进阶篇：3.3.1）DFM铸造-压铸件设计
本章目的：设计符合压铸工艺的零件，不再犯简单错误，不必再为反复修改模具而烦恼。
1.基础阅读：
①进阶篇：1）DFMA方法的运用；
②需要一台FDM3d打印机:请查看
基础篇：8）结构设计装备必备；
2.压铸的概念
2.1 压铸定义
压力铸造(简称压铸)是铸造的一种,压铸是在高压作用下,使液态金属或半液态金属以极高的速度充填压铸型腔内,并在压力下成形和凝固而获得铸件的方法。
压铸工艺的显著特点是高压、高速和高温。它常用的压射压力从几十到几百兆帕。充填速度约为10~50m/s,有时甚至可达100m/s以上,充填时间很短,一般在0.01~0.2s。压铸熔化金属的温度很高,锌合金的压铸温度为400℃,铜合金的压铸温度可达1000℃。理解压铸工艺的特点有助于设计压铸件来满足压铸工艺的要求。
//就作者看来，压铸和塑胶注射工艺很像，不同点在于注射液从塑胶换成了金属，因此设备的要求也需要变更。但压铸件设计和工艺上很多可以参考注塑件。
2.2 压铸的优点
1)生产效率高,生产过程容易实现机械化和自动化。一般冷室压铸机平均每小时压铸50~90次,而热室压铸机平均每小时压铸400~900次,生产效率高。
2)压铸件的尺寸精度高,表面质量高。压铸件的一般公差等级为GB 1800-2009中的IT13~IT15,较高的精度能达到IT10~IT11,表面粗糙度Ra为3.2~1.6μm,局部可达0.8μm。正因为压铸件的高尺寸精度和高的表面质量,要求不高的压铸件可以直接使用,避免机械加工或者少采用机械加工,提高了合金的利用。
率,节省了大量的机械加工成本。
3)压铸件的力学性能较高。金属熔体在压铸型内冷却速度快,又在压力下结晶,因此在压铸件靠近表面的一层晶粒较细、组织致密,强度和硬度都较高。
4)可压铸复杂薄壁零件。压铸件可以具有复杂的零件形状,同时零件的壁厚可以较小,铝合金压铸件的最小壁厚为0.5mm,锌合金压铸件可以达到0.3mm。
5)压铸件中可嵌铸其他材料的零件。这样可以节省贵重材料和加工成本,并可以获得形状复杂的零件和提高零件性能,减少装配工作量。
2.3 压铸缺点
1)压铸件中容易产生气孔。由于压铸时金属熔体以非常高的速度充填模具型腔,而且模具材料又没有透气性,一般的压铸方法生产的压铸件容易产生气孔。由于气孔的存在使得压铸件不能通过热处理的方法提高强度以及在高温下使用;同时零件的加工余量不能太大,否则会去掉压铸件表面的硬化层,使得表层附近的气孔露出压铸件表面。
//气孔是压铸的固有缺点，几乎无法避免，设计之初就要考虑。
2)不适宜小批量生产。压铸型复杂、成本大,所以一般仅适合于较大批量的生产。
3)压铸高熔点合金时模具寿命较低。有的金属(如铜合金)熔点很高,对压铸型材料的抗热变形和热疲劳强度的要求很高,模具使用的寿命比较低。目前压铸件的材料主要是铝合金、锌合金和镁合金等,黑色金属很少使用压铸的方法加工。
2.4 压铸独特优势
与其他制造方法加工的零件相比,压铸件具有其独特的优势:
1)与钣金件相比,压铸件的零件形状可以更加复杂,零件的壁厚可以变化个压铸件可以代替几个钣金件,从而简化产品结构。
2)与塑胶件相比,压铸件在强度、导电性、热传导性和防电磁辐射等方面均有优势。
3)与机械加工零件相比,压铸件重量轻、加工成本低。
4)与其他铸造方法相比,压铸件产品尺寸精度高、表面质量好、生产效率高。
