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铝合金活塞浇铸模寿命影响因素的分析与研究 摘要 利用模具铸造成型，实质上是一种少切削、无切削、多工序重合的生 产方法。采用模具成型的工艺代替传统的切削加工工艺，可以提高生产效 率，保证零件质量，节约材料。而模具寿命的长短直接关系到生产效率及 成本，是模具制造业关心的核心问题。 本文以金属型为切入，在总结国内外金属型铝合会活塞浇铸模研究现 状基础上，探讨了金属型的主要失效形式。并从实际需要出发，基于对金 属型的材料、制造( 包括毛坯的锻造和金属型的加工) 、热处理( 包括常 规热处理和表面处理) 、铸造工艺( 包括预热、涂料和铸件脱型等) 、冷却、 使用等诸多方面的综合考虑，分析了金属型的寿命影响因素，提出了指导 于生产的改进措施。 对0 2 1 活塞浇铸模失效案例进行分析。构建了0 2 l 活塞浇铸模力学模 型，进行变形计算。对该金属型型芯界面进行a n s y s 热力学分析，并以分 析结果为依据，对0 2 l 活塞浇铸模进行改进，从而极大限度地减少金属型 的早期失效，提高其服役寿命。 关键词：金属型；寿命；影响因素；型芯建模 t h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nf a c t o r sa f f e c t i n gt h el i f eo ft h e p i s t o n m o l df o rc a s t i n ga l u m i n u ma l l o y a b s t r a c t c a s t i n gi sas o r to ff e wc u t t i n go rn oc u t t i n ga n dm u l t i p r o c e s sc o i n c i d e p r o d u c t i o nm e t h o d c a s t i n gp r o c e s su s e dt or e p l a c et r a d i t i o n a lm a c h i n i n g p r o c e s s e s ，c a ni m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , a n d e n s u r e p a r tq u a l i t y ， c o n s e r v a t i o nm a t e r i a l s t h el i f eo fm o l di sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c ya n dc o s t ，i st h ec o r ei s s u eo f c o n c e r nt om o l dm a n u f a c t u r i n g t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h em a i nf a i l u r em o d eo ft h em e t a l l i cm o l db a s e do n t h er e s e a r c ho ft h ed o m e s t i ca n da b r o a da c t u a lo fm e t a l l i cm o l df o r p i s t o n m o l df o rc a s t i n ga l u m i n u ma l l o y a n df r o mt h ea c t u a ln e e d s ，a n a l y z e d t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h el i f eo fm e t a l l i cm o l db a s e do nt h em a t e r i a l so ft h e m e t a l l i c m o l d ，m a n u f a c t u r i n g ( i n c l u d i n gf o r g i n g o ft h er o u g ha n d m a n u f a c t u r i n go ft h em e t a l l i cm o l d ) ，h e a tt r e a t m e n t ( i n c l u d i n gc o n v e n t i o n a l h e a tt r e a t m e n ta n ds u r f a c et r e a t m e n t ) ，t h ep r o c e s so fc a s t i n g ( i n c l u d i n g p r