文獻(xiàn)綜述-壓鑄成形工藝及模具

壓鑄成形工藝及模具摘要：本文簡要的介紹了壓鑄的歷史簡要、壓力鑄造的基本理論、壓鑄工藝成型原理及特點(diǎn)、壓鑄件設(shè)計(jì)的形狀結(jié)構(gòu)要求、壓鑄件設(shè)計(jì)的壁厚要求、壓鑄件的加強(qiáng)筋/肋的設(shè)計(jì)要求、壓鑄件的圓角設(shè)計(jì)要求、壓鑄件設(shè)計(jì)的鑄造斜度要求、壓鑄件的常用材料、壓鑄模具的常用材料以及常用壓鑄合金的性能和壓鑄合金的選取用要求。關(guān)鍵字：壓鑄，模具，壓鑄件，壓鑄材料壓鑄的歷史簡要壓力鑄造是近代金屬加工工藝中發(fā)展較快的一種少無切削的特種鑄造方法。最原始的壓鑄機(jī)于1856年問世，迄今已有近150年歷史，從最早的手工壓鑄，到現(xiàn)在的全自動化計(jì)算機(jī)控制壓鑄，從最早的冷室壓鑄方法到現(xiàn)在的鎂合金hotrunner法，現(xiàn)代壓鑄已滲透到現(xiàn)代制造業(yè)的各個行業(yè)。熔融金屬是在高壓、高速下充填鑄型。并在高壓下結(jié)晶凝固形成鑄件。高壓、高速是壓力鑄造的主要特征。由于它具有生產(chǎn)效率高，工序簡單。鑄件公差等級較高（常用鋅合金為IT10-13，鋁合金為IT11-13），表面粗糙度好（鋅合金為Ra1.6-3.2,鋁合金Ra3.2-6.3），機(jī)械強(qiáng)度大，可以省去大量的機(jī)械加工工序和設(shè)備，節(jié)約原材料等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為世界鑄造業(yè)中一個重要組成部分。鋅合金壓鑄開始于1890年，鋁合金壓鑄開始于1910年，銅合金壓鑄開始于1911年，鎂合金壓鑄開始于1925年。壓力鑄造的基本理論一、典型的填充理論國外在30年代初期已有一些著名專家對壓鑄過程中金屬的流轉(zhuǎn)作了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，比較公認(rèn)的有三種。1.噴射填充理論（第一種填充理論）。它是由德國人學(xué)者L.Ffommel于1932年根據(jù)流體力學(xué)的定律，以理想流體為基礎(chǔ)通過實(shí)驗(yàn)得出，在速度、壓力均保持不變的前提下，金屬液進(jìn)入內(nèi)澆口，沖擊到正對面型壁處——沖擊階段，經(jīng)撞擊后，金屬聚集呈渦流狀態(tài)，向著內(nèi)澆口一端反向填充——渦流階段。最終填充成形。2.全壁厚填充理論（第二種填充理論）這種理論認(rèn)為：金屬液通過內(nèi)澆口進(jìn)入型腔后，即擴(kuò)張到型壁，然后沿著整個型腔截面向前填充，直到整個型腔充滿為止。3.三階段填充理論（第三種填充理論）第一階段：液態(tài)金屬射入型腔后，沿著型腔各方向擴(kuò)展，在正常的傳熱條件下，與型腔壁面相接觸的部位形成一層凝固層，亦即鑄件的表面層。第二階段：鑄件表面成殼后，型腔繼續(xù)受到液體金屬的填充，凝固層逐漸增厚，此時合金的粘度亦增，而處于中心部位的液體金屬，在第二階段結(jié)束時，尚處于液態(tài)，除了繼續(xù)得到液體金屬的補(bǔ)充外，仍可承受來自壓室的壓射壓力。第三階段：金屬液全部充滿型腔，連同澆注系統(tǒng)及壓室形成一個封閉的水力系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中各處的壓力均等。壓射力仍可通過尚未凝固的內(nèi)澆口作用于鑄件，達(dá)到進(jìn)一步增壓的目的。