模具的制造技术与制作要点

提高压铸冲头使用寿命的试验研究摘要：从冲头磨损的机理分析入手采用45号中碳钢经渗硼处理，提高表面硬度和韧性，可使其使用寿命在原来的基础上提高6-10倍。 压铸冲头所处的工况条件十分恶劣，使用寿命很低。少数工厂采用耐热合金钢冲头，其使用寿命也只有十余个班次。而采用球墨铸铁作为冲头材料其使用寿命则更低。由此因停机而造成的经济损失，仅以一个中等生产规模的压铸单位为例，每年就达数万元，其中尚未计入如材料、工时及电力消耗等损失。本课题所研究的主要目的，从改变原有的冲头材料着手，放弃那些性能不够稳定且又难以及时供应的球墨铸铁，改用来源丰富、质量有保证、价格合理、规格统一的45号中碳钢材料，通过表面强化处理，提高表面硬度和韧性，使其寿命在原来的基础上提高6-10倍，从而取得了良好的经济效益和社会效益。 1 冲头磨损的机理分析 当两种材料的表面相对滑动时，由于材料表面原子之间存在着吸力，在其接触表面会出现粘着现象。当两个表面紧靠且又沿着法向分离或沿切向移动时，原子吸力倾向于将一个表面材料拉向另一个表面，而形成磨屑，其磨损量的大小，可用J. F. Archard公式加以表达：磨损量（磨损体积V)与载荷L及距离X成正比，而与磨损表面硬度P成反比，即： V=KLX3P （1） 式中：K为磨擦系数。K与润滑条件、相配的摩擦金属有关。 此外，磨损体积与构成磨擦付材料的不同硬度之间，存在着平方反比关系。如令Vs和Ps分别代表磨擦付中较软材料的磨损体积和表面硬度；Vh和Ph代表较硬材料的磨损体积和表面硬度，则其间的关系，可按下式表达。 (VSVh) 2 = (PhPS) 2 (2) 从摩擦系数K及公式(2)中得知：为了减少粘着磨损，在选用材料时应注意：1)要求减少磨损的表面应选用硬的材料；2)应选用表面之间相互作用小或不相容的配对材料作摩擦付。 因此，我们研究工作的重点放在：为了减少粘着磨损，可以通过提高硬度和改变配对材料的种类并使用润滑剂来解决。 2 试验条件 21选择试验用的工件材料的依据 工件（冲头）采用了45号中碳钢，此种钢种属于调质钢，最适宜作渗硼处理。其渗硼后的组织表面，可以获得锯齿状的硼化物，与基体结合牢固，耐磨性好，而且还可以通过渗硼后的淬火、回火来提高基体强度。45号中碳钢的淬火温度都在840860范围，与现有的渗硼温度接近，使渗后的工件可以直接淬火，减少加热次数、节约能源、降低成本。 22试验用的渗剂材料 本试验采用固体粉末渗剂，取其操作简单方便，不需添置专用设备，渗后容易与工件分离，便于在生产中推广应用等诸方面的优点。 粉末渗剂的主要组成物中计有：碳化硼(B4C），为提供硼原子的主要来源，以氟硼酸钾 (KBF4）作为活化剂，可加速催渗过程，以碳化硅(SiC)作为载体（填充剂）。 固体粉末渗硼原理属于气态催化反应的气相渗硼。氟硼酸钾是活性很高的成分，在530 0C就可分解，到800 OC即全部分解，其所分解出来的气态和固态硼化物，都是促进渗硼的重要物质，是提高渗剂活性和参与渗硼化学反应最重要的气体。在渗硼温度下由KBF4热分解所形成的气态BF3的反应式如下： KBF4530 0C KF+BF3 BF3在渗硼温度下与B4C中因氧化而形成的B203发生强烈的还原反应而生成低价的次氧化硼（B202)而促进渗硼过程，即： 2 B203 +2BF3 =3B202+3F2 此处的B202是一种极不稳定的氧化物，会按下式分解，形成稳定的B2C3同时释放出活性硼原子： 3B203 =2B203+2 B 氟硼酸钾热分解生成的BF3可与B4C直接产生下列反应，析出硼原子和低价的BF2: 2BF3+B4C=3BF2 +3 B +C 氟硼酸钾还与B,C在氧的参与下，直接进行下述化学反应而析出硼原子： 2KBF4+B4C+02 =K20+4BF2 +2B+CO 以上两式的反应产物中均有BF2生成，而BF2又因不稳定而分解，析出硼原子。由此可以确定，以B4C为供硼剂的渗剂活性好、渗速快，这也是我们选用渗剂的理论基础。 2. 3试验的工艺参数 一般视零件的具体要求来加以选择。凡是要求变形小而渗硼层较薄者可在临界点(ACl)以下进行，反之可再提高渗硼温度。本试验中选取的处理温度为9000C，保温时间取4小时。 24工件试样标准 本工件试样选用最常用的J1113型压铸机上的40-0.05-0.08冲头作为标准，见图1。 2 5磨耗试样标准 本磨耗试样采用国家统一标准。 3 试验用的设备规格 试验用的加热设备系采用上海实验电炉厂生产的系列产品SX-2-10-1300箱式电炉。磨损试验机的型号为MM-200。 4 渗硼过程中有关工艺的控制 4. 1渗硼层厚度的控制 渗硼层的厚度的取得，主要取决子渗硼温度的高低和保温时间的长短，其间存在着线性关系。以本工件为例，根据其使用条件，并从损坏的零件中分析出其失效的主要形式为粘着磨损，从而得出以提高表面的残余压应力、增加韧性及改进耐热疲劳性能着眼，采取平均的渗硼厚度为7080微米的单相Fe2B为宜。Fe2B为正方晶体，含硼量为8. 