e h e a t i n g ，c o a t i n g ，a n dc a s t i n gs p i l tp a t t e r n ，e t c ) ，c o o l i n g ，u s e ，a n dm a n y o t h e ra s p e c t s ，p r o p o s e dg u i d a n c eo np r o d u c t i o ni m p r o v e m e n t s a n a l y z e dt h ec a s eo f0 2lp i s t o nc a s t i n gm o l df a i l u r e c o n s t r u c t e dt h e m e c h a n i c a lm o d e lo f 0 21p i s t o n sc a s t i n gm o l da n dd e d u c t e dt h ed e f o r m a t i o n t h ei n t e r f a c eo ft h em e t a l l i cm o l dc o r ei st h e r m o d y n a m i ca n a l y z e db ya n s y s ， a n dt h e0 21p i s t o n sc a s t i n gm o l di si m p r o v e db yt h er e s u l t ，g r e a t l yr e d u c et h e e a r l yf a i l u r eo ft h em e t a l l i cm o l d ，i n c r e a s et h e i rs e r v i c el i f e k e yw o r d s ：m e t a l l i cm o l d ，l i f e ，a f f e c tf a c t o r s ，c o n s t r u c tm o d e l 插图目录 图1 1 寿命特性曲线3 图2 1 铸造工艺流程图8 图2 2 加热面与冷却面的热膨胀曲线l o 图2 3 热应力产生示意图1 0 图2 4 温度一应力图一1 1 图2 5 金属型外裂纹裂纹1 1 图2 6 切应力与材料强度分布关系1 2 图2 7 粘着磨损微观模型1 3 图2 8 金属型熔蚀烧伤1 4 图3 1 表面粗糙度对疲劳强度的影响1 9 图3 2 金属型过渡处的圆角连接1 9 图3 3 砂轮速度和切削深度对烧伤的影响一2 0 图3 4 电火花加工原理图2 1 图3 5 几种典型淬火裂纹2 4 图3 - 6 模具热处理变形特征2 6 图3 7 开设工艺孔减少变形3 0 图3 8 金属型初始温度对铸件凝固时间、金属型最高到达温度以及一3 1 图3 - 9 铸件一中间层铸型系统温度分布图3 3 图3 1 0 传热过程取决于铸件和铸型性质3 3 图3 1 l 传热过程取决于中间层性质3 4 图3 1 2 涂层厚度与绝热性关系曲线3 5 图3 1 3 金属型芯在铸件内停留时间与抽芯力的关系3 6 图4 1 金属型断口宏观形貌3 9 图4 2 金属型碎块宏观形貌4 0 图4 33 c r 2 w 8 v 钢的心部组织5 0 0 4 1 图4 4 碳化物带状组织5 0 0 。4 1 图4 5 弯曲变形的型芯4 2 图4 - 6 型芯变形量计算力学模型4 3 图4 7 型芯截面的s e m 形貌x 1 5 0 0 4 5 图4 80 2 1 活塞浇铸模型芯4 6 图4 - 9 型芯凹槽部分的截面4 6 图4 一1 0 型芯截面温度场云图4 7 图4 - 1 1 型芯截面应力场云图4 7 图4 - 1 2 型芯截面分别于x 方向与y 方向变形位移云图4 7 图4 1 3 型芯截面变形位移云图4 8 图5 1 不同处理下h 1 3 钢拉伸断口形貌一5 0 图5 2h 1 3 钢热处理工艺5 1 图5 3 渗层在6 0 0 时的硬度变化5 2 图5 4 设计圆角与开设工艺槽5 4 图5 5 改进后的金属型5 4 表格清单 表2 1 铝合金金属型铸造和砂型铸造铸件力学性能比较( 注：( p 5 m m 试样从 铸件上切取) 9 表2 2 金属型铸造和砂型铸造工艺出品率一9 表3 1 铸铁金属型与铸钢金属型的特性一1 6 表3 29 c r 2 钢试样的接触疲劳寿命2 1 表3 3 铝合金浇注前金属型预热温度3 2 表3 4 铸型和铸造合金的物理性质3 3 表4 一l3 c r 2 w 8 v 钢的化学成分4 0 表4 2 测量位置与型芯测量的洛氏硬度值4 4 表5 1h 1 3 钢( 4 c r 5 m o s i v l ) 化学成分5 0 表5 2h 13 钢细化前后的力学性能对比一5 0 表5 3 不同试样随时间的磨损损失的重量g 5 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒壁工些盘堂 