壓鑄件結構設計

壓鑄件結構設計是壓鑄工作的第一步。設計的合理性和工藝適應性將會影響到后續工作的順利進行，如分型面選擇、內澆口開設、推出機構布置、模具結構及制造難易、合金凝固收縮規律、鑄件精度保證、缺陷的種類等，都會以壓鑄件本身工藝性的優劣為前提。

1、壓鑄件零件設計的注意事項

⑴、壓鑄件的設計涉及四個方面的內容：

a、即壓力鑄造對零件形狀結構的要求；
b、壓鑄件的工藝性能；
c、壓鑄件的尺寸精度及表面要求；
d、壓鑄件分型面的確定；

壓鑄件的零件設計是壓鑄生產技術中的重要部分，設計時必須考慮以下問題：模具分型面的選擇、澆口的開設、頂桿位置的選擇、鑄件的收縮、鑄件的尺寸精度保證、鑄件內部缺陷的防范、鑄孔的有關要求、收縮變形的有關要求以及加工余量的大小等方面；

⑵、壓鑄件的設計原則是：

a、正確選擇壓鑄件的材料；
b、合理確定壓鑄件的尺寸精度；
c、盡量使壁厚分布均勻；
d、各轉角處增加工藝園角，避免尖角。

⑶、壓鑄件分類

按使用要求可分為兩大類，一類承受較大載荷的零件或有較高相對運動速度的零件，檢查的項目有尺寸、表面質量、化學成分、力學性能（抗拉強度、伸長率、硬度）；另一類為其它零件，檢查的項目有尺寸、表面質量及化學成分。

在設計壓鑄件時，還應該注意零件應滿足壓鑄的工藝要求。壓鑄的工藝性從分型面的位置、頂面推桿的位置、鑄孔的有關要求、收縮變形的有關要求以及加工余量的大小等方面考慮。合理確定壓鑄面的分型面，不但能簡化壓鑄型的結構，還能保證鑄件的質量。

⑷、壓鑄件結構的工藝性：

1)盡量消除鑄件內部側凹，使模具結構簡單。
2)盡量使鑄件壁厚均勻，可利用筋減少壁厚，減少鑄件氣孔、縮孔、變形等缺陷。
3)盡量消除鑄件上深孔、深腔。因為細小型芯易彎曲、折斷，深腔處充填和排氣不良。
4)設計的鑄件要便于脫模、抽芯。
5）肉厚的均一性是必要的。
6）避免尖角。
7）注意拔模角度。
8）注意產品之公差標注。
9）太厚太薄皆不宜。
10）避免死角倒角(能少則少)。
11）考慮后加工的難易度。
12）盡量減少產品內空洞。
13）避免有半島式的局部太弱的形狀。
14）太長的成形孔，或太長的成形柱皆不宜。

壓鑄件零件設計

⑴、壓鑄件的形狀結構
a、消除內部側凹；
b、避免或減少抽芯部位；
c、避免型芯交叉；合理的壓鑄件結構不僅能簡化壓鑄型的結構，降低制造成本，同時也改善鑄件質量。
⑵、壁厚
壓鑄件的壁厚對鑄件質量有很大的影響。以鋁合金為例，薄壁比厚壁具有更高的強度和良好的致密性。因此，在保證鑄件有足夠的強度和剛性的條件下，應盡可能減少其壁厚，并保持壁厚均勻一致。鑄件壁太薄時，使金屬熔接不好，影響鑄件的強度，同時給成型帶來困難；壁厚過大或嚴重不均勻則易產生縮癟及裂紋。隨著壁厚的增加，鑄件內部氣孔、縮松等缺陷也隨之增多，同樣降低鑄件的強度。壓鑄件的壁厚一般以2.5～4mm為宜，壁厚超過6mm的零件不宜采用壓鑄。推薦采用的最小壁厚和正常壁厚見表1。