正因为上述压铸件的优点和独特的优势,使得压铸件目前应用越来越广泛,在笔记本电脑、手机、照相机、汽车、摩托车等很多产品中扮演着很重要的角色。在这些产品中,压铸件作为时尚、环保、人性化和创新的卖点出现在消费者面前,消费者也非常认可这样的产品。随着压铸技术的发展,压铸件一定会得到更为广泛的应用。
2.5 压铸（Die Casting）工艺
3.压铸件设计指南
本章将详细介绍压铸件设计指南,在满足产品功能的前提下,应合理设计压铸件,简化压铸型结构,降低压铸成本,减少压铸件缺陷和提高压铸件零件质量。由于注射加工工艺来源于铸造工艺,因此压铸件设计指南在某些方面和塑胶件设计指南非常相似。
3.1 零件壁厚
3.1.1 合适的零件壁厚
压铸件壁厚是压铸件设计时最重要的参数之一。压铸件壁厚与熔化金属的流动性、压铸件的质量、力学性能以及成本都有很大的关系。
压铸件壁厚太薄,压铸时充填困难,容易出现充填不良。压铸件壁厚太厚,容易出现内部晶粒粗大,产生缩孔、气孔等缺陷,同时外表面产生凹陷,使得压铸件力学性能下降。
薄壁铸件致密性好,相对提高了铸件强度及耐压性。另外,壁厚太厚增加零件重量和浪费过多金属,造成成本增加。一般来说,压铸件的零件壁厚不应该超过5mm。
合适的零件壁厚是指零件壁厚不能太薄,同时零件壁厚不能太厚。这里的零件壁厚是指在零件上任一区域的壁厚。铝合金、锌合金、镁合金所能达到的最小壁厚和合适壁厚推荐值见表5-4。
如果零件局部区域壁厚太厚,应当使用掏空的设计使得零件整体壁厚均匀,这样既避免壁厚区域出现缩孔等缺陷,又减轻了零件重量,一举两得,如图5-1所示。
3.1.2 零件壁厚均匀，壁厚变化处均匀过渡
在压铸件的各个截面,壁厚应当均匀。例如,零件壁厚设计是2.5mm,那么在零件的任一截面区域零件壁厚都应该是2.5mm或接近2.5mm。如果因为功能等其他要求,零件壁厚不能均匀,那么零件中壁厚处与壁薄处的壁厚比例不应超过3倍。零件均匀壁厚的设计如图5-1、图5-2所示。
如果零件中出现壁厚不均匀,应当避免零件壁厚的急剧变化。零件壁厚急剧变化,会影响熔化金属的流动性,成为发生熔化金属的流动不良以及熔化金属的折皱等缺陷的原因。另外,由于壁厚壁薄处凝固时间的不同,会产生不均匀的应力,容易造成零件发生龟裂以及变形。所以,如果零件中出现壁厚急剧变化的情况,应当考虑增加斜度减缓变化,使之均匀过渡,如图5-3所示。
3.2 压铸件最小孔
3.2.1 孔的深度不能太深(若太深，采用阶梯孔成型)
压铸成形能够直接压铸出比较深而小的孔,但并不是所有的孔都能压铸出,太小和太深的孔就很难压铸出。因为孔是通过压铸型的内型芯铸出,细而长的型芯在承受高温熔化金属的冲击和严重的热应力作用下,很容易发生变形、弯曲甚至折断。即使最小孔能顺利铸出,模具的维护费用会比较高,模具寿命短。
各种压铸合金所能铸出的最小孔径和最大孔深见表5-5。
如果压铸件的孔太小和孔的深度超过表中的值,可以压铸出定位痕后再使用机械加工方法加工,但这会增加零件的成本。或改用阶梯孔的设计方法，如图 3-38所示。
3.2.2 孔与孔，孔与槽，孔与边缘距离不能太小（S≥1.5t或S≥1.5d）
另外,需要考虑孔与孔的距离、孔与槽的距离、孔与边缘的距离等,以保证压铸型具有足够的强度承受高温熔化金属的冲击和严重的热应力作用。
孔与孔之间、孔与零件边缘之间的距离应至少大于孔径或零件壁厚的1.5倍以上,即S≥1.5t或1.5d,取二者的最大值,如图3-40所示。（参考注塑件的值，视合理情况而定）
