文/张新、刘广富

摘要：路灯灯具这类大型薄壁压铸件，对压铸工艺提出了特殊的要求。为了满足这种特殊的工艺要求，用P——Q2图技术，在模具设计阶段，取得压铸工艺需要与压铸机压射能力的匹配，显得更为重要。生产大型压铸件一般要用多浇口，熟练应用馈送浇道技术，可以有效避免因为多浇口造成的多股金属流充型时的互相干涉，还可以有效减小因为充型流程长造成的充型困难。

关键词：P——Q2平方图技术；馈送浇道技术；充型流程；压铸模浇道系统设计。

路灯灯具是典型的大型薄壁压铸件，这类压铸件与一般压铸件，如汽车、摩托车零件，在生产技术上有显着的区别。

路灯灯具压铸件的显着特点是：

1.大型。投影面积大多在3000cm2 以上。2.壁薄，一般在2 — 2.5mm。这些特点，对压铸生产技术，提出了特殊的要求。

压铸模浇道系统设计的任务，不但要知道生产“这个压铸件”的工艺需要，更为重要的是，设计出的浇道系统能够满足这些工艺要求。而且，在实施压铸生产时，还能确保选定的压铸机的压射能力，能够满足这些工艺要求。也就是说，压铸工艺需要与压铸机压射能力能够得到匹配 。如果压铸机有压射动态显示功能，还可以在模具装上机器而没有实施压铸以前，就把压铸机压射压力、压射速度调整设定到需要的参数值，从而有望实现试模一次成功。

当然，这是比较高的要求。可喜的是，压铸模浇道系统科学设计，可以在很大程度上实现这种要求。

道系统科学设计的主要内容是：

1.用 P——Q2平方图技术，在确定浇口面积的同时，确定需要的压射速度、压射压力和压室直径。

2.如果是多浇口，根据需要科学分配浇口面积。

3.根据每个浇口预计充型区域具体情况，确定馈送浇道形式。

4.按使充型金属流连续逐渐加速的设计原则，计算从压室出口到馈送浇道进口的整个浇道截面积。

下面的设计实例，是这种设计技术在路灯灯具压铸模浇道系统设计上的应用。

零件名称：路灯灯具

材料：YZALSi12 (Y102)

零件质量：4000g，加溢流槽质量20%。4000×1.2=4800g

壁厚：2.5

轮廓尺寸：520×320×210（长×宽×高）

一、确定压铸工艺

1.浇口速度V

金属液充填型腔时的能量，主要来自浇口速度。其关系式如下：

E=F×t×ρ×W3/2

关系式中：E为金属液充填型腔时的能量；f为浇口面积，我们习惯用Gα 表示；t为充型时间；ρ为金属液密度；W为浇口速度，我们习惯用V表示。按我们的习惯改写上面关系式为：

E=Gα×t×ρ×V³/2

金属液充填型腔时单位时间的能量为：

E/t=Gα×ρ×V³/2

引入这个公式的目的，仅仅是为了说明，浇口速度对于充型金属液能量的含量，具有决定性的影响。为了使充型金属液有足够的能量，克服型腔壁、型芯的碰撞、摩擦阻力充填到型腔的最远端。所以，压铸件越复杂，尺寸越大（充型流程越长），壁厚越薄，需要的浇口速度越高。

路灯灯具这类大型薄壁压铸件，尺寸一般比较大。即使模具设计时，取尽可能短的充型流程（充型金属液在型腔内的流动距离），充型流程仍然会很大。压铸文献①显示，浇口速度为50m/s时（一般认为这是极限浇口速度）合适的充型流程是：200/2，300/2.5，450/3【流程mm / 壁厚mm 】。路灯灯具在充型方向的展开长度，一般会达到600mm— 800mm，或更长，是文献推荐值的2—3倍。这个零件的展开长度约900。但是，过高的浇口速度，会给压铸生产带了一系列麻烦。比如，冲击型壁、型芯，粘模，喷铝等。严重时，可造成压铸生产不能正常进行。所以，一般认为，浇口速度以不超过50m/s为宜。充型能力不足问题，在浇道系统设计中设法解决。我的选用50m/s的浇口速度。

