跟大咖学设计·第30期 | 冠军队-实干队作品详解

本案例为第四届全国“适创杯”模具设计大赛——冠军队伍•实干队的参赛作品，团队成员均来自东莞鸿图精密压铸有限公司。

针对此次考题，实干队做了细致地拆解，从产品技术要求到难点与解决思路，从设计方案到模流仿真与可行性分析，均有细致的推导与解决方案，最终产品设计方案在质量、成本、OEE等方面都有突出表现。

实干队通过仿真模拟全面分析与验证、多种设计方案迭代后筛选出了最优设计方案，即采用分型面无滑块抽芯设计，以保障成本可控、加工便利、密封可靠和维护便捷，结合高真空、3D随形冷却、保温熔杯和隔热板等多重先进工艺加持，整体实现长期稳定生产和成本合理可控。

▲实干队答辩现场

01 设计展示

▲模具整体展示

▲浇排设计展示

▲浇排基本信息表

如下表所示，在这套产品方案里，设计出品率是50%，压铸机选用2000T，锁模力要求是18352 KN，压室充填率是41%。使用2000T时模具的中心与压铸机的压力中心基本一致，4个格林柱受力均衡，避免铸件偏心飞料。

▲产品基本信息表

02 难点解析

本次考题是小副车架的压铸替代，产品材质是ALSi10MnMg（高强韧压铸铝合金），要求做T6热处理，同时要求高屈服强度及延伸率：屈服强度≥180Mpa；抗拉强度≥ 250Mpa；延伸率≥ 8%；布氏硬度≥ 65HB。

为满足以上技术要点，团队决定：

调整成分区间，尤其是把镁成分的下限从原本的0.1调整为0.4，保障热处理的屈服强度性能提升；

管控T6热处理，固溶温度480℃，保温1小时，再通过热水冷却至180℃，保温3小时；

采用高真空工艺，真空度控制在50mbar以下。

团队经审慎评估后认为，产品设计主要存在以下四大难点。

1 悬空薄壁结构易变形

如下图所示，产品上有一个悬空的薄壁结构，此处容易产生变形，如果做抽芯则更容易产生变形，这在团队以前的工作中有实例可证。

▲悬空薄壁位置

根据产品结构，侧壁孔有机加工要求，且位于薄壁之上。因此团队决定，在设计方案中选择压铸填平侧壁孔，取消抽芯滑块结构。

如此一来，虽然会增加团队加工工时，但可以获得六大优化收益：避免滑块拉变形风险，控制加工余量；简化模具结构，减少滑块数量；消除侧向分力，降低胀型力，降低吨位；消除滑块分型线，有利于后续外观加工；减少滑块 ，保证密封性，保证真空排气效果；减少开合模时间，提高OEE。

2 内斜孔难设计加工

如下图所示，产品有四个内斜孔，拉高了模具设计与加工困难程度。对于这个问题，团队的解决思路有三个。

▲内斜孔位置

第一，做T槽转向结构。这个方案可以抽出部分针孔，减小缩孔风险，但后退空间不足，且模具结构强度薄弱。

▲T槽转向结构

第二，做斜顶结构。如下图所示，模具斜顶结构与产品在该位置发生干涉，团队可以通过对产品进行加料处理，从而调整产品上与斜顶发生干涉的局部结构，但这样无疑会增加产品重量。这个方案的优点是可以抽出真空，减小缩孔风险。方案缺点是会导致针比较小且容易断，运水分布也会受到比较大的影响，由于要避让顶出距离，斜顶会比较薄且容易产生断、卡的情况。

▲斜顶结构

第三，不预铸孔，而是采用机加工成形。这样一来，模具结构简单、强度好，生产会更稳定，唯一的缺点是该位置的料厚、缩孔风险会加大，但可以用挤压销结构来控制风险，所以在团队看来是可以接受的。

▲挤压销结构

因此，团队经综合评估后，决定采用第三个思路来做设计。

3 易有细密气孔且充填难度大

如下图所示，产品图上的红色面是一个加工大面，容易有细密气孔。同时产品呈上下鞋盒带筋形状，压铸充型时各部位填充不易同步，型腔排气不畅，容易卷入气体，这些气体在T6热处理时受热膨胀，导致铸件表面起泡。团队的解决思路是采用超高真空工艺，以保证卷气情况受控，同时合理设计浇排系统。

