汽車模具鑄造過程及泡沫模制作的探討

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西 柳州 545007）

隨著汽車行業的飛速發展，對汽車模具的開發周期要求越來越短，同時對模具的品質要求越來越高，生產成本越來越低。在開發出短周期、高品質、低成本的模具過程中，鑄造起到了相當重要的作用。所謂鑄造就是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進鑄型里，經冷卻凝固、清整處理后得到有預定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過程。鑄造毛胚因近乎成形，而達到免機械加工或少量加工的目的，降低了成本并在一定程度上減少了時間。因而鑄造是現代機械制造工業的基礎工藝之一。

本文對汽車模具泡沫模的制作流程和制作方法進行了詳細的介紹，并總結了汽車模具機加工時各部位所需的加工余量的經驗值，以期對從事汽車模具行業的工作者，特別是泡沫模制作人員提供參考。

1 鑄造種類及工藝流程

鑄造種類很多，按造型方法習慣上分為：

（1）普通砂型鑄造，包括濕砂型、干砂型和化學硬化砂型三類。

（2）特種鑄造，按造型材料又可分為以天然礦產砂石為主要造型材料的特種鑄造（如熔模鑄造、泥型鑄造、鑄造車間殼型鑄造、負壓鑄造、實型鑄造、陶瓷型鑄造等）和以金屬為主要鑄型材料的特種鑄造（如金屬型鑄造、壓力鑄造、連續鑄造、低壓鑄造、離心鑄造等）兩類。

鑄造工藝通常包括：鑄型（使液態金屬成為固態鑄件的容器）準備；鑄造金屬的熔化與澆注；鑄件處理和檢驗，鑄件處理包括清除型芯和鑄件表面異物、切除澆冒口、鏟磨毛刺和披縫等凸出物以及熱處理、整形、防銹處理和粗加工等。

汽車模具常用的鑄造種類為普通砂型鑄造，其工藝流程如圖1所示。

圖1汽車模具鑄造工藝流程圖

2 泡沫模型制作

汽車模具鑄造的質量有很大程度上取決于泡沫模型的制作。如何才能做出符合要求的泡沫模型，一般步驟可分為：數據預備、著色、放縮水量、做加工余量、分層、CNC程序的設計、CNC程序的加工、粘貼修整、檢查出庫。

2.1 數據預備

在加工前要對所獲得的數模進行認真分析，對不同軟件進行數據轉換所造成的數據丟失應進行確認和修復。在一般情況下，泡沫模型數據的屬性應該是實體，所以，在進行其他制作前須把所得數據通過曲面縫合等方式轉換成實體屬性。

2.2 著色

認真分析、研究模具圖紙，從圖紙上提取模具加工面與非加工面信息，并對所獲得的信息進行回納、分類，作好相應記錄。對加工的面比如型面、導板面、鑲塊安裝面等進行著色，以便做加工余量的確認。

2.3 放縮水量

由于泡沫與鐵水冷卻的收縮率不同，所以要對泡沫模型放一定的收縮量△X。泡沫模型放的收縮率△X根據所澆鑄填充的材質不同而有所不同。如鑄鐵，需要對泡沫模型整體進行（1+△X）即（1+11/1 000=1.011）縮放，鑄鋼需要對泡沫模型整體進行（1+△X）即（1+20/1 000=1.02）縮放。

2.4 做加工余量

根據上述對加工面所做的顏色，比如導板、鑲塊安裝面等外形比較規則的面做加工余量處理。加工余量可以參考圖2.

圖2加工余量

2.5 分層

由于受加工機床、刀具等因素的限制，泡沫加工首先要對3D模型進行分層處理。分層處理在整個CNC程序編制與加工過程中至關重要。分層時要盡可能少，以保證各個單元層粘合后模型的精度，還要盡可能少的產生窄槽、負角等難加工或者不能夠加工的幾何體。

2.6 CNC程序的設計

做NC數據前，對分割好的模型分別設定主負坐標，記錄加工方向和加工基準，采集模型的幾何外型尺寸，確定所需泡沫毛坯規格。泡沫材質不同于鋼鐵等金屬材料，材質十分疏松，況且泡沫模座多由25~40mm筋板構成，相比相同壁厚的鋼鐵材質的模具，強度低，在加工過程中，由于難以承受刀具切削所產生的擠壓力，很容易造成部分薄壁泡沫損壞，所以要求切削刀具刃口要鋒利、轉速高、進給不能夠太快。

