压铸工艺培训讲义(1)

2004年9月·压铸工艺培训讲义一.概述压力铸造是近代金属加工工艺中发展较快的一种少无切削的特种铸造方法。它是将熔融金属在高压高速下充填铸型，并在高压下结晶凝固形成铸件的过程。高压高速是压力铸造的主要特征。常用的压力为数十兆帕，填充速度（内浇口速度）约为16～80米/秒，金属液填充模具型腔的时间极短，约为0.01～0.2秒。由于用这种方法生产产品具有生产效率高，工序简单，铸件公差等级较高，表面粗糙度好，机械强度大，可以省去大量的机械加工工序和设备，节约原材料等优点，所以现已成为我国铸造业中的一个重要组成部分。二.压铸过程中的主要参数在压力铸造的整个过程中，压力起到了主导作用。熔融金属不仅在压力作用下充满压室进入浇注系统，而填充又在压力作用下凝固成型。在压射过程中各个阶段，随着冲头位置的移动，压力也出现不同的变化，这个变化规律都会对铸件质量产生重大影响。因此我们应对压铸过程中压力的作用与变化要有一个感性认识，这也是压铸技术的理论基础。现以常用的卧式冷室压铸机为例，来逐步描绘出压射过程中，随着冲头位置的移动和压力之间的变化规律。首先要说明的是在以下各阶段图形中，左图表示压射的过程，右上图表示每一个位移阶段相应的压力变化值，右下图为相应的压射冲头位移曲线。第1页共25页2004年9月·压铸工艺培训讲义现将图中各阶段的具体内容说明如下：图（a），起始阶段，金属液开始浇入压室，准备压射。图（b），第Ⅰ阶段，压射冲头慢速移动越过浇料口，金属液受到冲头的推动，由于速度较慢，压室中不产生浪涌，故金属液不致从浇口中溅出，这种状况也是在起始压射阶段所要求的。这时推动金属液的压力为P0。其作用有二，即克服压射油缸中活塞在移动时的摩擦力和冲头与压室之间的摩擦力。冲头越过浇料口的这段距离为S1，称为慢速封口阶段。图（c），第Ⅱ阶段，压射冲头以高于第Ⅰ阶段的速度向前运动，此时金属液充满整个压室前端，聚集到内浇口前沿之处，与这一阶段速度响应的压力上升值达到P1，冲头在这一阶段所运动的距离为S2，称为金属液堆积阶段。在这一阶段金属液到达内浇口前沿的一瞬间，由于内浇口为整个浇注系统中的截面最小，对金属液的阻力最大，压射压力因而升高。其升高值以能够足以突破内浇口处的阻力为止。图（d），第Ⅲ阶段，从这一阶段开始，其压射压力由于受到内浇口处阻力的影响升高至P2，而此时的冲头速度将要求达到调定的运动速度，以高速推动金属液通过内浇口进入型腔，这种冲头速度通称为压射速度，而这一阶段冲头的运动距离为S3，称为填充阶段。图（e），第Ⅳ阶段，这一阶段是按照压射缸所调定的压力，使铸件在凝固阶段进一步致密的最终加压。其最终压力的大小，取决于压铸机压射系统的性能。有两种情况可以解释，当压射系统无增压机构时，其最终压力的上升为P3，但当压射系统中带有增压机构时，其最终的增压压力可以从P3上升至P4，这一阶段压射冲头只前移一段极短的距离S4，从上图中可清楚地看到。这一阶段称为增压压实阶段。以上所述，如果按照压射各个阶段来划分的话，可以称作为四级压射系统，对于现代化的压铸机而言，多数按以上要求进行设计。各阶段速度的变化，可以根据铸件的种类和要求进行调节，并可在监视设备上进行显示、储存和记录各阶段最合理的变化，以达到稳定生产的目的。至于通常所称的三级压射系统，则是将四级压射系统中的第Ⅱ阶段和第Ⅲ阶段合并为一个阶段而加以命名的。三.压铸工艺压铸工艺是将压铸机、压铸模和合金三大要素有机地组合而加以综合运用的过程。而压铸时金属按填充型腔的过程，是将压力、速度、温度以及时间等工艺因素得到统一的过程。同时，这些工艺因素又相互影响，相互制约，并且相辅相第2页共25页2004年9月·压铸工艺培训讲义成。只有正确选择和调整这些因素，使之协调一致，才能获得预期的结果。因此，在压铸过程中不仅要重视铸件结构的工艺性，压铸模的先进性，压铸机性能和结构优良性，压铸合金选用的适应性和熔炼工艺的规范性；更应重视压力、温度和时间等工艺参数对铸件质量的重要作用。