壓鑄工藝及壓鑄模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)_三_

1、 (上接2007年第6期604頁(yè)3.4從壓射曲線說(shuō)起當(dāng)今壓鑄機(jī)常配以三級(jí)壓鑄系統(tǒng):第一級(jí)為沖頭慢速漸進(jìn),將金屬熔體推至內(nèi)澆口,即所謂慢壓射階段;第二級(jí)是沖頭以高速將金屬熔體通過(guò)內(nèi)澆口,在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)充滿型腔,即充型階段;第三級(jí)為尚未完全凝固的鑄件在高壓下(啟動(dòng)增壓器進(jìn)行凝固和被壓實(shí),即壓實(shí)階段。圖17所示為典型的三級(jí)壓射曲線示意圖,圖中曲線分成一級(jí)慢壓射、二級(jí)充型和三級(jí)增壓壓實(shí)三個(gè)階段。有些壓射系統(tǒng)將第一級(jí)壓射又分成兩個(gè)小部分,第一部分是沖頭先封住澆料口(圖18所示X 1線,第二小部分為慢壓射階段,然后再進(jìn)行光型和壓實(shí),這就成了四級(jí)壓射系統(tǒng),這樣除了可避免熔體濺出澆料口,更可以提高壓室初始充滿

2、度。慢壓射階段慢壓射階段在工藝上主要是選控慢壓射速度,目的是在金屬熔體涌至內(nèi)澆口時(shí),壓室中的氣體能完全從澆口進(jìn)入型腔,而不被金屬熔體包裹,避免在鑄件中形成氣孔;為此,需要選擇一個(gè)臨界沖頭速度,可以是等加速度,也可以是恒速,一般說(shuō),等加速度效果好。國(guó)外壓鑄機(jī)多配以“Parashot ”或“SIMUI ”的等加速度的慢壓射的速度選控系統(tǒng),圖19、圖202可作為選控慢壓射速度之參考。壓鑄工藝及壓鑄模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)(三潘憲曾1,劉興富2(1.嘉瑞集團(tuán)創(chuàng)金美(深圳科技有限公司,廣東深圳518111;2.一汽鑄造有限公司鑄造模具設(shè)備廠,吉林長(zhǎng)春130011摘要:壓鑄機(jī)、模具與合金三者,以壓鑄件為本,壓鑄工藝貫

3、穿其中,有機(jī)地將它們整合為一個(gè)有效的系統(tǒng),使壓鑄機(jī)與模具得到良好的匹配,起到優(yōu)化壓鑄件結(jié)構(gòu),優(yōu)選壓鑄機(jī)、優(yōu)化壓鑄模設(shè)計(jì)、提高工藝工作點(diǎn)的靈活性的作用,從而為壓鑄生產(chǎn)提供可靠保證。所以,壓鑄工藝寓于模具中之說(shuō),內(nèi)涵之深不言而喻。關(guān)鍵詞:壓鑄機(jī);模具;壓鑄工藝;模具設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):TG249.2;TG241文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1001-4977(200707-0698-06PAN Xian-zeng 1,LIU Xing-fu 2(1.MG Technolyg (Shen Zhen Co.,Ltd.of Koshui Holdings Co.,Ltd.,Shenzhen 518111,Chin

4、a;2.FAW Foundry Co.,Ltd.Foundry Mould Plant,Changchun 130011,China Abstract :The die casting machine,die and alloy,the three on the basis of die castings,running through with the die casting process forms organically a whole and an effective system.Making the machines well to mate with dies optimiza

5、tion of die casting construction optimization of selecting die casting machine.Optimization of die design and improving the flexibility of die casting process (operational point ,thus providing a secure guarant for production.So to say the process conveys in the die,this has a profound intension.Key

6、 words :die casting machine;die;die casting process;die designThe Main Points of Die Casting Process andDie Casting Die Design (Part 3收稿日期:2007-01-20收到初稿,2007-03-15收到修訂稿。作者簡(jiǎn)介:潘憲曾(1929-,男,江蘇南通人,教授,長(zhǎng)期從事壓鑄技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)管理工作。電話:029-*圖17三級(jí)壓射曲線示意圖Fig.17Scheme of injection curve with three leversNo.7鑄造FOUNDRY

