压铸成型工艺设计培训

09:11 1 第3章压铸成型工艺 3.1 压铸填充理论 3.3 充填速度 3.4 充填时间、持压时间与留模时间 3.5 合金的浇注温度 3.2 压射比压 3.6 模具温度09:11 2 3.1 压铸填充理论液体金属充填铸型的过程是一个非常复杂的过程，它涉及到流体动力学和热力学的一些理论问题，并且与许多因素有关，如液体金属的粘度、表面张力及结晶温度范围；铸件的形状、内浇道形状及位置、铸件与内浇道两者截面积之比；压射比压及充填速度以及压铸过程的热参数等。为了探明压铸时液体金属充填铸型的真实情况，长期以来人们进行了一系列的试验研究工作，提出了各种充填理伦，但这些论点都是在特定的试验条件下获到的，有一定局限性，要求人们在应用中具体情况具体分析，使充填埋论进一步完善和深化，典型的充填理论归纳起来主要有如下几种： 3.1.1 喷射填充理论 3.1.2 全壁厚填充理论 3.1.3 三阶段填充理论09:11 3 3.1.1 喷射填充理论 1932年弗洛梅尔（Frommer）提出了在压力作用下，液体金属充填铸型的第一个理论。他从锌合金压铸的实践经验中推导出结论：认为液体金属的充填过程是遵循流体力学定律，并且有摩擦和涡流现象。液体金属充填矩形型腔时的运动特性和内浇道截面与型腔截面积之比值（A 内 /A）有关。当液体金属在压力作用下进入型腔，射流在撞击对面型壁之前，保持其初始时的方向及截面形状。在撞击型壁后，该处液体金属将形成扰动的聚集区，继续充填，则扰动更加明显，其中部分被称为“前流’ 的液体金属的流束，在增长着的聚集区前面沿型壁向内浇道方向折回。 “前流”部分的液体金属量与射流截面的大小、速度及金属液的粘度有关。由于“前流”对型壁的摩擦及热量损耗而使流速减慢，以致聚集区追上‘前流”。在返回充填型腔的过程中．产生剧烈的涡流现象。09:11 4 当以低的充填速度及（ A 内 /A ）＞1/3时，除液体金属聚集区的前沿部分稍有扰动外，其余部分则相当稳定，而且随着聚集区增长，充填过程越来越平稳。反之，当（ A 内 /A ）＜1/3时，在高的充填速度下，整个充填过程中，聚隼区发生激烈扰动。在聚集区追上“前流”以前，型腔被液体金属填充部分的长度与液体金属填充速度和温度、型腔的形状以及铸型的温度等因素有关。充分的排气是减小涡流和减少铸件内卷入气体的重要条件。09:11 5 3.1.2 全壁厚填充理论勃兰特（Brand）1937年提出了另一种充填理论，他用铝合金压入一个矩形截面的铸型中，为了验明液体金属在型腔内的充填情况，在型腔内布置了一些触点并将它们与仪器和记录装置联起来。根据试验结果认为：液体金属压人型腔后，随即扩展至型壁（见图），然后沿着整个型腔截面向前流动，直至型腔全部被液体金属充满为止。这种充填理论还认为，无论内浇道截面积与型腔截面积之比值大小如何，流动形态不受影响。由于液体金属是以“全壁厚”形态向前推进，犹如“液态活塞”，充填时不仅不产生涡流现象，而且型腔中的气体很答易得到充分的排除。09:11 6 3.1.3 三阶段填充理论巴顿（Barton）在考察了勃兰特、柯斯特（Koester）和戈林（Goehring）等人的研究工作后，他同意弗洛梅尔的理论，并且认为只有这样才能解释从大量废品、未压完整的及最好的铸件中所观察到的现象。假定弗格梅尔的理论是正确的，巴顿认为在整个铸造过程中有温度梯度的影响及熔融金属内部和靠近金属/模具界面的金属层的速度的差异。认为金属流过型腔表面的方式很大程度决定了型腔表面粗糙度、流痕的出现、搭接和其他缺陷。在此基础上，1944年巴顿提出了新的理论，认为液体金属充填铸型的过程是一个包含着流体动力学和热力学的复杂过程，充填过程可以分为三个阶段，如图所示。09:11 7 第一阶段：液体金属以接近内浇道的形状进入型腔，首先冲击对面的型壁并在该处沿型壁向型腔四周扩展流向内浇道。在金属流过的型壁上形成铸件的外壳，称薄壳层。第二阶段：随后进入的液体金属沉积在薄壳层内的空间进行充填．