汽車熱衝壓模（mó）具的數字化鑄造技術-鍛壓機床網-數控機床市場網

您現在的位置：鍛壓機床網> 技術前沿>汽車熱衝壓模（mó）具的數字化鑄造技術

汽車熱衝壓模具的數字化鑄造技術

2019-2-15 來源：大連理工大學材料學院作者：李鑫姚山

摘要：針對汽車熱衝壓模具這類具有複雜內腔（qiāng）結構的鑄件提出一種數字化鑄造技（jì）術路線。利用鑄造模（mó）擬技術進行鑄造方案設計；利用 3D 打印技術完成砂型（xíng）(芯)的製（zhì）造；將得到（dào）的砂型(芯)各部分組合後（hòu）進行澆注得到模具鑄坯；利用三維掃描技術對各個環節的產品進行精度檢測。按照此工藝路（lù）線可以（yǐ）對鑄造的各個環節進（jìn）行數字化的控製及調節（jiē），從而得到合格的模具鑄坯。

關鍵詞：熱衝壓模具；3D 打印；鑄造模擬

高強度鋼板代替傳統（tǒng）鋼板可以減少車（chē）身重量，並提高碰撞安全性，實現汽車輕量化。與傳統鋼（gāng）板不（bú）同（tóng），高強度鋼板的成形需要內部帶（dài）有（yǒu）隨形冷卻水道的熱衝壓模具，來保證零件（jiàn）的成（chéng）形（xíng）性要求以及良好的力學性能。

隨形冷卻水道（dào）的走（zǒu）向與模具（jù）型麵的形狀基本一致，且（qiě）中心距離型麵的距離都相（xiàng）同。內部隨（suí）形冷（lěng）卻水（shuǐ）道的成（chéng）功成形（xíng），是（shì）熱衝（chōng）壓模具製造的重點及難（nán）點。目前熱衝壓模具製造工藝中，鑽孔工藝可以加工方（fāng）向不變的直水道，但是很難滿足隨形要求；鑲拚（pīn）工藝對密封提出（chū）很高的要求；鑄造工藝中預埋不鏽鋼管可以得到（dào）隨形的冷卻水道，但是冷卻效果不佳，而預埋（mái）陶瓷芯存在去除工（gōng）藝繁瑣等缺點。3D 打印技術是近幾年非常熱（rè）門的技術，但是受製於打印材料的高成（chéng）本，此項技術在工業生產上並沒有大麵積（jī）應用。

使用 3D 打印技術（shù）打印出普通造型（xíng）方法難以成形的砂型(芯)，對於結構複雜的金屬零件，特別是熱衝壓模具這種（zhǒng）具有（yǒu）複雜內腔結構的金屬零件具有重要意義。

1 、技術路線

以某一款轎車熱衝壓模具（jù）為研究載體，該熱衝壓模具的設計（jì）綜（zōng）合考（kǎo）慮計算機 CAD 參數化建模、熱衝壓及淬火仿真分析、水冷（lěng）模具（jù）管道設計及優化等科學問題。圖 1 為一個典型車身模具鑲塊，該模具具有複雜型麵，由於（yú）隨形冷（lěng）卻水道要跟型麵走向一致且要跟型麵距離相等，所以冷卻水道的結構也比較複雜。

