第1章壓鑄工藝方法、特點(diǎn)及應(yīng)用

1、課程名：壓鑄模設(shè)計(jì)書名：壓鑄工藝與模具設(shè)計(jì)2013年年4月月李成凱李成凱 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí):什么是鑄造？將熔化的金屬液（鑄鐵、鋼、有色金屬）澆注到鑄型（砂型、金屬型、陶瓷型等），待其凝固冷卻后，獲得一定形狀的零件或零件毛坯的成形方法，稱為鑄造。鑄造獲得的毛坯或零件稱為鑄件。鑄造的用途：機(jī)座、床身、機(jī)床工作臺、齒輪、皮帶輪、汽車配件、各種五金配件、鑄鐵（鋁）鍋等。鑄造的分類：分為砂型鑄造和特種鑄造特種鑄造：凡不同于砂型鑄造的所有鑄造方法，統(tǒng)稱為特種鑄造。如金屬型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造、離心鑄造、熔模鑄造、陶瓷型鑄造等本次課學(xué)習(xí)內(nèi)容一、壓鑄的基本原理及特點(diǎn)二、壓鑄件的工藝性三、壓鑄合金第一章第一章 壓鑄

2、工藝方法、特點(diǎn)及應(yīng)用壓鑄工藝方法、特點(diǎn)及應(yīng)用1.1壓鑄工藝方法發(fā)展概況壓鑄工藝方法發(fā)展概況 一般認(rèn)為最早的壓鑄機(jī)械出現(xiàn)在19世紀(jì)初期，當(dāng)時(shí)廣泛用于壓鑄印刷用的鉛字至19世紀(jì)中葉已有專利提出。 當(dāng)前國外壓鑄技術(shù)發(fā)展的趨勢是：壓鑄機(jī)向系列化、大型化及自動化發(fā)展；計(jì)算機(jī)在壓鑄生產(chǎn)中應(yīng)用日益增多；壓鑄工藝不斷采用新技術(shù)以及開展延長壓鑄模服役壽命研究等。 壓力鑄造在我國起始于20世紀(jì)40年代，但在工業(yè)上大量生產(chǎn)壓鑄件始于20世紀(jì)50年代，即1958年以后。在汽車、電工和儀表行業(yè)中大批量生產(chǎn)壓鑄件，從此壓鑄工藝得到迅速發(fā)展。在這以后的10年中，我國的壓鑄技術(shù)取得了一定的成就，自行設(shè)計(jì)制造了壓鑄模，除掌握了

3、常規(guī)壓鑄生產(chǎn)工藝外，尚對一些新工藝，如真空壓鑄和黑色合金壓鑄進(jìn)行了探討，壓鑄件的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到農(nóng)機(jī)、機(jī)床、辦公用具、軍工等領(lǐng)域。 至20世紀(jì)90年代，我國的壓鑄技術(shù)達(dá)到一定水平，已自行設(shè)計(jì)和制造出成系列的性能良好的壓鑄機(jī)。國產(chǎn)壓鑄機(jī)從一般小型到5000kN（500T）、6300kN、8000kN、l0000kN、12500kN及16000kN的大型壓鑄機(jī)均有生產(chǎn)，并且2000030000kN的壓鑄機(jī)也已研制成功和批量生產(chǎn)，這標(biāo)志著我國大型壓鑄機(jī)的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)已具備國際水平。更重要的是在這一時(shí)期，我國已建立了自己的壓鑄技術(shù)隊(duì)伍，培養(yǎng)出一批具有一定水平的壓鑄技術(shù)人才，已有能力在壓鑄技術(shù)與生產(chǎn)領(lǐng)域