壁厚處的面積a×b（cm2）	鋅合金		鋁合金		鎂合金		銅合金
	壁  厚  h  （mm）
	最小	正常	最小	正常	最小	正常	最小	正常
≤25	0.5	1.5	0.8	2.0	0.8	2.0	0.8	1.5
＞25～100	1.0	1.8	1.2	2.5	1.2	2.5	1.5	2.0
＞100～500	1.5	2.2	1.8	3.0	1.8	3.0	2.0	2.5
＞500	2.0	2.5	2.5	4.0	2.5	4.0	2.5	3.0

最大壁厚與最小壁厚之比不要大于3：1（應設計壁厚均勻，保證足夠強度與剛度的前提）。

壓鑄件壁厚度（通常稱壁厚）是壓鑄工藝中一個具有特殊意義的因素，壁厚與整個工藝規范有著密切關系，如填充時間的計算、內澆口速度的選擇、凝固時間的計算、模具溫度梯度的分析、壓力（最終比壓）的作用、留模時間的長短、鑄件頂出溫度的高低及操作效率；

a、零件壁厚偏厚會使壓鑄件的力學性能明顯下降，薄壁鑄件致密性好，相對提高了鑄件強度及耐壓性；

b、鑄件壁厚不能太薄，太薄會造成鋁液填充不良，成型困難，使鋁合金熔接不好，鑄件表面易產生冷隔等缺陷，并給壓鑄工藝帶來困難；

壓鑄件隨壁厚的增加，其內部氣孔、縮孔等缺陷增加，故在保證鑄件有足夠強度和剛度的前提下，應盡量減小鑄件壁厚并保持截面的厚薄均勻一致，為了避免縮松等缺陷，對鑄件的厚壁處應減厚（減料），增加筋；對于大面積的平板類厚壁鑄件,設置筋以減少鑄件壁厚。

1)壓鑄件壁厚與性能有關。

2)壓鑄件壁厚影響金屬液填充型腔狀態，最終影響鑄件表面質量。

3)壓鑄件壁厚影響金屬料消耗及成本。

在設計壓鑄件時，往往為保證強度和剛度的可靠性，以為壁越厚性能越好；實際上對于壓鑄件來說，隨著壁厚增加，力學性能明顯下降。原因是在壓鑄過程中，當金屬液以高壓、高速的狀態進入型腔，與型腔表面接觸后很快冷卻凝固。受到激冷的壓鑄件表面形成一層細晶粒組織。這層致密的細晶粒組織的厚度約為0.3m左右，因此薄壁壓鑄件具有更高的機械性能。相反，厚壁壓鑄件中心層的晶粒較大，易產生內部縮孔、氣孔，外表面凹陷等缺陷，使壓鑄件的機械性能隨著壁厚的增加而降低。

隨著壁厚的增加，金屬料消耗多，成本也增加。但如果單從結構性計算出最小壁厚，而忽略了鑄件的復雜程度時，也會造成液態金屬充填型腔狀態不理想，產生缺陷。

在滿足產品使用功能要求前提下，綜合考慮各后工序過程的影響，以最低的金屬消耗取得良好的成型性和工藝性，以采取正常、均勻的壁厚為佳。

⑶、鑄造圓角

壓鑄件各部分相交應有圓角（分型面處除外），使金屬填充時流動平穩，氣體容易排出，并可避免因銳角而產生裂紋。對于需要進行電鍍和涂飾的壓鑄件，圓角可以均勻鍍層，防止尖角處涂料堆積。

