（材料加工工程专业论文）镁合金精密压铸成形工艺及模具设计制造.pdf

中文摘要 摘要 镁合金作为2 l 世纪绿色金属结构材料，具有比重轻、高比强度、高比刚度， 以及良好的电磁屏蔽能力、良好的铸造性能、易于再生利用以及优越的阻尼吸震 降噪特性等一系列独特的优点，在汽车、摩托车、机械结构、手持工具、便携电 器、机载设备、移动结构上的规模应用能减轻产品重量、减震降噪、降低能耗和 排放、提高产品动力学性能，是一种极具应用前景的新型技术结构材料。 镁合金约9 0 是通过铸造成型的，其中应用最为广泛的是高压铸造工艺。而 工艺设计、模具设计和模具制造这三个环节都能够影响压铸的成败。因此，工艺 设计、模具设计和模具制造的研究对压铸具有重要的实际指导意义。 本论文针对我国镁合金压铸生产历史短，工艺设计和模具制造缺乏指导性技 术文献的现状，根据镁合金熔铸工艺特性、压铸成形工艺本质、熔体充型流动和 凝固特征与铸件表面和内部缺陷的形成理论，采用理论分析、数字模拟与实例铸 件生产考证相结合的模式，系统研究了镁合金压铸成形过程液气两相充型流、充 型速度场、温度场、熔体凝固过程固液分布、凝固时间与铸件缺陷形成的关系， 提出了镁合金高品质、高效率、高工艺收得率的近终铸造成形工艺的浇注系统、 溢流槽和排气槽的设计原理和模具制造质量控制要领，提出了镁合金精密压铸成 形工艺和模具地优化设计规范雏形，提出了模具设计制造规范。并以手持工具构 件的压铸生产为对象进行实践验证。 实际生产应用结果表明，按照本文提出的工艺设计、模具设计及模具加工质 量控制规范，能够达到提高压铸工艺设计的合理性、提高产品质量、节约模具成 本、节约时间、提高产品开发效率的作用，实现保障压铸工艺设计技术水准、提 升企业产品开发能力的目标。 关键词：数值模拟，p r o - c a s t ，镁合金，手持工具，模具设计，模具制造，工艺规 范，设计规范，制造规范 英文摘要 a b s t r a c t a sa ne n v i r o m n e n t - f i i e n d l ym e t a l l i cs t r u c t u r em a t o d a lf o r2 1 “c e n t u r y , m a g n e s i u m a l l o y sp o s s e s sl o wd e n s i t y , h i g hs p e c i f i cs t r e n g t ha n ds t i f f n e s s ，g o o de l e c t r o m a g n e t i c s h i e l d i n gc a p a b i l i t y , o u t s t a n d i n gc a s t - f o r m i n gc a p a b i l i t y , e a s yo f r e c y c l i n ga n de x c e l l e n t c a p a b i a t yo fv i b r a t i o na b s o r p t i o na n dr e d u c t i o no fn o i s e t h e yf i n dm o r ea n dm o r e a p p l i c a t i o n si na u t o m o b i l e ，m o t o r c y c l e , m a c h i n e r y , h a n d - h o l d i n gt o o l s ，p o r t a b l ee l e c t r i c a p p l i a n c e si n d u s t r i e s ，w h e r et h ew e i g h t s a v i n ga n dd a m p i n gp e r f o r m a n c eb e c o m e sa n e c e s s i t yf o rp r o d u c tp e r f o r m a n c e m o s ti m p o r t a n t l y , m o r et h a n9 0 o f m ga l l o y su s e d f o rm a n u f a c t u r i n gs t r u c t u r e s8 r ef o r m e dw i t hd i f f e r e n tf o u n d r yp r o c e s s e s ，a m o n gw l ：l i c h , d i e - c a s t i n gi sp l a y i n ga m o s ti m p o r t a n tr o l e t oe n s u r eas u c c e s s f u ld i e c a s t i n gp r a c t i c e ， t h ed e s i g no fd i e - c a s t i n gp r o c e s s ，m o u l dd e s i g na n dq u a l i t yi n s u r a n c eo fd i e - q u a l i t ya r e m o s tc o n c e r n e d b a s e do nt h ef a c tt h a tm g d i e - c a s t i n gp r a c t i c ej u s ts t a r t e daf e w ) , c a r sa g o ，t h e r ei s n ot e c h n i c a ld o c u m e n t st h a ti sc a p a b l eo fg u i d et h ed e s i g na n dq u a l i t yc o n t r o lo f d i e - c a s t i n gp r a c t i c e , t h ef o c u so f t h ep r e s e n td i s s e r t a t i o ns t u d y i st op r o d u c tag u i d el i n e f o rp r o c e s s i n go p t i