【摘要】本文从压铸模具及模具相关因素的生产实际出发，优化大型精密压铸模具(铝合金梯级)的压铸工艺，并加以推广应用。
【关键词】大型精密压铸模具;铝合金梯级;工艺优化与应用
本研究的简介：
近几年来随着我国地铁、机场、商场等一系列大型基建项目的高速发展，为铝合金梯级压铸产业的发展和技术进步提供了良好的契机。目前市场上铝合金梯级以 “轻量、刚性强、变形小、噪音低、耐腐蚀性强、装拆方便、安全”等优势占据了超过50%的扶梯市场，越来越多的客户正逐步由不锈钢分体梯级改为铝合金轻质材料的整体梯级，成为了自动扶梯轻量化的主要发展方向。本项目旨在通过对梯级模具的工艺优化来达到提高产品出品率(减少回炉料)及提高生产效率(缩短生产节拍)，从而提升铝合金整体梯级的市场竞争力。
基于梯级体积大，长度宽(1011.2MM)，壁薄(2MM)，总量相对较重(11.5KG)，浇注重量过重(20KG)。本研究的主要优化内容有：
1、浇道的形状选择，根据产品的结构长，必须选择长条形的横浇道保证铝料能同时对型腔进行填充;
2、浇注重量减少，选择最少浇注铝料又能符合正常生产的条件;
3、高精度模具设计与制造，着重于冷却水道特别是分流锥、浇口套入料处的冷却，如冷却不到位将影响到产品中间厚位的内部质量，故模具的水路设计使用超近距离的“V”型和多水路结构;
4、以排气道取代减少集渣包保证足够的排气;
5、调节模具温度的油路设计，采用4台模温机解决模具温度不平衡的问题;
6、采用大型喷雾头和顶针喷涂一次性对模具完成离模剂喷涂，缩短来回走动喷涂的时间;
7、改造机边保温炉，保证铝液温度在10°的公差范围内，从而保证了产品尺寸的稳定性。
本研究综合应用了技术、数值模拟技术、模具温控技术等，对于提升华南地区的大型精密压铸模具技术水平，尤其是铝合金梯级压铸件的研发和生产应用，具有重要的理论和实际意义。
本研究的背景介绍：
在上个世纪八十年代，中国只有几家单位有1000吨以下的压铸机，国内只能制造最大630吨压铸机。而直至九十年代，大部分压铸模具依赖进口，特别是台湾进口居多。到了九十年代末，压铸模具企业的快速发展才真正开始，基本上在280吨至800吨压铸机上使用的压铸模具为主，这时的压铸模具企业无论是从加工设备、检测设备等硬件，还是压铸人才都处于初始阶段，模具制造水平都相对较低。
自2000年开始，随着中国汽车行业开始发展，国内外资企业如力劲公司等压铸企业也开始生产1000吨以上的压铸机。这个期间企业的压铸机基本在1000吨至1600吨，而模具基本上全部是随着设备一同引进，国内很少能够生产。因为国外压铸模具价格较高，个别模具企业加大了投入，开始复制汽车配件压铸模具。在这个过程中，企业加以吸收消化，逐步开始转型，以生产中型压铸模具为主，模具制造水平以及制造能力大幅提高，基本上没有再从国外引进此类模具。
过去的十年到现在，随着国内经济的快速发展，无论是汽车行业，基础设施建设，还是普通的装饰品，都越来越多的采用压铸技术进行制造，大型的、精密的压铸模具显得尤为重要。这时候的压铸企业已配置从2000吨到3800吨，甚至4500吨的压铸机。一套模具的重量也由几吨，到十几吨，甚至上百吨。随着国内对于大型精密压铸模具的需求越来越大，市场竞争日趋激烈，模具制造价格也必然降低，造成对制造模具的水平要求也越来越高，制造成本必须大幅降低。
总的来说，无论是国内还是国内，大型精密压铸模具的市场前景广阔，谁能把握住机遇，谁就能做大做强。而我们所能做的，就是以最切合实际的、最先进的模具实用工艺来指导大型精密模具的发展方向，从而提高大型精密模具的制造水平，模具使用质量，模具管理水平。
本研究的详细技术内容：
一、大型精密压铸模具的特点为：
1、大型：模具体积大、重量大，公差要求高、镶件的配合要求高。以3000吨压铸机配套的压铸模具为例，定模的重量为23000Kg、动模的重量为30000Kg、共计53吨，最大3800mm×1500mm×1200mm，仅产品毛坯的重量就达15Kg至20Kg，模具配套的水冷、油冷等冷却系统最多可达20组，配套的外接设备包括4至6台的模温机、2至4台的冷水机、1台大型的真空机、1台大型的自动取件手、1台大型的自动喷雾机以及其他相关的设备。总的来说，大型模具不仅模具的物理尺寸大，所配套的设施也远远比中小型模具的复杂。