壓鑄件的圓角半徑R一般不宜小于1mm，最小圓角半徑為0.5 mm，見表2。鑄造圓角半徑的計算見表3。

表2   壓鑄件的最小圓角半徑（mm）

壓鑄合金	圓角半徑R		壓鑄合金	圓角半徑R
鋅合金	0.5		鋁、鎂合金	1.0
鋁錫合金	0.5		銅合金	1.5

表3  鑄造圓角半徑的計算（mm）

相連接兩壁的厚度	圖例	圓角半徑
相等壁厚		rmin=Kh rmax=Kh R=r＋h
不等壁厚	?	r≥（h＋h1）/3 R= r＋（h＋h1）/2

說明：①、對鋅合金鑄件，K=1/4；對鋁、鎂、合金鑄件，K=1/2。

      ②、計算后的最小圓角應符合表2的要求。

壓鑄件上凡是壁與壁的連接，不論直角、銳角或鈍角、盲孔和凹槽的根部，都應設計成圓角，只有當預計確定為分型面的部位上，才不采用圓角連接，其余部位一般必須為圓角，圓角不宜過大或過小，過小壓鑄件易產生裂紋，過大易產生疏松縮孔，壓鑄件圓角一般取：1/2壁厚≤R≤壁厚。

圓角的作用是有助于金屬的流動，減少渦流或湍流；避免零件上因有圓角的存在而產生應力集中而導致開裂；當零件要進行電鍍或涂覆時，圓角可獲得均勻鍍層，防止尖角處沉積；可以延長壓鑄模的使用壽命，不致因模具型腔尖角的存在而導致崩角或開裂。

圓角可使金屬液流動順暢，改善充型持性，氣體容易排出。同時，避免尖角產生應力集中而導致裂紋缺陷。

特別是壓鑄件需要電鍍處理時，圓角對于保證其良好的電鍍效果是十分必要的。

⑷、拔模斜度

設計壓鑄件時，就應在結構上留有結構斜度，無結構斜度時，在需要之處，必須有脫模的工藝斜度。斜度的方向，必須與鑄件的脫模方向一致。推薦的脫模斜度見表4。

表4  脫模斜度

	合金	配合面的最小脫模斜度		非配合面的最小脫模斜度
		外表面α	內表面β	外表面α	內表面β
	鋅合金	0°10′	0°15′	0°15′	0°45′
	鋁、鎂合金	0°15′	0°30′	0°30′	1°
	銅合金	0°30′	0°45′	1°	1°30′

說明：①、由此斜度而引起的鑄件尺寸偏差，不計入尺寸公差值內。

      ②、表中數值僅適用型腔深度或型芯高度≤50mm，表面粗糙度在Ra0.1，大端與小端尺寸的單面差的最小值為0.03mm。當深度或高度＞50mm，或表面粗糙度超過Ra0.1時，則脫模斜度可適當增加。

斜度作用是減少鑄件與模具型腔的摩擦，容易取出鑄件；保證鑄件表面不拉傷；延長壓鑄模使用壽命，鋁合金壓鑄件一般最小鑄造斜度如下：

鋁合金壓鑄件最小的鑄造斜度
外表面	內表面	型芯孔（單邊）
1°	1°30′	2°

為了順利脫模，減少推出力、抽芯力，減少模具損耗，在設計壓鑄件時，應在結構上有盡可能大的斜度。從而減少壓鑄件與模具的摩擦，容易取出鑄件，也使鑄件表面不被拉傷，保證表面光潔。

⑸、加強筋

加強筋的設置可以增加零件的強度和剛性，同時改善了壓鑄的工藝性。

但須注意：

① 分布要均勻對稱；

② 與鑄件連接的根部要有圓角；

③ 避免多筋交叉；

④ 筋寬不應超過其相連的壁的厚度。當壁厚小于 1.5mm時，不宜采用加強筋；

⑤ 加強筋的脫模斜度應大于鑄件內腔所允許的鑄造斜度。

一般采用的加強筋的尺寸按表5選取：

	壁厚	t≤3	t＞3
	t1	t1=0.6t～t
	t2	t2=0.75t～t	（0.4～0.7）t
	高度h	h≤5t	（0.6～1）t
	最小圓角r	r≤0.5mm
	最小圓角R	R≥0.5t～t
	（t—壓鑄件壁厚，最大不超過6～8mm）