▲大加工面位置

4 壁厚不均有缩孔风险

如下图所示，产品壁厚不均匀，有局部厚大位置，箭头所指位置有缩孔风险。团队的解决思路是前期对壁厚处减料，同时采用挤压销结构和3D随形冷却来控制缩孔风险。

▲缩孔位置

03 设计思路

实干队在浇排方案上倾注了大量时间与心力，设计过程逐层分析并多次迭代方案。

1 浇注方案

确定进浇方向

产品要求1模2穴且为非左右对称件，因此团队从四个方向来考虑进浇方向。

▲四个进浇方向

首先，把产品短边所在方向1和方向3做为进浇方向时，模具填充距离长、排位不平衡，不符合压铸工艺要求，因此方向1和方向3不适合做进浇方向。

其次，把长边所在方向2作为进浇方向时，这个铸件面是大加工面，本身带有斜度，动定模分型阻碍进料位置，对于进浇位置选择限制较大，壁厚比较薄，不利于填充和补缩，因此方向2也不适合做进浇方向。

第三，把长边所在方向4作为进浇方向时，分型好布置，壁厚比较厚，有利于填充和补缩，适合做为进浇方向。

综上，团队决定把方向4作为进浇方向后，可以从三个不同位置进料。如果从下方进料，壁厚很薄仅3mm，不利于填充及补缩。如果从上方进料，壁厚较厚，有利于填充及补缩。如果从中间填充进料，填充距离最短，补缩效果最理想。

▲三个进料方向

综合对比之后，团队决定选择从上方和中间进料，并做进一步设计浇道方案。

浇注方案初步设计与模拟筛选

团队分别设计了方案1（上方进料）和方案2（中间进料）两个浇注方案，并进行模拟仿真分析，结果如下表所示。经对比可知，方案2卷气压力风险更低，含气量结果更理想，缩孔表现更好。因此，团队决定选择方案2作为初步浇注方案并继续优化。

▲上方与中间进料浇注方案对比

浇注方案迭代优化与模拟筛选

团队将方案2作为浇注方案V01，将产品由原来的斜置调整为摆正，以简化模具结构；同时调整浇道厚度与角度、增加排气道，并采用产品上下错位排布，使各产品对应的直浇道布置更均衡。在改进优化后， 团队得出了浇注方案V02，并做模拟仿真分析，结果如下表所示。

▲优化前后浇注方案对比

两版方案对比后，团队发现浇注方案V02卷气压力、含气量结果可满足T6热处理需求，缩孔从159mm³降到了39mm³，缩孔风险小。

2 热平衡分析

随后，团队对浇注方案进行了冷却设计。如下图，未设计冷却时，产品位温度为300℃；通过线冷、点冷、运油及3D随形运水等温控系统设定开模温度后，产品位平均温度降至200℃。模肉温度降低后，可减少后续喷涂时间，并提升模具寿命和OEE。

▲设置温控方案前后温度对比

团队开展了10个模次的连续模拟，结果显示未设置冷却的方案直至第6模次才达到热平衡状态，而采用温控的方案在第3模次即已达到热平衡状态。由此可知，增加温控后，模具能较快达到热平衡状态，减少热模时间及冷模次数，整体模温也更低更均衡，模具生产状况更好。

▲设置温控方案前模拟结果

▲设置温控方案后模拟结果

在增加温控和挤压销方案后，产品总缩孔面积从2726.2 mm³ 降到了222.63 mm³，降低12倍，缩孔风险得到控制，也证实了浇注方案最初的预测。

▲增加温控和挤压销后缩孔风险对比

3 浇排方案定版与仿真结果展示

团队最终选择方案V02作为定版浇排方案，在这版方案中，填充情况良好，无明显卷气风险；预结晶、氧化夹杂状况良好；填充温度≥620℃，温降≤20℃；气体含量＜10%；缩孔缩松得到控制。下列图为浇排方案仿真模拟结果展示。