7、!壓鑄698此階段在工藝上最應(yīng)關(guān)注的是:充型時(shí)間、壓射速度、內(nèi)澆口速度和空壓射速度的相互關(guān)系,及主要要參數(shù)的選擇。充型時(shí)間就是金屬熔體流過(guò)內(nèi)澆口,以高的內(nèi)澆口速度,在金屬熔體停止流動(dòng)前充滿型腔的時(shí)間。這一時(shí)間很短,是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù),是選用壓鑄機(jī),進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。充型時(shí)間要短,目的是充型時(shí)在鑄件最小的部位或液流遠(yuǎn)端不產(chǎn)生早期凝固,避免鑄件出現(xiàn)缺肉、冷隔等缺陷。充型時(shí)間越短,充型速度就越高,會(huì)加大型腔磨損,還可能因脹型而金屬飛濺和產(chǎn)生飛邊;充型速度高,會(huì)使型腔中氣體沒(méi)有足夠時(shí)間從型腔中逸出。充型時(shí)間的正確選擇只有綜合考慮才能得到,表3給出了選擇充型時(shí)間和內(nèi)澆口速度的相關(guān)因素4。金

8、屬熔體從工作溫度到凝固溫度釋放的熱量決定了其在相同導(dǎo)熱率下保持可鑄性的時(shí)間,因此這種熱量便作為判定其最大可充型時(shí)間的尺度。釋放熱量與充型時(shí)間成正比,根據(jù)熱量比可以得到幾種合金的充型時(shí)間的關(guān)系。Mg 合金、Zn 合金、Al 合金和Cu 合金在相同凝固條件下,從工作溫度到凝固溫度釋放的熱量分別為261、329、509、918kCal/dm 3,則它們的型時(shí)間比為M g Zn Al Cu 0.510.6511.8。也就是說(shuō)M g =0.51Al ,Zn =0.65Al ,Cu =1.8Al 。表4給出了充型時(shí)間與壁厚有關(guān)的推薦值,更確切地說(shuō)與凝固模數(shù)有關(guān)。一些世界著名的公司如瑞士Buehler 也以

9、此作為選擇充型時(shí)間的依據(jù)。早先的資料中是按鑄件平均壁厚計(jì)算的,而后來(lái)資料也有按最小壁厚計(jì)算的。B.Nogowizin 基于材料的熱性質(zhì)和他人經(jīng)驗(yàn),從試驗(yàn)出發(fā),得到最佳充型時(shí)間關(guān)系式3:=0.443sF C F FfH sw +C t t L -t F -0.5t #$(17表3選擇內(nèi)澆口速度與充型時(shí)間的相關(guān)因素Table 3Relative factors for choosing ingate velocity and fillingtime of die cavity充型時(shí)間相關(guān)相關(guān)相關(guān)相關(guān)相關(guān)相關(guān)相關(guān)相關(guān)相關(guān)相關(guān)相關(guān)相關(guān)相關(guān)相關(guān)-分類及編號(hào)131415預(yù)定數(shù)據(jù)可調(diào)參數(shù)因素名稱鑄件體積鑄件

10、結(jié)構(gòu)內(nèi)澆口開(kāi)設(shè)位置金屬熔體流程長(zhǎng)度凝固模數(shù)M=鑄件體積/表面積熔體成分單位體積熔體熱焓組織致密性要求表面質(zhì)量要求模具材料導(dǎo)熱性壓鑄機(jī)型號(hào)澆注溫度壓鑄模溫度型腔硬度與狀況溢流、排氣槽內(nèi)澆口速度-相關(guān)相關(guān)相關(guān)相關(guān)相關(guān)-相關(guān)相關(guān)相關(guān)相關(guān)相關(guān)相關(guān)-圖18臥式冷室壓鑄機(jī)壓射過(guò)程Fig.18Injection process of die casting machine with horizontal cold chamber圖19壓室初始充滿度K 、d 0/L 與沖頭加速度的關(guān)系Fig.19Relationship between initial filling of injection chamber