2.充型时间t

充型时间小于半个壁厚的凝固时间，因为超过这个时间，金属液就会失去了流动能力。实际上，充型时间比这个时间还要短得多。计算充型时间，我们一般使用美国压铸博士Peter？陈先生给的计算公式，与国内著名压铸专家推荐参数②相结合，这里取0.040s。

二、用P——Q² 图技术确定浇口面积

确定了浇口速度V和充型时间t，计算浇口面积一般会用流量公式。公式如下：

Gα=G/ρVt

公式中G为压铸件加溢流槽质量。代入已知数(G单位g，单位g/cm³，V单位cm/s，t单位s)：

Gα=4800/2.5×5000×0.040=9.60cm²=960mm²

应用流量计算公式确定浇口面积，简便而又足够精确，比用经验公式计算浇口面积，是很大的进步。它的最大缺点是，只考虑压铸工艺需要，不考虑压铸机的压射能力是否能满足工艺需要。也可以说是一厢情愿的认为，压铸机的压射能力总是能够满足压铸工艺需要，事实上并非如此。出现了P—Q²图技术以后，确定浇口面积才开始将压铸工艺需要与压铸机实际压射能力相结合。“可以认为，P—Q²图技术的诞生把对浇口系统设计的可用性从事后认可转为事前评定的一次技术进步上的飞跃，是压铸理论与实践相结合有了重大发展的标志。”

P—Q²图技术原理，如何绘制P—Q²图，如何调整压铸机压射性能力的P—Q²图来适合我们的需要，不是本文要完成的任务。这里只是应用P—Q²图技术，科学的确定“这个压铸件”的浇口面积，而且是以计算器为计算工具。这时确定的浇口面积，既能满足工艺要求，预先选择的压铸机压射能力又能满足工艺需要。

用我们确定的浇口速度V和充型时间t，计算出它们需要压铸机提供的能量值——金属压力和流量，并绘制在P—Q²上，在P—Q²图上得到一个共用点。

用已知的浇口速度V，计算需要的金属压力Pn。浇口速度与充型时需要的金属压力关系式如下：

V ＝Cd ×√2Pn/ρ=Cd ×√2/ρ×√Pn

式中V为浇口速度m/s；Cd为流出量系数，铝合金压铸建议取0.5～0.6；为金属液液态密度，Y102合金取 2.5g/cm³ ；Pn 为快压射阶段压室内冲头作用在金属液上的压力，简称金属压力（或充型压射比压），MPa
Cd 取0.5，公式前两项计算结果为：

0.5 ×√2/2.5＝0.447

已知V＝50m/s=5000cm/s，计算金属压力P n

Pn＝(5000/0.447)²＝12.51MPa

用已知的充型时间t，计算需要的金属流量 Q n 。

t＝G/ρQn

式中，G为压铸件加溢流槽质量；Qn实际需要的金属液流量，cm³/s。

已知，时间t＝0.040s，压铸件（包括溢流槽）质量G＝4800g，ρ=2.5g/cm³。

Qn=G/ρT=4800/2.5×0.040=48000cm³/s

把计算结果绘入下面的P——Q2图，金属压力线与流量线相交于A ，A点就是它们的共用点。

上面的P—Q2图，可以说是压铸工艺需要能量的P—Q2图。下面的任务，就是如何选择压铸机和对压铸机压射能力——压射压力，压射速度，压室直径——进行恰当的设定，使压铸机提供的能量，能够满足工艺需要。对压铸机的设定必须在压铸机压射能力范围内进行，这是毋庸置疑的。