3%，熔点为1389 0C，硬度约为HV1400-2000。 4. 2 渗硼前后工件尺寸变化的规律 对45号中碳钢冲头渗硼前后尺寸变化的规律如表1所示，由表可知：1)冲头前部的尺寸，渗硼以后，其尺寸变化较大；2)冲头后部的尺寸，渗硼以后，其尺寸变化较小；3)冲头渗硼前后尺寸变化的幅度一般为0.022毫米左右。 判断45号中碳钢经磨削加工后，渗硼前的外径，要根据原球墨铸铁冲头与压室配合间隙的要求。在室m下，压室内径取40+0. 027, 冲头外径为(D 40龙器，相互之间的间隙为0. 0770. 107毫米，两者皆受到高温金属作用后，前者直径缩小，后者外径膨胀，其热状态下的间隙大小，无法检测，只能通过理论计算求得。 根据实际使用情况表明，压室材料按原来的3Cr2W8V钢，其热处理工艺不变及尺寸变化规律也恒定。但是冲头材料及热处理工艺，由于由球铁改为45号中碳钢以后，其热膨胀量皆起了变化。要使45号钢冲头在受热膨胀以后的外径恰好与球铁冲头受热膨胀后的外径相等，则必须满足以下的条件。即当冲头的工作温度如处在180，两种材料的热膨胀系数分别为： a 45钢1232 10-60C （在202000C） a球铁=1185 10-60C 由膨胀公式可知： d=d。1a（t-t。） 式中：d最后的直径，m do实物的直径，mm a热膨胀系数 t工作温度， to室温， 为了达到原生产所要求的配合间隙，则必须使： 通过以上计算，说明渗硼后的冲头外径应为40-0.053-0.083。根据实际渗硼后所得到的数据中可知，经渗硼后的冲头，其外径膨胀了0.022毫米左右，所以冲头在加工时经过最后一道磨削加工后，其外径应控制在。40-0.075-0.105即39.89539.925毫米范围内，即可满足实际生产的需要。 4. 3 渗硼层表面耐蚀性 渗硼能提高45中碳钢的耐腐蚀性能，在硫酸、盐酸、柠檬酸及醋酸的稀释水溶液中分别提高50, 60, 15及4倍；在KOH及NaOH的水溶液中分别提高4与3.6倍，在NaCl水溶液中提高0.9倍。 对于渗硼表面与熔融的纯铝、铝硅合金及锌合金等相互作用的结果可参见表2 45钢渗硼表面与熔融合金的相互作用 从以上试验数据中可知，由于渗硼层表面具有较好的耐腐蚀性和与合金所产生的亲和力小，这对冲头寿命的提高，是有所助益的。因此，渗硼表面只要在700 0C以下的条件下工作，就已可为量大面广的锌合金和铝合金的压铸生产创造必要的条件。如果冲头采用水冷，其工况条件有所改善，对于寿命的提高更加有所裨益。 44 渗硼试样与氮化试样相对磨耗试验结果 磨耗试验中取氮化后及渗硼后的圆盘试样，分别代表压室及冲头的实际情况，经成对装机后，在受载50公斤下对磨，每次以测量精度为110000的精密天平称其失重量，以检验其磨耗程度。经次转动后称重，氮化试样总失重量为0.6782克，而渗硼试样为13414克，即渗硼试样的磨损比氮化试样高出一倍，解决了压室经使用后是否会先期磨损的顾虑，为渗硼冲头的推广应用，打下良好的基础。乘用车发动机铝合金缸盖的低压铸造技术基于成本和力学性能方面综合考虑，扩大铝合金的应用是目前乘用车轻量化，降低油耗的主要手段，如发动机缸盖现已全实现铝合金化制造。尽管铝合金缸盖的生产方法有多种，但主流的制造工艺则是金属型铸造和低压铸造，其中欧洲和中国以金属型为主，而日本、美国则更多采用低压铸造。 相对于重力金属型铸造，低压铸造由于是在压力下充型和结晶凝固，因而具有成形质量好、工艺出品率高等优点，但对于形状复杂、性能要求高的缸盖铸件，则存在着工艺复杂，控制要求高等技术难关。因此本文着重介绍了铝合金缸盖的低压铸造技术及其参数控制要点，以期充分发挥低压铸造工艺的技术优势，生产高质量的缸盖铸件。 2 缸盖的低压铸造工艺要点 2.1 浇注系统实例 缸盖的低压铸造工艺方案一般为一根升液管，多个浇口即多权分流的形式。如4缸缸盖，具有代表性的两种浇注系统即在燃烧室侧是设置2个或4个浇口。图2为2个浇口的工艺示意图，该方案适合于一模一件或一模两件。 2.2合金材料及熔化 铝合金缸盖的材料一般选择AI-Si-Cu系合金如ZL105和107。如果对延伸率和耐腐蚀性有要求，也可以使用ZL101和ZL104。为获得高质量的金属液，标准操作应使用Ar气旋转吹气精炼并加入Sr变质及AJ-Ti-B细化晶粒。 2.3 浇注工艺 2.3.1模具维护 模具的定期清理和保养对于稳定生产高质量的缸盖铸件和延长模具的使用寿命是相当重要的。一般应在每生产500-700件后即进行模具维护，其主要内容是将模具拆开，用软刷清理型腔表面涂料及清除渗入到顶杆间隙、排气孔中的铝屑、涂料颗粒等，确保铸件外形质量、顶出顺利和排气顺畅。 2.3.2涂料 浇注前模具预热至200左右喷涂料。缸盖的形状复杂，应特别注意不同部位的涂料厚度不同。一般部位涂料厚度控制在0.1-0.2mm:精度要求高如燃烧室表面应采用颗粒细小的涂料，厚度为O.OSmn。左右;而对于浇口、冒口、内浇道等需要缓慢凝固的位置可适当厚一些，一般为0.5-1 mm左右。 2.3.3过滤网 放置过滤网的目的是防止升液管中氧化物杂质进入型腔及形成层流充填。