大于或等于2.5㎜，會降低抗拉強度，易產生氣孔，縮孔。

設計原則：1、受力大，減小壁厚，改善強度。

          2、對稱布置，壁厚均勻，避免縮孔氣孔。

          3、與料流方向一致，避免亂流。

          4、避免在肋上設置任何零部件。

筋的作用是壁厚改薄后，用以提高零件的強度和剛性，防止減少鑄件收縮變形，以及避免工件從模具內頂出時發生變形，填充時用以作用輔助回路（金屬流動的通路），壓鑄件筋的厚度應小于所在壁的厚度，一般取該處的厚度的2/3~3/4。

壓鑄件傾向采用均勻的薄壁，為了提高其強度和剛性，防止變形，不應單純用增加壁厚的方法，而應采用適當的薄壁加強筋達此目的。

加強筋應對稱布置，厚度均勻，避免新的金屬堆聚。為減少脫模時的阻力，加強筋應有鑄造斜度。

⑹、壓鑄孔和孔到邊緣的最小距離

1）鑄孔

壓鑄件的孔徑和孔深，對要求不高的孔可以直接壓出，按表5。

表5  最小孔徑和最大孔深

孔徑 合金 類別	最小孔徑 d（mm）		最大孔深（mm）				孔的最小斜度
	一般的	技術上可能的	盲孔		通孔
			d＞5	d＜5	d＞5	d＜5
鋅合金	1.5	0.8	6d	4d	12d	8d	0～0.3%
鋁合金	2.5	2.0	4d	3d	8d	6d	0.5 % ～1%
鎂合金	2.0	1.5	5d	4d	10d	8d	0～0.3%
銅合金	4.0	2.5	3d	2d	5d	3d	2 % ～4%

說明：①、表內深度系指固定型芯而言，,對于活動的單個型芯其深度還可以適當增加。

      ②、對于較大的孔徑，精度要求不高時，孔的深度亦可超出上述范圍。

鑄件的孔應盡量鑄出，這不僅可使壁厚均勻，減少熱節，節約金屬，而且可節省機加工工時。

壓鑄件可壓鑄出的孔的最小尺寸和深度，受到形成孔的型芯在型腔中的分布位置的制約。細型芯在抽出時易彎曲或折斷，因此孔的最小尺寸和深度受到一定限制。其深度應帶有一定斜度，以便于抽芯。

對于壓鑄件自攻螺釘用的底孔，推薦采用的底孔直徑見表6。

表6  自攻螺釘用底孔直徑（mm）

	螺紋規格d	M2.5	M3	M3.5	M4	M5	M6	M8
	d2	2.30～ 2.40	2.75～ 2.85	3.18～ 3.30	3.63～ 3.75	4.70～ 4.85	5.58～ 5.70	7.45～7.60
	d3	2.20～ 2.30	2.60～ 2.70	3.08～ 3.20	3.48～ 3.60	4.38～ 4.50	5.38～ 5.50	7.15～7.30
	d4	≥4.2	≥5.0	≥5.8	≥6.7	≥8.3	≥10	≥13.3
	旋入深度t	t≥1.5d

鑄件較為常用的自攻螺釘規格為M4與M5，其采用的底孔直徑如下表：

	d2		d3		t
M4	3.84	0 -0.1	3.59	+0.1   0	10
M5	4.84	0 -0.1	4.54	+0.1   0	20

2) 鑄孔到邊緣的最小距離

為了保證鑄件有良好的成型條件,鑄孔到鑄件邊緣應保持一定的壁厚，見圖2。

b≥(1/4～1/3)t

當t＜4.5時，b≥1.5mm

3) 長方形孔和槽

壓鑄件上的長方形孔和槽的設計推薦按表7 采用。

表7 長方形孔和槽（mm）

合金類別	鉛錫合金	鋅合金	鋁合金	鎂合金	銅合金
最小寬度b	0.8	0.8	1.2	1.0	1.5
最大深度H	≈10	≈12	≈10	≈12	≈10
厚度h	≈10	≈12	≈10	≈12	≈8