3.3 避免压铸模局部过薄
3.4 加强筋的设计
加强筋主要两个作用,其一是增强产品的强度、防止零件变形(为了提高零件的强度,正确的方法是合理设置零件的加强筋,而不是增加零件壁厚);其二是辅助熔化金属的流动。
3.4.1 加强筋的尺寸
1)加强筋的根部厚度一般不大于此处壁的厚度。
2)加强筋的脱模斜度为1°~3°。
3)加强筋的根部应当添加圆角,以避免零件截面急剧变化,同时辅助熔化金属流动,减少零件应力集中,提高零件强度。圆角半径一般接近于此处零件壁厚。
4)加强筋高度不超过加强筋厚度的5倍。
3.4.2 避免平板式设计，通过添加加强筋提高零件强度
加强筋是提高零件强度最好的方法。压铸零件应避免平板式的设计。平板式零件强度低、容易变形,合理的加强筋的设置可以提高零件的强度,同时可以减小零件的变形。通过添加加强筋来提高零件强度的设计如图5-5所示。
3.4.3 添加加强筋辅助熔化金属的流动，
除了增加压铸件的强度之外,加强筋的另外一个作用是辅助熔化金属的流动,提高零件的充填性能。加强筋的方向应当与熔化金属的流动方向一致。如果加强筋的方向与熔化金属的流动方向垂直,可能会造成金属流动的紊乱。如图5-5所示改进的设计中,加强筋既增加了零件的强度,又可辅助熔化金属的流动。
3.4.4 加强筋的位置分布要合理，尽量做到对称、均匀
加强筋的位置分布需要合理,尽量做到对称、均匀如图5-6所示
3.4.5 加强筋连接处避免局部壁太厚
3.5 脱模斜度
熔化金属被注射到压铸型后,在凝固的时候由于收缩会产生对压铸型的抱紧力。为了顺利脱模,减小脱模阻力、推出力和抽芯力,以及减少对模具的损耗和提高压铸件表面质量,在设计压铸件时,压铸件应当设置一定的脱模斜度。如图5-8所示,原始的设计中零件没有脱模斜度,零件很难脱模;改进的设计中零件具有脱模斜度,零件能够顺利脱模。
脱模斜度的设计原则是在允许的范围内,尽量取较大的脱模斜度,因为脱模斜度不足容易发生粘模以及拉模,造成零件外观表面缺陷。需要注意的是压铸件与注射零件不同,因为压铸件没有弹性,压铸件不能强行脱模。
常用的三种压铸合金材料铝合金、锌合金、镁合金因为与压铸型的黏着度不同,脱模斜度分别为:
铝合金与压铸型的黏着度较大,内表面脱模斜度一般取1°。
镁合金与压铸型的黏着度略小于铝合金,内表面脱模斜度一般取0.75°。
锌合金与压铸型的黏着度最小,内表面脱模斜度一般取0.5°。
压铸件外表面的脱模斜度可以取内表面脱模斜度的2倍,以保证零件脱模时留在凸模侧。
3.6 圆角的设计
3.6.1 避免外部尖角
压铸件应当避免外部尖角,外部尖角处不但因为太薄易发生充填不良、金属组织不致密、强度低,而且锋利的尖角容易带来安全问题,对操作人员和消费者造成人身伤害,因此,外部尖角处应当添加一定的圆角,如图5-9所示。
3.6.2 内部圆角设计
压铸件应当避免内部任意壁与壁的连接处产生尖角,尖角处应当设计成一定的圆角。壁与壁连接处的圆角对零件的性能与质量以及模具的寿命具有非常大的作用:
1)辅助熔化金属的流动,减少涡流或湍流,改善充填性能,有利于气体排出。
2)尖角容易使得压铸件产生应力集中而导致裂纹缺陷,即使在成形过程中避免了裂纹缺陷,应力集中也会使得零件在受力作用下而失效。压铸件圆角的设计避免产生应力集中,从而提高压铸件的强度。