11、 ,do/L anddrift acceleration speed圖20不同壓室初始充滿度沖頭速度與壓室直徑的關(guān)系Fig.20At different filling degree in injection chamber drift speed relatesdiameter of injection chamber注:最大值用于鋁合金,中間值用于鋅合金,最小值用于鎂合金。表4充型時(shí)間與壁厚有關(guān)的推薦值(經(jīng)驗(yàn)值Table 4Recommended filling time of die cavity,which isrelated to thickness of casting充型時(shí)間/m

12、s1030204020603070鑄件壁厚/mm充型時(shí)間/ms4090501005012060200鑄件壁厚/mm2.5d 0L(沖頭直徑與沖頭行程比沖頭加速度/(m s -2鑄造潘憲曾等:壓鑄工藝及壓鑄模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)(三699式中:為充型時(shí)間,s 為鑄件平均壁厚;為固、液相間合金密度平均值;H sw 為合金熔化熱;C 為固、液相間合金平均比熱容;t L 為合金液相線溫度;f 為固相率;t 為液相線溫度與固相率為f 時(shí)溫度之間隔;t F 為模具溫度;F 為模具材料的導(dǎo)熱率;C F 為模具材料的比熱容;F 為模具材料的密度。此時(shí),澆注溫度t g =t L +(60120(。壓鑄時(shí)顯然金屬液在型腔中

13、無(wú)過(guò)熱,人們觀察到熔體流中具有一定數(shù)量的固相,當(dāng)固相率達(dá)到30%80%時(shí),在型腔中熔體運(yùn)動(dòng)只能通過(guò)高的流入速度,當(dāng)最佳充型時(shí)間按式(17計(jì)算時(shí),相當(dāng)于f 值為70%80%。圖21中可以確定液相線溫度和形成70%80%固相時(shí)的溫度間隔,即t=38,表53和表6中列舉了模具鋼1.2344(X40CrMoV51和壓鑄合金的物理性質(zhì),也可用于1.2343(X38CrM051、1.2365(X32CrMoV33和1.2367(X38CrMoV533。鋁合金和銅合金的熔化熱的經(jīng)驗(yàn)值不詳,所以用理論值。試驗(yàn)指出,鎂合金的熔化熱等于純鎂的熔化熱。表73是按式(17和按f=70%計(jì)算的最佳充型時(shí)間,如f=80%

14、時(shí),則表中數(shù)據(jù)要擴(kuò)大1.3倍。由表5可知Al-Si 和AlSiCu 合金最佳充型時(shí)間要比Al-Mg 合金長(zhǎng)1.21.6倍,這歸因于Si 的高熔化熱,使含硅的合金保持較長(zhǎng)時(shí)間液態(tài),利于在型腔中流過(guò)3。最佳充型時(shí)間對(duì)各種鎂合金而言在壓射時(shí)至少要比鋁合金快2倍,銅合金最佳充型時(shí)間與合金組成元素有關(guān),鉛黃銅(CuZn37Pb 與鎂合金相近,硅黃銅(CuZnl5Si4與鋁合金相近。表5壓鑄模鋼1.2344(X40CrMoV51在種各種溫度下的物理性質(zhì)Table 5Physical properties and temperature of die for diecasting alloys密度/(kg

15、m -37740774077407740774077407740比熱容/(kJ kg -1K -1圖21合金G-AlSi7Mg 和AZ91與固相分?jǐn)?shù)有關(guān)的溫度曲線Fig.21Temperature curves related to solid fraction for G-AlSi7Mg andAZ91alloys經(jīng)驗(yàn)表明,較短的充型時(shí)間對(duì)薄壁長(zhǎng)流程的鑄件是成功的,已用于NADCA 推薦計(jì)算澆注系統(tǒng)的公式中2,6:=0.0346(T m -T f +0.25f /(T f -T d s m(18式中:為充型時(shí)間,ms ;T m 為金屬熔體澆注溫度,;T f 為金屬流動(dòng)最小溫度,;T d 為壓