圖 1 鑄（zhù）件的外形結構以及內（nèi）部結構

傳（chuán）統鑄造工藝中，冷卻水道部分需要通過下芯的工藝實現，按照設計要求，每一根水道的（de）形狀結構不盡相同，所以每一根水道的成形都需要設（shè）計相對應的（de）芯盒來實現，工藝比較繁瑣複雜。由於砂芯比較細，單根砂芯很容易發生偏移而造成（chéng）最（zuì）後成形的水道與設計出現偏差。在汽車熱衝壓模具的數字化鑄造工藝路線中（zhōng），首（shǒu）先對模具鑲塊（kuài）進行鑄造方案設計，此部分包括鑄件分析、澆冒口設計以（yǐ）及分型設（shè）計；將得到分型各部分進行（háng）切（qiē）片處理得到（dào）打印數據，將打印數據傳輸到3D 打印設備中進行（háng）加工製作得到相應的砂型(芯)；對砂型（xíng）(芯)進行鑄造前處理，將（jiāng）各部分按照分（fèn）型設計組（zǔ）合（hé）後進行澆注試驗；其中在各個加工製造過程（chéng）中，使用三維掃描儀對各部分得到的產品，包括砂型（xíng）(芯)以（yǐ）及最（zuì）後得到的（de）鑄坯進行掃描（miáo），然後進行精度評價（jià）。圖 2 為整個工藝（yì）流（liú）程圖。

圖 2 數字化鑄造工藝路線

2 、鑄造方案設計優化

2.1 鑄件分（fèn）析

由於後期鑄造表麵質量並不能達到模具工作要求，模（mó）具型麵需（xū）要後期機加工，而通過（guò） 3D 打印的（de）砂型澆注得到的（de）鑄坯精度很高，僅需要一次精加工，加（jiā）工餘量不需要很大（dà），取為 3 mm.

本試驗目的是得到一套汽車熱衝壓模具的（de）數（shù）字化鑄造工藝路（lù）線，主要為驗證基於此路（lù）線的模具及其冷卻水道的最後成形，用鑄造高溫性能與模具鋼相似的 35 鋼代替驗證其成形性，鑄造（zào）縮（suō）尺為2.5%。

2.2 澆道與（yǔ）冒口的設計及優化

由於模（mó）具的複雜型麵一側（cè）為將（jiāng）來衝壓的工作麵，所以這個工作麵需要有比較好的鑄造性能，在鑄造（zào）方案設（shè）計時，將這個麵置於底側。采用底注式澆注方案，澆（jiāo）口設計在鑄件的最（zuì）底端。

由於隨形冷卻水道的（de）直徑大約在 10~12 mm，對應的砂（shā）芯直徑也很細，鋼液（yè）澆注時，需要保證（zhèng）鋼液在（zài）上（shàng）升充型的時候要平穩，故采用開放式澆（jiāo）注係統（tǒng），減少鋼液對砂芯的衝擊。

澆道橫截麵的麵積比取∑F直∶∑F 橫∶∑F 內=1∶1.2∶1.5，直澆道為阻流麵（miàn），根據以下公（gōng）式計算阻流麵麵（miàn）積以及澆注時間：

式中，V 為鑄件（jiàn）體積 3 540.05 cm3，A為傳熱表麵積 1781.22cm2，根據式(4)可（kě）得，鑄件模數 M=1.98cm。根據鑄（zhù）件模數，通過查，選取冒口為標準圓柱形冒口，其中直徑高度均為 120 mm。

依據（jù）計算得到的澆（jiāo）注（zhù）係統以及冒口尺寸，鑄造（zào）方案設計如圖 3。將（jiāng）設計的鑄造方案 CAD 數據轉化為有限元網格數據文件後，用 procast 鑄造模擬軟件對鑄造方案進（jìn）行計算

，對澆注係統以及冒口的設計進行校核（hé）。

計算結果最後凝固位置位於冒口內，證（zhèng）明了冒口設（shè）置的合理性，但（dàn）是由於各（gè）部分砂型采用 3D 打印的方案製作，所以冒口的設計並不（bú）需要完（wán）全按照標（biāo）準形狀設計，而可以參照模具（jù）的結構進行單獨設計。由於（yú）此模具呈長條（tiáo）狀，且一（yī）側質量大於另一側（cè），所以設計冒口形狀為腰圓（yuán）形，且腰圓形兩側圓弧並不相等，圓弧半徑較大的一側對應於模具鑄件質量比較大的一側。

