還要強調的是，壓射頭直徑和澆道面積的正確設計是獲得優(yōu)質鑄件的必要條件，除此之外，還要合理控制內澆道厚度，做好澆口位置、澆道的幾何形狀、排氣槽、溢流槽等設計工作。