3)提高压铸模具的使用寿命,因为压铸件上的尖角在模具对应处也是尖角,很容易在压铸过程中发生损坏。
4)当压铸件需要进行电镀时,圆角可获得均匀镀层,防止尖角处沉积。
圆角的大小一般如图5-10所示,内圆角的大小一般取零件的壁厚,外圆角半径的大小为零件的壁厚加上内圆角半径。圆角半径不能过大,圆角半径过大,零件局部区域太厚,容易产生缩孔、气孔和零件外表面凹陷等缺陷。一个压铸件的内部圆角的典型设计如图5-11所示。
3.7 支柱的设计
3.7.1 避免支柱离壁太近或者支柱之间太近
支柱的设计需要遵循均匀壁厚和避免局部壁厚太厚等原则。支柱不能离零件壁太近,两个支柱之间距离不能太近,以造成零件局部壁厚太厚,从而使得零件产生凹陷、气孔和缩孔等缺陷,或者使得模具岀现局部太薄、模具强度低、寿命短等问题。支柱的设计如图5-12所示。
3.7.2 尽量降低支柱的高度
支柱的高度不能太高，支柱的高度太高，支柱强度低，而且不易充填。3.7.3 支柱四周添加加强筋
支柱四周增加加强筋,可以提高支柱的强度和辅助支柱的充填,避免孤零零的支柱设计,如图5-13所示。
3.7.4 重新设计倾斜支柱以简化模具结构
3.8 字符
很多压铸件在其表面上需要添加诸如商标、零件料号等字符,这些字符均可在压铸件表面直接铸出,字符的设计需要符合以下原则。
3.8.1 字符凸出与零件表面较好
字符凸出于压铸件表面比字符凹陷于压铸表面好。字符凸出于压铸件表面,对应于模具上就是凹陷,这样模具加工费用比较低,模具维护费用低。如果字符是凹陷于压铸件表面,对应于模具上就是凸出,模具上字符周围的金属都需要去除,模具加工费用比较高,模具维护费用高。
字符的设计如图5-15所示。如果字符要求凹陷于零件表面,但是又不希望增加模具加工费用,那么可以通过增加一个凸台来实现,见图5-15c。
3.8.2 字符的相关尺寸
3.9 螺纹
3.9.1 外螺纹避免全螺纹设计
3.9.2 内螺纹避免直接铸出
内螺纹可以铸岀,但这需要特殊的压铸型结构,使得其能够旋转从模具中脱出,这会造成模具和零件费用的增加,内螺纹一般使用机械加工。3.10 为飞边和浇口的去除提供方便
压铸件飞边和浇口需要通过操作人员的手工操作、机械加工或者购买昂贵的专用设备来去除,成本较高。压铸件的设计需要考虑飞边和浇口去除的方便性,不合理的零件设计会造成飞边和浇口的去除成本大幅提高,甚至超过压铸加工的成本。
3.10.1 避免严格的飞边和浇口的去除要求
飞边和浇口去除要求越严格,去除的成本就越高,零件的成本也越高,因此在不影响零件的功能及外观等前提下,应尽量避免严格的飞边和浇口去除要求。
同时,合理设置零件的分型面,把飞边隐藏在零件的不重要的外观面和非功能配合面上,从而可以允许宽松的飞边去除要求。
3.10.2 避免零件壁与分模线呈锐角
在零件型面线上,避免零件壁与分型面呈锐角。如果在连接处增加一段约1.5mm的平面,在飞边和浇口的去除过程中,飞边和浇口很容易被去除,如图5-18所示。
3.10.3 简化零件，避免复杂的分模线形状
飞边产生于分型面附近,复杂的分型面会造成飞边的去除困难,零件成本增加。通过简化零件形状、避免复杂的分型面形状,可以使得零件的飞边去除容易。如图5-19所示,在原始的设计中,飞边存在于锯齿形的四周,很难去除;而在改进的设计中,飞边存在于圆周形的一周,很容易通过手工或者机械加工去除。
3.11 压铸件的公差
