跟大咖学设计 · 第25期 | 大吨位季军！钢铁艺术队作品详解

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第三届全国“适创杯”模具设计挑战赛大吨位组季军团队——重庆东科模具钢铁艺术队，围绕一款2000T电控箱体模具展开设计，从产品风险识别、浇排迭代、温控匹配到结构细节优化，形成了一套兼顾气密性、表面质量与量产稳定性的方案。

本期内容，就让我们一起来拆解钢铁艺术队的设计思路。

>>回顾大赛题目，了解产品情况

01设计展示

模具整体展示

浇排设计展示

该产品尺寸约为415x525.5x152mm，体积为1704.41cm³，质量为4601.91g，平均壁厚为3mm，最大壁厚为15.77mm。铸件总体积为7806.05cm³，其中浇道体积为1183.21cm³。

从设备匹配看，团队按 58MPa 的压射比压进行初选，计算得到所需锁模力约为 2000T；产品投影面积约 1715.49 cm²，总铸造投影面积约 2621.29 cm²，有效料管长度 880 mm，料管充满度约 32.7%，冲头直径选为 130 mm。

在工艺取舍上，团队将工艺出品率控制在 48.3%，通过适当加大浇道与渣包来提升产品合格率，对于这类气密要求高的大吨位产品，这种取舍是值得的。

02设计思路

钢铁艺术队判断，这款产品真正的难点并不在于整体壁厚，而在于其工艺属性：冷却水道区域需要通过摩擦焊实现密封，同时还要满足气密测试要求，一旦发生泄漏，就可能引发电控系统短路，严重时甚至带来安全风险，因此这一部分是整个产品最重要的控制区域。

与此同时，产品中部存在一处较高的凸台，顶部带有螺纹孔，属于卷气和温度异常都较为敏感的区域。侧面三处接插安装台区域厚大，又处在喷涂盲区，容易形成热节、粘模和拉伤问题。

在此基础上，团队对产品局部结构做了针对性优化。团队对部分R角和拔模方向进行了调整，使局部加工面在后续机加工后更容易去除毛刺，从而减少清理和打磨工作量。

同时，针对多处内腔搭子与侧壁距离较近的位置，提出通过连接筋避免早期开裂和掉肉的优化思路。

这些调整幅度虽然不大，但体现出团队在前端设计中的基本判断：对于大吨位电控产品，产品优化不能只考虑脱模和成型，还要把后续加工、清洁度和长期稳定性一并纳入考虑。

■ 浇排系统

在浇排设计上，团队进行了比较完整的迭代。

浇排迭代思路

最开始，曾尝试从关键水道区域方向进料，希望优先兼顾最重要的功能区，但模拟结果显示，远端和中间区域成型效果不理想，而且主冲刷会直接作用于关键水道区域，早期冲蚀风险较大；随后又尝试从大面横向进料，但顶部区域和中间孤岛区域仍然难以兼顾。

浇排迭代思路

最终，团队采用了短边主进料 + 两侧辅助流道补充的方案，并在第三版基础上继续迭代至第六版，逐步把卷气压力、气体含量和温度控制到技术要求范围内。

浇排定版方案

结合流道设计计算，冲头面积为130mm，冲头截面积为13273.39mm²，浇口截面积总和为884mm²，速度比为15，团队确认该方案基本遵循截面积递减原则，速度比控制在合理范围内。

流道设计计算及校核

经过PQ²图验证，工作点落在工艺窗口的中间位置，表明模具与压铸机的匹配性合理，工艺范围宽裕。

在模拟分析结果上，团队主要从气体含量、缩孔缩松、热节和温度场几方面进行判断。定版方案中，局部气体含量最高约为 21.84，大部分区域控制在 15% 以下，关键部位约在 10% 左右。

智铸超云-气体含量仿真结果

缩孔缩松最大位置约为 118 mm³，且远离泄漏风险较大的区域。

智铸超云-缩孔缩松仿真结果

热节在既定开模、压射和冷却时间下不会引发表面粘模。

智铸超云-热节仿真结果

各内浇口平均速度基本处于 40~60 m/s 范围内，整体符合设计预期。

内浇口平均速度分析

■ 温控系统

在温控设计方面，钢铁艺术队先对无冷却状态下的温度场进行了分析，再根据热点和低温区布置冷却与局部加热。整体思路是通过温差管理改善成型一致性：例如，团队刻意让远端上方区域温度略高、下方温度略低，以利于产品充型。

动模冷却                           静模冷却

而针对中间伸出较长、模拟后温度只有 165℃ 左右的镶块，则专门设置了油温加热，避免深腔区域因温度过低而成型困难。

滑块冷却

从热平衡结果看，增加冷却后，模具温度梯度明显降低，温度波动变小；传感器监控也表明，有冷却和无冷却状态之间存在显著差异。

温度监控传感器分析

除温度外，团队还做了变形与顶出力分析。结果显示，型腔局部最大变形约为 0.22 mm，实际整体变形可控制在 0.3 mm 以内；顶出力模拟结果约为 521 kN，低于2000T设备 650 kN 的顶出能力，说明模具与设备匹配是合理的。

