如何精确设计压铸模具的溢流槽和排气槽？

JHSC0530

压铸模具中的溢流排气系统包括溢流槽和排气槽。为了提高压铸件质量，在金属液填充型腔的过程中，应尽量排除型腔中的气体，排除混有气体和被涂料残余脱模剂、润滑剂污染的前端冷凝金属液，故而需要设置溢流-排气系统。溢流排气系统可以弥补由于浇注系统设计不合理带来的铸造缺陷。

一、正确认识溢流槽和排气槽
压铸模具设计中通常将溢流槽、排气槽和内浇口、横浇道，作为一个整体考虑，但是压铸模具的溢流槽和排气槽的设置目的还是有所区别的：

溢流槽的主要作用是将前端的冷凝金属液推挤至模具型腔外部，以达到良好有序的充填过程；
排气槽的主要功能是将压室、浇道和型腔内的空气和来自润滑剂的气体排出模具，让气体不被滞留在铸件内部。

溢流槽的设计要考虑两个方面：
一是考虑溢流槽在铸件上的具体位置；
二是考虑溢流槽体积的大小。

前者要求模具设计者对型腔内金属液流向的精准把控，此为大方向的预测，后者要求设计人员对金属液溢出量的准确测算，否则会导致模具设计失败。

溢流槽的设计通病：
一是溢流槽开口位置把握不合理；
二是溢流量估计不准确。

即便是位置设计合理，若是体积计算值小了，仍然达不到预期目标。溢流槽要设计在金属液最后到达的地方，并且同时考虑溢出量，计算合理的溢出量可以充分吸纳前端冷凝金属液和被污染的金属液。
  
排气槽应设计在压铸模具的适当位置，同时要考虑适合的尺寸。排气最大的问题是，排气量的把握不准确导致气体被大量困在模具中。

一般情况下，在一套压铸模具设计之初，浇道系统（内浇口和横浇道）可以通过理论公式计算很快确定大致形态（内浇口截面积，横浇道截面积等参数）。而溢流槽通常很难准确做到合理设计，加上排气槽是紧接在溢流槽后面，所以排气槽的位置也就变得扑朔迷离了。

二、利用仿真工具获取准确的设计依据
为了准确获得溢流槽的设计依据，我们可以运用“智铸超云”压铸仿真平台的“多浇口充填”模式，对所设计的浇道系统进行初步仿真充填，从计算结果中可以快速找到金属液最后填充的部位，如图1所示。
（多浇口方案是快速确定大致的最后充填区域，以便先确定溢流槽大致位置，最终确定溢流槽位置还是需要完整的浇注系统来计算确定。）



图1、“多浇口充填”模式的计算结果

经过“多浇口充填”模式的计算，我们可以大致得出每个浇口对应的型腔最后充填区域的大概体积（一般按型腔充填至90%及以后时，金属液还未填充的体积），根据这个体积便可以接近实际的情况设计出足够溢出量的溢流槽。

本例中，计算得出的最大溢出量为40克，如图2示。但是考虑到应让前端冷凝金属液都有足够的容纳空间，我们把最大溢出量乘上1.15-1.2的系数，最终确定的每个溢流槽重量为48克。根据仿真结果便可在图1所示的红线区域添加溢流槽，添加溢流槽后如图3示。



图2、最后充填区域的重量

三、铸件分区以确定溢流槽位置
为了准确计算排气量，压铸模具排气槽可以按照以下步骤计算设计：
1.对铸件进行分区，而分区依据也可以参照“多浇口充填”模式的计算结果，即可初步确定每个浇注段的体积；
2.计算型腔充填时的金属液流量（目的是为了确定内浇口速度及快速充填时间），这个流量可以通过理论计算公式计算得出；
3.以不超过声速（本次选取200m/s）的排气速度来确定总排气槽截面积。

如图3所示，根据每个浇口的位置，我们先对铸件进行分区。



图3、铸件分区

分区完成后，根据预估的金属液流向及充填后期（充型至90%及以后）的形态，设定溢流口的位置，然后将排气槽放置在溢流槽的后面，且在（相邻）浇注分区之间，所以排气面积应该与两个浇注分区的平均体积成比例。如果排气槽位于铸件的一侧，则排气面积应与该侧分区体积的一半成比例。（金属液从相邻两个浇口进料后，会在充填后期形成类似“V”的剩余空腔，而这个“V”形的空腔内的气体排出量是和该处的排气口截面积存在比例关系，也就是说，设置在该处的排气口应负责两个相邻充填区域内的气体排出。）

四、根据分区计算排气槽面积
下面根据图3的铝铸件阐述下排气槽尺寸的具体计算过程。该件用铝量1250克，需要0.058秒的填充时间和43米/秒的内浇口速度。计算出的流量是每秒7.94升(0.00794m³/s)。

可以利用PQ方图来做流量计算：



计算出总的内浇口面积是185平方毫米。按照200米/秒的排气速度。排气槽的面积计算如下：



此处：



如果将排气槽深度确定为0.4mm，则排气槽总宽度为41.625/0.4≈104mm

由于排气槽位于铸件相邻浇注分区之间，因此每个排气槽的大小必须是每个浇注分区段的50%，如下面的表格所示：

表：铸件分区情况


将每个浇注区域的排气槽面积计算确定后，修改铸件浇注系统3D图如图4所示。





图4、修改后的铸件浇注系统

五、“智铸超云”验证
最终确定溢流槽及排气槽后，再次通过“智铸超云”压铸仿真云平台进行计算，从下图“液流追踪”结果中可以看出，溢流槽及排气槽的设计基本符合预期的目的。






图片:“智铸超云”压铸仿真-液流追踪结果

上述计算及设计过程所用铸件较为简单，实际工作中遇到的情况比这要复杂的多得多，但是按照文中所述的设计思路来精心设计，并结合“智铸超云”强大的模拟分析功能，相信会有事半功倍的效果。

伍一兵

CAD. CAM. CAE将是压铸制造的大趋势，近十多年国内发展飞速，离欧美日本还有一定的距离。

174504639

7.94(流量)是怎么算出来的?

落雪

排气槽设置为0.4mm对于集中排气块应该可以，甚至还可以更厚，对于直接在模芯上开的排气槽是不是厚了点，会不会跑水。所以这个0.4是只用于计算演试还是就这么设定

雷群相

都这么详细了，？号应该去掉。

174504639

雷群相 发表于 2020-12-3 00:21
都这么详细了，？号应该去掉。

讲解一下流量是怎么算出来的

yhz0250

174504639 发表于 2020-12-3 23:24
讲解一下流量是怎么算出来的

需要解一个二元二次方程组。