摘要:模具是注塑成型工艺的一个组成部分，也是铸造工业的重要组成部分。设计思路和技术方案与模具的整体质量息息相关，决定了砂芯及铸件的质量。因此，铸造模具设计应该得到铸造企业的高度重视。本文从铸造的角度，对铸造模具设计，特别是冷芯盒模具设计和模具各部件设计进行了详细的研究，以期用于模具制造前的设计工作。 关键词:砂型铸造；模具设计；制造工艺
经过多年的不断发展，铸造模具质量有了明显提高，但整体自主创新能力仍然不足，且欠缺足够的竞争力。另外，大多数铸造模具设计师在铸造领域缺乏经验，也没有设计铸造工艺的能力，开发出来的模具很多不能满足铸件的实际生产需要， 铸造企业经常需要根据各种生产情况修改模具，于是铸造企业不得不培养自己的模具设计人员并改进模具设计，铸造工艺设计和模具设计的紧密结合是模具质量保证的前提，也是铸造企业追求创新需要大力推行的重要过程。
1铸造企业要培养模具设计工程师
即使在今天，仍有部分铸造企业完全依赖模具供应商提供生产所需模具，这样做会让铸造企业不用在模具的设计和制造上投入过多的精力，但是，它会给铸造生产带来很多隐患，后续的优化更改花费大量时间和费用。如果模具供应商开发的模具不符合所制造铸件的技术要求，铸造企业将不得不进行许多更改和优化，如模具的射砂系统、砂芯固化系统、浇注系统等重要细节，以后也会经常进行复杂的更改。基于以上原因，铸造企业需要培养自己的模具设计工程师。模具设计工程师可以兼顾铸造工艺设计，这样做的好处是使设计的模具更接近铸件的实际生产，减少或避免新铸件开发的后续修改，提供更全面的模具技术，从而可以成功开发新产品。由于模具制造需要投资大量的加工设备，也需要大量的模具技术人员。所以，作为一家铸造企业，可能没有自己的模具制造设备，但需要有自己的铸造工艺设计师和模具设计师，以确保模具工艺的可行性和新产品顺利开发。
2铸造工艺设计
2.1分型面的选择
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在砂型铸造中，分型面选择合理可以简化组芯、造型操作，提高生产率，在选择分型面时一般需要考虑以下几个方面：为便于起模，一般分型面应选择在铸件最大截面处，一个截
面无法起模时，局部阻碍起模的形状可做成活块，尽可能减少分型面和活块数量。为使铸件的重要加工面或大部分加工面尺寸波动小，应将其和加工基准面位于同一砂型中。尽量减少型芯数量和便于组芯下芯，减少合型及检验位置，这样可以减少组合位置从而减少披锋。优先采用简单平直分型面，以简化制芯模具的设计制造。 2.2收缩率的确定
当金属在室温下由液态变为固态时，它必须在液态中经历液固收缩和凝固收缩，然后才能从固态冷却到室温。铸件在凝固过程中，它的各部分尺寸一般都要缩小，铸件尺寸缩小的百分率，叫做铸造线收缩率或铸造收缩率。通常，在设计模具时，要按确定的铸造收缩率，将型腔模型放大一些，以保证冷却后铸件的尺寸符合要求。铸造收缩率要结合实际情况来选择，尺寸要求精确的铸件，铸造收缩率要根据后期试制的铸件进行修正。同一个铸件，由于结构上的差异，其长、宽、高三个方向的收缩率可能不一致，对于尺寸要求较精确的铸件，各个方向应给以不同的收缩率。在实际生产中，一般的铸件，特别是尺寸不大的铸件，各个方向都用同一收缩率，这样便于模具的设计及加工制造。对于砂型铸造，收缩率的选择主要取决于造型设备、合金类型、铸件形状和砂质等因素。常见铸件收缩率的
选择：中小型灰铸铁铸件一般取1%，中型与大型铸件取0.9%；高强度铸铁取1~1.5%；球墨铸铁取1%。
3铸造工艺模拟分析
如果条件允许，可以使用华铸CAE、Magma、Flow 3D等铸造模拟分析软件对设计的浇注系统进行模拟分析。分析可以清楚地识别浇注和凝固过程中的实际状态。除了铸造缺陷的位置和大小外，还可以多次调整浇注系统的形状和大小，进行多次模拟分析。最后，可以在设计模具之前确定最佳浇注系统，以尽量减少生产后铸件批量质量问题造成的经济损失。
一些形状比较复杂的砂芯，为确保射芯饱满，有条件的应进行射砂仿真，通过模拟射芯进行分析，调整射嘴、排气塞的位置或大小，进行一到三轮的优化重复仿真，直到获得比较理想的砂芯质量效果。
4模具设计制造的关键要求
4.1模块材质及要求
口罩成型机模具设计工程师需仔细考虑模具设计和材料选择，使材料能够满足所设计模具的模具强度、硬度、磨损、韧性和疲劳要求。其中铸造模具主体模块材质及要求如表1所示。
