《金属压铸工艺与模具设计》第4章压铸工艺

第4章压铸工艺（时间：2次课，4学时）第4章压铸工艺压铸工艺是把压铸合金、压铸模和压铸机这三个压铸生产要素有机组合和运用的过程。压铸时，影响金属液充填成型的因素很多，其中主要有压射压力、压射速度、充填时间和压铸模温度等。这些因素是相互影响和相互制约的，调整一个因素会引起相应的工艺因素变化，因此，正确选择与控制工艺参数至关重要。第4章压铸工艺4.1压力4.2速度4.3温度4.4时间4.5压室充满度4.6压铸用涂料4.7压铸件的整修和处理4.1压力4.1.1压射力4.1.2比压及其选择4.1.3胀模力4.1压力压力是使压铸件获得致密组织和清晰轮廓的重要因素，压铸压力有压射力和压射比压两种形式。4.1.1压射力压射力是指压射冲头作用于金属液上的力，来源于高压泵，压铸时它推动金属液充填到模具型腔中。在压铸过程中，作用在金属液上的压力并不是一个常数，而是随着不同阶段而变化。图4.1所示为压射各阶段压射力与压射冲头运动速度的变化。图中所示压射四个阶段分别是：第一阶段(τ1)，此时压射冲头低速前进，封住加料口，推动金属液前进，压室内压力平稳上升，空气慢慢排出。高压泵作用的压力P1主要是克服压室与压射冲头及液压缸与活塞之间的摩擦力，其值很小。第二阶段(τ2)，压射冲头以较快的速度前进，将金属液推至压室前端，充满压室并堆积在浇口前沿。由于内浇口在整个浇注系统中截面积最小，因此阻力最大，压力升高到P2以突破内浇口阻力。此阶段后期，由于内浇口阻力使金属液堆积，瞬时压力升高，产生压力冲击而出现第一个压力峰。第三阶段(τ3)，压射冲头按要求的最大速度前进，金属液突破内浇口阻力充填型腔，并迅速充满，压力升至P3。在此阶段结束前，金属液会产生水锤作用，压力升高，产生第二个压力峰并出现波动。第四阶段(τ4)，压射冲头稍有前进，但这段距离实际上很小。铸件在这一阶段凝固，由于P4的保压作用，铸件被进一步压实，消除或减少内部缩松，提高了压铸件密度。上述过程称为四级压射。但目前压铸机大多是三级压射，一般将第一、二级压射阶段作为一级压射，第三、四阶段则分别作为第二、三级压射。其中，P3、P4对铸件质量影响最大。P3越大，充填速度越大，金属液越容易及时充满型腔。P4越大，则越容易得到轮廓清晰、表面光洁和组织致密的压铸件。最终压力P4与合金种类、压铸件质量要求有关，一般为30～500MPa。4.1.1压射力4.1.1压射力4.1.2比压及其选择4.1.2比压及其选择由式(4.3)可见，比压与压铸机的压射力成正比，与压射冲头直径的平方成反比。所以，比压可以通过改变压射力和压射冲头直径来调整。在制订压铸工艺时，正确选择比压的大小对铸件的力学性能、表面质量和模具的使用寿命都有很大影响。首先，选择合适的比压可以改善压铸件的力学性能。随着比压的增大，压铸件的强度亦增加。这是由于金属液在较高比压下凝固，其内部微小孔隙或气泡被压缩，孔隙率减小，致密度提高。随着比压增大，压铸件的塑性降低。比压增加有一定限度，过高时不但使延伸率减小，而且强度也会下降，使压铸件的力学性能恶化。此外，提高压射比压还可以提高金属液的充型能力，获得轮廓清晰的压铸件。选择比压时，应根据压铸件的结构、合金特性、温度及浇注系统等确定，一般在保证压铸件成型和使用要求前提下，选用较低的比压。选择比压时应考虑的因素见表4.1。各种压铸合金的计算压射比压见表4.2。在压铸过程中，压铸机性能、浇注系统尺寸等因素对比压都有一定影响。所以，实际选用的比压应等于计算比压乘以压力损失折算系数。压力损失折算系数K值见表4.3。4.1.2比压及其选择4.1.2比压及其选择4.1.2比压及其选择4.1.2比压及其选择4.1.2比压及其选择4.1.3胀模力4.2速度4.2.1压射速度4.2.2内浇口速度4.2.3内浇口速度与压射速度和压力的关系4.2速度压铸过程中，速度受压力的直接影响，又与压力共同对内部质量、表面轮廓清晰度等起着重要作用。