圖（tú） 4 中所示，改進（jìn）的鑄造方案中冒口為腰圓形冒口。由於隨形（xíng）水道的直徑比較小，對應的水道芯的直徑也會比較（jiào）小，為了（le）降低澆注時鋼液對砂芯的（de）衝擊，所以要考慮降低鋼液進入（rù）鑄型時的速（sù）度。除了采用全開放的澆注係統外，在內澆道與橫澆道上做一定的緩（huǎn）流設計，而由於采用 3D 打印製作的工藝，並不會因為澆道設計的複（fù）雜而增加（jiā）製造（zào）難度。圖 4所示，改進的鑄造方案設計（jì）中內澆道（dào）與橫澆上有緩流（liú）設計。

圖 5 最後凝固位置

腰圓（yuán）形冒口形狀的設計，可以起到標準圓形冒口相應的補縮作用，圖 5 所示為兩種冒口設計中計算的最（zuì）後凝固位置，以看到（dào）最後凝固位置都位於冒口（kǒu）中。由於腰圓形冒口與模具形狀相（xiàng）對（duì）應，可以減（jiǎn）少冒口質（zhì）量從而提高工藝出品率。通過（guò）比較計（jì）算結果中鋼液流經內澆道時的速度（dù），可以（yǐ）發現在內澆道橫澆道上做緩流設計可以減少鋼液進入鑄件（jiàn）的速（sù）度。

圖 6 鋼水流經內澆道的速度

圖 7 縮鬆縮孔示意圖

圖 8 充型示（shì）意圖

圖（tú） 6 所示為不同（tóng）設計的澆道計算得到的鋼液流經內澆（jiāo）道（dào）的速度。比較兩種設計計算得到縮鬆縮，可以發現改進後的（de）方（fāng）案鑄件內部縮孔縮鬆（sōng）明顯少於初始方案設計。圖 7 所示為縮鬆縮孔計算結果（guǒ）。選定（dìng）改進後的鑄造方案為實驗澆注方案，圖 8所示為不同時間下的充型圖，充型期間比較（jiào）平穩。3 3D 打印鑄型在完成鑄造方案的設計以及校核（hé）優化後，需要對鑄件的陰模進行分型（xíng）設計。由於各個部分采用 3D打印（yìn）工藝進（jìn）行製作，所以分型時並不需要（yào）像傳統砂型鑄造（zào）分型需要考慮的拔模問題。考慮（lǜ）到最後各個砂（shā）型的組合（hé）以及 3D 打（dǎ）印（yìn）設備製（zhì）作（zuò）效率，將鑄件（jiàn）陰模（mó）分成四個部分（fèn）：下型部分（fèn），砂芯部分，冒口部分（fèn），澆注係統部分。圖（tú） 9 為（wéi）鑄件（jiàn）陰模的分型設計。

圖 9 鑄件陰模的（de）分（fèn）型設計

采用（yòng） SLS 法(選擇性激光燒結（jié）法)加工打印各個部分。由於砂芯部分中隨形冷卻水道（dào）芯比較細，打印砂芯不能使用一般的（de）覆膜砂，因此采用強度指標比（bǐ）較高的寶珠砂，可以（yǐ）保證打印成功率以（yǐ）及打印得到砂（shā）芯強度。其他部分（fèn）采用一般砂型所需要的普（pǔ）通覆（fù）膜砂。打印過程中，調整打印設備中激光的掃描（miáo）功率，以及打印設備（bèi）腔體內環境溫度，特別對於砂芯部分，由於結（jié）構比較複雜，在加工時需要對打印參數精確控製。

各部分的加工參數見表 1。將 3D 打印的預成型產品放入烘箱中（zhōng）烘烤以使其強度滿足澆注要求。為了防止在烘（hōng）烤時（shí）發生變形，將砂型周圍埋上細小的玻璃珠。表（biǎo） 2 為（wéi）烘（hōng）烤參數。