直至充满。第三阶段：在型腔完全充满的同时，压力通过处于尚未凝固的中心部分作用在铸件上，型腔内的金属得到压实。巴顿还认为，充填过程的三个阶段对铸件质量所起的作用是不同的。第一阶殿是铸件的表面质量，第二阶段是铸件的硬度，第三阶段是铸件的强度。09:11 8 弗洛梅尔的充填理论为许多试验所证实，故能为大多数人所接受。例如，柯斯特和戈林曾设计了一副形状和尺寸与勃兰特试验时相似的压型，其两侧镶以抗热玻璃，通过高速摄影拍下充填过程的情景，结果却与弗格梅尔充填理论基本相符，从而否定了勃兰特理论。他们认为勃兰特的错误结论是因试验时失误所致，即在充填时，由于液体金属飞溅使型腔内电触点过早地闭合，日而反映了偶然的不确实的情况。实际上，勃兰特的充填情况只有在低压力和低的合金温度下才有可能出现。科普夫（Kopf)在压铸机上安装测试仪器，通过示波器将压铸过程中压力和速度的变化显示出来，再将其拍摄下来。最后对示波器图像进行分析，所得结论：进入型腔内液体金属的动能决定着充填形态，如果内浇道处的液体金属的动能大于型腔内的流动阻力，则按弗格梅尔理论充填；反之，则按勃兰特理论充填。现在人们已经清楚地认识到，对于液体金属充填铸型过程的认识，对确定排气道的位置及基本压铸参数是非常重要的。09:11 9 压射过程中压射力的变化曲线见图3．1中b曲线。从图中可以看出在压射过程中压射力随压射时间的变化可分为四个阶段：Ⅰ阶段：压射力为F1。压射冲头以低速前进封住压室上的金属液入注口，推动金属液在压室中平稳地流向内浇口，使压室内空气排出。压射力的作用是克服压室与压射冲头、液压缸与活塞之间的摩擦阻力，其值很小。（压室内运动）Ⅱ阶段：压射力为F2。压射冲头以较快速度前进，金属液被推至压室前端充满压室并堆积在浇道口前沿。内浇口处的阻力是整个浇注系统中阻力最大地方，压射力升高达到足以能突破内浇口处的阻力F2为止，此阶段后期由于内浇口的阻力产生第一个压力峰值。（压力传到内浇口）Ⅲ阶段：压射力为F3。压射冲头按要求的最大速度前进，金属液充满整个型腔。金属液突破内浇口阻力填充型腔，压射力升至F3，在此阶段结束前由于水锤作用压射力升高产生第二个压力峰值。（充型，充满）Ⅳ阶段：压射力为F4。压射冲头运动基本停止但稍有前进。此阶段为最后的增压阶段。压铸机没有增压时此压射力为F3，有增压时压射力为F4。此时压力作用于正在凝固的金属液上，进行补缩使之压实，消除或减少疏松握高压铸件的密度。（增压） 3.2 压射比压 3.2 .1压射力09:11 10 在这四个阶段中，F3和F4对压铸件质量的影响最大,F3越大,金属液充填型腔速度越大，可保证金属液及时充填满型腔各处轮廓清晰、表面光洁；F4越大，则越容易得到组织致密的压铸件。上述的压射力曲线对于不同的压铸机和压铸工艺也会有不同的形式，但这四个阶段是明确的。压射过程中压射速度的变化曲线见图3．1中a曲线。09:11 11 当今压铸机常配以三级压射系统，第一级为慢速渐进将金属熔体推至内浇口，第二级是将金属熔体在短的充型时间内快速充满型腔，第三级为增压压实段即铸件在高压下紧实(借助于增压控制系统)。固1．1—10为三级压射曲线图。20世80年代出现了实时压射控制压铸机，其压射曲线示意图，如图1．1—11所示。09:11 12 3.2.2 压射比压压射比压P 比可由压射力或工作压力P 压和驱动(压射)缸及压射冲头直径求得，即09:11 13 压射比压的作用和影响（1）对压铸件力学性能的影响压射比压大合金结晶细，细晶层增厚。由于填充特性改善，压射比压大，压铸件表面质量提高，气孔缺陷减轻，从而抗拉强度提高，但伸长率有所降低。（ 2）对填充条件的影响金属液在高的压射比压作用下填充型腔动能加大，流动性改善，有利于克服浇注系统和充填簿壁压铸件型腔的阻力，提高簿壁压铸件质量。是否压射比压越高越好？09:11 14 当压铸机上的压射系统没有增压机构时，Ill、IV两个阶段的压射比压是相同的。当压铸机上的压射系统设有增压机构时，这两个阶段的比压不同。