在压铸过程中应重视对这些参数进行有效的控制。（一）压力压力的存在是压铸工艺区别其他铸造方法的主要特点。1.压射力压射力是压铸机压射机构中推动压射活塞运动的力。它是反映压铸机功能的一个主要参数。压射力的大小，由压射缸的截面积和工作液的压力所决定。压射力的计算公式如下：P压射力＝P压射油缸×π×D2/4式中：P压射力－压射力（N－牛）P压射油缸－压射油缸内工作液的压力（Pa－帕）D－压射缸的直径（m－米）π＝3.14162.比压压室内熔融金属在单位面积上所受的压力称为比压。比压也是压射力与压室截面积的比值关系换算的结果。其计算公式如下：P比压＝P压射力/F压室截面积式中：P比压－比压（Pa－帕）P压射力－压射力（N－牛）F压室截面积－压室截面积（m2－米2）即F压室截面积＝πD2/4式中D（m－米）为压室直径π＝3.14163.压力的作用（1）比压对铸件机械性能的影响比压增大，结晶细，细晶层增厚，由于填充特性改善，表面质量提高，气孔影响减轻，从而抗拉强度提高，但延伸率有所降低。（2）对填充条件的影响合金熔液在高比压作用下填充型腔，合金温度升高，流动性改善，有利于铸件质量的提高。4.比压的选择第3页共25页2004年9月·压铸工艺培训讲义（1）根据铸件的强度要求考虑将铸件分为有强度要求的和一般要求的两类，对于有强度要求的，应该具有良好的致密度。这是应该采用高的增压比压。（2）根据铸件壁厚考虑在一般情况下，压铸薄壁铸件时，型腔中的流动阻力较大，内浇口也采用较薄的厚度，因此具有大的阻力，故要有较大的填充比压，才能保证达到需要的内浇口速度。对于厚壁铸件，一方面选定的内浇口速度较低，并且金属的凝固时间较长，可以采用较小的填充比压；另一方面，为了使铸件具有一定的致密度，还需要有足够的增压比压才能满足要求。对于形状复杂的铸件，填充比压应选用高一些。此外，如合金的类别，内浇口速度的大小，压铸机合模能力的功率及模具的强度等，都应作适当考虑。填充比压的大小，主要根据选定的内浇口速度计算得到。至于增压比压的大小，根据合金类别，可参考下表数值选用。当型腔中排气条件良好，内浇口厚度与铸件壁厚的比值适当的情况下，可选用低的增压比压。而排气条件愈差，内浇口厚度与铸件壁厚比值愈小时，则增压比压应愈高。推荐选用增压比压范围表零件类型铝合金锌合金黄铜承受轻负荷的零件30～40MPa13～20MPa30～40MPa承受较大负荷的零件40～80MPa20～30MPa40～60MPa气密性面大壁薄零件80～120MPa25～40MPa80～100MPa锌合金以热室压铸机为主5.胀型力和锁模力压铸过程中，填充结束并转为增压阶段时，作用于正在凝固的金属上的比压（增压比压），通过金属（铸件浇注系统、排溢系统）传递型腔壁面，此压力称为胀型力（又称反压力）。当胀型力作用在分型面上时，便为分型面胀型力，而作用在型腔各个侧壁方向时，则称为侧面胀型力。胀型力可用下式表示：P胀型力＝P比压×A投影面积式中：P胀型力－胀型力（N－牛）P比压－增压比压（Pa－帕）A投影面积－承受胀型力的投影面积（m2-米2）第4页共25页2004年9月·压铸工艺培训讲义通常情况下必须使锁模力大于计算得到的胀型力。否则，在金属液压射时，模具分型面会胀开，从而产生金属飞溅，并使型腔中的压力无法建立，造成铸件尺寸公差难以保证，甚至难以成型。锁模力（即合模力）是选用压铸机时首先要确定的重要参数。一般应满足下面公式的要求：P锁模力≥K×P胀型力式中：P锁模力－压铸机的锁模力（N－牛）K－安全系数（一般取K＝1.3）P胀型力－胀型力（N－牛）(二)压射速度压射过程中，压射速度受压力的直接影响，又与压力共同对铸件内部质量、表面质量和轮廓清晰程度起着重要的作用。生产中，速度的表示通常为冲头速度（压射速度）和内浇口速度两种。1.压射速度压室内的压射冲头推动金属移动时的速度称为压射速度（又称为冲头速度）。