可采用价格便宜效果良好的镀锌金属网，网线直径叨.4-0.6mm, 1214目。 2.3.4温度 铝液温度对缸盖内部缺陷、外观质量有很大的影响。浇注沮度在680-730的范围内为宜，实际操作中温度偏差应控制在20以内。 低压铸造的特点是获得良好的顺序凝固，后此报具温度控制在低压铸适中待别重要。理想的模温分布是从浇口到上模逐渐降低，一改具各部具体表度控制范围为获得.上述温度场及提高缸盖铸件性能和缩短生产周期，必须对上模和侧模实施强制冷却。一般分为水冷和气冷，采用多路设置，每路单独自动控制(流量和压力)。水冷却采用压送式水泵，以解决模具内部因高温汽化产生气阻造成水流不畅的难题，气冷则是通以压缩空气。 因缸盖具有多个浇口，两个浇口之间的距离近会导致位于浇口间的铸件部位温度上升，使浇口和该部位的凝固顺序相反。因此须在此部位设置局部强制冷却，以得到所需的温度梯度。 从模具寿命和安全性考虑，冷却时应以间接冷却为主，在局部铸件厚度较大处可采用直接冷却方法。对于冷却强度有时间控制和温度控制两种方式，时间控制即控制通水或气的时间，该方法简单易行，但精度不高。温度控制则是在冷却位置出设置热电偶，根据热电偶测得的温度大小由PC来开启或关闭冷却水或气，控制精度相对较高。 近年来，凝固数值模拟技术的发展为缸盖的低压铸造工艺优化提供了很好的参考依据，它可充分把握不同条件下的凝固测试结果，强化铸造工艺过程控制，确保铸件质量。 2.3.5加压时间 从充型到浇口凝固的时间称为加压时间，受温度的影响很大。在稳定生产条件下，加压时间虽然因缸盖的重量不同而有所变化，但一般控制在2-8min。若从提高生产效率的角度考虑，可采取一模2件、2段加压等方法缩短时间闭。 2.3.6起模时间 同加压时间一样，因温度的变化而变化。时间短时铸件易变形;时间过长则铸件易卡在模具内，取不出来。所以一般控制在加压时间的1/3左右。为提高铸件冷却速度，起模时可先开脱模阻力小的侧模，冷却一定时间后再开上模。 2.3.7加压曲线 加压压力直接影响到金属液的流动充填性能和补缩效果，加压曲线是低压铸造工艺控制中的重要一环。加压压力可由下式算出: P=x(1+S/A) x H x 10-2 上式中P-压力(MPa), -铝液比重(2.4-2.5) ,H -铝液上升高度(m), S-升液管截面积(m2), A一型腔截面积(m2)o 冒口的补缩压力一般在0.005-0.01MPa左右。虽然压力大补缩效果好，但如果压力超过0.01 Mpa，会导致涂料剥离、铝液堵塞模具排气孔及渗入到砂芯中。浇注过程中及时排出砂芯燃烧产生的气体是非常必要的，但因缸盖所用砂芯结构复杂、数最多，在模具中设置大量的排气孔很困难。此时，将冒口补缩压力提高到上限附近，可有效防止气体卷入到铸件里面。 柑塌内的液面高度变化影响到加压曲线的重复再现性，因此柑祸内的压力应能自动补偿。对于缸盖铸件，可通过设置传感器，以精确控制加压曲线的零点I81。连续工作加压曲线示愈图如图3所示。 另外，若升液管下端与柑拐底部间的间隔过短加压时溶液易产生紊流流动。因此，在不影响溶液使用的情况下，升液管下端与柑锅底部间的间隔在200mm左右为宜。 3 铸造缺陷与对策 表1列出了低压铸造常见的缺陷及应采取的暇止措施。针对缸盖这样复杂的零件，各种参数的细书波动就可能影响铸件质。因此必须对工艺方案、奄具设计、浇注工艺等各方面进行细致的分析和调查明确缺陷产生的各种原因，在此基础上来采取相应白解决措施。 4 结束语 迄今为止铝合金缸盖是适合于低压铸造的几个有限的汽车零件之一，因此充分发挥其工艺出品率搞、内部质量好的优点，扩大国内低压铸造技术在铝合金缸盖的生产应用，以适应我国轿车工艺快速发展。(镁合金压铸工艺难成功的原因与新工艺选择镁合金压铸工艺难成功的原因与新工艺选择 对铝合金材料或铝合金压铸工艺有所认识的人都知道，铝合金分含硅高（约10%）的“压铸铝合金”、含硅中等（约5%），适合重力铸造、低压铸造或金属模铸造的“铸造铝合金”，以及适用于挤压、锻压等压力加工，含硅量很少（1%-2%以下）或基本不含硅的“变形铝合金”。 不少人以为，在铝合金或镁合金中加硅，主要是为了增加合金的流动性，其实并不全面正确，且有认识的偏差与误导。 在合金中加硅，作用主要确有两项： 第一是增加流动性。但这主要是对重力铸造等很低的压强下充型而言的。检测与实践都表明，不加硅的合金与加了硅的合金，在超过1MPa的充型压强下充型，差异并不大。当今的压铸机与压铸工艺，充型压强可以超过100MPa，即使是最差流动性的合金（变形铝合金、变形镁合金等），都不存在充型不足的困难。 第二是减少“液固”相的相变体积收缩率这一项才是最重要与最关键的。有研究指，含硅量到20%左右的铝合金（如A390），相变体积可以基本不变。所以，用于高温场合的铝活塞，总是硅含量较高的合金。因为压铸工艺的本质特性，属单方向的高压强充型铸造，不具有反向补缩功能，这是它与低压铸造、重力铸造具有反向补缩充型的工艺特性完全不同的地方。