根据我们厂设备现状，选择了蚌阜隆华机器厂的J11125压铸机。预先设定压射力450KN，压室直径140。压射速度，待计算。

计算最大金属压力 P    

P=PJ/A=450000/π×70²= 29.23MPa

式中，Pj 为压铸机增压前压射力450KN= 450000N；A为压室截面积，压室直径140mm；P为快压射终了还没有增压时，压室内冲头作用在金属液的压力。

把以上计算结果绘入上面的P—Q²图，得到下面的P—Q²，P值在纵坐标上为B点。

用直线连接上图B、A俩点，并延长直线BA与横坐标相交于C，得到下面的P—Q² 。直线AC就是我们预先设定的压铸机压射能量线。直线上的每一个点，都对应一组特定的P、Q值。B点P值最大，Q值为0。C点Q值最大，P值为0。A点P、Q值，当然就是我们需要的Pn=12.5，Qn=48000 。

计算C点流量和相应的预先设定快压射速度 Vj ：

Qn=√Qn²×P/P-pn=√48000²×29.23/29.23-12.50=63447cm³/s

计算预先设定的压铸机快压射速度 Vj ：（无负荷快压射速度）

Vj=Q/A=63447/π×7²=412cm/s=4.12m/s

计算实际的压铸机快压射速度 V n ：（有负荷快压射速度）

Vn=Qn/A=48000/π×7²=312cm/s=3.12m/s

计算出的预先设定快压射速度 Vj （无负荷快压射速度）和实际快压射速度 V n （有负荷快压射速度），都在我们预选的压铸机压射能力范围以内。这时，我们可以判定预先选择的压铸机和对压铸机压射性能的设定，能够满足“这个压铸件”的工艺需要。实现了“对浇口系统设计的可用性从事后认可转为事前评定。”

计算浇口面积。

Qn=Ga×V    Ga=Qn/V

Ga=48000/5000=9.60cm2=960mm2

浇口面积确定结果： 

  
浇口面积：9.60cm2=960mm2；

浇口速度：50m/s；     

充型时间：0.040s；

选择压铸机 ：蚌阜隆华机器厂J1125；

设定快压射速度 ： 4.12 m / s ；

需要实际快压射速度 ： 3.12 m / s ；

设定不增压压射力 ： 450 KN ；

确定压室直径 ：φ 140 mm 。

如果有P——Q²图技术电脑软件，可以直接在电脑上用P——Q²图技术，确定浇口面积、压室直径、压射力和压射速度。 用电脑计算的优点是，可以方便快捷的组合多组设定，反复进行试运算，选择自己认为最满意的计算结果。因为用P——Q² 技术确定浇口面积，几乎不可能一次就能得到满意的结果。上面的计算，也是反复多次计算才得出的。

确定浇口位置、股数和每个分浇口面积。

下面五个浇口为一组，作为主浇口，负责填充型腔的绝大部分。浇口面积约占浇口总面积的70%。上面两个浇口，作为辅助浇口，协助主浇口填充型腔上部，解决因为流程过长，上部填充不良的问题。浇口面积约占总面积的30%。分配浇口面积时特别注意到，下面一组浇口面积稍稍大于填充需要，上面两个浇口面积稍稍小于填充需要。目的在于，避免因为上面浇口流量过大，提前封闭分型面，并产生回流，俩股金属流在型腔的中上部汇合，在零件的中上部形成铸造缺陷。最下面的三个浇口与用一个较宽的浇口，充型效果是一样的。把一个较宽的浇口，分成三个较窄的浇口，用意有二。一是减小扇形馈送觉得长度，节省模具空间；二是后处理时容易去掉浇口。

实际使用浇口面积840mm²，是计算浇口面积的88%，为试模保留修整余量。

溢流槽总容积取压铸件质量的20%，集中设置在充型金属流末端。截面形状为斜梯形，靠近型腔和有抽芯的一侧为45°，其余10°。

三、馈送浇道设计计算

馈送浇道技术原理、分类，各类馈送浇道控制浇口金属流特征，馈送浇道设计计算方法等等，同样不是本文的任务。这里只是利用馈送浇道技术，控制金属液按我们需要的方向进入型腔，避免因为多浇口造成多股金属流充型时的互相干涉。

