跟大咖学设计 · 第24期 | 小吨位季军-大象队作品详解 原创

汇聚优秀作品，直面模具设计大咖！适创科技【跟大咖学设计】专题内容，定期邀请模具设计精英分享方法与经验，为压铸及模具行业从业者开启设计新视野。

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小吨位产品通常外观质量要求高、产品尺寸要求高，在进行模具设计时更专注精密制造与浇排系统优化，十分考验选手结合产品结构特点对易变形尺寸的把控能力。

第三届全国“适创杯”模具设计挑战赛小吨位组参赛团队——郑州日新精密机械有限公司大象队，在模具细节上做足功夫，设计双螺旋冷却水路、3D打印内冷镶件、增加排水防尘、增加快换机构等，既保证了品质，也方便生产维护，在不大幅增加成本的基础上，使工艺出品率达到64.9%。

本期内容就让我们一起来解读他们的设计作品。

>>回顾大赛题目，了解产品情况

01设计展示

模具整体展示

设计展示

该产品尺寸约 237.92×170.61×300 mm，产品体积约 624 cm³，质量约 1655 g，基本壁厚约 2.7 mm，平均壁厚约 3.22 mm，局部最大壁厚达 15.32 mm。

模具整体体积约 961465 mm³，其中浇道体积 171582 mm³，渣包体积 151513 mm³，出品率达到 64.9%。根据模具尺寸，锁模力需求约 5095 kN，冲头直径 Ø80 mm，匹配 580T压铸机，压室充填率约 38%。从参数上看，这是一个需要在小吨位范围内追求效率与质量平衡的典型案例。

02设计思路

浇口位置直接影响产品分型的选择，在浇口位置的设计中，团队首先明确了四项原则：一是流程尽量要短，最长流动距离基本控制在550mm以内；二是浇口位置要接近并且完全覆盖产品的重要和风险区域；三是去除方便；四是尽量设置在壁厚区域。

智铸超云-粒子追踪仿真结果

基于以上原则，团队确定的产品分型方案如图所示：

产品分型的选择

■ 浇排系统

在浇排系统的设计方面，团队共进行了五版方案设计与迭代。从下表可以看到，每一次优化，产品的卷气压力都得到了明显改善。

浇排迭代思路

到第五版方案，根据模拟仿真结果，整个流态相对平稳且没有出现明显的卷气现象。同时，经过浇道截面积计算，冲头截面积5026.5mm²，浇口截面积总和349mm²，速度比为5026.5÷349=14.4，流道基本遵循截面积递减原则，浇道设计合理。据此，确定第五版方案为定版方案。

定版浇排方案-气体含量仿真结果

进一步模拟分析，卷气压力结果显示高压区域主要集中在末端渣包位置，整体气孔风险较低；气体含量百分比锁定在10%以内。

智铸超云-卷气压力仿真结果

智铸超云-气体含量仿真结果

充填时间方面，金属液充填到浇口附近位置的时间点为0.154s左右，直到产品充填完成时的时间在0.204s左右，产品区域的充填时间在0.045s左右，对比壁厚特征来看，相对合理。

智铸超云-充填时间仿真结果

充填温度方面，初始温度为670℃，充填结束末端的位置为645℃，温差25℃，基本无冷隔流痕风险。

智铸超云-充填温度仿真结果

智铸超云-液流追踪仿真结果

此外，从流量统计的结果来看，各浇口的流量百分比与浇口截面积百分比基本比较契合；内浇口平均速度理论值为40m/s，实际各个浇口的平均速度在30-47m/s之间，处于相对温和的工艺参数区间内，对减缓模具的冲蚀效果较好；在整个充填过程，未出现明显氧化夹杂情况。

智铸超云-氧化夹杂仿真结果

■ 温控系统

在温控系统方面，团队在无冷却的前提下，对产品的低温区和高温区进行了锁定。随后根据CAE仿真结果进行温控系统设计，设置线冷却、点冷却以及加热管道。

经过15次热平衡循环后，根据传感器对比数据，在凝固阶段有无冷却的温度相差50度以上，整体冷却时间缩短1-2秒。

对比缩孔缩松结果看到，增加冷却系统后，缩孔体积明显降低，其他位置缩孔同样有所改善。

冷却前（左）后（右）缩孔缩松结果对比

同时，通过温度场对比分析可以发现，未加冷却时模具存在明显热点，而优化后温度分布趋于均衡，从而提升了成型稳定性。

■ 结构优化

针对产品存在的孤岛风险区域，团队采取以下方案来优化产品结构：一是增加工艺筋，方便气体排出以及增加强度；二是增加低筋，以提升使用强度并优化导流作用；三是增加/增大R角，减少产品开裂风险。