16、鑄模溫度,;f 為金屬熔體失去流動(dòng)性前的最大固相率;s m 為壓鑄件平均壁厚,mm 。表6壓鑄合金物理性質(zhì)和模具溫度Table 6Physical properties of die steel 1.2344(X40CrMoV51at different temperature 固相線溫度/520570570560506540580420435890830合金AlSi9Cu3AlSi12AlSi12Cu AlSi10Mg AlSi6Cu4AlMg9A1Mg3SiZn AZ91AZ81AZ60AZ50AZ20AS41AS20AE42CuZn37Pb CuZn15Si4密度(20/(kg m -3

17、密度/(kg m -3250016007600液相線溫度/590580585熔化熱/(kJ kg -1370145190溫度間隔t1030模具溫度/180250200270300350比熱容/(kJ kg -1K -11.1700以某鎂合金壓鑄件為例,壁厚s m =2mm ,金屬熔體澆注溫度T m =670,模具溫度T d =200,最小流動(dòng)溫度T f =610,最大固相率f=30%。則按式(18計(jì)算充型時(shí)間=0.0346(6780-610+0.2530/(610-2002=20ms 。鑄件表面品質(zhì)量隨充型時(shí)間增加而變化,充型時(shí)間短,壓射功率大,充型快,但因內(nèi)澆口厚度的限制,過(guò)短的充型時(shí)間使鑄

18、件的孔隙率增加。圖22是充型時(shí)間對(duì)鋁壓鑄件品質(zhì)的影響7。圖233,8是近年提出的一種對(duì)鋁、鎂壓鑄件壁厚與充型時(shí)間關(guān)系的關(guān)系圖。表面品質(zhì)要求高的就選較短的充型時(shí)間。(1壓射速度(沖頭速度壓射速度(沖頭速度是充型階段單位時(shí)間內(nèi)的沖頭位移。在行程曲線充型階段任選兩個(gè)點(diǎn),測(cè)量行程的距離和充型時(shí)間(圖24,即可求得壓射速度=測(cè)量的距離(mm /壓射時(shí)間(ms 。(2充型速度(內(nèi)澆口速度充型速度即內(nèi)澆口速度,與沖頭速度和沖頭面積有關(guān)。在壓室模具這個(gè)封閉系統(tǒng)里,以充型時(shí)金屬通過(guò)內(nèi)澆口的體積流量Q 為基礎(chǔ),有以下關(guān)系:Q=v a S a /1000=v 0A 0/1000(19式中:v a 為內(nèi)澆口速度(充型

19、速度,m/s ;S a 為內(nèi)澆口面積,mm 2;v 0為沖頭速度(壓射速度,m/s ;A 0為沖頭面積,mm 2。一般只有選定壓鑄機(jī)后,才能確定沖頭面積,內(nèi)澆口速度可按表1(2007年第6期第600頁(yè)選取。內(nèi)澆口速度是重要的參數(shù),對(duì)鑄件質(zhì)量和模具壽命有重要影響。內(nèi)澆口速度過(guò)高會(huì)增大型腔表面由于侵蝕、粘模而受損傷的幾率;較低的內(nèi)澆口速度雖有利于氣體從型體內(nèi)排出,但也能使鑄件力學(xué)性能和表面質(zhì)量變壞。鑄件的體積缺陷常以均勻分布的顯微孔隙或以較大的孔洞出現(xiàn)在鑄件中,高內(nèi)澆口速度的壓鑄強(qiáng)度比低內(nèi)澆口速度的低,有助于在鑄件中形成顯微孔隙,使鑄件表面更光潔,組織更致密。圖22充型時(shí)間對(duì)鋁件壓鑄件的品質(zhì)影響F

