金属压铸模具设计

金属压铸模具设计Die-CastingDieDesignofMetal大连理工大学机械工程学院模具研究所InstituteofDie&MouldofSchoolofMechanicalEngineeringDalianUniversityofTechnology第一讲:金属压铸的基本概念1压铸概论♣压力铸造的概念:(铝,锡,锌,镁,铅,铜,合金)金属压铸是一种将熔融合金液倒入压室内，以高速充填钢制模具的型腔，并使合金液在压力下凝固而形成铸件的铸工艺方法。1压铸概论♣压力铸造特性:1高速充填:通常内浇口速度可达30～60m/s之间。甚至高达可达80m/s。2充填时间很短:中小型铸件通常为0.01～0.2s之间。3高压充填:常见的压射压力为15—100MPa。4金属液的冷却速度快。1压铸概论♣压铸设备热室冷室立式(全)卧式压铸机1压铸概论热室压铸机的压室通常浸入在坩埚的金属液中,如图1所示。压射时，金属液在压射冲头作用下，沿着通道经喷嘴填充模具型腔。图1热室压铸机的压室gooseneck1压铸概论图2冷室压铸机的压室卧式冷室压铸机的压室与熔化坩锅是分开的，如图2所示。压铸时，需要由坩锅内盛取金属液倒入压室后，再由压射冲头经金属液压进模具型腔。1压铸概论高熔点合金铝合金铜合金压铸合金低熔点合金铅合金锡合金锌合金镁合金铝硅系铝铜系铝镁系铝锌系♣压铸金属压铸金属主要是有色合金，至于黑色金属（钢、铁等）由于模具材料等问题，目前较少使用。而有色合金压铸件中又以铝、锌合金使用较广泛。表1各类压铸合金推荐的浇铸温度铸件平均壁厚≤3mm铸件平均壁厚3mm结构简单结构复杂结构简单结构复杂铝硅系610-650℃640-680℃600-620℃610-650℃铝铜系630-660℃660-700℃600-640℃630-660℃铝镁系640-680℃660-700℃640-670℃650-690℃铝锌系590-620℃620-660℃580-620℃600-650℃锌合金420-440℃430-450℃400-420℃420-440℃镁合金640-680℃660-700℃640-670℃650-690℃普通黄铜910-930℃940-980℃900-930℃900-950℃硅黄铜900-920℃930-970℃910-940℃910-940℃铜合金铝合金合金种类1压铸概论1压铸概论♣压铸模具压铸模是安装在压铸机上用于成形压铸件的金属模具，它的结构正确、合理与否是顺利成形出合格铸件的关键。压铸模具分为动、定模两部分，其中有成形铸件几何形状和尺寸的型腔、型芯，熔融金属液通过浇注系统填充型腔，通过溢流排气系统排除气体，由推出机构脱出铸件。♣压铸工艺压铸成形过程中，合理的工艺参数确定是保证获得合格、优质铸件，稳定高效生产的重要条件。压铸过程的工艺参数主要有﹕压射压力、压射速度、充填时间﹐压铸合金与模具溫度等。实际生产过程中，这些参数之间是在相互影响、相互制约中，维持一种动态的平衡。调整其中任一个参数便会引起其它参数随之发生变化，这种变化的结果直接反映在铸件的成型质量上。压铸件的生产就是在这些工艺参数相互匹配、协调平衡的动态变化过程中完成的。1压铸概论（1）压射压力1）压射压力的概念压铸过程中，压力起着主导作用。熔融金属液是在压射冲头的压力作用下充满压室进入模具浇注系统，进而填充满型腔并在压力作用下凝固成型。这个压力称压射压力。可见压射压力是指充模结束时冲头作用在金属液面的力。在压射过程中，随着冲头位置的移动，这个力不是恆定的,它的大小隨不同的压铸阶段而改变。这个压力的变化规律将对铸件质量产生重要影响。2）压射比压的概念实际生产中，压射压力是以压射比压来表示的﹐压射比压就是充模结束时﹐压射冲头作用于单位面积金属液面上的压力。压射比压与压射压力成正比﹐与压射冲头的截面积成反比。p﹕压射比压（Pa）F:压射压力（N）d﹕压室直径(m)A﹕冲头截面积（m2）F4FAπd2p=压射比压与压射力和压室直径之间的关系为实际生产中，压射压力是以压射比压来表示的﹐压射比压就是充模结束时﹐压射冲头作用于单位面积金属液面上的压力。