或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 时诺留 签字日期：砂，年历月2 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目曼工些鑫堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盒壁互些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 日 学位论文作者签名：时诡街 签字日期：砂，年分月2 0 日 导师弥蒜孤f 2 签字日期：k 和年孕月 黼龇张角仓肥猢琶关界) 岳 电话：l ；86 嘶蜀5 邮编：2 ；o oo o 致谢 本课题的研究工作与论文撰写是在导师朱政红副教授的谆谆指导下完成 的，自始至终都倾注了导师的大量心血。感谢导师三年来对我的关怀和教诲。 先生深厚的学术造诣，严谨的治学态度，敏锐的创新精神，求实的工作作风， 乐观的生活态度，民主的教育方式，不倦的敬业精神都给我留下了深刻的印象， 并深深地影响着我，将使我受益终生。三年的学习生活中，先生给予了我无微 不致的关怀和呵护，值此论文脱稿之际，谨向导师致以最诚挚的谢意。 感谢桂贵生教授，先生儒雅的学者风范和广博的学识给予了我巨大的感染。 感谢王健强教授、许滨老师以及所有曾给予我关怀和指导，给予我支持和帮助 的师长们，是你们无私的付出才造就了我的成长。 三年来，实验室的所有成员共同营造了浓厚的学术氛围和良好的学习环境。 感谢张婧慧、邱优锋、李斌、童育华、张烨、王月娥、路坦、王向东、程剑锋、 刘丌红、钱正旺、杜家胜等同学，在论文撰写中对我的帮助与鼓励。在学习和 工作开展的过程中，大家相互的支持与协作，共同的交流和沟通给予了我很大 的帮助和促进。几年的朝夕相处也使我们建立了深厚的友情。 再次感谢所有关心、帮助和支持我的师长、同学和朋友! 作者：时晓蕾 2 0 10 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 利用模具铸造成型，是一种少切削、无切削、多工序重合的生产方法。采 用模具成型的工艺代替传统的切削加工工艺，可以提高生产效率，保证零件质 量，节约材料，降低生产成本。据调查显示，铸件在机械产品中所占的比重大 致是：在机床、内燃机、重型机械中占7 0 9 0 ；在风机、压缩机、动力机 械中占6 0 - - 8 0 ；在农业机械中占6 0 8 0 ；在交通、运输车辆中占1 5 7 0 。以汽车发动机为例，其核心零件如缸盖、缸体、进排气管、凸轮轴、 活塞等均为铸件。由此可见，利用模具铸造生产零件已成为工业上进行成批或 大批生产的主要技术手段，铸造模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的 重要标志之一。市场对铸件的需求量日益增加，对铸件质量、生产周期的要求 越来越苛刻，因此，相应地对模具质量的要求也越来越高。模具寿命的高低是 衡量模具质量的重要指标之一，它不仅影响产品质量，而且还影响生产率和成 本，随着工业的发展，国内外涌现出高速、高效及高精度的加工工艺，因而对 模具寿命提出了更高的要求。 1 2 模具寿命 1 2 1 模具寿命的定义 模具因为磨损或其他形式失效、终至不可修复而报废之前所加工的产品的 件数，称为模具的使用寿命，简称模具寿命【2 1 。 模具的使用寿命并不可能无限长，但需要比模具成型制品的生产要求长。 因此在考虑模具的最佳使用寿命时，应将目标放在使单件制品获得最低成本的 基础上。这样的模具使用寿命对工业生产才有实际意义。 1 2 2 模具寿命对工业生产的影响 模具寿命是在一定时期内模具材料性能、模具设计、加工和热处理工艺、 模具使用与维护等各项指标的综合体现。模具寿命的高低在一定程度上反映了 一个国家或地区的冶金和机械制造等工业的技术水平。 因此，模具寿命对工业生产的影响很大，主要体现在以下方面： 1 质量高、寿命长的模具，可以提高制品的生产率及质量，同时还影响到 模具本身的制造成本和制品的成本以及工艺部门的工作量等。因此，除了小批 量生产和新产品试制等特殊情况外，一般都要求模具具有较长的寿命。 2 模具寿命关系到少、无切削工艺的推广应用。 3 模具的寿命影响到一些先进的高效率、多工位加工设备的正常效能的发 挥。在大批量生产中，为了保证较高的生产率，模具的使用寿命更为重要。 4 模具寿命也影响到模具钢的消耗，特别是合金模具钢的消耗，寿命低容 易造成人力、物力大量浪费。据中国热加工行业论坛分析报告显示，目前，国 内模具钢己达6 0 万吨左右，仍需每年大量进口模具钢6 万8 万吨，模具钢的消 耗量与日本大致相当，但日本的产量却高出我国几十倍，我国模具寿命只相当 于工业先进国家的l 5 1 3 。 1 2 3 影响模具寿命的因素 影响模具的因素很多，可概括为内在因素和外在因素两个方面： 1 内在因素 主要指模具的结构、模具的材料和模具的加工工艺。 