由Adam Scichitano, Dynacast工程经理，Lake Forest, CA和Mike Guilfoyle, Dynacast工装部总经理，Germantown, WI
快速制作压铸件原型的最佳方法是什么?有一些压铸经验的工程师可能会条件反射地回答“旋铸”或“机械加工”。然而，一个更好的答案是“压铸”。
这个铝增压泵支架的原型是在一个旋转铸造锌合金(左)，以生产一个适合测试的快速模型。然而，该原型的机械性能不适合进行真正的功能测试。
这是正确的。事实证明，制作压铸件原型的理想方法实际上是用压铸件。
虽然旋压铸造和机械加工可以生产出好看的原型，但这两种工艺都不能生产出机械性能真正复制压铸产品的零件。原因可以归结为工艺相关的微观结构差异。
即使当它们采用相同或非常相似的金属合金时，这三个原型工艺中的每一个也产生其晶粒结构和密度彼此不同的部分。特别是压铸件，部分的最终微观结构沉重取决于各个铸造合金与工艺条件，工具和部件几何形状的相互作用。
皮肤效果
从强度角度来看，最重要的微观结构差异可以在零件表面找到。压铸部件的抗拉强度和疲劳寿命很大程度上来自于细晶、无孔的“表皮”，这种表皮是在加压熔融金属填满模具并冷却时形成的。表面厚度通常约为0.5毫米，但从冶金角度来看，表面和内部之间的确切过渡点可能有些模糊。
机加工原型缺乏皮肤，是较弱的。对锌和铝压铸合金的强度研究已经量化了皮肤对通过加工去除皮肤的强度和影响的贡献：
美国国家能源技术实验室(U.S. National Energy Technology Laboratory)进行的一项研究，《汽车用压铸锌合金机械性能的测定》(Determination of Mechanical Properties of压铸锌alloy for Automotive Applications)，检测了将压铸锌样品全部或部分表面加工掉的效果。去除表皮后，试件的偏置屈服强度降低了近10%，其他关键力学性能也降低了(见表1)。
压铸合金5的弯曲性能用三种不同的皮肤条件进行测试 - 完全除去，皮肤导向到顶表面和面向底表面的皮肤。不仅存在皮肤的存在性能差异，而且相对于载荷也是皮肤的方向。保持皮肤底部是最适合拉伸载荷的方向。
Briggs & Stratton的一篇技术论文《压铸外壳对ADC12铝合金压铸件疲劳性能的意义》发现，当外壳被机械加工掉时，铝压铸件的屈服强度损失超过10%，疲劳强度损失39%。
与加工不同，旋铸过程确实在零件表面上形成了各种的皮肤。然而，这种皮肤不是压铸皮肤的冶金等同物，并且不赋予强度。事实上，即使是皮肤有限，旋铸态往往比强度部门加工更糟糕。原因是旋转铸件依赖于纺丝模具内的离心力以包装零件。该低压灌装方法生产的零件较小，浓度较强，而不是其加工或高压压铸件。
超越表面
并非压铸、旋铸和机械加工部件之间的所有强度差异都与蒙皮效应有关。其他因素也很重要:
部分的设计。因为它决定了零件如何填充和冷却，零件的几何形状会影响气孔率、晶粒结构和内应力状态。应力集中器，如在尖角处发现的应力集中器，也与几何形状有关，会降低给定零件的工作强度。与类似的机械加工或旋铸件相比，在充型、冷却和顶出方面为压铸优化了几何形状的零件可能具有本质上不同的微观结构和内应力状态。
材料的选择。铸造和机械加工的合金都有内在成分的差异，这可能导致不同的晶粒结构。在不同的工艺中对压铸件进行原型制作的危险是，其晶粒结构和强度会有所不同。
工艺条件。与压铸相关的高温、高压和剧烈冷却从根本上生产出的部件，其晶粒结构不同于旋铸或机械加工等低压、低温工艺。这些工艺相关的微观结构差异是造成这些工艺之间强度不平衡的另一个因素。
部件设计，制造因子和皮肤效果之间的相互作用可以复杂。但是，在我们的经验中，我们发现压铸锌原型始终如一地表现出10至20％的强度优势，相对于可比较的加工或旋转原型。铝压铸件显示出类似的强度优势。
虽然20%的强度损失可能不会对外观原型造成问题，但当功能或疲劳寿命测试列入议程时，压铸原型应该被认为是必须的。
试图对不能准确反映生产压铸特性的原型进行功能测试会造成昂贵的设计陷阱。由于机械或旋铸原型的强度性能较差，你可能最终会过度设计压铸部件。或者，你可能会错误地排除了压铸，最终以一个更不经济的生产过程。
这些锌合金钥匙扣组件的原型是旋转铸件，然后在零件进入生产之前。旋转铸造和生产部分看起来类似，但生产成分（右）具有更好的强度特性。
压铸原型现在是实用的
尽管有这些优点，但仅仅在几年前，由于开发模具所需的费用和交货时间，在真正的压铸机上制作原型还被认为是不切实际的。旋转铸造和机械加工不需要硬工具，成为默认的原型方法。近年来，制造和设计技术的进步改变了为原型设计模具的经济性。
其中一项技术是高速数控加工，它现在可以更快速地制造工作模铸工具。最有效的工具操作通常只需两周就能制造出四滑轨模具，有时对于有紧急需求和简单零件的客户来说甚至更快。就在几年前，工具的交付时间大概是8到10周，这对于原型设计来说太慢了。
广泛使用3D设计和仿真软件也在提高原型压铸工具的经济学方面发挥了作用。具有像自动分组线路检测和芯腔工具等功能，现代3D CAD系统可以减少设计压铸工具从天到几小时设计的工程时间。和FEA软件，通过处理初始原型“几乎”，降低了子达式设计概念将成为硬模具的风险。
在任何情况下，切割原型工具可能都不值得付出努力。有些原型只需要扮演一个装饰性的角色。旋转铸造和机械加工都可以快速、廉价地生产这些视觉零件，但这些方法真的只是为了展示。
工具策略
在设计过程中提前创建硬模具的需要可能会对压铸原型构成屏障。但请记住，进入原型工具的时间和成本将大大减少构建生产工具所需的时间和成本。
以下是两种工具开发策略，它们可以帮助压铸原型为生产工具奠定基础:
•拉动工具。当毫无疑问，部分最终将被压铸，考虑与原型同时制造生产工具的元素。这些“引入”工具通常将单个原型腔与生产模具框架和其他非腔元件组合。完成原型工作后，产生生产腔或腔体，并落入准备好的模具框架中。
•简化工具。对于压铸不确定的工作，通常更有意义的是建立一个专用的原型工具，而不是拉前工具。原型加工成本可以保持在最低限度，消除了需要侧边操作或增加模具复杂性的铸造部件特性。如果需要进行功能测试，可以简单地将这些特性加工成原型部件。
Dynacast Tooling.
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