比压强度塑性比压对力学性能的影响比压的大小对铸件的力学性能、表面质量和模具寿命影响很大。铝合金在不同比压下的力学性能曲线如图所示。随比压的增大，铸件的强度增加，但塑性下降。比压过高时，强度也会下降。提高比压可增大金属液的充模能力，获得轮廓清晰的铸件。但比压过高会加剧金属液对型腔的冲击，加速模具磨损。还会增加胀模力，甚至造成飞边或金属液喷溅。压铸生产中，比压的大小，应根据合金的类型和铸件的结构特点合理选择。比压的调整可通过改变压铸机的压射力和更换不同直径的压室来实现。压铸机的结构性能、浇注系统的形状和大小等对比压都有一定的影响。锌合金铝合金镁合金铜合金承受轻负荷的零件13～2030～5030～5040～50承受较大负荷的零件20～3050～8050～8050～80气密性面大或壁薄零件25～4080～12080～10060～100（MPa）推荐的比压值♣压铸工艺（2）充填速度及其选择1）压射速度和内浇口截面积对充填速度的影响充填速度是指熔融金属地压射冲头压力的作用下﹐通过內浇口时的线速度。影响充填速度的因素有压射速度﹐压射比压和內浇口截面积等。根据等流量连续方程,有A1V1=A2V221221124AVDAAVVπ==V1压射速度（m/s)充填速度（m/s)压室冲头截面积（m²)內浇口截面积（m²)压室冲头直径(m)V2A1A2D压室直径越大，压射速度及充填速度越大；内浇口截面积越大，充填速度则越小。•压铸成形时，充填速度过小，铸件轮廓不清晰，甚至充填不满；充填速度过大，会引起铸件粘模并使铸件内部气孔率增加，力学性能下降。•压铸机提供的压射速度一般在（0.1～7）m/s。•在设计压铸模时，內浇口的设置一般应予留出修模的余量，以便在试模时修整截面大小。若內浇口面积过小，充模压力损失增加，加大压铸机负荷；同时会使充填速度过大，液态金属呈喷射状进入型腔，导致铸件內部气孔量增加；高速的金属液还对型腔产生较强的冲蚀作用，影响模具寿命。当内浇口尺寸足夠大以后，充填速度主要通过调节压铸机的压射速度来控制。♣压铸工艺由伯努力方程可知：(理想)V﹕流体速度（m/s）P﹕流体压力（Pa）ρ﹕流体密度（Kg/m）（实际液体：粘性﹐表面张力﹐內摩擦）μ﹕阻力系数V=2PρV2=μ2Pρ锌合金μ=55.4V2P2）充填速度和压射比压的关系铝合金μ=35.4V2P镁合金μ=28.5V2P黄铜μ=61.6V2P合金简单厚壁铸件一般铸件复杂薄壁铸件锌合金、铜合金10～151515～20镁合金20～2525～3535～40铝合金10～1515～2525～30常用合金的充填速度（m/s）（3）温度压铸过程中，温度对填充过程的热状态及生产效率等起着重要作用。压铸的温度包括合金浇注温度和模具温度。1）浇注温度浇注温度是指它自压室进入型腔时的平均温度。由于对压室内的金属液温度测量不方便，一般用保温炉的温度表示。通常冷室压铸机的金属液从保温炉到压室一般要降低15～20℃，故熔化金属的温度要大于浇注温度。金属从液态转变为固态时，其凝固方式一般有三种：逐层凝固——结晶温度范围小的合金；糊状凝固——结晶温度范围宽的合金；混合凝固——介于两者之间的合金。大多数有色金属合金都是以糊状凝固方式成形。浇注温度高，进入模具的热量多，凝固时的温度梯度小，使晶粒粗大和缩松倾向大，力学性能下降。铸件平均壁厚≤3mm铸件平均壁厚3mm结构简单结构复杂结构简单结构复杂铝硅系610-650℃640-680℃600-620℃610-650℃铝铜系630-660℃660-700℃600-640℃630-660℃铝镁系640-680℃660-700℃640-670℃650-690℃铝锌系590-620℃620-660℃580-620℃600-650℃锌合金420-440℃430-450℃400-420℃420-440℃镁合金640-680℃660-700℃640-670℃650-690℃普通黄铜910-930℃940-980℃900-930℃900-950℃硅黄铜900-920℃930-970℃910-940℃910-940℃铜合金铝合金合金种类表1各类压铸合金推荐的浇铸温度选择浇注温度时，通常在保证“成型”和所要求的表面质量前提下，尽可能采用低的温度。