三階段填充理論比較全面地考慮了填充的全過程中的傳熱條件及金屬的流動特性。二．當(dāng)前國內(nèi)外典型壓力——時間變化的分析1.壓射沖頭從起始位置到金屬進(jìn)入內(nèi)澆口之前這段時間。由于沖頭與壓室之間的磨擦及水錘等作用，出現(xiàn)較低的壓力，磨擦力越大則壓力越大。此階段稱為慢速封口階段。2.金屬液到達(dá)內(nèi)澆口前沿，內(nèi)澆口為整個澆注系統(tǒng)中截面積最小，壓射壓力因而升高，出現(xiàn)一個峰值K，此階段稱為金屬液積聚階段。3.金屬液越過內(nèi)澆口，變速填充型腔，通過內(nèi)澆口的速度，稱為澆口速度，此過程稱為填充階段。4.型腔填充完畢，按照壓射缸所調(diào)整的壓力，使鑄件在凝固階段進(jìn)一步致密的最終加壓，其最終壓力的大小，取決于壓鑄機(jī)壓射系統(tǒng)的性能。此過程稱為增壓階段。壓鑄工藝成型原理及特點(diǎn)壓鑄，即壓力鑄造，是將液態(tài)金屬或半液態(tài)金屬，在高壓作用下，以高的速度填充到壓鑄模的型腔中，并在壓力下快速凝固而獲得鑄件的一種方法。壓鑄時常用壓力是從幾兆帕至幾十兆帕，填充起始速度在0.5-70m/s；壓鑄時的熔料溫度，鋁合金一般是610-670℃，鋅合金一般是400-450℃，模具溫度一般為合金溫度的三分之一。壓鑄件設(shè)計(jì)的形狀結(jié)構(gòu)要求壓鑄件設(shè)計(jì)的形狀結(jié)構(gòu)要求就目前來說是比較重要的，合理的壓鑄件結(jié)構(gòu)不僅能簡化壓鑄模具的結(jié)構(gòu)，降低制造成本，同時也能改善壓鑄件的質(zhì)量。應(yīng)注意如下要求：a、避免內(nèi)部側(cè)凹或盲孔結(jié)構(gòu)；b、避免或減少垂直于分型面的孔或外部盲孔結(jié)構(gòu)；壓鑄件設(shè)計(jì)的壁厚要求同樣的，壓鑄件設(shè)計(jì)的壁厚要求一樣很重要。壓鑄件壁厚度（通常稱壁厚）是壓鑄工藝中的關(guān)鍵因素，如熔料填充時間的計(jì)算、凝固時間的計(jì)算、模具溫度梯度的分析、壓力（最終比壓）的作用、留模時間的長短、壓鑄件頂出溫度的高低及操作效率等等，都與壁厚有著直接的聯(lián)系。應(yīng)注意如下要求：a、壓鑄件壁厚偏厚會使壓鑄件的力學(xué)性能明顯下降，薄壁壓鑄件致密性好，相對提高了鑄件強(qiáng)度及耐壓性；b、壓鑄件壁厚不能太薄，太薄會造成鋁合金熔液填充不良，成型困難，使鋁合金熔液熔接不好，并給壓鑄工藝帶來困難；c、壓鑄件隨壁厚的增加，其內(nèi)部氣孔、縮孔等缺陷也隨之增加；d、應(yīng)盡量保持壁厚截面的厚薄均勻一致。根據(jù)壓鑄件的表面積大小劃分，鋅鋁合金壓鑄件的合理壁厚如下表所示：鋅鋁合金壓鑄件的合理壁厚壓鑄件的加強(qiáng)筋/肋的設(shè)計(jì)要求一般來說，壓鑄件常會用到加強(qiáng)筋/肋，加強(qiáng)筋/肋的作用是增加壓鑄件的強(qiáng)度和剛性，減少鑄件收縮變形,避免工件從模具內(nèi)頂出時發(fā)生變形，作為熔料填充時的輔助回路（熔料流動的通路）。應(yīng)注意如下要求：a.壓鑄件的加強(qiáng)筋/肋的厚度應(yīng)小于所在壁的厚度，一般取該處壁厚的2/3~3/4；壓鑄件的圓角設(shè)計(jì)要求就一些壓鑄件而言，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓に噲A角，有利于壓鑄成型，避免應(yīng)力及產(chǎn)生裂紋，并可延長壓鑄模具的壽命；當(dāng)壓鑄件需要進(jìn)行電鍍或涂覆時，圓角處可防止鍍（涂）料沉積，獲得均勻鍍（涂）層。