說明：寬度b在具有鑄造斜度時，表內值為小端部位值。

⑺、文字、標志、圖案

1)用壓鑄鑄出，應采用凸紋。凸紋高度大于0.3m，以適應模具制造的特點。

2)采用目前開始流行的新技術：“轉移彩膜”，可將彩色的文字、標志、圖案彩膜轉印到壓鑄件表面。

3)壓鑄出鑄件后，用激光在鑄件表面打出文字、標志、圖案，可以打出非常細微的文字。

例:平行紋（直紋）高0.7MM﹐間距1MM﹐角度60.5。外徑Φ34.5mm 共104牙。

⑻、收縮率

收縮率通常稱為縮水。它是指合金由液態凝固為固態，并冷卻至室溫時尺寸縮小的百分數，可用下式表示：

K=(L模-L件)/L件

式中：L模為模腔尺寸，L件為鑄件尺寸。

收縮率的大小與壓鑄件的結構特點、壁厚、合金的化學成分和工藝因素等有關。鋅合金的線收縮率一般為：自由收縮時取0.6％~0.8％，受阻收縮時取0.3％~0.6％。表5為有型芯的鋅合金壓鑄件不同壁厚時的線收縮率參考值。

⑼、螺紋

1)外螺紋可以鑄出，由于鑄件或模具結構的需要，采用兩半分型的螺紋型環時，需留有0.2~0.3mm加工余量。可鑄出的最小螺距為0.75mm，最小螺紋外徑6mm，最大螺紋長為螺距的8倍。

2)內螺紋雖然可以鑄出，但要通過使用機械裝置轉動壓鑄模中的型芯，使模具結構更復雜，而增加成本。所以一般先鑄出底孔，再由機械加工成內螺紋。

合金	最小螺距（P)	最小螺紋外徑		最大螺紋長度
鋅	0.75	外	內	外	內
		6	10	8P	5P
鋁	1	10	20	6P	4P

⑽、齒輪

齒輪可以鑄出，鋅合金壓鑄齒輪最小模數m為0.3。對要求高的齒輪齒面應留有0.2~0.3mm的加工余量。

⑾、表皮

鑄態零件其外表面有致密的激冷表皮層比鑄件其它部分有較高的力學性能。因此設計者應避免機械加工去掉鑄件表皮致密層，尤其是對要求耐磨的鑄件。

⑿、嵌件

壓鑄件內采用嵌件的目的：

① 改善和提高鑄件上局部的工藝性能，如強度、硬度、耐磨性等；

② 鑄件的某些部分過于復雜，如孔深、內側凹等無法脫出型芯而采用嵌件；

③ 可以將幾個部件鑄成一體。

設計帶嵌件的壓鑄件的注意事項：

①　嵌件與壓鑄件的連接必須牢固，要求在嵌件上開槽、凸起、滾花等；

②　嵌件必須避免有尖角，以利安放并防止鑄件應力集中；

③　必須考慮嵌件在模具上定位的穩固性，滿足模具內配合要求；

④　外包嵌件的金屬層不應小于1.5～2mm；

⑤　鑄件上的嵌件數量不宜太多；

⑥　鑄件和嵌件之間如有嚴重的電化腐蝕作用，則嵌件表面需要鍍層保護；

⑦　有嵌件的鑄件應避免熱處理，以免因兩種金屬的相變而引起體積變化，使嵌件松動。

當設計要求將不同材料的零件組合成一個部件時，可采用插入件壓鑄，先把嵌件裝放到壓鑄模型腔內，然后在嵌件周圍壓鑄成形鋅合金部件。

⒀、功能組合

在進行產品設計中，降低成本最有效的方法是將幾個零件組合成一個壓鑄件。圖4是一個設計典范，原設計的部件由一個鋼沖壓件和兩個帶螺紋的機加工鋼件組成。新設計是一個壓鑄件。