圖 10 所示為 3D 打印（yìn）設備打印製作以及烘烤完成的砂芯以及砂（shā）型。打印製作的砂型的尺寸精度直接影（yǐng）響最後得到的鑄件尺寸精度。使用三維掃描儀對打印得到的各部分砂型（xíng）進行掃描測量（liàng），將測量所得的點雲數據與三維 CAD 數據進行精度比對，確定（dìng）砂（shā）型的製作誤差。圖（tú） 11 為砂芯的精度比對結果，可以看出砂芯的整體製（zhì）作誤差在 1.5 mm 以內，根據誤差分布圖以及誤差雲圖顯示結果，隨形水道部分對應的砂（shā）芯製作誤差在0.75 mm 以內，且大部分誤差在0 . 30 mm 以內（nèi）。由於砂芯部分對（duì）應鑄件的隨形水道部分，而最後（hòu）隨形水道位（wèi）於鑄（zhù）件內部無法（fǎ）測量其尺（chǐ）寸精度，所以此時測量（liàng）的砂（shā）芯（xīn）精度可以為最後鑄件內部的隨形水道尺寸精（jīng）度提供參考。

圖 10 砂芯與砂型

圖 11 砂芯精度檢測結果

圖12 模具鑄坯

圖 13 鑄坯精度檢（jiǎn）測結果

4 、澆注及澆注結果

將各部分砂型按照圖 9 的分型（xíng）設計進行組合，組合完成後（hòu）進行澆注，按（àn）照（zhào）之（zhī）前（qián）模擬計算得到的 1 560 ℃的澆注（zhù）溫度進行澆注。圖 12 為澆注得到（dào）的模具鑄坯，使（shǐ）用三維掃描儀對鑄坯進行（háng）掃描後再（zài）進行精度評價。圖 13 所示為鑄坯精度（dù）評價，根據結果發（fā）現鑄坯的整體尺寸誤差大部分集中在 2 mm 以內，工（gōng）作型麵的製作誤差在（zài） 1.2 mm 以內，根據誤（wù）差分布圖分析，大部分誤差在（zài） 0.8 mm 以內。將模具進行剖分操作，一方麵檢（jiǎn）驗其內部水道的成形情況，另一方麵檢測模具內部是否有縮鬆縮孔等鑄造缺陷。

圖 14 為鑄坯剖分結果，根據剖分結果可以看出，內部（bù）冷卻水道完全成形，並沒有（yǒu）水道堵塞的情（qíng）況（kuàng）出（chū）現，且模具內部（bù）不存在鑄（zhù）造缺陷。

由（yóu）於得到的鑄坯尺寸已經接近所需要的模具尺寸，所（suǒ）以鑄坯進（jìn）行相關熱處理及一次表麵精加（jiā）工即（jí）可得到最後的（de）熱衝壓模具。

5 、結論（lùn）

汽車熱衝壓模（mó）具由（yóu）於（yú）內部存在（zài）隨（suí）形冷（lěng）卻水道，生產製作難度很大。本文結合3D打印技術、傳統砂型鑄造技術以及鑄造模擬技術、三（sān）維掃描技（jì）術，提出汽車熱衝（chōng）壓模具的（de）數字化鑄造技術。利用鑄造模擬技術設計優化出（chū）最合適的鑄造方案，通過3D打印技術打印出高精度的砂型，將砂型組合後進行澆注得到高精（jīng）度的鑄坯，在整個過程中，通過三維（wéi）掃描技（jì）術（shù）對各個環節的產品進行精度評價。整個技（jì）術路線中，每個環節都可（kě）以通過數字化控製與調節以保證熱衝壓模具（jù）的成型質（zhì）量。

此種工藝路線對於汽車熱衝壓模具（jù）這（zhè）類內部複雜結構的鑄件成形具有示範意義。

投稿箱：
如（rú）果您有機床行業、企（qǐ）業相關新（xīn）聞（wén）稿件發表，或進（jìn）行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部，郵箱（xiāng）：skjcsc@vip.sina.com

更多相關（guān）信息（xī）

名企推薦（jiàn）

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選萃

| 更多