應(yīng)注意如下要求：a.壓鑄件上凡是壁與壁的連接處（模具分型面的部位除外）都應(yīng)設(shè)計(jì)成圓角；b.壓鑄件圓角一般?。?/2壁厚≤R≤壁厚；壓鑄件設(shè)計(jì)的鑄造斜度要求對于壓鑄件，我們還會關(guān)心它的脫模難易，所以在設(shè)計(jì)時常常要設(shè)計(jì)一定的鑄造斜度，鑄造斜度是在脫模時，減少壓鑄件與模具型腔的摩擦，使壓鑄件容易被取出；減少鑄件表面被劃傷；延長壓鑄模使用壽命。鋅鋁合金壓鑄件的一般最小鑄造斜度如下表所示：鋅鋁合金壓鑄件的一般最小鑄造斜度壓鑄件的常用材料當(dāng)前企業(yè)常用壓鑄鋁合金一般有：ADC12、YL113、YL102、A380、A360等；常用壓鑄鋅合金一般有：3#Zn；目前，珠江三角洲地區(qū)比較普遍的鋁合金材料是ADC12，它在壓鑄成型性、切削性、機(jī)械性能等各方面均有較好的表現(xiàn)。壓鑄模具的常用材料一般來說，壓鑄模具型腔材料要求具有較高的冷熱疲勞抗力、良好的斷裂韌性及熱穩(wěn)定性。常用壓鑄模具型腔材料牌號常用壓鑄合金的性能一、物理性能見下表：目前常用壓鑄合金的物理性能名稱密度（克/厘米3）熔點(diǎn)液相線固相線鋁合金2.5～2.9575～630545～579鋅合金6.7386～387380～381鎂合金1.8～1.81607～49226.4銅合金8.5～8.85885～900二、機(jī)械性能合金的機(jī)械性能是指它抵抗外力作用而表現(xiàn)出來的特性，也稱為力學(xué)性能。一般以抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、塑性、延伸率、斷面收縮率、硬度來衡量和反映金屬和合金的機(jī)械性能。三、工藝性能1．流動性合金的流動性，即指合金液充填型腔的能力，通常流動性好的合金有利于壓鑄結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁鑄件，獲得尺寸精確，輪廓清晰的優(yōu)質(zhì)壓鑄件，在選擇材料時，我們需要時?？紤]材料流動性。一般來說，合金的物理性質(zhì)及結(jié)晶特點(diǎn)是決定流動性好壞的內(nèi)因，合金的結(jié)晶潛熱及熱容量小而導(dǎo)熱率大，且保持液態(tài)時間短，合金的凝固溫度范圍大，則使合金液的流動阻力大；這都會降低其流動性。從壓鑄工藝特點(diǎn)來講，鑄型的導(dǎo)熱能力俞差，合金液在型腔中的流動阻力俞小，則合金液充填鑄型的能力就俞強(qiáng)。反之，型腔導(dǎo)熱系數(shù)俞大合金液冷卻俞快，充型性能就下降，采用模具（鑄型）溫控裝置及導(dǎo)熱系數(shù)小的涂料，相對來說，均能提高合金的流動性。從澆注條件來講，提高澆注溫度可使合金液的熱容量增大，延長了保持液態(tài)合金的時間，粘度減小，充型能力增強(qiáng)。但澆注溫度過高，合金液吸氣增多，氧化嚴(yán)重，鑄件的一次結(jié)晶組織粗大，容易產(chǎn)生縮孔、縮松、粘模等缺陷。第二，采用較高的壓射速度，可以改善合金液的充型能力。但是，應(yīng)該防止因速度過高而造成渦流包氣，影響鑄件質(zhì)量。第三，提高壓射壓力，也可使合金液的充型能力得到增強(qiáng)。提高充型能力，改善流動性的措施如下：a、適當(dāng)調(diào)整合金的成分，嚴(yán)格控制合金液熔煉工藝，凈化合金液，減少合金液中的非金屬雜物和氣體，加入微量元素，細(xì)化晶粒。