20、ig.22Effect of filling time on quality of aluminum die casting圖23壓鑄鋁、鎂合金鑄件壁厚與充型時(shí)間的關(guān)系Fig.23Filling time relates to thickness of aluminum and magnesium diecastings表7最佳充型時(shí)間(f=0.7Table 7The best filling time calculated by formula 1and f=0.7平均壁厚最佳充型時(shí)間/sAlMg5Si2MnAlSi6Cu4,AlSi10MgAlSi9Cu3,AlSi12圖24沖頭速度計(jì)算示

21、意圖Fig.24Schematic map of calculating drift speed鑄造潘憲曾等:壓鑄工藝及壓鑄模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)(三701內(nèi)澆口速度與鑄件壁厚有關(guān),可用下式計(jì)算:v a =46574s!(20式中:s 為鑄件壁厚(單位:mm ,適于壁厚16mm ;參數(shù)4657中,低值用于鋅合金,中值用于鋁合金,高值用于鎂合金。將最大內(nèi)澆口速度限制在5060m/s ,而最小內(nèi)澆口速度為鋅12m/s 、鋁18m/s 、鎂27m/s 。內(nèi)澆口速度與鑄件壁厚有關(guān),但由內(nèi)澆口厚度來(lái)決定,實(shí)際中相同壁厚的鑄件,可能有不同厚度的內(nèi)澆口,由此也會(huì)用不同的的內(nèi)澆口速度來(lái)壓鑄。還有一種與內(nèi)澆口厚度有關(guān)的計(jì)

22、算內(nèi)澆口的方法,見(jiàn)下式:v a =K wd a!(21式中:d a 為內(nèi)澆口厚度,m ;K w 為系數(shù),鎂合金為45,鋁合金為40,銅合金為27。d a 值應(yīng)較鑄件平均壁厚s 小,同時(shí)也小于內(nèi)澆口設(shè)置處的鑄件厚度;通常壁厚為16mm 時(shí),d a 為0.82mm ;當(dāng)1mm s 3mm ,最小內(nèi)澆口厚度d a min =0.5+0.185s ;當(dāng)3.3mm s 6mm ,d a min =0.33s ;平均內(nèi)澆口厚度d am =0.52+0.28s 。內(nèi)澆口厚度首先影響金屬液滴的形成,G.Lieby 和L.Frommer 研究指出,較薄的金屬流從內(nèi)澆口射出,并迅速變厚,在極短的時(shí)間后形成延續(xù)伸展

23、的“結(jié)”,這個(gè)“結(jié)”隨射流向前運(yùn)動(dòng)并最終霧化,金屬射流從內(nèi)澆口流出時(shí)最小內(nèi)澆口速度13為:mm#$0.415v a min =214V0.17(2d a 0.585V m(22式中:V m 為金屬熔體的動(dòng)力粘度,m/s ;m 為表面張力,N/m ;m 為密度,kg/m 3;d a 為內(nèi)澆口厚度,m 。為了保證霧化要求,由式(22計(jì)算出的值,必須擴(kuò)大到1.31.5倍,內(nèi)澆口厚度d a 與內(nèi)澆口速度v a 的關(guān)系如圖25所示3,圖中v a 是按v a min 1.5計(jì)算而得到的。內(nèi)澆口幾乎都是長(zhǎng)方形,知道其厚度后,其寬度b a 必須符合下列條件:b a =#v 0d 024d a v a(23式中

24、:v 0為沖頭速度,v a 為內(nèi)澆口速度,d 0為沖頭直徑,d a 為內(nèi)澆口厚度。但有對(duì)內(nèi)澆口結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)線圖2,證實(shí)了內(nèi)澆口結(jié)構(gòu)(內(nèi)澆口參數(shù)D 如圖26中公式和內(nèi)澆口速度,對(duì)鑄件質(zhì)量的影響,推薦優(yōu)良鑄件的工作點(diǎn)的區(qū)域薄壁鑄件時(shí),選擇鄰近圖中網(wǎng)格區(qū)?？梢?jiàn),在很薄的內(nèi)澆口時(shí),因內(nèi)澆口參數(shù)為低值,需要更高的內(nèi)澆口速度。鑄件的實(shí)際比較,在圖25中用點(diǎn)加以標(biāo)志,一個(gè)壁厚3.43mm 的銅壓鑄件,內(nèi)澆口厚度1.4mm ,采用內(nèi)澆口速度24m/s ,在此速度下,形成細(xì)微的金屬-空氣混合體;從圖25可知,當(dāng)d a =1.4mm 時(shí),內(nèi)澆口速度v a =23m/s ,這與實(shí)際是吻合的。圖25中曲線表明,當(dāng)d a