浇道系统及编号示意图图一：

确定馈送浇道形式。

下面中间三个浇口，用扇形馈送浇道，扇形角约30°，控制金属流向上流动。下面另外两个浇口，用切向馈送浇道，流入角40°，金属流受型壁影响，会以大于40°的角度进入型腔，与中间浇口的金属流汇合，又不会干扰中间金属流的主流方向。上面两个浇口，也用切向馈送浇道，流入角40°，同理，金属流也会以大于40°的角度进入型腔，协助主浇口填充型腔上部，提高上部区域填充质量，特别是灯具安装孔处的质量。

馈送浇道设计计算。

浇口G1，浇口面积90mm²，宽60，深1.5。馈送浇道进口F1截面积取浇口面积的约2.3倍，截面积210 mm2，宽35，深6。截面积和深度从F1到G1成线性变化，一般把馈送浇道在长度方向分为四等分，再计算各处截面积、深度和宽度。F1、G1处宽、深已经确定。其他三处同样需要计算截面积、深度和宽度，因为绘图时只需要宽度尺寸，所以只保留宽度，依次为36.8、39.9、45.6。用确定的扇形角计算馈送浇道四等分之间的距离为12，总长度为48。

浇口G2，浇口面积75mm²，宽50，深1.5。馈送浇道进口F2截面积174 mm2，宽29，深6。 F2、G2处宽、深已经确定。其他三处依次为30.5、33.1、37.9。 四等分之间的距离为10.5，总长度为42。

浇口G3，浇口面积180 mm²，宽120，深1.5。用切向馈送浇道的流入角，计算馈送浇道进口T3处截面积和宽、深尺寸。

T3截面积=180×1/θtan=180×1/40°tan=215mm²

切向馈送浇道截面形状已经标准化为斜梯形。靠近浇口一侧斜度45°，另一侧10°。深度尺寸与梯形短边尺寸相同。尺寸计算：

深度=0.8×√215=11.7mm宽度=2.176×深度=25.5mm

切向馈送浇道出口截面积为进口的1/10，形状与进口相同。尺寸为，深度3.7，宽度8.1。

减震槽尺寸，深度为出口深度的1.5倍，直径尺寸为出口宽度的2.5倍。具体尺寸为，直径22，深6。

浇口G4，截面积120 mm2 ，宽120，深1。馈送浇道截面积和宽、深尺寸计算过程，与浇口G4的馈送浇道完全相同。进口T4处尺寸，深9.6，宽20.8。出口尺寸，深3，宽6.6 。减震槽尺寸，直径16，深4.5 。

左边三处浇口与右边对称，所有尺寸与右边完全相同 。

四、浇道设计

严格按从压室出口到馈送浇道进口，浇道截面积逐渐减小的原则，计算各段浇道截面积和宽、深尺寸。这样做的好处是，金属液在浇道内的压力逐渐加大，流动速度逐渐增加。不给或少给空气进入金属液的机会。

绘制浇道系统示意图，给每段浇道编号。示意图如图二。

标记出每个浇口的馈送浇道进口，至浇道系统出口R0的路径。

T4——R4——      R2——R1——R0

T3——      R3——R2——R1——R0

F2——                   R1——R0

F1——                   R0

路径T4向R4过度成30°角，截面积增加15%。R4至R1用一个近似圆弧过度，截面积不变化。其余过度都是接近90°角，截面积增加25%。各路径截面积计算结果如下：

T4：143 mm2——R4：165 mm2——          R2：165 mm2——R1：165 mm2——R0：206 mm2

T3：215 mm2——          R3：269 mm2——R2：336 mm2——R1：336 mm2——R0：420 mm2

F2：174 mm2——                                                                      R1：218 mm2——R0：272 mm2

F1：210 mm2——                                                                                                    R0：210 mm2