速度有压射速度和内浇口速度两种形式。4.2.1压射速度4.2.1压射速度4.2.1压射速度4.2.2内浇口速度金属液通过内浇口处的线速度称内浇口速度，又称充型速度，它是压铸工艺的重要参数之一。选用内浇口速度时，参考如下：(1)铸件形状复杂或薄壁时，内浇口速度应高些；(2)合金浇入温度低时，内浇口速度可高些；(3)合金和模具材料导热性能好时，内浇口速度应高些；(4)内浇口厚度较厚时，内浇口速度应高些。内浇口速度过高也会带来一系列问题，主要是容易包卷气体形成气孔。此外，也会加速模具的磨损。推荐的内浇口速度见表4.5。4.2.3内浇口速度与压射速度和压力的关系4.2.3内浇口速度与压射速度和压力的关系4.3温度4.3.1合金浇注温度4.3.2模具温度和模具热平衡4.3温度压铸过程中，温度规范对充填成型、凝固过程以及压铸模寿命和稳定生产等方面都有很大影响。压铸的温度规范主要是指合金的浇注温度和模具温度。4.3.1合金浇注温度合金浇注温度是指金属液自压室进入型腔的平均温度。由于对压室内的金属液温度测量不方便，通常用保温炉内的金属液温度表示。由于金属液从保温炉取出到浇入压室一般要降温15℃～20℃，所以金属液的熔化温度要高于浇注温度。但过热温度不宜过高，因为金属液中气体溶解度和氧化程度随温度升高而迅速增加。浇注温度高，能提高金属液流动性和压铸件表面质量。但浇注温度过高，会使压铸件结晶组织粗大，凝固收缩增大，产生缩孔缩松的倾向也增大，使压铸件力学性能下降。并且还会造成粘模严重，模具寿命降低等后果。因此，压铸过程中金属液的流动性主要靠压力和压射速度来保证。图4.2和图4.3所示为浇注温度对压铸件力学性能的影响。选择浇注温度时，还应综合考虑压射压力、压射速度和模具温度。通常在保证成型和所要求的表面质量的前提下，采用尽可能低的浇注温度。甚至可以在合金呈黏稠“粥”状时进行压铸。一般浇注温度高于合金液相线温度20℃～30℃。但对硅含量高的铝合金不宜采用“粥状”压铸，因为硅将大量析出以游离状态存在于压铸件内，使加工性能恶化。各种压铸合金的浇注温度见表4.6。4.3.1合金浇注温度4.3.1合金浇注温度4.3.1合金浇注温度4.3.2模具温度和模具热平衡在压铸生产过程中，模具温度过高、过低都会影响铸件质量和模具寿命，因此，压铸模在压铸生产前应预热到一定温度，在生产过程中要始终保持在一定的温度范围内，这一温度范围就是压铸模的工作温度。1.模具温度预热压铸模可以避免金属液在模具中因激冷而使流动性迅速降低，导致铸件不能顺利成型。即使成型也因激冷而增大线收缩，使压铸件产生裂纹或表面粗糙度增加。此外，预热可以避免金属液对低温压铸模的热冲击，延长模具寿命。连续生产中，模具吸收金属液的热量若大于向周围散失的热量，其温度会不断升高，尤其压铸高熔点合金时，模具升温很快。模具温度过高，使压铸件因冷却缓慢而晶粒粗大，并且带来金属粘模；压铸件因顶出温度过高而变形，模具局部卡死或损坏，延长开模时间，降低生产率等问题。为使模具温度控制在一定的范围内，应采取冷却措施，使模具保持热平衡。压铸模的工作温度可以按经验公式(4.9)计算或由表4.7查得。压铸模温度对压铸件力学性能影响如图4.4和图4.5所示。4.3.2模具温度和模具热平衡4.3.2模具温度和模具热平衡4.3.2模具温度和模具热平衡4.3.2模具温度和模具热平衡4.3.2模具温度和模具热平衡4.3.2模具温度和模具热平衡4.3.2模具温度和模具热平衡4.3.2模具温度和模具热平衡4.3.2模具温度和模具热平衡4.3.2模具温度和模具热平衡4.3.2模具温度和模具热平衡4.3.2模具温度和模具热平衡4.4时间4.4.1充填时间和增压建压时间4.4.2持压时间和留模时间4.4时间压铸工艺中的时间是指充填时间、增压建压时间、持压时间和留模时间。4.4.1充填时间和增压建压时间金属液从开始进入模具型腔到充满型腔所需要的时间称为充填时间。