正是这个原因，行业上才特意配制相变收缩率比较低，含硅量尽量去到最高，专门为了压铸工艺不能反向补缩的铝合金牌号。 增加硅在合金中的含量会付出很大的代价：大幅削弱了合金的强度，并使合金变脆，延伸率显著降低。压铸铝合金（如ZL107、ADC12）普遍就比变形铝合金的强度低了一半甚至大半，约在200MPa范围。对比A356、6061（LY硬铝）、ZL101合金强度在400MPa，7075（LC超硬铝）强度达600MPa就可知了。硅还是非金属，不能阳极氧化与着色。故从本质上说，硅对合金归属为一种有害的或杂质类的元素。 所以，我们一般都将压铸件称为“结构件”，很多功能上有要求，被称为“功能件”所用的地方，如有高强度、延伸率高（不脆）、耐高温、表面着色、耐冲击韧性要求等场合的，压铸合金基本就不能用了。 实践上，用压铸工艺生产含硅量在5%左右的铸造类合金（如生产铝合金轮毂的A356、ZL101牌号合金），毛坯合格率明显降低，缩孔缩松非常严重。原因在于，该类铸造合金的体积收缩率较大，本来就只适合于有补缩系统的铸造工艺的（如重力铸造、金属模铸造、低压铸造）。用没有补缩系统的压铸工艺生产，明显勉为其难，缩孔缩松缺陷又怎不明显增加呢。 现时的压铸机，能产生一定补缩作用的手段有两个： 一是加快压射的速度，让熔体有一定的动能（加速），这会产生一定的补缩作用，却极不可靠，且实践上也是可笑的加大压射速度，不就更容易卷气产生气孔缺陷了吗？ 二是靠压射冲头的“加力”（几十年前所称的“精速密压铸”）。请注意，压射冲头的“加力”，本质上只是加了压强，而不是直接加力于毛坯体本身物理概念的做功（锻压）。这种“加力”，可理解为重力铸造或低压铸造中对一个位置的补缩这同时还要加大内浇道（所谓大水口）才能有效果。但对于需在多个位置进行补缩的毛坯，单靠压射冲头的作用显然生产不出合格产品。两者相比，以压射冲头的“加力”，作用远好于对熔体的“加速”充型。 现时的“多功能”低压铸造机，其实是将复杂的重力铸造充型与补缩系统机械化，本质上已是“中低压铸造充型+多点挤压铸造补缩”，具有多工位补缩的工艺装备：即熔体的充型速度与压力，实现无级调节的机械化，同时具有对毛坯多个需补缩的位置的压力强制补缩。这种“低压铸造机”，其实就是用了多向连铸连锻、多向压铸模锻的工艺思路，只是缺了对毛坯主投影面进行锻压的功能而已。 回过头来看，就知道镁合金压铸为什么艰难：它与用压铸工艺生产A356、ZL101、ZL203等重力铸造铝合金毛坯，碰到的是同一类问题如何补缩的问题，却是难度甚高、极大的问题。因为现时的镁合金牌号，只有含硅量很低（1%-2%）、体积收缩率极大的“铸造镁合金”，而根本没有体积收缩率比较低的“压铸镁合金”。其难度（主要是体积收缩率极大与变形合金所需的压力加工特性高位合金极易晶粒粗大与偏析），相当于用压铸工艺生产6061、6063合金，相当于挑战压铸工艺那不可思议的绝对禁区！ 这就得出两个极重要的结论： 一是现时的铸造牌号镁合金，只应适用于拥有多功能的具有复杂良好补缩系统的低压铸造装置生产，而基本不适合没有补缩能力的压铸工艺生产。别相信现时的所谓“镁合金压铸机”，因为它只是相对于传统压铸工艺仅提高了压射充型的速度，但这能起到的补缩作用却甚差，比以压射冲头的加力作用与“大水口”工艺还要差得多。 可以说，以传统压铸工艺，或所谓的“镁合金压铸机”生产镁合金压铸件，其“成功”只具有偶然性或特殊性，不具有普遍性与工业性；以传统的压铸工艺（包括所谓的镁合金压铸机）搞镁合金压铸件生产，根本就是选错了装备走错了方向，工艺基本不可行，不具工业上的普遍适应性，更多的会以失败告终如同以压铸工艺生产6061、6063、5052、2024等变形铝合金材料一样的惨败告终。 二是改用具有多向强制补缩与多向锻压功能的多向压铸模锻、多向连铸连锻工艺与装备生产，直接生产出如压铸件一样结构复杂的镁合金锻压件。这项工艺，可生产完全不含硅的变形铝合金锻压件，也能生产完全不含硅的变形镁合金锻压件。 连铸连锻、压铸模锻工艺装备，源于强制锻压补缩的液态模锻工艺思维，是直接挤压铸造（液态模锻、熔汤锻造）与间接挤压铸造工艺相结合的技术，是我国原创的发明专利技术，已相当成熟可靠，已在广东肇庆鸿银机电科技有限公司实现工业化生产。下盖压铸模的设计和制造摘要：本文以下盖铸件为例详细阐述了两板式侧浇口压铸模具的结构设计要点与工作过程。笔者结合自己多年实践经验，通过采用华铸CAE软件进行流动分析，最后得出了一道合理而实用的浇铸、排溢系统方案，使得模具的压铸缺陷大大降低，进而提高了铸件的内在质量和改善其工作性能。 压铸是近代金属加工工艺中发展较快的一种高效率、少无切削的金属成型精密铸造方法。与其他铸造方法相比，由于压铸工艺的生产流程短、工序简单而集中，不需要繁多的设备和庞大的工作场所，且铸件质量优、精度高、表面光洁度好，所以不仅可以节省大量的机械加工工序、设备和工时，而且具有金属工艺出品率高，节省能源、节省原材料等优点，所以压铸是一种“好、快、省”的高经济效益的铸造方法。