“面向装配的设计DFA”一章中我们讨论了公差,在塑胶件、钣金件中也反复地讨论了公差。公差对于产品设计非常重要,因为公差就等于成本,公差越严格,成本就越高。对压铸件也是如此。不过因为压铸件会涉及二次加工即机械加工,而机械加工的成本比压铸工艺高,情况就变得较为复杂。但有一点是不变的,那就是在满足零件使用性能的要求下,合理地设置零件公差,降低零件的总体成本。
3.11.1 压铸件公差尺寸精度
压铸件的尺寸公差精度受到分型面和抽芯机构的影响,在同一型腔内,压铸件的尺寸公差精度较高;在不同型腔内,压铸件的尺寸公差精度较低。同时抽芯机构对压铸件的尺寸影响也较大。
(1)同一型腔内的推荐尺寸公差
同一型腔内的尺寸是指尺寸仅仅在压铸型的同一型腔内,即凸模或凹模内,如图5-20所示,其推荐尺寸公差见表5-7。
(2)不同型腔内的尺寸公差
不同型腔内的尺寸,由于凸、凹模分开制作和配合精度以及胀模因素等原因容易产生变化,如图5-21所示。此时,尺寸公差除了如表5-7所示的公差之外,还需要再加上表5-8所示的尺寸公差。
(3)与抽芯机构相关尺寸公差
由于抽芯机构的尺寸精度和配合精度会影响该尺寸的公差,与抽芯机构相关的尺寸如图5-22所示,尺寸公差除了表5-7所示的公差之外,还需要再加上表5-9所示的尺寸公差。
3.11.2 在满足零件使用性能下，尽量降低压铸件的公差
在满足零件使用性能下,尽量使用宽松的压铸件公差,因为严格的公差会增加零件的成本
1)严格的零件公差必然意味着严格的模具公差,模具成本必然增加。
2)压铸型寿命会因为过高的公差要求而缩短。随着时间的推移,压铸型的尺寸精度逐渐降低,当不能满足零件严格的公差要求时,压铸型就寿终正寝了。
3)为了维持严格的零件尺寸公差,压铸型必须经常维护和替换。
4)使用更多的压铸型零件和高频率的压铸型尺寸检验来保证零件严格的公差,这会增加零件成本。
5)更高的压铸件不良率。
3.11.3 为避免机械加工，尽量提高公差要求
避免机械加工能够降低零件成本。在压铸工艺所能达到的尺寸精度范围内,如果提高压铸件的公差要求可以避免机械加工,那就尽量提高压铸件的公差要求,从而降低零件成本。
3.11.4 合理选择分模线，提高重要零件尺寸的精度
影响压铸件公差的主要因素是模具的结构,其中最主要的是分型面和抽芯机构的位置。在模具进行装配时模具的凸、凹模和抽芯机构不可能完全吻合,这就会影响相关尺寸的精度。对于重要尺寸,可以合理选择分型面,避免分型面对其尺寸精度产生影响,从而提高其尺寸精度。如图5-23所示的零件,其分型面有A、B和C三种选择,不同的分型面对产品尺寸精度影响不同,应当根据产品的尺寸精度要求合理选取分型面。
1)如果D1和D2的同轴度很重要,选择C-C为分型面,D1和D2处于同一个模具型腔中,同轴度很容易保证。但因为D1和D3处于不同的型腔中,D1和D3的同轴度很难保证,容易偏心。
2)如果D1和D3的同轴度很重要,选择B-B为分型面,D1和D3处于同个模具型腔中,同轴度很容易保证。但因为D1和D2处于不同的型腔中,D1和D2的同轴度很难保证,容易偏心。
3)如果需要保证D在左端或右端直径的一致,则选择A_A为分型面。但因为D1分别处在凸、凹模中,D1的外观在分型面处上会出现断差和飞边;同时D2和D3与D1处于不同的型腔中,三者的同轴度很难保证;另外,D2和D3需要抽芯机构(模具结构复杂)。
3.11.5 压铸件尺寸公差国家标准
