电钻机壳压铸模的设计制造

qqw123 · 发表于 2010-9-30 10:26

J1Z- SD05-13A电钻是上海日立电动工具有限公司国内市场的主流产品之一。由于这种电钻的机壳零件采用了特种铝合金材料，故在我国华北几东北地区特别受欢迎。目前电动工具机壳材料普遍采用工程塑料，像增强尼龙、增强聚碳酸醋等。在北方寒冷的气候条件下，机壳采用工程塑料的电钻合格产品虽都能承受1.8m以下高度的跌落试验，但由于地域、气候、使用习惯和传统观念的影响，北方用户还是更喜欢机壳采用铝合金材料的电钻。

1产品零件的特点

在J1Z- SD05一13A电钻设计中，设计者充分考虑到工具的用途和操作人员的姿势，机壳采用曲线造型结构。机壳本体上除下方有把持手柄外，还在上方、后方设计了二个辅助手柄安装位置，操作人员在使用电钻时，可以借助辅助手柄增加推顶力。

机壳零件材料采用特种铝合金YOIT,铸件重量0.6kg。机壳上有多处侧孔、侧凹;安装定转子的主体与主手柄、辅助上手柄都成11度斜角;机壳铸件装有螺纹嵌件，实现上部辅助手柄与机壳的螺纹联接(见图2)。

& q/ s6 i- l( B6 x' D5 F; {* ]图1 电钻外观

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图2 电钻外壳示意图

2机壳压铸模设计

2.1传统设计方案

早期类似J1Z一SD05一13A电钻机壳压铸模有用立式压铸机中心浇口进料，型芯、型腔以镶拼为主，这是因为当时的模具加工设备只有车铣刨磨等常规机加工设备，线切割和电火花设备是自已设计制造的土设备。由于设备加工范围和精度的限制，机壳型腔有五大主模块组成(图3)。机壳上部手柄联接处螺纹芯轴安装于动模侧，并配以蜗杆、蜗轮传动系统，合模时，通过蜗杆、蜗轮传动带动螺纹芯前进;当螺纹芯进入型腔后，进行给料压铸;压铸完成，通过蜗杆、蜗轮传动退出螺纹芯，开模顶出铸件。这样设计的模具进行铸件压铸时，必须有专人负责螺纹芯的前进和后退，经济效益当然不能令人满意。

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图3 电钻机壳压铸模结构示意图

2.2现模具结构特点

现在的J1Z- SD05- 13A电钻机壳压铸模(图4)，浇注系统和溢流排气系统作了重大调整，采用卧式压铸机侧浇口反弹式进料，在手柄斜碰面上增设溢流排气槽。模具冷却系统是采取在主型芯、浇口头设置特制冷却水管，利用集中供水块循环，利用自来水，这样对控制尺寸精度起了一定作用。压铸时，螺纹嵌件通过定位轴安装在静模靠近操作者一侧，由静模定位销控制安装位置。压铸完毕后，开模定位轴随铸件一同取出，人工旋出定位轴。这样的工艺应该是比较合理的。

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图4 机壳压铸模三维示意图

当然该模具镶拼件仍然很多，特别是需要碰平的面多达50多处，有些碰面是斜面加曲面，制造上困难还是不少(图5)。

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图5 机壳压铸模装配示意图 + ]4 ?* G0 B8 x
1-静模底板 2-静模板 3-静模型腔垫板 4-溢流槽镶件A 5-溢流槽镶件B 6-静模型芯 7-型芯镶件 8-型腔镶件A 9-主型芯 10-型腔 11-成型推杆 12-动模板 13-动模垫板 14-推杆限位件 15-推杆固定板 16-推板 17-动模底板 18-支承柱 19-手柄型芯 20-手柄管型腔 21-型腔镶件B 22-型腔镶件C 23-限位销 24-嵌件定位轴 25-浇口套 25-浇口头

2.3浇注系统分析

铸件壁厚2.5--4mm，重量0.6kg，加上溢流槽、浇道重量0.18kg,最大投影面积为220cm2。根据铝合金液态时的压铸流速快、填充时间短的特点，通过计算，求出的内浇口截面积为120mm2，因此内浇口厚度设计为1.8mm.