目前，压铸这种工艺方法已广泛应用在国民经济的各行各业中，如兵器、汽车、摩托车和航空航天行业的产品零部件，以及电器仪表、无线电通信、电视机、计算机、农业机具、医疗器械、洗衣机、电冰箱、钟表、照相机、建筑装饰和日用五金等各种产品零部件的生产方面。 现在我国生产的一些压铸件，最小的只有几克，最大的铝合金铸件重达50kg，最大的直径可达2m。一些国家则依靠技术进步促使铸件薄壁化、轻量化，因而导致以往以铸件产量评价一个国家铸造技术发展水平的观念发生了根本性的改变，转而用技术进步的水平作为衡量一个国家铸造水平的重要依据。而铸件质量的好坏最终取决于压铸模结构设计、浇注系统设计以及排溢系统(包括抽真空)设计是否合理。 图1所示壳体属于多筋类零件，成型非常困难，因此对该模具的设计提出了更高的技术要求。在优化该模具结构的基础上，笔者通过应用华铸CAE软件进行模拟流动分析，最后得到了一个合理的流动设计方案，并在此基础上通过采用溢流排气系统来减少压铸缺陷，从而保证了铸件的质量和外观。 铸件一、铸件工艺分析 该下盖铸件最小壁厚=1.2mm，易造成铝液填充不良，成型困难，使铝合金熔接不好，铸件表面易产生冷隔等缺陷，并给压铸工艺带来困难。 该零件材料为铝硅合金，除铝以外的杂质总量0.6%，抗拉强度345MPa，屈服强度180MPa，延伸率1.6%，硬度HBS160，外观铝锭为银白色，产品压铸成型后表面应平整光洁，粗糙度达到图样规定的要求，不得有影响该产品外观和装配的变形、裂纹和错边，非加工表面不得有严重的流痕、拉伤、冷隔、缩陷、气泡、飞边、欠铸和多肉等工艺缺陷。 该零件斜度的作用是减少铸件与模具型腔的摩擦，容易取出铸件，保证铸件表面不拉伤，从而延长压铸模使用寿命，故将其脱模斜度设定为外表面 (单边) 3，内表面(单边)4，芯销孔 (单边)3。在压铸件的连接处采用适当的圆角(3) 过渡，避免零件上因没有圆角的存在而产生应力集中导致开裂，可以延长压铸模的使用寿命，不因模具型腔尖角的存在而导致崩角或开裂。 为了不影响产品外观，决定采用如图1所示的侧浇口进料，通过排溢系统进行抽真空，加快铸件的完整成型和收集料流前锋的杂质和冷料等，从而大大减少气孔和夹渣等现象的产生，确保铸件成型质量优良及其外观。 压铸成型工艺条件为：收缩率为0.55%，压室直径为95mm，每模周期为40s，低速压铸速度为(0.260.05)m/s，高速压铸速度为(2.10.2)m/s，高速压铸起点位置为(260 20) mm，铸造压力为(67.71.9)MPa，料饼厚度为(205)mm，汤温为(66020)，留模时间为(132)s，模温为(16020)。 二、模具结构设计 1.分型面的选择 分型面是压铸模具动模和定模的接合面，主要根据铸件的具体结构确定。分型面在铸件上会留下痕迹，该痕迹称为分型线。因此在选择分型面时，要充分考虑一些注意事项，以避免由于分型面的选择不当所造成的不良影响。在综合考虑铸件顺利脱模、浇口布置和模芯的机加工工艺性等几方面因素的前提下，最后决定采用如图2所示的分模设计方法。 铸件分模设计2.浇注系统及排溢系统的设计 该模具采用1模1腔结构，由于铸件正反面都有加强筋，成型又非常困难，只能开设3个大截面侧浇口进料，采用分流锥导流，且分流锥与浇口套采用6锥度研配，料饼厚度约为23mm。整个浇注系统是由直浇道、横浇道与内浇口三部分组成，横浇道截面形状大体为扇形，根部及角落处需倒圆角以进行更好地引流。横浇道和内浇口分别开设在动、定模芯上，为了保证铸件成型完全，尽量采用较大截面的内浇口。通过运用华铸CAE软件进行流动分析，最后得到如图3所示最佳的测浇口数量与位置，合理的流道系统形状和排布位置，并对模芯尺寸、内浇口尺寸和直横流道尺寸等进行优化设计，最终得到一种切实可行的流动设计方案。 为了改善压铸件内部组织和减少压铸缺陷，最后决定在产品末端开设溢流槽(图3)，其后又开设排气槽并进行抽真空处理，以便能及时排出型腔中的气体、气体夹杂物、涂料残渣及冷污合金等，作为保证铸件质量和消除某些压铸缺陷的重要措施之一。排气槽设在分型面及溢流槽的尾部，排气槽深度0.4mm，宽度为10mm，并且采用曲折排气槽进行排气，以防溢流，同时铸件还可利用模芯和镶块的配合间隙以及顶杆与顶杆孔的配合间隙进行排气。 下盖压铸模3.脱模机构设计 为了顺利顶出铸件，在该模具下端面周向均匀设置顶杆进行顶出。整个脱模机构采用复位杆(图3中24)进行复位，通过推板导柱(图3中28)和导套(图3中29)进行导向定位。同时，依靠限位螺钉(图3中23)和前限位柱(图3中26)进行限位，并且加工时必须保证4个限位螺钉和4个前限位柱分别等高，以保证铸件顶出时平稳可靠。 4.模温调节系统设计 该模温调节系统主要根据动、定模芯的结构特点以及模具元件的分布来布置水道。为了避免冷却水道与相关的模具元件不发生干涉，且不影响其冷却效果，决定采用如图3所示的一进一出的冷却水道，以增加其冷却效果。水道直径为10mm，并在动、定模芯进水口与出水口处安装铜制冷却水管，而模具上所有冷却水管全部集结在压铸机的钢制积水包上。为防止分流锥处热量过于集中，在分流锥 上采用如图3所示的分流锥嵌件(图3中38)进行导流冷却处理。