2 外在因素 包括模具的工作条件和使用维护、制品的材质和形状大小等。 1 2 4 模具失效术语 1 制件报废 模具生产出的制品出现形状、尺寸及表面质量不符合其技术要求的现象而 不能使用时称为制件报废。大多数模具的寿命是由制品可用性决定的。如果模 具生产的制品报废，则该模具就没有使用价值了。 2 模具损伤 模具在使用过程中，出现尺寸变化或微裂纹、腐蚀等现象，但没有立即丧 失服役能力的状态称为模具损伤。模具在工作时，不同部位承受不同的作用力 和不同温度变化，可能出现多种不同的损伤形式，各种损伤形式之间又会相互 渗透、相互促进、不断积累。损伤是模具破坏的起源。损伤的积累可导致失效。 3 模具失效 模具受到损伤，不能通过修复而继续服役时称为模具失效。广义上讲，模 具失效是指一套模具完全不能再用，生产中一般指模具的主要工作零件不能再 用。 实际上，不合理的生产计划也可能导致模具失效。例如，制品的产量超过 了计划所预期的要求，需通过增加型腔数目或其他改善成型的方法，重新设计 制造一个高效率的模具，则按生产计划制造的那套模具就失去了使用价值而报 废。 模具的失效过程可分为早期失效、随机失效和耗损失效三个阶段1 2 1 ，如图 l - 1 所示。从图上看，模具失效的概率和使用时间有一定的关系。 2 使用时i 司 图1 - 1 寿命特性曲线 4 早期失效 模具未达到一定工业技术水平公认的使用寿命就不能服役时，称为模具的 早期失效，也叫做非正常失效。非正常失效发生在模具使用的初期，其形式有 塑性变形、断裂、局部严重磨损等，主要是由模具设计和制造过程中的缺陷引 起的，失效的概率很高，且随着模具使用期限的延长而迅速降低，如图1 1 第一 阶段所示。如果在交付使用前，能对模具进行可靠性试验或短时间的试用，及 时发现隐患，进行补救，就能避免在正常服役时造成损失。 5 正常失效 模具经大量的生产使用，因缓慢塑性变形或较均匀地磨损或疲劳断裂而不 能继续服役时，称为模具的正常失效。模具发生正常失效时，己达到或超过模 具预定的寿命。 模具讲过使用初期的考验后即进入正常的使用阶段。在理想的情况下，模 具末达到正常使用寿命就不会发生失效。但由于工作条件的变化、操作者的使 用水平、管理者的失误等原因造成的某些损伤，也会导致模具的失效，但这种 失效的概率很低，且随着使用期限的延长其增长也很缓慢，呈随机分布，如图 1 1 曲线第二阶段所示。因此这一阶段是模具工作的最佳时期。 模具经过长期使用后，由于使用损伤大量累积，致使模具发生失效。这种 失效的概率很高，如图卜l 曲线第三阶段所示。当进入到损耗失效阶段时，意味 着到达了模具使用寿命的极限，模具的失效属于正常失效。 1 2 5 模具失效机理 模具工作状态差别很大，损坏部位也各异，但失效形式归纳起来主要有以 下几类： 1 表面损伤，主要包括表面磨损、接触疲劳、表面腐蚀等。 2 过量变形，主要包括过量弹性变形、塑性变形等。 3 断裂，主要包括韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、应力腐蚀 断裂等。 失效概率 1 3 活塞模具寿命研究意义与背景 活塞行业是汽车零部件行业，活塞是发动机的基础零部件之，是发动机 的心脏。随着国外知名汽车厂家纷纷进入中国市场，国外汽车零部件公司也随 即跟入，谋求在中国的发展。目前，已有部分国外汽车零部件公司进入中国市 场，因拥有先进的活塞制造技术，均取得了较好的成绩。同时我国汽车工业正 在进入高速发展时期，2 0 0 4 至2 0 0 9 年汽车行业更是突飞猛进，据中国汽车工业 协会统计，2 0 0 9 年我国汽车产销分别完成了1 3 7 9 10 万辆和l3 6 4 4 8 万辆，且增 长势头依然不减，预计2 0 l o 年产量可望达1 5 0 0 万辆，使我国汽车需求呈现快速 增长的趋势。在汽车整体市场的拉动下，我国发动机活塞市场亦高速增长，2 0 0 8 年一季度发动机活塞市场总产销量约为1 8 0 0 万2 0 0 0 万只左右，产销同比增幅 超过2 0 t 引。虽然活塞产销增势不减，但由于成本压力加重，市场竞争加剧， 因此行业利润空间进一步缩小。 为适应国内外市场经济一体化的挑战，努力提高活塞制造技术，进行技术 改造，降低生产成本，增强国有活塞企业可持续发展能力，逐步扩大市场占有 率，对于我国活塞行业参与国际竞争是十分迫切和必要的。 先进设备固然是保证产品质量必不可少的因素，但模具在铸造中的作用同 样非常重要。尤其对活塞等铝合金汽车零部件生产企业来说，模具的精确度和 耐久性对产品质量的影响非常明显，即活塞模具是制造活塞的基础，对活塞的 质量起着重大作用。近几年，我国模具生产发展速度较快，但国内模具标准化 程度较低，仅为3 0 左右1 2 】，标准件品种较少，缺少精密、高效、长寿命的商 品化标准件。各个型号的活塞模具作为应用广泛的系列标准件，品种不齐全且 寿命普遍不高。