4、的各個(gè)方面進(jìn)行開拓性的工作。近年來，壓鑄的飛速發(fā)展得力于汽車和摩托車、電子通信、家用電器等行業(yè)的高速發(fā)展，這幾個(gè)行業(yè)是壓鑄件的主要用戶。迄今，我國壓鑄技術(shù)已經(jīng)形成了自己的體系，并正在穩(wěn)步發(fā)展之中。1.2壓鑄工藝過程由壓鑄機(jī)來完成熱壓室壓鑄機(jī)壓鑄過程a）合模狀態(tài) b）壓射 c）壓射沖頭回程開模推出壓鑄件立式冷壓室壓鑄機(jī)壓鑄過程 a）合模熔融合金澆入壓室 b）壓射反料沖頭下退充填型腔 c）壓射沖頭回程反料沖頭上升推出余料 d）開模推出壓鑄件 臥式冷壓室壓鑄機(jī)壓鑄過程 a）合模熔融合金澆入壓室 b）壓射熔融合金充填型腔 c）開模沖頭推出余料 d）推出壓鑄件沖頭復(fù)位 全立式冷壓室壓鑄機(jī)壓鑄過程 沖頭上

5、壓式： a）熔融合金澆入壓室 b）合模壓射c）開模沖頭上升 d）推出壓鑄件沖頭復(fù)位 全立式冷壓室壓鑄機(jī)壓鑄過程 沖頭下壓式： a）熔融合金澆入壓室 b）合模壓射c）開模沖頭上升 d）推出壓鑄件沖頭復(fù)位 1.3 壓鑄工藝原理 從本質(zhì)上來說，壓鑄過程與其他各種鑄造過程一樣都是液態(tài)合金的流動與傳熱過程和凝固過程，也就是動量傳遞、質(zhì)量傳遞和能量傳遞過程及相變過程，都是基本物理過程，都遵循自然界中關(guān)于物質(zhì)運(yùn)動的動量守恒原理、質(zhì)量守恒原理和能量守恒原理及相變原理。 壓鑄過程是在高壓、高速條件下進(jìn)行的，使得液態(tài)合金充填型腔時(shí)的形態(tài)與其他鑄造方法的充填形態(tài)具有很大的差別，因而理解壓力和速度在壓鑄過程中的作用和

6、變化，對液態(tài)合金流動(充填)形態(tài)的影響是必要的。 1.3.1壓鑄壓力和壓鑄速度 1.壓鑄壓力壓鑄壓力是壓鑄過程中的主要參數(shù)之一，通常用壓射力和壓射比壓來表示。 (1)壓射力壓射力可分為充填壓射力和增壓壓射力。 充填壓射力指充填過程中的壓射力 Fy=pgAD 式中：Fy充填壓射力，kN； pg壓鑄機(jī)液壓系統(tǒng)的管路工作壓力，kPa； AD壓鑄機(jī)壓射缸活塞截面積，m2。 增壓壓射力則是指增壓階段的壓射力 Fyz=pgzAD 式中： Fyz增壓壓射力，kN； pgz壓鑄機(jī)壓射缸內(nèi)增壓后的液壓壓力，kPa。 (2)壓射比壓 壓射比壓是指壓室內(nèi)與壓射沖頭接觸的金屬液在單位面積上所受到的壓力，其亦可分為壓射

7、比壓和增壓比壓。 充填時(shí)的比壓稱為壓射比壓。 pb = FyAc 式中 pb壓射比壓，kPa； Fy充填壓射力，kN； Ac壓射沖頭截面積，m2。 增壓時(shí)的比壓則叫做增壓比壓。 pbz = FyzAc 式中 pbz增壓比壓，kPa； Fyz增壓壓射力，kN。 壓鑄過程中，作用在液態(tài)金屬上的壓射比壓并非是一個(gè)常數(shù)，壓鑄過程中，作用在液態(tài)金屬上的壓射比壓并非是一個(gè)常數(shù)，而是隨著壓鑄過程的不同階段而變化。通常，壓鑄過程中液態(tài)金而是隨著壓鑄過程的不同階段而變化。通常，壓鑄過程中液態(tài)金屬在壓室與壓鑄模中的運(yùn)動可分成四個(gè)階段，不同階段液態(tài)金屬屬在壓室與壓鑄模中的運(yùn)動可分成四個(gè)階段，不同階段液態(tài)金屬所受壓力