这时，填充比压用来克服浇注系统和型腔中金属液的流动阻力（特别是内浇口处的阻力），使金属液流保证达到所需要的内浇口速度；而增压比压则决定了正在凝固的金属液受到的压力及这时所形成的胀型力的大小。通常在保证压铸件成形和满足质量要求的前提下选用较低的压射比压。选择设定压射比压所考虑的因素见表3.1，备种压铸合金的计算压射比压见表3.2,通常实际压射比压低于计算压射比压，其压力损失折算系数K见表3.3。压射比压的选择09:11 1509:11 1609:11 17 3.3 压射速度与充填速度 1．压射速度的概念压室内压射冲头推动金属液的移动速度称为压射速度（又称冲头速度）。一般压射速度有二级和三级两种。压射速度由压铸机的特性所决定，压铸机所给定的压射速度一般在0.1­7m／s范围内可调。 2．压射速度的作用（1）压射冲头以一定的速度较慢地推动金属液，使金属液充满压室前端并堆聚在内浇口前沿。在慢速推进中，可使压室内空气有充分的时间逸出，并防止金属液从浇口中溅出。这是第一阶段。 2）冲头按调定的最大速度移动，此阶段为充填阶段。该阶段金属液突破内浇口阻力在较短的时间里充填满模具的型腔。 3）冲头继续移动，压实金属，使疏松组织致密。此阶段为终压阶段。但这一点必须在压铸机压射系统有增压机构时才能实现。 3.3.1压射速度09:11 18 4．压射速度的选择09:11 19 3.3.2充填速度充填速度是指金属液在压射冲头的作用下通过内浇口进入型腔时的线速度（也称内浇口速度）。它是与压射比压密切相关的一个重要工艺参数。正确选用充填速度对设计压铸模和获得合格的压铸件十分重要。 1．影响充填速度的因素金属液在压射冲头的推动下，经过浇注系统内浇口时的速度可以认为不变或变化很小。如果把流动过程看成在一封闭的管道中进行，根据等流量连续方程则有以下关系：由上式可知金属液的充填速度与压射速度、压室（压射冲头）直径的平方成正比，而与内浇口的截面积成反比。因此调整冲头速度、更换压室直径、改变内浇口截面积均能调整充填速度。09:11 20 过高的充填速度将产生如下不利的影响： •气体不能充分逸出而形成气泡； •金属液成雾状进入型腔并粘附于型腔壁上，不能与后来的金属液融合从而形成夹渣等表面缺陷； •产生漩涡，包住空气及冷金属，使压铸件产生气孔及氧化夹渣的缺陷； •冲刷模具型腔使模具磨损加快，缩短模具的使用寿命。因此过高的充填速度会使铸件组织内部呈多孔性，力学性能明显降低。故对压铸件内在质量、力学性能和致密性要求高时，不宜选用大的充填速度。而对于结构复杂并对表面质量要求高的簿壁铸件必须选用较高的压射速度及充填速度。选择充填速度时应根据压铸件的不同要求进行选择。 2．充填速度的选择09:11 2109:11 22 3.4 充填时间、持压时间与留模时间 3.4.1充填时间金属液开始压射入模具型腔直至充满型腔所需的时间称为充填时间。充填时间的长短，与压铸件的大小、壁厚和复杂程度、模具结构、内浇口的截面积、充填速度及合金的特性等各种因素有关。09:11 23 压铸时不论合金的种类和压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，仅仅在0.02­0.03 S之间或者更短，因此很难找到一种确定最合适充填时间的办法。但在压铸过程中，充填时间对压铸件质量的影响是很明显的。充填时间长，充模速度慢，有利于排气，但压铸件表面粗糙度值较高。充填时间短，充模速度高，可获得表面粗糙度值较低的压铸件，但压铸件的致密度较差，压铸件内部的气孔量较多。因此需要确定最佳的充填时间。09:11 24 1．充填时间的计算09:11 25 2．充填时间的经验推荐09:11 26 3.4.2持压时间金属液充满型腔后，在增压比压作用下到内浇口完全凝固为止所需的时间称为持压时间。持压时间的作用是使正在凝固的金属液在压力下结晶，从而获得内部组织致密的压铸件。持压时间的长短主要取决于压铸件合金的种类、压铸件的壁厚和内浇口厚度等。压铸合金结