2.7 CNC程序的加工

在加工時須對下列各項進行確認，它是控制產品質量的最后一個環節，其過程包含：

（1）加工范圍，判定留量區域；

（2）加工余量的確認；

（3）刀具的長度和刀具大小的確認。

根據前面的加工信息，為了便于指導加工，需把這些必要的信息提供給現場數控加工職員，在CNC指導書中，需要包括程序名、刀具類型、刀具幾何參數、加工留量、切削參數范圍、加工完畢的模型檢測文件等。

2.8 粘貼、修整

粘貼、修整就是把分層加工的泡沫模型用粘貼劑粘貼成一個完整的模型，修整掉飛邊、分縫等缺陷，粘貼模型編號、材質等鑄字內容。

2.9 檢查、出庫

泡沫模型制作完成后，用白光掃描等設備對泡沫模型和3D設計模型進行檢查，檢查合格后，就可以出庫并發鑄了。

3 鑄造工藝

3.1 埋沙

所謂埋沙是指把制作好的泡沫模型放入沙箱，用鑄造沙填充、緊實，并留出澆鑄系統的過程。埋沙所用型沙是由原砂和粘結劑組成，必要時，還加入各種附加物。原砂是耐高溫材料，常用的是含SiO2較多的硅砂。常用的粘結劑有粘土、水玻璃等。型砂應具有以下性能：透氣性、強度、耐火度、可塑性、退讓性。上述性能要求是最基本的，有時又是互相矛盾的，因此，要求型砂具有良好的綜合性能。生產中常采用砂子、粘土（常用膨潤土）和水等經混制而成的粘土砂。為滿足透氣性、型砂中還可加入鋸末、煤粉等。

3.2 澆鑄

將熔化的液態金屬注入鑄型的過程，稱為澆注。澆注不當，可能會使鑄件產生氣孔、冷隔、澆不足、縮孔等缺陷。澆注前應做好現場準備工作，如選好澆包、清理場地等。臨澆注時，要扒去金屬液面上的熔渣，以免其進入鑄型。澆注時，要合理掌握澆注溫度和澆注速度。對復雜件、薄壁件，澆注溫度要高，澆注速度要快，而對簡單件、厚壁件，則正好相反。

3.3 落沙

鑄件澆鑄結束即開始在鑄型內冷卻，冷卻到一定溫度就需要開箱落沙。鑄鐵開箱落沙的溫度一般按以下原則控制：一般件為300~500℃；易冷裂、變形件為200~300℃；易產生熱裂的鑄件為800~900℃；鑄鋼件的開箱落沙溫度一般控制在200~450℃范圍。鑄件經過落沙，鑄件外部型沙基本剝離，部分潰散性的型沙也都留在落沙系統上。但型沙落沙往往都不徹底，特別是潰散性差的沙芯，需要經清沙除芯工序處理。

3.4 熱處理

鑄件的熱處理就是為了消除粗大晶粒及內應力等缺陷而采用的必要工藝。現在汽車模具的制造周期越來越短，沒有時間讓鑄件進行半年甚至更久的時效處理，為了避免加工后變形，影響模具的精度，往往會對鑄件進行回火處理來消除內應力。

4 結束語

經過以上的程序后，鑄件再經過檢測合格后就能轉入機加工了。到此模具完成了由3D數模到實體的轉變，邁出了模具制造的第一步。隨著現代機械化、自動化、智能化的水平越來越高，高新技術在模具制造中運用得越來越廣泛，數控革命時代已經到來，使泡沫模型制作越來越精確，鑄造的精度也隨之提高。再加上模具的數控加工，特別是5軸數控機床的廣泛應用，對模具的制造周期和質量都起到了決定性作用，時間就是金錢，搶先一步就能壓倒很多競爭對手，如何能快速的制作出高質量、短周期的模具，在這一領域還有很多技術題目需要我們進一步探索、研究。

[1]王文清.鑄造工藝學[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]崔振鐸.金屬材料及熱處理[M].長沙：中南大學出版社，2010.

[3]楊 玻，何正君，蔚孝華.汽車模具鑄造件泡沫模型的CNC加工[J].汽車制造業，2006，(9)：66-68.