8、所受壓力(比壓比壓) 圖圖1-5 1-5 壓鑄過程不同階段作用在液態(tài)金屬液壓鑄過程不同階段作用在液態(tài)金屬液上的壓力示意圖上的壓力示意圖p-p-壓射壓力；壓射壓力；s-s-沖頭移動距離；沖頭移動距離；t-t-時(shí)間時(shí)間abab封口；封口；bcbc堆積；堆積；cdcd充填；充填；dede壓實(shí)壓實(shí)階段：慢速封孔階段。 階段：合金液堆聚階段。 階段：充填階段。 階段：增壓-保壓階段(亦稱壓實(shí)階段)。 2.壓鑄速度 壓鑄速度(速率)是壓鑄工藝中另一個(gè)主要參數(shù)，壓鑄速度又有壓射速度與充填(充型)速度兩個(gè)不同的概念。壓射速度是指壓室內(nèi)壓射沖頭的推進(jìn)速度，而充填速度指的則是內(nèi)澆口處液態(tài)合金的流動速率，即內(nèi)澆口速

9、度。 1.3.2液態(tài)合金流動(充填)形態(tài)有關(guān)理論 壓鑄過程中，液態(tài)合金充填型腔時(shí)的流動(充填)形態(tài)是非常復(fù)雜的，涉及流體力學(xué)、傳熱學(xué)和熱力學(xué)等多學(xué)科理論問題，且與諸如液態(tài)合金的密度、黏度、表面張力、凝固溫度范狀尺寸與位置、壓射比壓、壓鑄溫度等液態(tài)合金的物理性質(zhì)和壓鑄工藝參數(shù)有關(guān)。 到目前為止尚未有完整的充填理論。早期典型的壓鑄充填理論歸納起來主要有以下三種。 1.噴射充填理論噴射充填理論是由弗洛梅爾(Frommer)于1932年提出的。圖1-6 噴射充填理論的流動形態(tài)示意圖2.2.全壁厚充填理論全壁厚充填理論全壁厚充填理論全壁厚充填理論是勃蘭特是勃蘭特(Brandt)(Brandt)于于193

10、71937年提出的。年提出的。圖1-7 全壁厚充填理論的流動形態(tài)示意圖 3.三階段充填理論 三階段充填理論是巴頓(Barton)在1944年提出的。 第一階段：液體合金以近似內(nèi)澆口的形狀進(jìn)入型腔，首先沖擊對面的型壁，并沿型壁向型腔四周擴(kuò)展流向內(nèi)澆口。在合金流過的型壁上形成鑄件的外殼，又稱薄殼層。 第二階段：隨后進(jìn)入的液體合金進(jìn)行薄殼層內(nèi)空間的充填，直至充滿。 第三階段：在型腔完全充滿的同時(shí)，壓力通過尚未凝固的中心部分作用在鑄件上，型腔內(nèi)的金屬得到壓實(shí)。圖圖1-8 1-8 三階段充填理論的流動形態(tài)示意圖三階段充填理論的流動形態(tài)示意圖 以上就是早期的三種典型充填理論。由于壓鑄充填過程是在極短時(shí)間內(nèi)