以前的中心浇口或普通侧浇口，液态铝合金在填充时直接冲击型腔内壁，流动方向改变，造成能量损失，延缓填充过程。由于压铸中容易出现飞溅现象，使铝合金填充方向紊乱，造成包裹气泡、表面蜗纹，影响铸件质量。由于直接冲击型腔、型芯内外壁，零件磨损快，缩短了模具寿命。采用反弹式侧浇口(图6)，就可以在一定程度上避免以上的问题。同时，根据铸件机壳和手柄壁厚不均匀的情况，调整进浇口大小和方向，有利于机壳零件的压铸。

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图6 机壳压铸模型芯零件反弹式浇口示意图

3工艺改进

3.1溢流槽和排气槽的设置

机壳铝铸件壁厚不均匀，形状结构复杂且不规则，模具镶件、斜碰面多，因此在液态铝合金的填充过程中产生局部涡流的部位很多，并且铸件容易产生缩孔、冷隔、气泡等缺陷。我们在布置溢流槽时，主要考虑机壳有装配要求的部位、手柄与机壳主体联接处、双耳手柄支架处。考虑到手柄处型腔、型芯是斜碰面，在分型碰面上，就开设在推杆上。

铸件双耳手柄支架处产生缩孔、冷隔、气泡等缺陷的概率最高，而此处正是产品辅助手柄安装部位，产品在使用时手柄机械受力最大。因此，我们在手柄支架的末端布置溢流槽和排气槽。溢流槽采用扁腰槽形，开设方向与液态铝合金填充方向以及模具开模方向一致，末端是排气槽。由于该溢流槽在机壳型腔深处，残留物去除困难，因此我们在没计中考虑，在模具压铸零件达到一定数量后，在压铸机上，模具合模并拆除机床固定静模部分的螺钉。机床开模后，就可以从静模底板中取出溢流槽镶块，人工去除残留物。

( F4 A. F% c, E( ~$ S) K, s图7 双耳手柄处溢流槽示意图

3.2型芯、型腔的冷却

压铸模的冷却问题一般容易被忽视，铝合金在650℃高温状态下，要实现高效快速的冷却当然不现实，但是进行型芯和浇口头局部的冷却可以产生很好的效果。由于机壳头部安装轴承，轴承档尺寸虽然通过机加工来保证，但是铸件局部的不良应力残留，以及模具零件长期受液态高温铝合金冲击所产生的内应力，会逐渐影响到铸件质量。压铸模关键零件冷却也很重要，为了保证零件强度，我们不采用传统冷却水路系统，而是采用特制冷水管(图8)。零件就是一套简单的冷却循环水路，自来水通过我们自制的集中供水块，分配给模具上所有小型冷却水管，冷却水下进上出，对型芯、型腔、浇口头等重要零件进行局部冷却。

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图8 压铸模冷却水管零件示意图

3.3型芯、型腔材料选用与热处理

机壳铝铸件由于原材料、模具温度、压铸时间等因素，机壳零件表面有时会出现熔接痕。随着模具型腔、型芯的磨损，产生过多飞边，使尺寸精度无法保证。因此，必须改进传统的型腔、型芯加工方法。以前，压铸模都要到试模之后，才能进行型腔、型芯零件的热处理。采用这种方法的目的是零件如果出现偏差，便于制造时进行尺寸和碰面的调整和控制。但它明显的缺点是生产周期长，型腔型芯成型部位变形大，尺寸精度无法控制。为了缩短加工周期，型腔型芯材料用美国标准的H13替代3Cr2W8V，采取了型腔型孔预加工，材料热处理后，再进行型腔电火花成型加工。结果，型腔、型芯成型部位变化小，尺寸精度高，模具寿命提高。对于型腔、型芯繁多的碰面，特别是多处的11度斜碰平面，我们都通过CAD/CAM数控加工来保证，一般修整余量控制在0.05mm左右.

3.4模具上设置安全防护板

在压铸铸件时，压铸模型腔型芯承受着巨大的高温和高压。如果模具零件的磨损或分型面铸件残料清除不彻底，高温液态铝合金就可能通过分型面飞溅出来，造成意外事故。J1Z-3D05-13A电钻机壳压铸模静模部分安装了螺纹嵌件定位轴，摆放位置与开模方向成79度的角度，因此机床旁的防护挡板的防护效果显然不理想。如果螺纹嵌件定位轴与模具贴合面出现磨损，压铸时，从这里溢出的液态铝合金就有可能伤及周围的操作人员。如果定位销损坏，螺纹嵌件定位轴就可能随高温的液态铝合金一起飞出，造成重大事故。