另外，国外由于采用可冶炼及热处理方面的新技术，模具寿命 大大提高，国内模具钢品种不全，新钢种较少，一般采用常规热处理，因而质 量较低，模具材料利用率仅为6 0 。 因此，在这种国际和国内形势下，相应地，对活塞模具的设计和制造水平 也提出了更高的要求，即高精度、短周期、长寿命和低成本。而模具寿命的高 低是衡量模具技术水平的重要指标。 1 4 金属型铝合金活塞浇铸模研究现状 目前，重力金属型铸造法是国内外生产铝合金铸件所使用的最广泛的铸造 工艺之一。在欧洲，意大利菲亚特汽车公司的t e k s i d 铸造厂首先应用这种工艺 大批量地铸造生产铝合金铸件。此后，德国大众汽车公司、汉诺威铸铝厂都是 采用金属型重力铸造生产铝合金铸件【4 】。国内也有许多汽车公司用重力金属型 铸造工艺大量生产铝合金铸件，如一汽和上海大众等1 5 l 。 金属型铸造铝合金活塞与其它一些铸造方法( 压铸、低压铸造、砂型铸造 等) 相比，具有铸件的几何尺寸、金相组织、工艺回收率、机械性能等综合质 4 量好，生产效率高，环境污染少等优点 6 1 。但是，金属型铸造活塞同样也存在 着成本高、生产周期长、金属型加工困难等不足，这不仅影响产品质量，而且 还影响生产率和成本。一般而言，模具的费用可占到产品成本的l5 以上。因 此，研究模具的失效机理，延长模具的使用寿命具有非常重大的意义。 众所周知，活塞模具服役条件差，不仅工作温度高，还需反复承受急冷急 热的变化，而且还受高温铝合金液的冲击、浸蚀等，因此，容易出现急冷急热 疲劳失效；模具磨损快；内芯龟裂、局部崩块、易变形等。 国内外设计人员通过对金属型模具的工作条件、使用性能、损坏原因、模 具材料的特性与模具寿命的关系的研究发现，模具寿命与模具结构设计、模具 材料性能、模具制造工艺与质量，包括热处理、装配技术，以及模具使用与维 护保养等都有密切关系。例如，离子氮化处理从2 0 世纪六十年代术投入实际使 用至今，逐步成熟，现已被世界公认为是提高模具寿命的最有效的工艺方法之 一；上海大学借鉴德国k s 公司的模具结构，对传统的活塞金属型及型芯设计进 行改善，并改进了浇注位置、冒口设置等，提高了模具的合理性与使用寿命。 随着计算机软件、硬件技术的发展，c a d c a m c a e 技术渐渐成为模具设 计、加工及工作状态模拟分析的先进手段，模具设计、加工的水平以及模具寿 命得到了极大地提高。模具设计由二维图纸的设计逐渐发展为三维曲面、实体 特征造型；加工方式也由传统的车、铣、刨、磨发展为数控加工与传统加工方 式相结合，使复杂、高要求的模具设计、加工变得更易实现，同时大大减小了 反复机加工对模具的残余应力：铸造过程的计算机模拟仿真帮助工程技术人员 优化模具及工艺设计，改善模具薄弱环节，缩短产品试制周期，降低生产成本， 确保模具寿命与铸件质量。世界上第一款铸造c a e 商品化软件m a g m a ，以温 度场分析为核心内容，在工作站上运行，后来随着计算机技术的不断发展，铸 造方面的c a e 软件逐渐步入实用阶段。其不但涉及砂型铸造、金属型铸造、压 力铸造等诸多领域，而且正在从宏观模拟向微观模拟发展，如美国的p r o c a s t 及德国的m a g m a 软件已增加球墨铸铁组织中石墨球数以及珠光体含量的预测 功能。微观模拟的尺度包括纳米级、微米级和毫米级，涉及结晶形核长大、树 枝晶与等轴晶转变、金属基体控制等各方面内容；宏观模拟主要是铸造充型过 程的数值模拟、温度场数值模拟、收缩缺陷预测以及应力场的数值模拟等。 目前，我国的模具产业在制造技术、材料技术方面均不逊色于国际先进水 平，但是模具寿命却难及工业发达国家的二分之一，甚至三分之一【7 1 。究其原 因，就是我国模具行业的设计技术尚不精湛，新钢种尚不普及，从而造成非j 下 常失效的模具数量居高不下。因此，我们应深入研究模具的失效规律，剖析其 失效机理，从而提高模具使用寿命。 1 5 本课题研究内容 模具的设计是一个复杂的系统工程，它不但涉及通常的模具设计、制造工 艺，也涉及到铸件的凝固过程、浇注系统的设计、排气系统的设计、型芯的定 位及温度对模具材料的强度、硬度、变形量影响等诸多方面。它要求设计者不 但在本领域有较深的理论知识和实践经验，而且对相关领域也应有所了解。本 课题拟从铝合金活塞浇铸模的结构设计、铸造工艺、选材、制造、使用等方面 综合研究其寿命影响因素，并以0 2 1 号铝合金活塞金属型浇铸模为例，运用有限 元软件对其进行建模，实施热分析。 通过对本课题的实施，可查明活塞模具失效的机理和过程，并对其失效的 原因做出判断，从而为优化0 2 1 号铝合金活塞浇铸模设计提供了理论依据和可行 性建议，并直接指导于实际的生产操作，有针对性地采取改进和预防措施，避 免同类失效再次发生，达到改进模具质量、延长使用寿命、提高服役安全性和 可靠性的目的。 1 6 本章小结 模具寿命的高低在一定程度上反映了一个国家或地区的冶金和机械制造等 工业的技术水平。