分流锥(图3中36)与浇口套(图3中33)的冷却水道直径为8mm，均为一进一出的冷却水路。同时，合模前压铸机喷淋装置会自动喷冷却液来冷却模具。 5.模具结构及工作过程 该模具属于两板模，其最大外形尺寸为800mm800mm700mm，模架定制。根据锁模力大于胀型力的设计原则，以压铸模厚度和允许开模距离为依据，最后决定选用UBE900t压铸机。模具所有活动部分保证定位准确，动作可靠，不得有任何歪斜和卡滞现象，固定零件不得有相对窜动，其结构如图3所示。 模具工作过程为：动、定模合模，熔融铝液通过汤勺(其规格为2.1Kg)注入模具浇口套(图3中33)中，通过压铸机的冲头将铝液压入密封型腔内，经保压、冷却后，开模。开模时，动、定模分开，到达设定开模行程400mm后，压铸机顶出油缸开始工作，模具顶出机构在装有油缸的压铸机顶杆带动下将铸件从动模芯(图3中8)中顶出，当运动到设定顶出行程40mm后取出铸件(含定模侧的流道、积渣包及气道中的凝料)。接着压铸机喷淋装置会自动喷冷却液来冷却模具，随之动、定模合模，压铸机顶出油缸带动模具顶出机构复位，一个压铸周期也随之完成。 三、压铸模选材和热处理要求 在进行压铸模具设计时，选材非常重要，如果模具材料选择得不恰当，很可能会影响模具的使用寿命和工作效率，因此，必须严格按照制造工艺合理选择模具材料。材料选择好后还必须制订严格的热处理方法和硬度，如果热处理不当，很可能导致模具寿命急剧下降，从而影响公司的正常生产，如表所示。 四、模具组装技术要求 压铸件尺寸精度的高低主要取决于模具的组装技术要求，为了生产出优质的压铸件，必须对模具的组装提出严格的要求。该模具的的组装技术要求如下。 (1)模具分型面与安装平面或支承面之间的平行度偏差，在200mm长度以内不大于0.05mm。 (2)模具安装在压铸机上时，其分型面应保持良好的闭合状态。允许有不大于0.05mm的间隙(排气槽除外)。 (3)成型镶块和浇口系统零件的分型面不允许低于模板分型面，其高出不得大于0.1mm。 (4)导柱和导套在装配后，其轴线与模板平面的垂直度偏差，在200mm内不大于0.03mm。 (5)模具的各活动零部件装配后应灵活，在室温状态下用手施力时，各相互关联的活动零部件不应产生卡滞现象。 (6)顶杆允许高出成型表面不超过0.1mm，复位杆则应与定模的分型面接触为准，允许低于分型面不超过0.05mm。 (7)推杆在推杆固定板中应灵活转动，允许其轴向窜动量不大于0.05mm。 (8)模具上开设的排气槽应呈曲折状引出，其深度在0.10.15mm，严禁将排气槽从型腔直接引向操作者的一侧。 (9)流道转接处应光滑连接，镶拼处应密合，拔模斜度5，表面粗糙度。Ra0.4m。 五、结束语 该模具设计在克服压铸件成型时间短、多筋类薄壳铸件成型较为困难等工艺缺陷的基础上，通过合理采用侧浇口进料来浇注压铸件，经生产实践验证，该模具结构设计合理，动作平稳、可靠，压射出的压铸件尺寸精度高，表面平整、光洁，无任何影响外观和产品性能的变形、裂纹和错边等工艺缺陷。(end)影响铝挤压模具寿命的因素探讨1、前言 延长挤压模具的使用寿命一直是铝加工企业十分关注的问题，模具寿命的长短直接影响到企业的生产效率及产品成本，采取哪些得力措施来延长模具的使用寿命，不少企业都有自己的独到之处。为了更好地改善铝挤压模具的质量和提高其使用寿命，本文从模具的材质选择、模具的优化设计、热处理工艺的选择与模具的科学使用四个方面作了剖析，并有针对性地提出切实可行的对策。2、影响因素分析21 模具材料性能的影响挤压模具是在高温高压下作业，并承受周期载荷的作用，因此对模具钢的性能要求相当高，一般制造模具的材料应具有热稳定性、热疲劳性、热耐磨性和足够的韧性。前些年国内常采用3Cr2W8V钢制造模具，但它的韧性低，抗疲劳强度不好，即使采用高温淬火等工艺处理措施亦不能满足要求，模具的早期失效十分严重，近年来已被优质模具钢4Cr5MoSiV1（H13钢，其化学成分见表1）所取代，与3Cr2W8V钢相比，4Cr5MoSiV1钢具有两个突出特点：一是有良好的高温综合性能和较高的热疲劳抗力；二是组织中含有较多的Cr、Mo元素，氮化处理时能生成丰富稳定的氮化物并弥散分布。所以，就延长模具的使用寿命而言，选用H13钢加工模具还是比较合适的。统计数字表明：用H13钢和3Cr2W8V钢制造同种模具，前者的使用寿命是后者的35倍。表1 4Cr5MoSiV1的化学成分22 模具设计方案的影响模具设计的合理得当，是延长其使用寿命的重要环节。挤压铝型材一般存在断面不对称和壁厚不相等现象，在设计模具时应给予重视，既要考虑模孔位置的排列，又要结合具体情况，通过改变模孔工作带的高度来改善金属的流动性。下面就模具设计存在的一般问题略作分析：（1）对于壁厚不相等的型材，采用不等长工作带的方法设计。见图1的丁字型材，通常依据经验公式h1/h2b1/b2来确定工作带的高度。式中 h1、h2表示截面处的相应工作带高度；b1、b2表示截面处的相应型材厚度。