应力变形分析

03设计亮点

总体来看，钢铁艺术队这套方案的亮点，在于围绕关键风险区域，把材料、温控、排气、喷涂和结构保护组合起来，形成了一套更适合大吨位电控箱体的系统化设计方案。

Ø 亮点一：静模水道关键区域采用镶拼，并使用高导热材料。水道一旦发生粘模或拉伤，就可能提升后续泄漏风险。

通过局部镶拼，团队不仅提高了关键区域的可维护性，也借助高导热材料降低了粘模和拉伤的可能性，从源头上减少了泄漏风险。

Ø 亮点二：对局部温度过低区域增加油加热。在模拟中，团队发现中间箱块区域因突出较长、喷涂影响明显，温度偏低，不利于成型。因此，在该处采用局部油加热进行补偿。

Ø 亮点三：深腔卷气问题通过3D打印内排气并连接真空来解决。针对深腔螺纹孔区域的卷气风险，团队采用了3D打印内排气结构，并与真空系统相连，以有效减少深腔区域的气孔问题。

这一设计既改善了局部排气效果，也避免了深腔区域因排气不足带来的质量波动。

Ø 亮点四：针对喷涂盲区增加模具内喷涂。滑块背面区域虽然从模拟结果看温度和热节并无明显异常，但实际生产中属于喷涂盲区，容易引发粘模。

为此，团队在模具结构中加入内喷涂，使原本正面喷不到的位置得到补充保护，从而保证产品表面质量。

Ø 亮点五：冷却水布置到推板后方，缩短顶针长度。团队认为，将冷却水布置到推板后面后，可以有效缩短顶针长度，降低顶针弯曲和断裂的风险。

Ø 亮点六：增加推板后限位信号，保护模具安全。团队采用油缸行程开关，在推板上设置后限位信号，一旦拉回故障发生，可以及时避免模具受损。

从整体上看，这套方案体现出的一种比较典型的大吨位模具设计逻辑：在保证关键功能区安全的前提下，通过浇排、温控和结构细节的配合，把原本容易在后期暴露的问题尽量消化在前端。

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：从设计角度看，这款产品最难的地方主要体现在哪些方面？

钢铁艺术队：这款产品从整体壁厚来看相对均匀，单纯从结构本身判断，并不属于特别难做的类型。真正的难点主要在工艺性上。最重要的是冷却水道区域，这一位置不能出现任何泄漏，否则就可能引起短路，严重时还会带来安全风险。

除此之外，产品中间有一处较高的凸台，顶部带有螺纹孔，这一位置成型和排气都比较困难；侧面几处厚大区域虽然泄漏风险较小，但容易形成热节，也容易因为喷涂盲区出现粘模和拉伤。

适创工程师：为什么最终选择短边主进料，而不是从关键水道区域直接进料？

钢铁艺术队：团队最开始也尝试过从几个不同方向进料。比如曾经考虑从水道区域方向进料，因为这个方向流程最短，也希望优先兼顾关键区域。但模拟之后发现，远端和中间区域成型并不理想，而且如果主流直接对着这个位置冲刷，关键水道区域更容易出现冲蚀、粘模和拉伤。

随后又尝试过从大面方向进料，结果发现顶部区域和中间高位区域依然难以兼顾。最终采用短边主进料，并在两侧增加辅助流道，主要是为了先保证顶部成型，同时兼顾侧面厚大区域的补充填充。

适创工程师：浇口套转角处为什么采用井式强冷方案？

钢铁艺术队：浇口套转角处本身就是一个温度比较高的位置，如果不做针对性处理，局部热量容易积聚，影响开模时间和整体生产节拍。基于这一点，我们在这个位置采用了井式强冷方案，并对浇口套结构做了相应优化，目的就是把这个高温点尽量压下来。

根据模拟结果，优化后该区域温度由约 307℃ 降至 128℃，这样既降低了爆料饼风险，也有助于缩短开模时间，提高整体压铸效率。

适创工程师：为什么你们会特别重视前期计算和模拟？

钢铁艺术队：因为大吨位模具和小吨位模具最大的区别之一，就是容错空间更小。小模具有时某些地方做得不够理想，后续还有调整空间；但大模具一旦某个环节出错，带来的往往就是大件报废或较高的返工成本。

因此，从锁模力、浇口截面积、速度比，到设备匹配和模流验证，每一个环节都必须在前端做扎实。

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钢铁艺术队表示，团队形象地把模流分析称为“第24号机”，因为公司有23台真实的压铸机，模流分析就是第24台。得益于模流分析的精准计算，公司95%的模具都可以做到一次试模成功。通过模流分析，提前识别潜在问题，为方案比选、参数校核和后续现场调试提供依据，从而减少试错成本，提升量产阶段的稳定性与可靠性。