查明模具失效的机理和过程，并对其失效的原因做出判断， 对于指导实际生产操作，改进模具质量，延长使用寿命，降低企业成本意义重 大。 6 第二章金属型理论 2 1 铸造原理 金属型铸造又称硬模铸造，是用金属材料制造铸型，并在重力下将熔融金 属浇入铸型获得铸件的工艺方法【6 】。由于一副金属型可以浇铸几百次及至数万 次，故金属型铸造又称为永久型铸造。金属型铸造既适用于大批量生产形状复 杂的铝合金、镁合金等非铁合金铸件，也适合于生产钢铁金属的铸件、铸锭等。 发动机活塞大多数为铝合金材料，广泛采用金属型铸造。活塞铸造机模具 就是种机械化作业的大批量生产用金属型铸造方式。 2 2 工艺过程 金属型铸造工艺流程【6 1 ，如图2 1 所示。 2 3 铸造工艺特点 2 3 1 优点 1 金属型的热导率和热容量大，冷却速度快，铸件结晶组织细小、致密， 且力学性能高，如铝合金件的强度比砂型铸件提高了2 0 - - 2 5 ，伸长率可提 高约1 倍。铸件表面层上形成的组织特致密“铸造硬壳 ，可提高抗蚀性。 2 能获得较高尺寸精度和较低表面粗糙度值的铸件，并且质量稳定性好， 废品率低，工艺出品率高。使用金属型，铸件的尺寸精度一般为c t 7 - 9 级，轻 合金铸件可达c t 6 - 8 级，而砂型铸件的尺寸精度等级都小于c t 8 ；金属型铸件 的表面粗糙度较细，一般为r 。6 3 1 2 5 o n ，最好的可达r 。3 2 彬或更细，而 砂型铸件的表面粗糙度一般都粗于r 。1 2 5i o n 。金属型铸件的铸造斜度、加工余 量都可相应减小，节约材料。 3 金属型上可方便地采取较多工艺措施，如涂料的组成、涂层的厚薄、铸 型的局部加热和强制冷却、转型浇注等，来控制铸件在铸型中的凝固顺序、金 属充填的平稳程度，以保证获得优质铸件。 4 铸造生产中因不用或很少用型砂，可节省造型材料8 0 - - - 10 0 ，相应 地节省了型砂运输与型砂处理所需的费用和大量劳动力，减少了粉尘和有害气 体的污染，改善了劳动环境。 5 易于实现机械化、自动化、生产效率高，技术容易掌握，便于生产管理。 同一铸型可以反复使用，节省了造型所需工时，也不需占用太大的造型面积， 可以提高铸造车间单位面积上的铸件产量。 7 图2 1 铸造工艺流程图 6 与熔模铸造相比，轻合金金属型铸件的精度、表面粗糙度不低，且生产 周期短，内部质量高，成本低。 7 与压铸相比，不需要复杂的铸造机械，铸件可以焊接和热处理，并能承 受较高的温度和压力。 2 3 2 缺点 1 金属型本身没有退让性，因此铸件形成裂纹的倾向性大，所以不易于浇 8 注结晶间隔大、收缩大、裂纹倾向性大的合金。 2 由于铸件金属在金属型中冷却较快，金属型铸件的最小壁厚受一定限制， 铝合金件一般为2 2 3 5m m ，镁合金件和青铜件为3 4 m m ，铸铁件为4 m m ， 铸钢件为4m m 。铸件上易出现浇不足、冷隔的缺陷，灰铸铁件上易得白口。铸 铁的尺寸精度和表面粗糙度比压铸件差。 3 金属型排气条件差，工艺设计难度稍大。 4 金属型制造成本高，生产准备费时多。另外，由于金属型太笨重，金属 液充型时间长，不宜生产大型或外形复杂的铸件。 5 新产品试制时，需对金属型进行反复调试，才能得到合格铸件。而且当 型腔定型后，工艺调整和产品结构修改的余地很小。 所以金属型铸造适用于批量较大、中小型铸件的生产，特别在铝、镁合金 铸件方面，应用得非常广泛。 通过实验，金属型铸造与砂型铸造得到的铸件力学性能及工艺出品率比较 数据如表2 一l 、表2 2 所示1 7 j 。 表2 - 1 铝合金金属型铸造和砂型铸造铸件力学性能比较( 注：矽5 m m 试样从铸件上切取) 铸件净重 力学性能 铸造方法 合金代号 状态 抗拉强度伸长率 硬度 堙 ( h b s ) 仃 m p a6 。1 1 0 0 金属型2 4 547 8 z l l 0 4 变质 6 0 砂型2 2 627 2 金属型2 2 51 57 5 z l l 0 5 淬火时效2 0 砂型 1 9 0 1 4 56 8 表2 2 金属型铸造和砂型铸造工艺出品率 铸造方 铸件毛重浇冒口重金属液重工艺出品 铸什名称 法 ( 堙，件)( k g 件)( 堙l 牛) 率1 0 0 金属型6 5 53 4 510 0 06 7 轧辊( 铸钢件) 砂型 6 5 57 4 51 4 0 0 4 7 痧2 2 球磨机中空 金属型 1 9 4 62 2 02 16 6 9 0 轴( 铸钢件)砂型 1 9 4 6 8 0 02 7 4 67 1 采矿电耙滑轴( 铸金属型1 1 5o 71 2 39 4 3 铁1 ：，| ：) 砂型 2 2 518 84 1 3 5 4 5 2 4 热应力产生机理 金属液浇注到金属型后，热量流入金属型表面，并传导到金属型背面，再 流向外界。此时，流入的热量比传导或流出的热量多，金属型内就产生了温度 梯度。金属型各部位温度提高，产生热膨胀。而由于温度不均匀，自由热膨胀 受到抑制。例如，金属型加热面y g5 3 0 c ，冷却面为5 0 。