b、增加鑄型的溢流排氣系統(tǒng)，提高除渣排氣能力，采用導(dǎo)熱率低的涂料。c、合理設(shè)置澆注系統(tǒng),適當(dāng)提高澆注溫度及壓射速度。d、慎重改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)，改善鑄件的壓鑄工藝性。2．收縮在鑄造合金從液態(tài)到凝固完畢，以及此后繼續(xù)冷卻至常溫的過程中，都將產(chǎn)生體積和尺寸的變化，這種體積和尺寸的變化總稱為收縮。a、體收縮式中：V0--被測試合金的試樣在高溫to時的體積（cm3）。V--被測試合金的試樣至溫度t時的體積（cm3）?？s孔與縮松：由于合金在液態(tài)及凝固期間產(chǎn)生體收縮的結(jié)果，使鑄件在最后凝固的區(qū)域產(chǎn)生宏觀或顯微孔洞，統(tǒng)稱縮孔。集中性縮孔，容積大而集中，多分布在鑄件斷面較厚（熱節(jié)）且最后凝固的地方，分散性縮孔又稱縮松，孔洞細(xì)小而分散，常與模具溫度、壓力傳遞有關(guān)?？s孔與縮松產(chǎn)生的基本條件是合金的液態(tài)收縮及凝固收縮遠(yuǎn)大于固態(tài)收縮。一般的規(guī)律是，合金的凝固溫度范圍愈小，則易形成集中縮孔；反之易形成縮松。同一種合金，過熱度大時縮孔就大，過熱度小時縮孔就小。b、線收縮式中：L0--被測試合金的試樣在高溫t0時的長度（毫米）L—被測試金屬的試樣降低至溫度t時的長度（毫米）壓鑄件在鑄型內(nèi)收縮時，往往由于受到摩擦阻礙（鑄件表面與鑄型表面之間的摩擦力），熱阻礙（鑄件各部分冷卻速度不一致而產(chǎn)生）,機(jī)械阻礙(鑄型的突出部分或型芯的阻礙)等作用而不能自由收縮，故通常將鑄件在這些阻力作用下實(shí)際產(chǎn)生的收縮，稱為受阻收縮。也稱阻礙收縮，阻礙收縮總小于自由收縮。設(shè)計(jì)模具時采用縮比，即將鑄造收縮率E鑄，計(jì)入名義尺寸，用下式表示：L型-L件E鑄=×100%L件式中：L型——鑄型尺寸（毫米）L件——壓鑄件尺寸（毫米）常用合金的綜合計(jì)算收縮率為：鋅合金：0.3～0.5%，鋁合金：0.3～0.6%，鎂合金：0.4～0.8%，銅合金：0.6～1.0%。3．熱裂鑄件的熱裂，是指合金在高溫狀態(tài)形成的裂紋。鑄件在凝固期間，因受鑄型阻而不能自由的收縮時，在鑄件內(nèi)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力超過合金在該溫度下的強(qiáng)度時，即產(chǎn)生熱裂。熱裂的外形曲折而不規(guī)則，裂口表面被強(qiáng)烈氧化。熱裂按其在鑄件的位置分為內(nèi)裂和外裂，外裂常從鑄件表面不規(guī)則處、尖角處、截面厚度有突變處開始，逐漸延伸至鑄件內(nèi)部，表面較寬內(nèi)部較窄，有時會貫穿整個鑄件斷面。內(nèi)裂產(chǎn)生于鑄件內(nèi)部最后凝固的地方，一般不會延伸至鑄件表面。其裂口表面很不平滑。常有很多分叉，氧化較外裂紋輕。一般地說，合金凝固過程中開始形成完整的結(jié)晶構(gòu)架的溫度與凝固完畢的溫度之差俞大，以及在此期間合金收縮率俞大，則合金的熱裂傾向就俞大。例如：鋁——銅合金，鋁——鎂合金的鑄件，一般比鋁——硅合金的鑄件熱裂傾向要大。改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)，改進(jìn)澆注系統(tǒng)等有效途徑來避免鑄件熱裂缺陷的產(chǎn)生。4．