因为这样设计更能保证金属流动的均匀性。图1 壁厚不相等的丁字型材（2）适当调整过渡圆角的半径和工作带长度，以避免应力集中现象。见图1，A处过渡圆角流动阻力较大，金属不易充满，此处工作带的设计应稍小于正常值，而B处过渡圆角的流动阻力就较小，金属易充满，对应的工作带长度应略大于正常值。（3）模孔尺寸的确定应综合考虑型材性质和模具材料的收缩率，对于6063铝合金与常用模具钢4Cr5MoSiV1，设计时模孔的收缩率应取101%109%（可根据模孔尺寸的大小适当选取）。（4）根据延伸系数确定模孔数目。模孔数目直接影响到延伸系数的大小，挤压比过大会使挤压力超过正常值而损坏模具，过小则会使挤压制品的机械性能下降，一般挤压系数（延伸系数）宜在1050之间。（5）合理布置模孔位置。在设计时不宜将模孔布置得过于靠近边缘，否则将会降低模具强度，导致死区金属参与流动而影响制品表面质量。挤压三角型材时，图2的模孔布置就比较适宜。图2 角型材模孔布置图23 热处理工艺的影响要延长模具的使用寿命，热处理工艺的恰当与否甚为重要，影响热处理质量的主要因素有加热速度、淬火温度、淬火速度和回火温度等。经过分析与实践，下列热处理工艺适合一般企业，能满足4Cr5MoSiV1钢在高温下的机械性能要求（见图3）。图3 4Cr5MoSiV1钢的热处理工艺示意图（1）预热：温度为600630，保温时间为152Oh（视模具大小而定），然后升温到830850，保温152Oh。此工艺过程为淬火前的预处理，它能合理调整工件内部的微观缺陷，为淬火准备必要的条件。（2）淬火：在预处理的基础上，把加热温度升高到10401080，保温225h出炉油淬，待工件温度降到130左右时从油中取出空冷。（3）回火：淬火后的模具内部有较大的内应力，必须在12h内对工件进行回火，以消除淬火时产生的应力。为了避免工件开裂，回火前也应加热均匀，具体方法为：把工件加热到380400保温1小时左右再缓慢升温到580600进行一次回火，保温时间为2Oh，然后出炉空冷至常温后进行二次回火，回火温度为560580，保温时间为2h，随后出炉空冷。针对上述热处理工艺，需要补充说明的是：由于4Cr5MoSiVI（H13）钢对淬火温度很敏感（见图4），且在高温下的淬火性能优良，所以应对其实行高温淬火。图4 淬火温度与疲劳强度的关系24 模具使用机制的影响要延长模具的寿命，科学地使用模具也是不容忽视的一个方面。由于模具的工作环境极为恶劣（高温高压），生产中要采取一定的措施来确保它的组织性能。以下列出要注意的三个重要方面：（1）采用适宜的挤压速度。在挤压过程中，当挤压速度过快时，会造成金属流动不均匀、模具温度较高等现象，如果此时金属变形产生的余热不能及时带走，模具就可能因局部过热而失效，当挤压速度较适宜时，就避免了上述不良后果的发生，挤压速度一般控制在25mm/s以下。（2）采用低一高一低的使用强度。模具刚进入服役期时，组织性能还处在浮动阶段，此时应采用低强度的作业方案，使模具向平稳期过渡；模具使用中期，可适当提高使用强度，因为此时模具的综合性能处在最佳状态；到模具的使用后期，其内部组织已部分恶化，热疲劳强度也较低，应适当降低模具的使用强度，以免使用中出现模具变形、裂纹等缺陷。（3）使用前期对模具进行反复氮化处理。渗氮处理能使模具在保持足够韧性的情况下大大提高其表面硬度，以减少模具使用时的热磨损，但表面氮化并不是一次性就能完成的，在模具服役期间，应对之进行34次反复渗氮处理，一般要使氮化层厚度达到015020mm。3、结束语挤压模具的使用寿命是一个综合性的技术问题，以上介绍的四个方面只是其中的部分，要全面理解模具使用寿命的含义，在模具的加工制造中选择最佳工艺和模具使用后的及时修正，对延长模具的寿命也至关重要。压铸模具中的表面处理技术压铸模具是模具中的一个大类。随着我国汽车摩托车工业的迅速发展，压铸行业迎来了发展的新时期。同时，也对压铸模具的综合力学性能、寿命等提出了更高的要求。要满足不断提高的使用性能需求仅仅依靠新型模具材料的应用仍然很难满足，必须将各种表面处理技术应用到压铸模具的表面处理当中才能达到对压铸模具高效率、高精度和高寿命的要求。压力铸造是使熔融金属在高压、高速下充满模具型腔而压铸成型，在工作过程中反复与炽热金属接触，因此要求压铸模具有较高的耐热疲劳、导热性耐磨性、耐蚀性、冲击韧性、红硬性、良好的脱模性等。因此，对压铸模具的表面处理技术要求较高近年来，各种压铸模具表面处理新技术不断涌现，但总的来说可以分为以下三个大类：(1)传统热处理工艺的改进技术；(2)表面改性技术，包括表面热扩渗处理、表面相变强化、电火花强化技术等；(3)涂镀技术，包括化学镀等。 1 传统热处理工艺的改进技术 传统的压铸模具热处理工艺是淬火-回火，以后又发展了表面处理技术。由于可作为压铸模具的材料多种多样，同样的表面处理技术和工艺应用在不同的材料上会产生不同的效果。史可夫最近提出针对模具基材和表面处理技术的基材预处理技术，在传统工艺的基础上对不同的模具材料提出适合的加工工艺，从而改善模具性能，提高模具寿命。