c 时，如图2 2 所示，自 9 由热膨胀曲线与抑制的热膨胀曲线差分别为钿和。加热面受压，冷却面受拉， 因而产生了热应力。 国2 - 2 加热面与冷却面的热膨胀曲线 整个金属型热应力产生的模型示意，如图2 3 所示。其中，据图2 3 r a 、所示， 沿着金属型加厚的方向，温度梯度为a b ，热应力分布为c d ，而与温度相应的 压缩屈服点用e f 表示。由于压缩屈服点较低，高温时压应力超过了压缩屈服点。 在此范围内，产生塑性变形，应力曲线用c o d 表示。铸件凝固结束脱型后， 由于外界空气的冷却作用，加热面比金属型内部冷却快，因而产生应力。如图 2 - 3 ( b ) 所示，温度分布沿着金属型增厚的方向为a7 一b ，热应力为c d ，拉伸的 屈服点为e f ，随着温度的上升而下降。所以由此产生的拉伸热应力在超过e f 的范围内，金属型塑性变形，产生龟裂。金属型内部的拉伸应力即为c o d 7 。 热 膨 胀 量 温 度 应 力 1 式 0 弋 b d 掣 吕a 订订 d 臣二、 、u r f 国加热匝 冷却面 甘 p d 图2 - 3 热应力产生示意图 1 - 自由热膨胀量2 - 受约束的热膨胀量 另外，来研究下冷却时的拉伸应力。在材料的屈服点以下，超过压缩屈服 点的情况如图2 - 4 所示。加热面的温度上升，应力增加，如o a ；超过压缩屈 1 0 服点后，应力的增加缓慢如a b 。在此时，如果开始冷却，随着温度的下降， 应力不完全复原。到达最初温度，金属型残留了相当于口的拉伸应力。重复这 样的循环，第二次为d - a ：b - c - d ，应力为口：。经过h 次循环后，产生的应力 为正，当它超过拉伸屈服点时，就产生龟裂，这种现象称为棘齿效应。 嚣 纱 1 。，老 图2 4 温度一应力图 2 5 失效形式 常见的金属型失效类型有：外裂纹内裂纹( 又称表面裂纹、龟裂) ，翘 曲变形和磨损，烧伤等p 】。 2 5 1 外裂纹 外裂纹常出现在金属型外壁，如图2 5 所示，在浇注几次铸件甚至第一次浇 注时就发生，属于早期裂纹，主要出现于厚大铸件，在易引起应力集中处以及 金属型内部温度梯度太的棱角处产生。破坏原因主要有： l 会属型受剧烈热冲击，使金属型内、外壁温差太大，内应力超过了材料 的强度极限。金属型未预热或预热不充分： 2 结构设计不合理，造成应力集中； 3 型壁有某些容易形成应力的缺陷，如砂眼、气孔、夹渣等； 4 金属型整体强度、刚度不足； 5 金属型毛坯未经热处理，或热处理规范不舍理，型体应力未有效清除； 6 金属型材料和金帽组织不符合要求。 图2 - 5 金属型外裂纹裂毁 2 5 2 内裂纹 内裂纹( 又称表面裂纹、龟裂) 常在多次浇注后，出现于型腔及型芯的工 作表面，尤其是有强烈热流及散热困难的部位。金属型表面产生的热应力虽然 比材料的断裂抗力小得多，开始时很难看出金属型出现裂纹，但由于压缩一拉 伸反复交替的热应力引起疲劳，继续使用中增加了裂纹的深度和长度，并出现 与第一条裂纹平行的其他裂纹，裂纹不断扩散导致模具裂开。其破坏原因主要 有： 1 在交变温度( 即冷热反复循环) 作用下，金属型产生疲劳； 2 局部受热过高，高温作用时间太长； 3 金属型材料和金相组织不符合要求： 4 操作工艺不合理，开型太晚，铸件对金属型夹紧力太大，使金属型局部 受到太大的机械应力。强行开型及抽芯，就可能使金属型表面变形或产生裂纹。 热冲击产生的外裂纹和热疲劳引起的内裂纹都造成金属型失效，这两者不 同的是由于金属型表面的热传导条件以及金属型的形状不同所引起的热冲击的 程度不同，因而引起热冲击和热疲劳两种形式。 2 5 3 翘曲变形和剥落 翘曲变形和剥落发生在多次浇注以后，金属型表面急剧加热产生压应力， 同时有剪切应力的作用。对普通脆性材料而言，剪切应力比压应力小，因此， 剪切破坏只沿金属型表面产生【lo 】( 如图2 - 6 所示) ，表面层鱼鳞状翘曲甚至发 生剥落( 有耐火材料的地方可清楚看到这些现象) ，导致金属型形状和尺寸发 生变化，铸件尺寸超出公差范围，金属型报废。其破坏原因主要有： 1 金属型刚度不高： 2 金属型结构不好，壁厚变化太大，组成金属型的结构件太多； 3 金属型各部分散热不好； 4 金属型毛坯未进行热处理，或热处理规范不合理，使铸造应力未消除或 消除不好； 5 高温作用时间太长，开型太晚，操作不当； 6 金属材料抗伸长性不好，金相组织发生变化，体积膨胀。 应 力 强 度 自表面距离 图2 - 6 切应力与材料强度分布关系 1 2 2 5 4 烧伤 塑性变形 图2 7 粘着磨损微观模型 在内裂纹处，若金属型局部和铸件熔接在一起，脱型时，金属型被烧伤或 熔接部分脱落，形成凹坑，破坏型腔的完整性，如图2 7 所示。 烧伤一般发生在长时间浇注以后，有时也发生在最初几次浇注，如图2 8 所示，为铸铁材料的金属型经4 0 0 0 次浇注后在直浇道底部产生的熔蚀烧伤。