增加工艺筋

下图展示的是原始三维与变形后的三维轮廓对比（放大20倍），其中灰色是原始三维模型，有颜色的是模拟变形后的三维模型。可以看出，变形后的模型有往中间收缩的趋势。

根据智铸超云应力仿真结果，下图红色圆圈区域变形问题较大。针对该问题，团队提出三种解决方案。一是增加结构筋，增加产品强度，减少变形风险；二是增大拔模斜度到2-3°，降低开模拉出变形风险；三是在上述建议的基础上，通过后期变形校正。

增加结构筋

03设计亮点

总体来说，大象队的设计方案在多个关键细节体现出可参考的工程价值。

Ø 亮点一：3D打印内冷镶件。将浇口冲蚀易损位置制成钨钢材料3D打印镶件，并增加随形内冷，既能够较大程度保证模芯寿命，同时也带来了很大的维护便利性。

Ø 亮点二：双螺旋冷却水路。通过浇口套螺旋水路的设计，可以稳定浇口套温度，改善冲头在推动铝液高速运动过程中的稳定性、确保产品的品质与生产的稳定性，延长料套使用寿命。

Ø 亮点三：滑块延时开模。上下模开模15mm后，滑块开始移动，防止产品受力不均产生开模变形。

Ø 亮点四：排水防尘。为模具增加防水，防尘以及防飞铝等，一方面增加安全性，另一方面起到稳定生产的作用。

Ø 亮点五：顶针板位置检测。防止顶针未回到位滑块就动作造成模具损坏，团队在模具加装行程开关，行程开关安装板可微调。

Ø 亮点六：3D砂型打印-铸造支架。采用砂型3D打印铸型，可快速制造、设计自由度高、材料利用率高且成本相对较低。

总的来看，大象队的方案体现出较强的前期优化意识与细节把控能力，在保证质量的同时，兼顾了稳定生产、模具寿命与成本控制。

04技术研讨

在赛后的作品交流中，适创科技工程师团队与获奖选手再次针对作品中的技术点进行了探讨，以下记录了技术探讨过程中的部分亮点内容。

适创工程师：该产品在设计上的难点主要体现在哪些方面？

大象队：从产品本身来看，它最薄处只有1.6mm，基本壁厚2.5mm，整体是适合压铸成形的，难点在于对外观和尺寸的要求比较高。一方面，薄壁区域与滑块侧更容易出现变形，对尺寸控制要求高；另一方面，产品还存在孤岛区域、深腔区域，容易带来困气、拉模等风险。再加上产品后续还有较高的表面质量要求，我们的前期方案必须把产品结构优化、浇排方向、排气路径和后续加工风险放在一起综合分析判断。

适创工程师：你们觉得团队的这套方案最突出的亮点是什么？做得好的地方在哪里？

大象队：我们认为，方案最核心的亮点是从设计前端就把量产稳定性放在优先位置。后续生产过程的稳定性、产品品质以及交期保障都必须提前考虑，所以无论是铸造过程中的风险，还是后续加工中可能出现的缺陷，尽可能都会在前端设计中进行预判和规避。同时，我们团队强调成本控制，更看重“最实性价比”，在满足图纸、性能和使用要求的基础上，我们力图让质量、寿命与成本达到更平衡的状态。

适创工程师：在顶出设计中，为什么选择半圆形顶针，而不是常见的方形异形顶针？

大象队：我们更看重顶出系统在长期生产中的稳定性。相较于方形顶针，半圆形或圆形顶针在铸造过程中不容易出现卡滞、拉伤等问题，对模具结构和生产过程的影响也更小；而方形顶针由于本身带有尖角和棱边，发生卡顿后更容易损伤模具、影响生产效率。对于局部狭窄或薄壁区域，我们会通过增加工艺台、设置顶杆座等方式，来解决放置空间不足与防顶破的问题。

适创工程师：浇口套位置采用的是螺旋冷却水路，这种螺旋水路通常怎么加工？

大象队：这类结构一类可以通过3D打印实现，但成本相对较高；另一类则可以通过金属粉末成形、拼接加特殊热处理等工艺完成，成本可能低于直接3D打印。可以根据成本和加工条件选择更合适的实现方式。

适创工程师：回到模具结构本身，你们在结构细节上还做了哪些重点优化？

大象队：在模具结构部分，我们重点强化的是长期量产中的稳定性和可维护性。比如，在型芯位置增加快换和防退缩机构，避免长时间使用后发生微小位移，保证尺寸精度和模具安全；同时，在模架上增加排屑漏油孔槽、防尘板及位置检测机构，用于处理离型剂积水、杂质进入以及顶针未复位就触发滑块动作等问题。我们做这些细节，是希望模具在现场长期生产中更安全、更稳定，也更方便维护。

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大象队表示，模流软件在模具设计前期能够有效验证方案、提高设计效率，是必不可少的工具。方案设计的优劣直接关系到后期生产的稳定性与品质稳定性，而模流分析能最大程度地提前发现各类潜在问题，结合专业工程数据判断反馈现场，既缩短了试模周期，也为后期问题快速验证提供了有力支撑。