4 综合成本评估

团队所做产品成本计算如下表所示，综合计算后得出综合成本为209元/件。

04 设计亮点

1 质量保障

亮点1：减少直浇道底部填充包卷。在直浇道与横浇道之间，如果用常规设计，容易产生填充盲区，团队依据填充轨迹，采用顺向充填方式，减少填充盲区，消除包卷情况。

亮点2：进料位加R过渡。在进料处，非装配位置加大R角，使金属液填充更顺畅。

亮点3：竖立面增加异形渣包。在常规设计当中，竖立分型面通常不做渣包，但团队经过仿真模拟分析后认为，必须要在竖立分型面设置动定模双层渣包，解决竖立面排气排渣问题。

亮点4：料饼冷料槽，收集预结晶。在料饼设置冷料槽，收集熔杯金属液预结晶，减少其进入产品内部，提高产品机械性能。

亮点5：产品结构减料。调整结构，减料，降低缩孔风险。

亮点6：挤压销。增加挤压销，降低缩孔风险。

亮点7：整体保温熔杯。采用整体式保温熔杯，抑制预结晶的生成。

亮点8：3D随形运水。设计3D随形运水针对性加强冷却，减轻缩孔风险。

亮点9：模具各部位密封。模具各部位增加密封圈，确保抽真空的效果。

2 成本管控

亮点10：模具整体排位合理。模具整体排位简洁，方便加工及后期维护；尺寸经强度计算， 保证强度且避免材料浪费；采用少滑块抽芯设计，上下机操作方便；设计有利于抽真空作业，密封效果稳定可靠。

亮点11：镶拼结构。采用镶拼结构，省材料费、加工费，好配模。

亮点12：分型线披锋。分型线披锋规整，打磨操作简易，极大节省后续工时；分型面为大平面，制作加工及配模方便。

亮点13：浇排一体式冲落。通过一体冲落方式，减少人工作业；浇口残留通过加工方式保证美观。

3 提升OEE

亮点14：隔热板。在定模板上增加了一个纤维增强隔热板，减少磨具温度损失。

亮点15：模肉、模框双重运油。通过模肉快速除湿控温、模框辅助均温的协同运油设计，构建均衡温度场，达到严控气孔并减少披锋，保障T6产品生产稳定性。

亮点16：四芯航空接头。中子开关采用快插结构，减少生产短路引起的维修故障和上机接线时间。

亮点17：模温连动系统。模具设计热电偶，调整油路和水路的开度，通过模温连动系统控制模具的工作温度，提升产品质量和生产OEE。

05 技术探讨

在赛后的作品交流中，适创科技工程师团队与获奖团队探讨了本设计方案中的技术要点，以下记录了本轮交流过程中的部分亮点内容。

适创工程师：产品本身壁厚较厚，为什么渣包体积占比仍然比较高？

实干队：产品在压铸充型过程中排气不畅，所以初期设计时倾向于把溢流做得大一些，用来收集氧化夹杂、冷污金属等冷料，避免这些杂质留在产品内部。最初方案是基于保守原则来设计的，先把渣包做大，后续会再通过优化逐步减小渣包体积。

适创工程师：你们做的3D打印随形冷却，距铸件表面孔的最小距离是多少？模具寿命是多少？

实干队：在极限情况下，例如有些冷料槽的位置，大约只有4~5毫米。模具寿命至少有20000模次。

适创工程师：在这套方案中，溢流口截面积大概是浇口的30%左右，而通常情况下会把溢流口截面积设置在50%左右，根据你们的设计，很可能溢流口截面积小了之后，溢流槽体积反而更大，这会导致溢流效果不太好。为什么要这样设计？

实干队：我们会再核实溢流口截面积占比，如果确实是这个数值，后续会做出改进并继续优化方案。

团队构成与分工

罗国湘，负责项目统筹、结构优化、质量把控；

罗丰源，负责浇排方案迭代、PPT制作；

向奇峰，负责工艺落地、成本管控；

田建辉，负责基础建模、方案初验；

林开立，负责参数校核、温控系统。

东莞鸿图精密压铸有限公司成立于2002年，占地面积为42000平方米，隶属于香港鸿图集团。是一家集精密模具设计、产品研发、智能制造于一体的国家高新技术企业、国家专精特新“小巨人”企业。公司主要生产多类高质量铝合金压铸件，广泛应用于新能源汽车、无人机及具身机器人零部件等，长期为国际龙头企业提供优质产品及服务，其中包括比亚迪、福特、通用、广汽、长城、大众、捷豹路虎、法雷奥、水星、采埃孚等全球知名企业。