热处理技术改进的另一个发展方向，是将传统的热处理工艺与先进的表面处理工艺相结合，提高压铸模具的使用寿命。如将化学热处理的方法碳氮共渗，与常规淬火、回火工艺相结合的NQN(即碳氮共渗 - 淬火-碳氮共渗)复合强化，不但得到较高的表面硬度，而且有效硬化层深度增加、渗层硬度梯度分布合理、回火稳定性和耐蚀性提高，从而使得压铸模具在获得良好心部性能的同时，表面质量和性能大幅提高。 2 表面改性技术 2.1 表面热扩渗技术 这一类型中包括有渗碳、渗氮、渗硼以及碳氮共渗、硫碳氮共渗等。 2.1.1 渗碳和碳氮共渗 渗碳工艺应用于冷、热作和塑料模具表面强化中，都能提高模具寿命。如3Cr2W8V钢制的压铸模具，先渗碳、再经11401150淬火，550回火两次，表面硬度可达HRC5661，使压铸有色金属及其合金的模具寿命提高1. 83.0倍。进行渗碳处理时，主要的工艺方法有固体粉末渗碳、气体渗碳、以及真空渗碳、离子渗碳和在渗碳气氛中加入氮元素形成的碳氮共渗等。其中，真空渗碳和离子渗碳则是近20年来发展起来的技术，该技术具有渗速快、渗层均匀、碳浓度梯度平缓以及工件变形小等特点，将会在模具表面尤其是精密模具表面处理中发挥越来越重要的作用。 2.1.2 渗氮及有关的低温热扩渗技术 这一类型中包括渗氮、离子渗氮、碳氮共渗、氧氮共渗、硫氮共渗以及硫碳氮、氧氮硫三元共渗等方法。这些方法处理工艺简便、适应性强、扩渗温度较 低(一般为480600)、工件变形小，尤其适应精密模具的表面强化，而且氮化层硬度高、耐磨性好，有较好的抗粘模性能。3Cr2W8V钢压铸模具， 经调质、520540氮化后，使用寿命较不氮化的模具提高23倍。美国用H13钢制作的压铸模具，不少都要进行氮化处理，且以渗氮代替一次回火，表 面硬度高达HRC6570，而模具心部硬度较低、韧性好，从而获得优良的综合力学性能。氮化工艺是压铸模具表面处理常用的工艺，但当氮化层出现薄而脆的 白亮层时，无法抵抗交变热应力的作用，极易产生微裂纹，降低热疲劳抗力。因此，在氮化过程中，要严格控制工艺，避免脆性层的产生。最近，国外提出采用二次 和多次渗氮工艺。采用反复渗氮的办法可以分解容易在服役过程中产生微裂纹的氮化物白亮层，增加渗氮层厚度，并同时使模具表面存在很厚的残余应力层，使模具 的寿命得以明显提高。此外还有采用盐浴碳氮共渗和盐浴硫氮碳共渗等方法。这些工艺在国外应用较为广泛，在国内较少见。如TFI+ABI工艺，是在盐浴氮碳 共渗后再于碱性氧化性盐浴中浸渍。工件表面发生氧化，呈黑色，其耐磨性、耐蚀性、耐热性均得到了改善。经此方法处理的铝合金压铸模具寿命提高数百小时。再如法国开发的硫氮碳共渗后进行氮化处理的oxynit工艺，应用于有色金属压铸模具则更具特点。 2.1.3渗硼 由于渗硼层的高硬度(FeB:HV18002300、Fe2B:HV13001500)、耐磨性和红硬性，以及一定的耐蚀性和抗粘着性，渗硼技术在模具工业中获得较好的应用效果。但因压铸模具工作条件十分苛刻，故渗硼工艺较少应用于压铸模具表面处理中，但近年来，出现了改进的渗硼方法，解决了上述问题，而得以应用于压铸模具的表面处理，如多元、涂剂粉末渗等。涂剂粉末渗硼的方法是将硼化合物和其他渗剂混合后涂覆在压铸模具表面，待液体挥发后，再按照一般粉末渗硼的方法装箱密封，920加热并保温8h，随之空冷。这种方法可以获得致密、均匀的渗层，模具表面渗层硬度、耐磨性和弯曲强度都得到提高，模具使用寿命平均提高2倍以上。 2.1.4稀土表面强化 近年来，在模具表面强化中采用加入稀土元素的方法得到广泛推崇。这是因为稀土元素具有提高渗速、强化表面及净化表面等多种功能13，它对改善模具表面组织结构，表面物理、化学及力学性能均有极大地影响，可提高渗速、强化表面、生成稀土化合物。同时可消除分布在晶界上微量杂质的有害作用，起着强化和稳定模具型腔表面晶界的作用。另外，稀土元素与钢中的有害元素发生作用，生成高熔点化合物，又可抑制这些有害元素在晶界上偏聚，从而降低深层的脆性等。在压铸模具表面强化处理工艺中加入稀土元素成分，能够明显提高各种渗入法的渗层厚度、提高表面硬度，同时使得渗层组织细小弥散、硬度梯度下降，从而使得模具的耐磨性、抗冷、热疲劳性能等显著提高，从而大幅度提高模具寿命。目前应用于压铸模具型腔表面的处理方法有:稀土碳共渗、稀土碳氮共渗、稀土硼共渗、稀土硼铝共渗、稀土软氮化、稀土硫氮碳共渗等。 2.1.5表面被覆强化 近年来由于冷焊技术的发展，使得表面处理技术得到很大的提高，特别是ESD-05上市以后，可以使用碳化物等不同材质的焊材对表面进行处理，这种方式方便简单，成本低，使用方便。同时效果也好，渐渐的已经成为行业的主选。 2.2表面激光涂层 2.2.1激光表面处理 激光表面处理是使用激光束进行加热，使工件表面迅速熔化一定深度的薄层，同时采用真空蒸镀、电镀、离子注入等方法把合金元素涂覆于工件表面，在激光照射下使其与基体金属充分融合，冷凝后在模具表面获得厚度为101000m具有特殊性能的合金层，冷却速度相当于激冷淬火。如在H13钢表面采用激