2、精密：压铸模具的产品基本上不再加工或者少再加工，再加工的要求高，外观、尺寸、内部质量等要求很高，都是以0.01mm为单位计量，而模具对于产品的影响可达70%，是重中之重。一套大型模具的镶件数量可达上百，基本上采用的都是间隙配合，所以对模具要求的配合精度、制造质量也很高。因为模具的质量大、尺寸大，造成开合模的运动链较长，动模与定模的配合面更大，料槽、射杆及其他相关模具配件的配合精度要求也很高，所以对于模具的定位精度、运动精度都提出了很高的要求。因为生产时的浇注重量大，从给汤机倒料进入料槽、产品成型到模具开模，期间模具内部之间的能量进行很高的交换，造成热应力大，所以对于模具的制造质量、冷却系统的效率都有很高的要求。
为此，本研究围绕大型精密压铸模具的大型、精密这两个最重要的特性，开展了对其工艺的研究，主要内容如下：
(1)模具设计与加工，主要从模具的冷却系统、排气系统、浇注系统入手，全面满足产品的外观、尺寸、内部质量等性能要求。
(2)压铸工艺的设计与优化，包括选择最合理的压铸工艺参数，不断改进的压铸工艺流程。
(3)模具管理的系统化，包括从新模检点、维修内容、生产模次、报废处理等对模具的全寿命进行全面的跟踪记录。
二、本项目主要解决了以下关键问题：
1、解决提高大型精密模具的尺寸精度问题。
(1)、无论从模具刚上机开始热模生产，还是正常生产过程中，全程都由模温机和冷水机进行控制模具温度。利用4台模温机和2台冷水机，对每一块镶件单独控制。
(2)、采用先进的铝合金溶液精炼控制系统，精确控制熔炼的温度和出料的温度，保证铝料成分的稳定性;采用先进的机边保温炉与人工实时监控的办法，保证铝料进入压室温度的稳定性。
2、解决提高大型精密模具的铸件工艺出品率问题。
以某型奥的斯的重型扶梯梯级为例，通过对浇注系统(分流锥ZL201320190771.2)的优化设计，使该模具的浇注重量由18.6Kg，降低到17.2Kg，工艺出品率提高了7.5%。
图(1)、图(2)和图(3)为上述奥的斯的重型扶梯梯级的分流锥进过优化设计后的实施示意图。
改进后的分流锥，包括分流锥主体1、浇口道2和V字型运水管3，所述分流锥主体1由上部圆锥柱凸台4和下部圆柱基台5构成;所述浇口道2凹陷于上部圆锥柱凸台4圆弧外表面;所述分流锥主体1内部开有V字型运水管3。
浇口道2从上部圆锥柱凸台4顶端向下延伸至上部圆锥柱凸台4和下部圆柱基台5连接处。浇口道2的底面为圆弧凸面，两侧为圆弧凹面。浇口道2包括直浇道和横浇道。所述直浇道位于上部圆锥柱凸台4圆弧外表面，所述横浇道位于上部圆锥柱凸台4和下部圆柱基台5连接处。浇口道2包括底面和两侧面，其中横浇道和直浇道的侧面优选为圆弧凹面;直浇道的底面优选为圆弧凸面，而横浇道的底面优选为平面。上部圆锥柱凸台4与浇口套相配合。
V字型运水管包括入水孔6、出水孔7、入水管8、出水管9和V字型通道10;所述入水孔6、出水孔7开于下部圆柱基台4侧面,分别通过入水管8、出水管9与V字型通道10相贯通。
出入水孔优选为螺纹孔。V字型通道10的顶角位于上部圆锥柱凸台4内部，两端与出入水管连接。
分流锥还包括固定螺丝孔，该固定螺丝孔位于下部圆柱基台的底部，分流锥主体通过固定螺丝孔连接模具动模，可以使用螺栓连接。
3、解决提高大型精密模具的生产效率问题
就上述某型奥的斯的重型扶梯梯级为例，通过对浇注系统(分流锥、浇口套ZL201320190732.2)的优化设计，模具冷却系统的优化，自动喷雾机的优化改造，使模具的冷却时间由26秒减至15秒，减少了42.3%的冷却时间。
图(1)、图(2)和图(3)为上述奥的斯的重型扶梯梯级的分流锥进过优化设计后的实施示意图。详细内容见上述第(2)点“解决提高大型精密模具的铸件工艺出品率问题”
图(4)、图(5)和图(6)为上述奥的斯的重型扶梯梯级的分流锥进过优化设计后的实施示意图。
改进后的浇口套，包括主体方形浇口套1、圆形浇口套2、运水通道3、进水孔4和出水孔5;所述圆形浇口套2套于主体方形浇口套1内;所述进水孔4和出水孔5开于主体方形浇口套1侧面，并与运水通道3的两端连接;所述运水通道3围绕圆形浇口套2设于主体方形浇口套1和圆形浇口套2之间。
优选地，圆形浇口套2通过过盈配合镶嵌于主体方形浇口套1内部。当模架出现偏移时只会引起圆形浇口套2的转动，防止引起主体方形浇口套1的转动，从而延长浇口套的使用寿命。
