浇注系统的设计其实是“流经区”和“终停区”的设计。本文提出流经区”和“终停区”概念，即凡是铝液流经的区域，铸件质量都好；凡是铝液最终停止的区域，铸件质量都不好。可以说，一个好的浇注系统设计就是把型腔都设计在“流经区”内，把“终停区”都设计在集渣包里。
文：刘亚峰 杨俊义 高 鹏
摘要:根据长期实践研究，总结出铝合金压铸的工艺特性和压铸模浇注系统的设计原则，提出了“流经区”和“终停区”的分区论点，并证实了这种分区论点的正确性，对提高压铸模设计质量有一定参考价值。
关键词：浇注系统；内浇口；流经区；终停区；压铸模
1引 言
在压铸模设计中，需要解决好型腔动定模选向、分型面选择、浇注系统设计、抽芯滑块确定、顶杆布置等多个问题，其中不可预见因素最多、对铸件质量决定性最强、设计难度最大的就是浇注系统。浇注系统设计得好，产品合格率就高；浇注系统设计得不好，产品合格率就低，甚至导致模具彻底报废。因此，加强对浇注系统设计的研究非常重要。
2压铸工艺特征是浇注系统设计的依据
浇注系统的设计取决于压铸工艺的特性，以铝合金压铸为例，其工艺特性如下：
（1）压铸既不是重力浇铸也不是反重力浇铸，而是高速高压强制注入。内浇口面积是压射冲头面积的几分之一，铝液注入速度是冲头速度的几倍，因此内浇口注入速度一般都达到每秒几十米甚至上百米，远远超过一般消防水龙头每秒25 m的射速，充型时间只有几十毫秒到几百毫秒。而型腔主要靠分型面排气，型腔内的气体难以排净，铸件气孔严重。
（2）铝的导热率很高（121~151 W/mK），是铁的的3倍，是塑料的几百倍，比黄铜还高。且充型过程中与铁制模具接触，冷却极快，很容易在铸件上形成冷隔。
（3）铝的氧化速度极快，充氧压铸中型腔里的氧气一瞬间就被完全氧化，铝液充型过程中液流前沿也会形成氧化膜。
（4）与其他铸造方法相比，压铸铝合金溶液不需要变质处理，因为模内的急冷速度使晶粒长不大，足以形成细晶；压铸往往难以形成顺序凝固和依次补缩，厚度大的部分缩孔严重。
3浇注系统设计原则
根据压铸工艺特点，浇注系统设计应当遵循以下原则。
3.1短流程原则
由于导热极快，浇注系统流程越长液流前沿降温越大，氧化越多，越容易形成冷隔和假焊，设计的流程要尽可能短。细长件应尽量避免从端部浇入，应从中部浇入为宜，如图
1所示。此外，图2所示一模多腔浇口排布中浇口B形式比浇口A形式更好。
3.2内浇口尺寸设计原则
3.2.1厚度原则
内浇口应尽量设计在铸件厚壁部分，且越厚越好，以实现全壁厚充填（即金属液充满型腔厚度空间，呈全壁厚状态推进充填），尽量减少喷射充填。压铸界对充填形式一直存在2
种观点：弗洛梅尔（FROMMER）认为在高速充填时，液流都是先喷射到对面型壁再折返回来充满型腔；布兰特（Brandt）认为当内浇口较大、充填速度较低时液流是全壁厚推进。此处认为型腔厚度是决定液流充填形式的重要因素，在其他易于观察的流体流动中可清楚观察到这种现象：在液流推进中如果管道截面从大到小、从厚变薄，液流是全壁厚推进的，而不是喷射；如果管道截面从小到大、从薄变厚，液流就会呈喷射状，尤其是流速高时更严重。例如在消防水龙头中，当水流从水龙带进入水枪时，水枪孔径越来越小，水流在这一段不会喷射，只会全管道推进；而一出水枪口，立刻呈喷射状，因为水枪口外是很大的空间，高速水流从小空间进入大空间是喷射的；注射器也是这样，药液从针管进入针头时是从大管道进入小管道，药液全面推进；到针头外时是从小管道进入大空间，因此药液流动呈喷射状；铝液在充型时也一样，在选择内浇口位置时，一是尽量选择在型腔壁厚处开设内浇口，液流在从厚壁处流向薄壁处时全壁厚充填因素多些，喷射因素少些；二是内浇口尽量厚，如果内浇口厚于型腔壁厚，全壁厚充填因素多些，喷射因素少些，反之就会是喷射进入。这样做还有利于压铸机保压阶段的压力更多地传递到型腔厚壁部位，起到一定补缩作用。当然，厚的内浇口不便于清理去除，会增加去除成本，这就涉及到质量与成本的关系问题，在保证质量的前提下，可尽量减薄内浇口，便于清理；但当内浇口太薄会影响到质量时，则必须以质量为主，用厚浇口保证质量。
3.2.2宽度原则
内浇口的宽度包含3个因素：单内浇口宽度、内浇口发散角、内浇口个数。内浇口宽度设计应尽量使进入型腔的液流齐头并进、向分型面推进。因此，要避免出现下列3种情况。