表1铸造模具主体模块材质及要求
序号 | 材质 | 牌号 | 力学性能要求 | 应用范围 |
1 | 铸铁 | HT250 | 毛坯的附铸Φ30试棒抗拉强度≥250MPa, 模样工作面硬度≥180HBS； | 用于试制模具并使用寿命要求不大于2万次的模具，批量不大，质量要求不高的冷热芯盒 |
2 | 铸铁 | QT500-7 | 抗拉强度≥500MPa, 模样工作面硬度≥170HBS。 | 仅用于镶块式芯盒的基体框，不作为形成砂芯、铸型表面的材料。 |
3 | 模具钢 | P20 | 处理后表面硬度：HRC28~34 | 用于对砂芯质量要求较高并大批量生产的冷芯盒模具。模具质量好，比铸铁的耐磨性能大幅提升，生产使用次数可达25万次，价格适中，性价比较高。 |
4 | 模具钢 | H11 | 处理后表面硬度：HRC 37±3 | 比P20耐磨性更高，用于砂芯质量要求较高。耐磨性及使用次数要求更高的模具 |
5 | 模具钢 | 酚醛模塑料 H13 | 处理后表面硬度：HRC 37±3 | 比H11性能更好，强度及耐磨性非常高，用于质量要求极致的模具，价格较高。 |
| 石墨电极加工 | | | | |
在射砂过程，射嘴穿过芯盒的射砂孔，是芯砂从射头快速进入芯盒的通道。 射嘴布置要求如下：（1）射嘴布置在砂芯的厚大位置；（2）砂流难进入的狭窄、凹窝、拐角位置，必须考虑布射嘴，周边的射嘴布置向这些位置靠近；（3）尽量布置在平面位置，局部曲面、斜面或圆角位置需考虑填成平面再布射嘴；（4）在开阔平面上，射嘴布置的间距按100mm～180mm，砂芯越厚大布置越密；（5）砂芯配合面的射嘴的边缘与铸件面距离一般按≥5mm；（6）射嘴布置不能正对下芯盒的凸起筋条或装配的针棒等模样；（7）芯腔浇注系统模样上不布射嘴，且射嘴距离浇注系统模样≥10mm；（8）当一个砂芯的组合面有浇注系统时，其对应组合的砂芯的组合面在浇注系统范围内不布置射嘴（避免披锋漏修被铁液冲进铸型造成铸件缺陷）；（9）位置足够，一般优先选用较大规格的射嘴。
4.3排气塞布置要求
（1）芯腔的凹窝及角落位置、射砂过程气流对冲位置、凸起模样背对射嘴的位置，必需布排气塞；（2）局部不能填高或填平的狭小位置需考虑从背面布φ15以上大排气塞；（3）芯腔浇注系统模样上一般不布置排气塞，但滤网座模样在上芯盒时在中间布置1个排气塞，
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在下芯盒时不布置排气塞；（4）局部凹窝凹槽或尖角位置需考虑填高或填平再布排气塞；（5）凹窝及角落的排气塞按边缘距侧壁根部3mm左右布置；（6）开阔平面上，排气塞与排气塞、顶芯杆或射嘴的间距按60mm~100mm，砂芯越厚大布置越密；（7）砂芯配合面排气塞的边缘与铸件面距离一般按≥5mm；（8）上下芯盒分型配合面一般不布置排气塞和排气通道，局部狭小形状布不下排气塞或需加强排气时，可在分型配合面开0.1mm深，10mm宽的排气通道；（9）气缸体芯盒轴承座位置、气缸盖进气道导杆凸台位置不布置排气塞；（10）一般优先采用φ15的排气塞，其次可选φ12/φ10/φ8/φ6/φ5的排气塞，优先选用大规格的。对于厚大砂芯的芯头平面可采用φ18或φ20的排气塞.电动汽车动力
4.4 顶芯杆布置要求
（1）布置在芯盒的深凹位置；（2）考虑全部或大部分布置到非铸件面上，铸件面尽可能不布或少布；（3）布置在平面位置，局部曲面、斜面或圆角位置需考虑填成平面再布顶芯杆，不能填平则尽量布在较平坦位置；（4）在开阔平面上，顶芯杆布置的间距按180mm～250mm；（5）芯腔浇注系统模样上不布顶芯杆，且顶芯杆距离浇注系统模样边缘≥10mm；（6）砂芯非铸件面的顶芯杆的边缘与铸件面距离一般按≥5mm；（7）属于铸件
加工定位的对应芯腔位置不得布置顶芯杆；（8）当一个砂芯的组合面有浇注系统时，其对应组合的砂芯的组合面在浇注系统范围内不能布置顶芯杆；（9）一般每个砂芯顶芯杆数量≥3根，顶芯杆布置位置连线应是多边形而不能是一条直线；（10）一般最大采用φ16的顶芯杆，位置足够优先选用较大规格的顶芯杆。
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