⒁、壓鑄件的加工余量

壓鑄件由于尺寸精度或形位公差達不到產品圖紙要求時，應首先考慮采用精整加工方法，如校正、拉光、擠壓、整形等。必須采用機加工時應考慮選用較小的加工余量，并盡量以不受分型面及活動成型影響的表面為毛坯基準面。

推薦采用的機加工余量及其偏差值見表8。鉸孔余量見表9。

表8  推薦機加工余量及其偏差（mm）

基本尺寸	≤100		＞100～250		＞ 250 ～400		＞ 400 ～630		＞ 630 ～1000
每面余量	0.5	+0.4 -0.1	0.75	+0.5 -0.2	1.0	+0.5 -0.3	1.5	+0.6 -0.4	2.0	+1 -0.4

表9  推薦鉸孔加工余量（mm）

公稱孔徑D	≤6	＞6～10	＞ 10 ～18	＞18 ～30	＞30 ～50	＞50 ～60
鉸孔余量	0.05	0.1	0.15	0.2	0.25	0.3

機加工余量一般取0.3～0.5mm。

3、壓鑄件的公差等級與精度

一般壓鑄件精度為IT11級；高精度壓鑄件為ITl3級。

壓鑄件公差等級CT：4~6(見表8)。

精密壓鑄件的尺寸分類由產品圖要求的合理性，壓鑄技術保證的可能性，實現批量生產的經濟性這三方面考慮，從壓鑄毛坯到成品零件的全過程來擇定各個尺寸公差。通常認為，精密壓鑄件也應當對同一個鑄件上的各種尺寸，按照壓鑄達到各個尺寸公差數值等級的不同而區分為3種類型，即一般尺寸、嚴格尺寸和高精度尺寸(見圖5)。

4、鎂-鋁-鋅合金壓鑄成本和性能對比

壓鑄類型	合金材料價格/噸浮動對比	合金比重	壓鑄件成本對比
			單位毛坯件重量	單位毛坯件材料成本	表面處理單位成本	氣體保護成本	壓鑄耗材成本	單位壓鑄件成本價(不含表面處理成本)
鎂合金壓鑄	1.4~1.7萬	1.8	100g	1.4~1.7元	增加10~40%	0.06~0.1元/模次	0.1~0.2元/模次	1.56~2.00元/個
鋁合金壓鑄	1.8~2.5萬	2.68	148.9g	2.68~3.72元	裝飾件同上 結構件無	無	低于鎂合金	2.68~3.72元/個
鋅合金壓鑄	2.8~3.8萬	7.1	394.4g	11.04~14.99元	裝飾件同上 結構件無	無	低于鎂合金	11.04~14.99元/個

備注: 鋁、鋅合金結構件可以不作表面處理，但裝飾件表面處理成本與鎂合金一樣。

SF6氣體價格：8000元/瓶（50公升），24小時開機可用半年；氮氣：22~32元/瓶，可用12小時。

物理性能數值比較
材料名稱		比重 g/㎝3	融點 ℃	導熱系數W/mk	抗拉強度Mpa	屈服板限Mpa	延伸率 ％	抗拉強度與比重之比	楊氏模量GPa
鎂合金（壓鑄成形）	AZ91	1.82	596	72	280	160	8	154	45
	AM60	1.79	615	62	270	140	15	151	45
鋁合金（壓鑄成形）	380	2.70	595	100	315	160	3	117	71
鋼鐵	碳素鋼	7.86	1520	42	517	400	22	66	200
塑料	APS	1.03	90(Tg)	0.2	35	*	40	34	2.1
	PC	1.23	160(Tg)	0.2	104	*	3	85	6.7