25、 =0.82mm 時(shí),Al 合金的內(nèi)澆口速度v a =4526m/s ,Mg 合金的內(nèi)澆口速度v a =5029m/s ,Cu 合金的內(nèi)澆口速度v a =3117m/s 。根據(jù)式(20,當(dāng)s=16mm 時(shí),內(nèi)澆口速度v a =5132m/s (Al 合金,v a =5736m/s (Mg 合金,比圖25所示要高一點(diǎn)。通常在3045m/s 選擇Cu 合金的內(nèi)澆口速度。內(nèi)澆口速度較低適合于壁厚相對(duì)較厚的鑄件,反之則反。在正常情況下(壁厚22.5mm ,最大3mm ,計(jì)算時(shí)采用v a =3540m/s 。這些壁厚的鑄件,內(nèi)澆口厚度為11.5mm 時(shí),則由圖25可以確定內(nèi)澆口速度v a =2127m/

26、s 。如果內(nèi)澆口速度大于如圖25如示值,可增強(qiáng)熔體的霧化效應(yīng)。必須指出,在壓鑄Al 合金和Cu 合金時(shí),內(nèi)澆口速度過(guò)高易導(dǎo)致金屬粘焊,粘附在型芯和型腔表面,而Mg 合金幾乎不會(huì)出現(xiàn)粘焊問(wèn)題。如圖25所示,可用于厚壁鑄件選擇內(nèi)澆口速度(s6mm,而式(20只適用于s 小于6mm 的情形。內(nèi)澆口速度可以由鑄件厚度決定,按圖25和式(20來(lái)確定,如果采用最高值,則充型是在金屬射流霧化時(shí)進(jìn)行,并有助于在鑄件中形成顯微孔隙。生產(chǎn)很薄的鑄件需要很高的內(nèi)澆口速度,壓鑄機(jī)必須滿足這一要求?？捎孟率接?jì)算壓鑄機(jī)能達(dá)到的最大內(nèi)澆口速度。v a min =$2p gs %&1-v 0v ot max%&!2(24圖2

27、5內(nèi)澆口厚度與內(nèi)澆口速度的關(guān)系Fig.25Relationship between thickness of ingate and velocity at ingate圖26內(nèi)澆口參數(shù)D 和內(nèi)澆口速度對(duì)鑄件質(zhì)量的影響Fig.26Effects of parameter D and velocity at ingate on quality of castingsFOUNDRY Jul.2007702鑄造 潘憲曾等： 壓鑄工藝及壓鑄模具設(shè)計(jì)要點(diǎn) （三） （ 為 式 中 ： ） ， 為 蓄 能 器 壓 力 ； 出 流 系 數(shù) （ 阻尼系數(shù)） ； 為壓射活塞直徑； 為機(jī)器所能達(dá)到 的 最 大 空 壓 速 度 ； 為 沖 頭 直 徑 ； 為 充 型 時(shí) 沖 頭 速 度； 為金屬熔體密度。 （ 出流系數(shù) 阻尼系數(shù)） 為沖頭和內(nèi)澆口系統(tǒng)中的 液壓損失， 金屬熔 體從壓室通過(guò)澆道、內(nèi) 澆口 進(jìn) 入 型 腔的過(guò)程中， 一般 。 提出 。 由式 （ 看出， 愈大， 也就愈大， 從而 ） 可滿足用較短的充型時(shí)間充填