GBT 6414-1999压铸件公差；
GBT 15114-2009铝合金压铸件。（此标准中有参考压铸件形位公差）
配合压铸件公差要求第一条使用。
3.12 简化模具结构，降低模具成本
3.12.1 避免内部侧凹
压铸件的内部侧凹阻止零件从压铸型腔中顺利脱出,一般需要通过侧抽芯机构或通过二次加工来获得,这会大幅增加模具或零件的成本,因此,合理的零件内部侧凹可以降低模具或零件的成本。如图5-24所示,可以通过四种方法来避免零件内部侧凹。
3.12.2 避免外部侧凹
3.12.3 避免抽芯结构受阻
3.12.4 避免分模线带圆角
3.12.5 合理选择分模线，简化模具结构
分型面的选择应当使得模具结构单,模具便于加工,模具费用低。在图5-23所示的零件中,选择A-A为分型面,则零件D1和D3处均需要抽芯机构,模具结构复杂,模具费用高;选择B-B和C-C为分型面,则模具结构简单,模具费用低。
3.13 机械加工
3.13.1 避免机械加工
压铸件应当尽量避免机械加工，因为：1）压铸件能够达到较高的尺寸精度和外观表面质量，在进行产品设计时，可以通过对压铸件提出宽松的尺寸和表面质量要求，从而避免机械加工；
2）压铸件表层坚实致密，具有较高的机械性能。机械加工可能会破坏压铸件的表面致密层；
3） 压铸件内部有时会有气孔存在，机械加工后气孔外露，会影响零件的应用；
4） 机械加工会大幅增加零件成本。
3.13.2 压铸件设计便于机械加工和减少机械加工面积
3.13.3 机械加工余量越小越好
为了提高压铸件的尺寸精度和外观表面质量,对零件的某些部分可以适当进行机械加工。在上文了解到压铸件外表层是致密层,而内部则相对比较疏松,同时存在气孔和针孔,因此压铸件的机械加工余量越少越好,防止破坏致密层。切削加工的表面机械加工余量见表5-10。
3.14 使用压铸件简化产品结构，降低产品成本
在产品设计中,合理利用压铸件强度高、导电性好以及可铸出复杂结构等优点,可以减少产品零件数量,简化产品结构,降低产品成本以及提高产品质量等。
在面向装配的设计DFA章节中,最有效的简化产品结构和降低产品成本的方法是把多个零件合并为一个零件,减少零件数量。利用压铸件的优点,把多个由其他工艺制造的零件合并成一个压铸件正是这种方法的具体体现。
3.14.1 使用压铸件代替机械加工零件
利用压铸工艺成本低于机械加工工艺成本的特点,在满足零件强度及尺寸精度等的前提下,使用压铸件代替机械加工零件可以大幅降低零件成本,如图5-29所示。
3.14.2 使用压铸件代替塑胶件
压铸件替代塑胶件在使用塑胶件的同时又需要零件具有导电特性和电磁屏蔽性能时,常用的方法有:
1)塑胶件喷导电漆或者电镀等(不良率高)。
2)使用导电塑胶(原料成本高)。
3)增加不锈钢弹片。
4)增加导电布、铜箔等导电零件。
利用压铸件的导电特性和优良的电磁屏蔽性能,可以使用压铸件代替上述四种方法。如图5-30所示,使用压铸件代替塑胶件与不锈钢弹片的组合,可以减少产品零件数量,简化产品设计,降低产品成本,提高产品质量。
3.14.3 使用压铸件代替钣金件
利用压铸件具有复杂零件结构的特点,可以使用压铸件代替钣金冲压件和机械加工件的组合从而减少产品零件数量,简化产品设计,降低产品成本,提高产品质量。如图5-31所示,原始的设计中包括三个零件:钣金件、定位柱和衬套;改进的设计中使用一个压铸件就代替了上述三个零件。
4.压铸件DFMA表格