鑄造應(yīng)力我們根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生的原因，可將鑄造應(yīng)力分為熱應(yīng)力，相變應(yīng)力和收縮應(yīng)力三種。熱應(yīng)力是由于鑄件上相連接的各部分?jǐn)嗝婧穸炔煌?，冷卻時收縮的時間先后不一致所引起的，一般鑄件薄壁中有壓應(yīng)力，厚壁中有拉應(yīng)力。相變應(yīng)力是由于有些合金在凝固以后的冷卻過程中發(fā)生相變，伴隨有體積的變化，并引起鑄件尺寸發(fā)生變化的結(jié)果，對在相變時發(fā)生膨脹的合金來說，厚壁部分產(chǎn)生的相變應(yīng)力為壓應(yīng)力，而薄壁部分產(chǎn)生的相變應(yīng)力為拉應(yīng)力。收縮應(yīng)力是由于鑄件收縮時受到鑄型和型芯的阻礙所引起的，這種應(yīng)力總是拉應(yīng)力。要防止鑄件產(chǎn)生裂紋或變形，除鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理（即具有良好的壓鑄工藝性）外，在壓鑄工藝上應(yīng)采取妥善措施，使合金同時結(jié)晶凝固。并盡可能使鑄件壁厚均勻。避免合金局部積聚。轉(zhuǎn)折處避免尖角，選擇合理的澆注系統(tǒng)，以減少鑄件各部分的溫度差?？偟哪康氖潜苊忤T造應(yīng)力的產(chǎn)生。對于有殘留應(yīng)力的鑄件，可采取自然時效或人工時效等熱處理工藝來消除，使之獲得優(yōu)質(zhì)鑄件。５．吸氣各種鑄造有色金屬都有吸收氣體的特性，處在熔煉或保溫過程中的合金液，隨合金溫度的升高，所吸收氣體的溶解度迅速增加。因此，除正確控制整個熔煉澆注工藝外，應(yīng)盡量減少合金液在高溫下保溫，避免合金液過熱，對極易吸合的合金，采取在覆蓋劑保護(hù)下熔煉。這樣才能避免氣孔、針孔的產(chǎn)生。６．合密性合金氣密性，是指其鑄件承接高壓氣體或液體的作用而不滲漏的能力，它通常反映著鑄件內(nèi)部的致密程度。一般規(guī)律是，合金的凝固溫度范圍俞窄，鑄件產(chǎn)生疏松的傾向俞小；凝固過程中析出氣體俞少，產(chǎn)生析出性氣孔（如鋁合金的針孔）俞少，則合金的氣密性俞高。合理選擇合金牌號，盡可能降低合金的澆注溫度，避免合金過熱,恰當(dāng)設(shè)計(jì)鑄造工藝，以及采取快速冷在高壓力下結(jié)晶等措施，都將有利于改善鑄件的合密性。壓鑄合金的選取用要求過熱溫度不高時具有較好的流動性，利于充填復(fù)雜型腔，以獲得表面質(zhì)量良好的鑄件。線收縮率和熱裂傾向要小，以免鑄件產(chǎn)生裂紋，以利提高鑄件尺寸精度。3．結(jié)晶溫度范圍要小，防止產(chǎn)生縮孔和縮松，提高鑄件質(zhì)量。4．具有一定的高溫強(qiáng)度，以防止推出鑄件時產(chǎn)生變形或碎裂。5．在高溫下有較高的強(qiáng)度，以適應(yīng)大型薄壁復(fù)雜鑄件生產(chǎn)的需要。6．與金屬型腔相互之間的親和力要小，以減少粘模和相互合金化。7．具有良好的加工性能和一定的抗腐蝕性。參考文獻(xiàn)：賴華清壓鑄工藝及模具北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004許洪斌陳元芳壓鑄成形工藝及模具化學(xué)工業(yè)出版社2008齊衛(wèi)東壓鑄工藝與模具設(shè)計(jì)北京理工大學(xué)出版社2007甘玉生壓鑄模具工程師機(jī)械工業(yè)出版社2008許琳駱相生金屬壓鑄工藝與模具設(shè)計(jì)清華大學(xué)出版社2006FLENDERErwin,HARTMAN