充填时间长短取决于压铸件的大小、复杂程度、内浇口截面积和内浇口速度等。体积大形状简单的压铸件，充填时间要长些，体积小形状复杂的压铸件，充填时短些。当压铸件体积确定后，充填时间与内浇口速度和内浇口截面积之乘积成反比。即选用较大内浇口速度时，也可能因内浇口截面积很小而仍需要较长的充填时间。反之，当内浇口截面积较大时，即使用较小的内浇口速度，也可能缩短充填时间。因此，不能孤立地认为内浇口速度越大，其所需的充填时间越短。在考虑内浇口截面积对充填时间的影响时，还要与内浇口的厚度联系起来。如内浇口截面积虽大，但很薄，由于压铸金属呈黏稠的“粥状”，黏度较大，通过薄的内浇口时受到很大阻力，则将使充填时间延长。而且会使动能过多地损失，转变成热能，导致内浇口处局部过热，可能造成粘模。压铸时，不论合金种类和铸件的复杂程度如何，一般充填时间都是很短的，中小型压铸件仅0.03～0.20s，或更短。但充填时间对压铸件质量的影响是很明显的，充填时间长，慢速充填，金属液内卷入的气体少，但铸件表面粗糙度高。充填时间短，快速充填，则情况相反。充填时间与压铸件平均壁厚及内浇口速度的关系见表4.5。充填时间对压铸件质量影响如图4.6所示。增压建压时间是指从金属液充满型腔瞬间开始，至达到预定增压压力所需时间，也就是增压阶段比压由压射比压上升到增压比压所需的时间。从压铸工艺角度来说，这一时间越短越好。但压铸机压射系统的增压装置所能提供的增压建压时间是有限度的，性能较好的机器最短建压时间也不少于0.01s。增压建压时间取决于型腔中金属液的凝固时间。凝固时间长的合金，增压建压时间可长些，但必须在浇口凝固之前达到增压比压，因为合金一旦凝固，压力无法传递，即使增压也起不了压实作用。因此压铸机增压装置上，增压建压时间的可调性十分重要。4.4.1充填时间和增压建压时间4.4.2持压时间和留模时间从金属液充满型腔到内浇口完全凝固，冲头压力作用在金属液上所持续的时间称持压时间。增压压力建立起来后，要保持一定时间，使压射冲头有足够时间将压力传递给未凝固金属，使之在压力下结晶，以便获得组织致密的压铸件。持压时间内的压力是通过比铸件凝固得更慢的余料、浇道、内浇口等处的金属液传递给铸件的，所以持压效果与余料、浇道的厚度及浇口厚度与铸件厚度的比值有关。如持压时间不足，虽然内浇口处金属尚未完全凝固，但由于冲头已不再对余料施加压力，铸件最后凝固的厚壁处因得不到补缩而会产生缩孔、缩松缺陷，内浇口与铸件连接处出现孔穴。但若持压时间过长，铸件已经凝固冲头还在施压，这时的压力对铸件的质量不再起作用。持压时间的长短与合金及铸件壁厚等因素有关。熔点高、结晶温度范围大或厚壁的铸件，持压时间需长些。反之，则可短些。通常金属液充满至完全凝固的时间很短，压射冲头持压时间只需用1～2s。生产中常用持压时间见表4.10。留模时间是指持压结束到开模这段时间。若留模时间过短，由于铸件温度高，强度尚低，铸件脱模时易引起变形或开裂，强度差的合金还可能由于内部气体膨胀而使铸件表面鼓泡。但留模时间过长，不但影响生产率，还会因铸件温度过低收缩大，导致抽芯及推出铸件的阻力增大，使脱模困难，热脆性合金还会引起铸件开裂。若合金收缩率大、强度高，铸件壁薄，模具热容量大，散热快时，铸件留模时间短些。反之，则需长些。原则上以推出铸件不变形、不开裂的最短时间为宜。各种合金常用的留模时间可参考表4.11。4.4.2持压时间和留模时间4.4.2持压时间和留模时间4.5压室充满度4.6压铸用涂料4.6.1涂料的作用和对涂料的要求4.6.2涂料的种类和使用4.6压铸用涂料压铸过程中，需要在模具型腔、型芯、冲头和压室等工作表面，以及滑块、推出元件等运动零件的摩擦部位喷涂润滑材料与稀释剂的混合物，此混合物统称为压铸涂料。4.6.1涂料的作用和对涂料的要求涂料的作用是：(1)避免金属液直接冲刷型腔、型芯表面，改善模具工作条件。(2)防止粘模(特别是铝合金)，提高铸件表面质量。(3)减少