而压射速度分为两级，Ⅰ级压射速度亦称为慢压射速度，这级速度是指冲头起始动作直至冲头将室内的金属送入内浇口之前的运动速度，在这一阶段中要求将压室中的金属液充满压室，在既不过多地降低合金液温度又有利于排除压室中的气体的原则下，该阶段速度应尽量低，一般为0.3米/秒。Ⅱ级压射速度又称快压射速度。这个速度由压铸机的特性所决定。压铸机所给定的最高压射速度一般在4～5米/秒范围内，旧式的压铸机压射速度较低，而近代的压铸机则较高，甚至达到9米/秒。（1）快压射速度的作用和影响提高压射速度，动能转化为热能，提高了合金熔液的流动性，有利于消除流痕、冷隔等缺陷，提高了机械性能和表面质量；但速度过快时，合金熔液雾状与气体混合，产生严重涡流包气，机械性能下降。（2）快压射速度的选择考虑因素①压铸合金的特性：熔化潜热、合金的比热、导热性和凝固温度范围。②模具温度高时，压射速度可适当减低，在考虑到模具热传导状况，模具设计结构和制造质量，以及提高模具寿命，亦可适当限制压射速度。③铸件质量要求：表面质量要求高和薄壁复杂件，采用较高的压射速度。2.内浇口速度熔融金属在冲头移动作用下，经过横浇道到达内浇口，然后填充型腔，当机器的压射系统性能优良时，熔融金属通过内浇口的速度可以认为不变（或变化很第5页共25页2004年9月·压铸工艺培训讲义小），这个不变的速度，即熔融金属通过内浇口导入型腔的线速度，便称为内浇口速度，通常采用的内浇口速度范围为15～70米/秒。熔融金属在通过内浇口后，进入型腔各部分流动（填充）时，由于型腔的形状和厚度（铸件的壁厚），模具热状态（温度场分布）等各种因素的影响，流动的速度随时在发生变化，这种变化的速度称为填充速度。通常在工艺参数上只选定不变的速度来衡量，所以内浇口速度就是重要的工艺参数之一。内浇口速度的高低与铸件机械性能的影响极大，内浇口速度太低，铸件强度下降；速度提高，强度上升；速度过高强度又下降。3.冲头速度（压射速度）与内浇口速度（填充速度）的关系根据连续性原理，内浇口速度和压射速度的关系可由下式表示：V内浇口＝F压射室×V压射/F内浇口式中：V内浇口－内浇口速度（m/s－米/秒）F压射室－压射室截面积（cm2－厘米2）V压射－压射速度（m/s－米/秒）F内浇口－内浇口截面积（cm2－厘米2）因此，冲头压射速度越高，则金属流经内浇口速度越高。4.速度的选择在压铸生产中，速度与压力共同对铸件内在质量，表面要求和轮廓清晰度起着重要作用。综上所述，如果对压铸件的机械性能，如抗拉强度和致密性提出了高的要求，则不应选用过大的内浇口速度，这样能降低由于紊流动所造成的涡流，这个涡流含有空气和由涂料挥发的气体。随着卷入涡流内的空气和蒸汽的增多，压铸件组织内部呈多孔性，机械性能明显变坏。如果压铸件结构是复杂的薄壁零件，并对其表面质量提出了较高的要求，应选用较高的压射速度和内浇口速度，完全是必要的。根据铸件的不同情况，可按下表的推荐值选用，核算出压射速度，进行试压修正。浇注系统各个部位填充速度推荐值表部位直浇道横浇道内浇口填充速度(m/s)15～2520～3530～60第6页共25页2004年9月·压铸工艺培训讲义推荐的铸件平均壁厚与内浇口速度的关系表铸件平均壁厚(mm)内浇口速度(m/s)铸件平均壁厚(mm)内浇口速度(m/s)146~55532~401.544~53630~37242~50728~342.540~48826~32338~46924~293.536~441024~27434~42内浇口速度与压射速度、压室直径和内浇口截面积有关，可通过以下方面调整：（1）调整压射冲头速度（2）更换压射室直径（3）改变内浇口截面积（三）压射行程根据压铸填充过程各个阶段的冲头位移－压力曲线图可知，压射冲头移动总共分为五个阶段。其中第Ⅰ阶段（慢速封口阶段）加上第Ⅱ阶段（金属液堆积阶段）的压射冲头的位移量通常称为慢压射行程。第Ⅲ阶段（填充阶段）的压射冲头的位移量通常称为快压射行程。第Ⅳ阶段（增压压实阶段）的压射冲头位移量通常称为增压压实行程。特别要提及的是，铸件气孔中的气体来源于合金