上述运水通道3由运水直通道6构成，运水直通道6之间首尾相接连通成整个运水通道3;每三段运水直通道6两两垂直连接形成一层，层与层之间通过运水直通道6垂直连接。优选地，运水通道3由十一段运水直通道6构成，其中九段运水直通道6形成上、中、下三层运水通道，上、中层运水通道的一端通过一段运水直通道6垂直连接，中、下层运水通道的另一端通过一段运水直通道6垂直连接。
运水直通道6均有一端在主体方形浇口套1表面上开有一个工艺孔7，该工艺孔7是利用深钻技术钻成的，另一端则留有余量不钻透。所述工艺孔7分布于主体方形浇口套1的多个侧面，其中整个运水通道3两端形成的工艺孔7分别设置为4进水孔和5出水孔，其余工艺孔7则而采用补焊技术密封住。如图(6)所示，进水孔4位于主体方形浇口套1的下部的左上位置。出水孔5位于主体方形浇口套1的下部的右下位置。
优选地，所述进出水孔为螺纹孔。
改进后的浇口套还包括固定螺丝孔10，固定螺丝孔10开于主体方形浇口1表面，共有4个，主体方形浇口套1通过固定螺丝孔10连接动模模具。
4、除了上述的改进模具浇注系统(分流锥、浇口套)，以下还有2个措施，用来提高模具的生产效率。(1)通过外接冷却设备的优化配置，有效提高模具的整体和局部冷却效果。
A、供水水压提高至2.5Kg，配置2台冷水机，提高冷水机的对模具局部的冷却效果。
B、配置4台模温机，提高模具整体的冷却效果，并有效保证模具温度控制在220℃至240℃之内。
(2)通过对自动喷雾机的优化改造，有效降低模具喷涂的时间。
A、使用大型的喷雾机喷头，喷头改为定、动模都分开排水和控水，两侧上排各有8个铜管、下排各有2个铜管(共20个)，增大了喷雾机的一次喷涂面积，从而提高了喷涂效率，降低了喷涂时间。
B、定、动模的吹气分开控制，不需要等到喷雾机喷涂完全完成后再吹气，降低了喷雾机吹气的时间。
C、喷头分为7组电碰阀，有效控制喷雾机的喷涂与吹气。
5、增强大型精密模具的使用可靠性问题。
(1)对模具进行全面的检查，以确保符合生产工艺的要求。
A、对模具冷却系统进行全面检查：标志冷却系统中的油管、水管，防止人为接错;对冷却系统进行试漏工作，防止冷却系统出现漏油、漏水、漏气问题;对模温机、冷水机进行检测与评估，保证符合工艺要求。
B、对模具配件进行全面检查：检查料槽、料套、拉杆/顶棍、模码等，防止因模具配件的磨损而对模具配件本身与模具主体造成进一步的损伤。
C、对模具在生产过程中进行全面检查：检查模具镶件是否出现烧伤、崩缺，顶针是否变形、断裂，防止模具划伤、压伤等。
D、对模具下机后进行全面检查：检查模具镶件、顶出系统、模具配件等是否出现拉伤、崩缺、断裂、变形、凹陷、凸出等。
(2)对模具进行全面的保养与维修工作，简历完善的模具档案。
A、统计模具的生产模次，每达到5000模次进行一次回火处理，减低模具的表面应力效应，提高模具的使用寿命，保证模具的使用精度。
B、建立模具维修保养制度：定期对模具进行精度测量，保证模具的使用质量;定期对模具进行检查与保养，保证模具寿命内的使用质量。
C、建立模具报废处理方案：对达到设计寿命的模具，进行实际情况评估，防止不合理报废和过度使用。
本研究主要的创新点、成果及未来展望
一、本研究的主要创新点
1、本项目针对大型精密模具的全寿命管理，从设计阶段、使用过程到报废处理，进行专业的记录，及时处理各种问题，优化各种要素。
2、采用模具结构的优化设计，提高模具的尺寸精度、模具的铸件工艺出品率、模具生产效率、模具的使用可靠性。
二、本研究的主要成果
1、浇注系统的改良设计，主要是分流锥与浇口套，增强了运水系统的冷却效果，大大缩短了冷却时间：由26秒降低到了15秒，并降低了产品的浇注重量：由18.6千克减少到17.2千克。
2、改良模具温度控制的方式，从以前靠铝料的温度预热模具到现时使用了4台大功率模温机进行控温，甚至用煤气进行加热，使模具温度得以控制，不仅提高了生产效率与成品率，对模具本身的寿命也有了较大的提高。
3、提高排气系统的排气效果，不仅使气孔问题对产品影响降到了最低，还使产品的质量得到了进一步的提高。
4、其他相关工艺的改进，如喷涂器的喷涂效果、机边保温炉的保温效果、压铸工艺的改良、模具管理水平的提高等。
三、未来展望
1、提高扶手梯级的成品率，达到98%以上;
2、重点提高扶手梯级的生产效率，每班(8小时制)，平均达到300件;
3、提高扶手梯级的工艺出品率，提高产品重量的比例;
4、提高模具的管理水平，保证模具的使用质量，提高模具寿命。