11、完成的，并且鑄型是不透明的，因而直接觀察鑄型的充填形態(tài)極其困難，幾乎是不可能的。此外，充填形態(tài)還與壓射工藝參數(shù)、鑄件和內(nèi)澆口的形狀以及內(nèi)澆口截面積與型腔截面積之比、壓鑄合金的性能等因素有關(guān)。因此，對充填理論一直存在著不同的看法。 弗洛梅爾的充填理論為許多試驗(yàn)所證實(shí)，故能為大多數(shù)人所接受。例如，柯斯特和戈林曾設(shè)計(jì)了一副形狀和尺寸與勃蘭特試驗(yàn)時(shí)相似的壓型，其兩側(cè)鑲以抗熱玻璃，通過高速攝影拍下充填過程的流動形態(tài)，結(jié)果卻與弗洛梅爾充填理論基本相符，從而否定了勃蘭特理論。他們認(rèn)為勃蘭特的錯(cuò)誤結(jié)論是因試驗(yàn)時(shí)的失誤造成的。充填時(shí)，由于液態(tài)金屬飛濺致使型腔內(nèi)電觸點(diǎn)過早地閉合，因而反映了偶然的不確實(shí)的情況。實(shí)際

12、上勃蘭特的充填情況只有在低壓力和低的合金溫度下才有可能出現(xiàn)。 科普夫(Kopf)曾在壓鑄機(jī)上安裝測試儀器，通過示波器顯示壓鑄過程中壓力和速度的變化，并將其拍攝下來。對示波器圖像進(jìn)行分析后，所得結(jié)論為：進(jìn)入型腔內(nèi)的液態(tài)合金的動能決定著充填形態(tài)。如果內(nèi)澆口處的液態(tài)合金的動能大于型腔內(nèi)的流動阻力，則按弗洛梅爾理論充填；反之，則按勃蘭特理論充填。 現(xiàn)在人們已經(jīng)清楚地意識到，認(rèn)識液態(tài)合金充填過程對正確確定排氣道的位置及基本壓鑄工藝參數(shù)是非常重要的。 1.4壓鑄工藝特點(diǎn)及應(yīng)用范圍 1.4.1壓鑄生產(chǎn)的工藝特點(diǎn) 壓鑄生產(chǎn)具有高速、高壓、充填時(shí)間極短，并在高壓狀態(tài)下凝固成形的特點(diǎn)，因此壓鑄具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1

13、)壓鑄件的尺寸精度高、表面質(zhì)量好； (2)可以生產(chǎn)形狀復(fù)雜、輪廓清晰、深腔薄壁的壓鑄件； (3)壓鑄件組織致密，具有較高的強(qiáng)度和硬度； (4)材料利用率高； (5)生產(chǎn)效率高，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化生產(chǎn)； (6)經(jīng)濟(jì)效益好。但是壓鑄生產(chǎn)也存在一些缺點(diǎn)： (1)壓鑄件易出現(xiàn)氣孔和縮松；(2)不適合小批量生產(chǎn)；(3)模具的壽命低；(4)受壓鑄件結(jié)構(gòu)和合金種類所限。 1.4.2壓鑄應(yīng)用范圍 壓力鑄造是近代發(fā)展較快的一種高效、少無切削的金屬成型工藝方法。由于壓力鑄造具有許多優(yōu)點(diǎn)，這種工藝方法已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)中。壓鑄件除用于汽車和摩托車、儀器儀表、工業(yè)電器外，還廣泛應(yīng)用于家用電器、農(nóng)機(jī)、無線電、通信、機(jī)床、運(yùn)輸、造船、照相機(jī)、鐘表、計(jì)算機(jī)、紡織器械等行業(yè)。其中汽車和摩托車制造業(yè)是最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，汽車約占70，摩托車約占10。目前生產(chǎn)的一些壓鑄零件最小的只有幾克，最大的鋁合金鑄件質(zhì)量達(dá)50kg，直徑可達(dá)2m。 壓鑄件的形狀多種多樣，大體上可以分為六類。 圓蓋類一表蓋、機(jī)蓋、底盤等。 圓盤類號盤座等。 圓環(huán)類接插件、軸承保持器、轉(zhuǎn)向盤等。 筒體類凸緣外套、導(dǎo)管、殼體形狀的罩殼、儀表蓋、上蓋、深腔儀表罩、照相機(jī)殼與蓋、化油器等。 多孔缸體、殼體類汽缸體、汽缸蓋及油泵體等