为了操作人员的安全，我们在模具上设计了安全防护板。该防护板可以有效地防止可能出现的事故。在模具上设计这样的防护板，不会影响操作人员安装螺纹嵌件定位轴。就是定位销折断，螺纹嵌件定位轴也会滞留在模具内。同时，防护板还可以防止液态铝合金从分型面溢出而飞溅伤人。

4 模具设计制造的并行工程

并行工程是涉及到生产管理、计划调度、物流管理、工艺手段、人员素质等诸多方面的一项系统工程。为了能够顺应世界模具工业的发展潮流，进一步加快新产品开发，公司推出的模具开发并行工程是建立在CAD/CAM软硬件环境基础上，结合了电动工具的行业特点、公司工艺水平。也就是说，利用有限的CAD/CAM资源，采用工装设计和模具制造的并行工程技术，这对于象J1Z一SD05一13A电钻机壳压铸模这样大型而复杂的模具来说，进行多用户设计和制造的并行工作具有特殊的意义。

(l)我们采用的美国PTC公司的PRO / E13版和国际流行的AutoCAD R12软件应该是非常出色的，但它们毕竟属于早期CAD/CAM软件，在许多功能方面存在一定缺陷。PRO/E13版三维实体造型、加工编程功能强大，但是二维出图模块是按美国标准设计的，使用相当不便，二次开发又难度大，费用高。AutoCADRI2虽三维功能较差，但二维出图方便，二次开发容易。公司二次开发的NC数控编程器软件，就是基于AutoCAD R12软件平台。该NC程序通过读取AutoCAD的DXF文件，完成数控线切割3B指令或G指令的自动编程，线切割机床和数控铣床可以根据3B指令或G指令进行零件外形去除加工和零件镶拼配合加工。

(2)由于PRO/E软件所提供的尺寸情度为小数点后6位，在进行机壳这样的复杂三维曲面实体造型中，经常会出现交点无法重合，曲面包容造型无法生成实体情况。曲面的建立和优化常依赖大量的空间坐标点和合理的原始数据，不然就是造型通过，但在加工编程中会出现无法生成加工指令或加工出现过切现象。因此，在初始设计中，如果利用AutoCAD R12具有小数点后16位尺寸精度的产品或铸件图，求出造型所需的坐标点和相关数据，提供给PRO/E件，可以大大加快三维实体造型速度和精度。

(3)在工装设计确定了模具结构、模架类型及尺寸，结构产生成型零件(型腔、型芯)的成型形状后，便可由模具加工工艺员编制NC程序，开始对关键零部件的重要工序进行加工，无需等到模具设计全部完成后才开始加工。而此时，技术人员可以进行模具后续设计，不断完善模具的零部件设计，模具设计和制造周期明显缩短。

我们设计人员在使用PRO/E时，一用PART模块进行实体造型;用ASM模块进行零件装配;用MOLD模块产生模具的型芯和腔体，并设置浇注系统和顶出装置，对模具的开模过程进行干涉校验;用MFG模块进行实体三维数控加工编程;用DREWING模块进行二维模具出图，用于生产工艺编制和存档用图。当然PRO/E还具有自动生成零件明细表和材料成本估算，由于市场模具材料经常波动，技术人员在这一方面信息的获得比较滞后，更新不及时，因此我们仅作为初步的成本预算。

6模具电极加工方式和特点

为了保证模具质量，型腔成型部分制造采用电火花加工，分预加工、石墨电极粗加工、紫铜电极精加工、钳工修整抛光等工序。型腔电极的加工是模具开发的重头，电极的质量事实上决定了模具质量。因此，我们模具电极加工一般都采用工作站PRO/E软件进行数控加工编程，以紫铜精加工电极造型编程最为复杂。紫铜电极我们一般分简单毛坯平铣刀粗加工、平铣刀型体粗加工、球头铣刀型体精加工、局部曲面精加工、局部小刀具清根补偿加工。

7模具设计和制造实际效果

利用PRO/E和AutoCAD软件的优势互补，机壳压铸模采用参数化技术对全部零件进行3D造型，并绘制所有3D模具零件图和电极图，为模具的制造者提供了完整、准确的3D模型。模具设计周期比原设计周期减少了1/2，模具设计工作质量显著提高。利用3D模型进行编制模具零件和电极数控加工程序，并可实现在电脑上进行加工仿真，产生数控加工指令快捷、方便，解决了设计、制造中用传统方法解决的疑难问题，从而大大地缩短了编程时间和制造周期，并有效地提高了模具制造质量。

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