第1种情况：一是独流涌进、撞壁折返，如图3所示A浇口；二是独流偏进、迂回漩涡，如图3所示B浇口，其弊病是先封闭分型面再回旋充型，把气和渣包裹在铸件内，加大内浇口发散角可改善充型情况，如图3所示C浇口。
第2种情况：要避免远端汇合，两股液流远端汇合时液流头部降温多，容易形成冷隔，如图4所示A浇口，如果改成图4所示B浇口，可避免这种情况。
第3种情况：采用多浇口时，一般应保持中间的浇口较大、边上的浇口较小，如图5
所示A浇口；如果边上的浇口太大，容易形成两侧液流快进、撞壁折返在铸件中间汇合，把气、渣、冷料头裹在铸件中间的情况，如图5所示B浇口。
3.3内浇口导向原则
内浇口可以引导铝液进入型腔的方向，铝液进入型腔应尽量顺着型腔方向而不是直冲型腔，否则会形成强烈的喷散，还会很快冲蚀型壁，造成粘连拉伤，如图6所示A浇
口。特别是在深盒形件的型腔里，因两侧流程短、阻碍少，深部流程长、阻碍多，容易形成铝液先从两侧充填在远端汇合，封闭住分型面后向型腔深处充填的情况，严重影响铸件充型，因为分型面被封闭后型腔里只有顶杆的间隙可以少量排出气体，造成铸件裹气裹渣，严重时很难生产出合格品。如果把内浇口的导向指向型腔深处，则液流会出现先充填型腔深部再流向分型面的理想状况，如图6所示B浇口。
4采用中心浇口
当深盒形件具有凸缘（法兰盘）时，前述内浇口导向不再起作用，这时最好采用中心浇口。中心浇口充型时铝液从型腔深处开始充填，最后到达分型面，这样有利于排气，而且平均流程是侧边浇口流程的一半，还减小了投影面积和模具体积。当深盒形件底部有大孔时，中心浇口最容易布置，如图7所示。
当深盒形件底部只有小孔或无孔时，要想采用中心浇口就必须设计二次分型的结构，钩断式中心浇口是一种简单有效的结构，如图8所示。开模时，在冲头推出料柄的作用下，模具第一分型面分开，由于钩槽的作用，横浇道和中心浇口处被拉断，料柄横浇道掉落；随后第二分型面分开，顶出铸件。铸件底部有小孔的，中心料柄可以敲掉，如图8所示A浇口；铸件底部没有小孔的，中心料柄只能切割掉，如图8所示B浇口。
5“流经区”和“终停区”概念
将上述分析与经验进行概括，即凡是铝液流经的区域，铸件质量都好；凡是铝液最终停止的区域，铸件质量都不好。因此，浇注系统的设计其实是“流经区”和“终停区”的设计，型腔都应处在“流经区”内，尤其是质量要求高的地方（如加工面、钻孔攻丝处、气密区等），集渣包就是预设的“终停区”。从前述充型不当造成的弊病可见，液流
返回形成漩涡就是把“终停区”留在铸件内；两股液流远端汇合在型腔内滞留的冷隔和渣，也是把“终停区”留在铸件内；液流先行封闭分型面后再填充型腔深处，也就是把最后的“终停区”留在铸件内。可以说，一个好的浇注系统设计就是把型腔都设计在“流经区”内，把“终停区”都设计在集渣包里。
铸件的“流经区”不但美观，其内部质量——力学性能也好。为证明此点，专门找一种圆周形状一致，又有力学性能检测要求的摩托车轮毂做检测对比。选择内浇口附近的辐条孔和远端的辐条孔进行拉裂试验，内浇口附近的区域就是“流经区”特征较强的区域，远端的辐条孔挨着集渣包，就是“流经区”特征较弱的区域，或是有点“终停区”特征的区域。通过5组对比试验，得到轮毂辐条孔断裂强度对比如表1所示，“流经区”特征强的区域拉裂强度明显高于“流经区”特征弱的区域，平均高11.44%。
6铸件流径观察
只凭推测得到的充型规律还不够确凿，如能观察到铝液充型时的流动途径则更直观，要想直接看到铝液流动，需要做一副透明的模具再架上一台高速摄影机，但这是做不到的。然而，在生产实践中可以观察到铝液的流动途径，即通过试模件观察铝液在型腔中的流动途径。试模件上面布满了流痕、冷隔和氧化渣等，清晰地显示了铝液流动途径、“流经区”和“终停区”、铝液回旋窝、两股流汇合线等，如图9所示试模件左边为“流经区”，右上部为“终停区”；还能证实集渣包的位置是否合理，有的集渣包开在“流经区”边上，进去的不是渣而是好料，这是一种浪费；有的“终停区”集渣包不够，从而使冷料头和渣留在铸件内部。
7结束语
压铸工程师可以把一些不合格品当作宝贵的第一手资料，将其收存起来，反复看、对比看，深刻总结提炼，总结出铝液在压铸型腔内的流动特征和经验。然后通过与模流软件的结果结合分析，推导出更准确的设计方案。压铸模浇注系统的设计实际上就是“流经区”和“终停区”的设计，只要多观察、多分析、多总结，就能使经验从量变走向质变，设计出更好的压铸模。