浇注温度一般高于压铸合金的液相温度20～30℃。2）模具溫度模具的预热◆预热可以避免合金液在模具中因激冷而很快失去流动性，或因激冷而增大线收缩，引起铸件产生裂纹或表面粗糙度增加等缺陷。◆预热可减少模具的热疲劳应力，延长使用寿命。◆对模具的间隙配合部分，通过预热可进行间隙调整，避免金属液进入。预热方法：喷灯烧、煤气喷烧、电阻加热或感应加热。模具的温度是压铸工艺中又一重要的因素，它对提高生产效率和获得优质铸件有着重要的作用。模具温度的作用◆模温对合金液的温度、粘度、流动性、填充时间和填充流态等均有较大影响。模温过低时，表层冷凝后会被后续的高速液流冲击破碎，产生表层缺陷；模温过高时，虽有利于获得光洁的铸件表面，但易出现收缩凹陷。◆模温对合金液的冷却速度、结晶状态、收缩应力均有明显影响。模温过低时，收缩应力增大，铸件易产生裂纹。◆模温激烈的温度变化，形成复杂的应力状态，频繁的应力交变导致模具龟裂。◆模温稳定，则铸件尺寸收缩率也相应稳定，尺寸公差等级也得以提高。模具温度的选择与控制模具温度的选择，应根据铸件的形状大小和结构特点，合金的性质与浇注条件等各个方面因素综合考虑。模具温度的控制，通常采用压缩空气、水或其它液体进行控制。推荐的模具工作温度表模具预热温度（℃）模具工作温度（℃）锌合金120～160160～200镁合金150～180180～250铝合金150～180180～260铜合金200～250250～300合金类别金属液自开始进入模具型腔到充滿所需的时间称为充模时间。充填时间长短取决于铸件大小、复杂程度、浇口处的面积和充填时间等。不论何种合金或铸件复杂程度，一般充填时间都很短。中小型铸件仅在0.01～0.2S。充填时间长，充模速度慢，有利于排气，但铸件表面粗糙度大。充填时间短，充模速度高，可获得表面光洁的铸件，但铸件致密度差，内部气孔较多。（4）充填时间与持压时间m—铸件重量(kg)ρ—流体密度（Kg/m³）A2—內浇口截面积（m²)mρA2Vt=V—充填速度（m/s）充填时间可表示为：充填时间与充填速度和内浇口截面积的乘积成反比。充填速度大时，可能因内浇口截面积小而延长填充时间。当内浇口截面积大时，即使充填速度小，也可能缩短充填时间。•充填时间•持压时间从金属液充满型腔到内浇口完全凝固，在冲头压力作用下所持续的时间为持压时间。持压时间的作用是使压射冲头有足够的时间将压力传给未凝固的金属，使之在压力下结晶，获得内部组织致密的铸件。持压时间取决于铸件的材质和壁厚。t＝16δt—最大填充时间（s）δ—铸件最小壁厚（mm）（适用于铝合金和锌合金）•另一是根据铸件平均壁厚来计算。t＝35（-1）−δ−δ—铸件平均壁厚（mm）•两种确定填充时间的方法：•一是根据保证铸件最小壁厚处能获得良好的表面粗糙度来确定。♣特殊压铸工艺产生气孔、疏松的原因:高速充模时气体末完全排出及凝固收缩得不到充分补缩。（1）真空压铸（将型腔和压室抽成真空）特点﹕1）显著减少气孔,组织更致密,提高了力学性能；2）减小充型反压力,成型性能好,铸件表面质量改善；3）可减小或不用排气系统；4）密封结构复杂﹐成本高。一般只适用于薄壁,流程较长的铸件,而对壁厚不均,较厚凸台的铸件,会加重缩松。（2）充氧压铸（即无气孔压铸，先向型腔和压室充入氧等活性气体）特点﹕1）消除气孔,提高力学性能；2）可对充氧压铸件进行热处理,強度增高30%,屈服強度增加100%；韧性提高；3）充氧压铸件可在200～300℃环境中工作,可焊接；4）与真空相比,结构简单,投资少,操作方便；5）操作时应注意安全，避免使用油基涂料。♣特殊压铸工艺1