多个浇口共用浇道（路径中多次出现的浇道编号）截面积相加。左边三处浇口与右边对称，浇道系统与右边相同，所以，除G1的R0以外，都加一倍。各处浇道截面积如下：

R4：165 mm2，R3：269 mm2，R2：501 mm2，R1：719 mm2，R0：2013 mm2。

验算R0处金属流动速度：

R0处金属流动速度=Ga×V/R0处截面积=840×50/2013=21m/s

我们一般掌握R0处金属流动速度为10——20m/s。

浇道尺寸计算。浇道截面形状标准化为梯形，出模斜度10°。计算浇道尺寸时，需要考虑出模斜度。如果不考虑出模斜度，可以大大简化计算，对浇道截面积影响很小。各处浇道尺寸计算结果如下：（尺寸标记为宽×深）

R4：17×10，R3：23×12，R2：28×18，R1：36×20，R0：100×20。

计算浇道尺寸时，注意控制浇道深度。因为薄壁铸件，压铸时留模时间短。如果浇道太厚，必然需要延长冷却时间，与压铸工艺相矛盾。

至此，浇道系统设计计算全部完成。把以上计算结果，绘制成浇道系统设计图图三：

试模一次成功。几万模次生产实践，效率高，质量稳定。客户反馈，产品质量超过用进口模具生产的铸件。从此，我们成了客户的压铸件定点供应商。

这套模具设计成功，为我们提供了验证路灯灯具压铸模浇道系统设计思路的机会。此后，陆续设计了数十套这类模具，取得百分之百的一次试模成功率。为我们定点生产灯具压铸模的模具厂，也成了国内生产灯具压铸模最好的厂家之一。

这套模具的题外话

这套模具是96年生产的。在美国时，看到大量的灯具是压铸灯罩，所以，我积极建议公司开发压铸灯罩这个产品，直到96年才得到机会。这个产品是天津施莱德公司的，之前用进口模具在天津某压铸公司生产，有意在国内开发模具，但外方人员不相信中国有能力设计生产这样的模具。中方人员与我们积极配合，带我们的工程师去天津的压铸公司，现场考察生产情况。并且告诉我们，这个灯罩很难生产。压铸公司的工程师也说，这个灯罩既难生产，效率又低。

为了使试制顺利进行，施莱德公司的中方人员为我们找来了国外的模具总图。国外图纸浇口在产品下部，尺寸是240×2，浇口面积480mm2，只有这么一个浇口，浇口面积只有我计算浇口面积的一半。浇口太小，充型时间必然较长，压铸件有冷隔是必然的。这个压铸件，只在下部设一个进口，充型流程达900mm以上，充型金属液到达上部时，温度已经很低，几乎失去充型能力。上部型腔充型不良，也是必然的。如果模具温度高一些，充型状态会好一些。可惜，像灯罩这类大型薄壁压铸件，模具尺寸比较大，金属液浇入量相对比较少，一般压铸公司很少使用模温机，所以模具温度很难升高。

根据以上分析，我们设计了论文中的浇道系统。因为是第一次设计大型薄壁压铸件浇道系统，可谓用足了功课，精益求精，精心设计。这个浇道系统设计，我们用了一周的时间。我认为已经有了足够的信心。

没想到，我们找的一家相当有实力模具公司生产这套模具，人家却不接受。理由很简单，他们生产过这类模具，失败了，打不出产品。我说打成打不成产品，由我负责。人家还是不干，不用试，肯定不行。又找了一家，我先说打成打不成产品，由我负责。这家接受了。不过，我看得出信心不足。这两家模具公司的老板，我都非常熟。他们对我的技术也非常欣赏，以后我们有长期友好的合作。

模具投产后，周边模具公司的老板和师傅们看了议论纷纷，一致表示怀疑。那里可是有名的模具之乡，各个都是模具的行家里手。不过，我心里清楚，尽管他们是模具内行，可这种新型的浇道系统，我相信他们没有见过。对其表示怀疑，是可以理解的。面对模具公司老板反馈回来的信息，我坚定的对他说：“放心按我的图纸做，特别注意壁厚的均匀性，（因为当时还没有用加工中心）一切后果我负责。”我的回答，无疑会增加他们的信心。
结果是：“一次试模成功。”

模具公司老板看到这个结果喜出望外，大手一挥：“师傅们，走，宴宾楼（我们这里最好的饭店），我请客！”