产 生烧伤的原因主要有： 1 金属型结构不好，致使过多热量集中在金属型局部位置，使这部分熔化， 与铸件熔接在一起： 2 金属型材料易和铸件合金起物理、化学反应； 3 金属液对金属型局部有过强的冲刷作用； 4 丌型太晚，金属型受高温作用时间太长； 5 涂料不好或喷涂操作不正确，质量不好： 6 金属型保管不好，型腔表面未清理干净。 图2 - 8 金属型熔蚀烧伤 2 6 木章小结 会属型的各种失效类型，主要是由金属型特殊的工作环境造成的。模具长 时侧工作在热冲击应力、交变热应力和铸件收缩对会属型产生的机械应力以及 金属材料金相组织变化状态下，模具本身具有的特质将对其寿命产生重要影响。 对于铝合金浇铸模而言，失效类型主要是内裂纹、翘曲变形和磨损。 第三章金属型浇铸模寿命影响因素 3 1 金属型材料 3 1 1 材料性能 金属型的材料，是决定金属型寿命及制造成本的主要因素。金属型内部由 于温度分布不均匀而产生弹性应力，尤其是浇注后，金属型表面激热或激冷， 会在局部产生很大的热冲击，这是造成金属型失效的重要原因。因此，制造金 属型的材料，主要应满足以下性能： 1 具有足够的高温强度和热稳定性。金属型浇铸模的材料应具有较高的高 温屈服强度，以提高模具工作温度下抗变形能力。同时还应具有高的热稳定性， 从而保证模具长期在高温下具有稳定的工作性能。金属型材料的高温强度以及 热稳定性主要由材料的化学成分决定。含碳量低，含w 、m o 、v 和c o 元素高的 钢材料具有较好的高温性能。 2 具有足够高的机械性能。尤其是在受热条件下，保持较高的屈服强度和 韧性，能可靠地承受各种机械力的作用，从而使金属型不发生变形和破坏，为 此要求有高的抗回火稳定性。 3 具有足够的抗氧化能力和抗热磨损性，尤其是受热较高的金属型，在高 温金属液作用下不致被熔焊。金属型材料的抗氧化性和热磨损性能主要取决于 氧化膜的成分和结构。含c r 量较高的钢材料，其氧化膜致密，与基体金属结合 较牢固，可以防止进一步氧化，减少粘着，从而提高耐磨性。添加适量的s i 和 a l ，也有助于提高抗氧化性。另外，金属型的热磨损抗力与所用钢种的高温强 度、冲击韧度、抗氧化性以及热稳定性密切相关，随着这些高温性能的改善而 提高。 4 具有优良的耐热疲劳性，保证温度急剧变化时产生的热应力小，不易产 生翘曲变形和裂纹。从金属型断裂失效形式来看，大多数是热机械疲劳断裂。 因此，金属型材料应具有较高的热机械疲劳断裂抗力指标。耐热疲劳性是指金 属型在热应力和机械应力循环作用下，组织表面产生裂纹的一种抗力，其高低 取决于热疲劳裂纹的萌生期长短以及萌生后的裂纹扩展速率快慢。提高金属型 材料的高温屈服强度及韧性，有助于延迟热疲劳裂纹的萌生与扩展，从而提高 热疲劳抗力。热疲劳抗力常用热冲击系数k 来评价： k = 2 0 - b 互盘( 3 一1 ) 式中，抗拉强度； e 弹性模量； 名热导率； 口热膨胀系数。 由式中可见，材料应具有尽可能大的热导率、高的高温强度、尽可能小的 热膨胀系数和弹性模量。此外材料还要有较高的临界温度，使模具在工作温度 下不发生口_ ，相变以减小应力值。 5 高的淬透性。保证较大尺寸的金属型沿整个截面有均匀一致性能，尤其 是韧性。 6 铸造性能及机械加工性能要好； 7 材料来源广泛，价格便宜。 正因为金属型的工作环境有其特殊性，而且原材料成本较昂贵。因此正确 选用材料和合理的进行热处理工艺的制定就更为重要。 3 1 2 常用材料 目前，国内一般采用铸铁、铸钢、铜合金、合金钢等作为金属型材料。其 中铸铁因其加工性能好、价格低廉，且耐热、耐磨最为常用。由于铸铁导热性、 强度、伸缩率等不太好，特别是在高温下( 4 2 5 以上) 的生长现象( 渗碳体分 解，石墨析出数量增加，金属型壁的基体组织体积长大) ，会在金属型壁产生 与疲劳热应力方向相同的应力，造成金属型的裂纹及烧伤，因此普遍寿命不高， 用于铝合金浇注，平均寿命数千至数万次，目前多用于外模制造。若在灰铸铁 中加入一定量的c r 、n i 、m o 、a 1 等合金元素制成合金铸铁，提高铸铁的机械性 能，其寿命可比普通铸铁的金属型提高1 1 5 倍i l 。 铸钢与铸铁相比，优点是抵抗裂纹的能力高，抗翘曲变形的能力也高，易 于焊接以消除缺陷及损伤。缺点是成本高、机械加工费用大，且易与铸件本体 熔接。故一般只适宜于制造形状简单的大型钢铁金属铸件的金属型。 铸铁金属型与铸钢金属型的特性比较如表3 1 所示。 表3 1 铸铁金属型与铸钢金属型的特性 种类 铸铁材料 铸钢材料 项目 1 铸造性能好1 铸造性能差 制作方法2 切削性能好2 切削性能差 3 对于精度要求不高的情况可铸态使用 1 短( 5 0 0 , - 一3 0 0 0 次)1 长( 5 0 0 0 2 0 0 0 0 次) 寿命 2 龟裂破坏较多2 易产生塑性变形 冷却强迫空冷，间接水冷的冷却效果不完全可直接水冷，冷却方便 生产率由于冷却不充分，生产率较低冷却快，生产率高 特别是加工费用高，是铸铁加工费 制型费h j材料、加工费便宜