m i z a t i o n , m o u l dd e s i g na n dq u a l i t yc o n t r o lv i at h e o r e t i c a la n a l y s e s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp r o d u c t i o ne x a m i n a t i o ni na c o o r d a n c ew i t ht h ed i e - c a s t i n g p r o p e r t i e so fm ga l l o y s ，m f l s sa n dh e a tt r a n s p o r t a t i o nd u r i n gd i e - f i l l i n g , t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o na n ds o l i d i f i c a t i o n , a n dt h e i rr e l a t i o n s h i p sw i t l lt h ef o r m a t i o no ft h e a s s o c i a t e dp r o c e s s i n gd e f e c t s b a s e do nt h ea b o v es t u d i e s ，g u i d e l i n e sf o rt h eo p t i m a l d e s i g no fm o u l dp r o c e s s i n gs t r u c t u r e s s u c ha sg a t i n gs y s t e ma n do v e r - f l o ww e r e p r o p o s e d , a n dt h er o u t i n e so fq u a l i t yi n s u r a n c ed u r i n gm o u l dm a n u f a c t u r i n gw e r e s u g g e s t e da n de x a m i n e dw i t l lt h el n a s sp r o d u c t i o no f m gh a n d - t o o l i n gc a s t i n g s t h er e s u l t si n d i c a t et h a t u n d e rt h eg u i d a n c eo ft h ep r o p o s e dg u i d e l i n e s ，t h e p r o c e s s i n ga n dm o u l dd e s i g nc o n l eo u tm o r eo p t i m a l ，a n dt h ed i eq u a l i t yw a se n s u r e d d u r i n gt h ep r o c e s so fd i em a n u f a c t m 妇g t h ep u r p o s eo fi m p l e m e n t a t i o no fd i e - c a s t n u m e r i c a lo p t i m i z a t i o na n dm o u l dd e s i g n & m a n u f a c t u r eq u a l i t yi l l s u r a n c ec a nb em o r e e a s i l yr e a c h e d w i t ht h eh e l po f t h eg u i d e l i n e s t h et h e o r yo f m g d i ec a s t i n gc a nb eu s e d t ob a c k - u pt h ef o r m a t i o no f p r o d u c i n gc a p a b i l i t yo f m a r k e tp r o d u c t s k e yw o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , p r o c a s t , d i ec a s t , h a n dt o o l ，d i ed e s i g n , m o u l d m a n u f a c t u r e , p r o c e s sr e q u l r e m e n m 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，也不包含为获得重麽太堂 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：喜p 铡 签字日期： 2 口口7 年伸3 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞态堂有关保留、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 重庭盔堂 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() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：鄯纠 签字日期：2 0 0 7 年p 月? 口日 导师签名： 签字日期： 懒 刁年￥月洲 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着人类文明的持续高速发展，资源和环境的问题日益显现。第一次工业革 命以来，人类文明的发展便伴随着各种资源的消耗。由于某些不可再生资源( 比 如许多金属材料) 的过度使用，很多金属矿产资源随着时间的延续而逐渐趋于枯 竭。有些金属( 如铜、铅、锌) 只能持续几十年，有些( 如铝、铁) 也只够使用 一百年到三百年。我国在很多传统矿产资源上，从蕴藏量和品质上讲与其他国家 相比具有很大的劣势，铜矿贫乏，铁的储藏量也不丰富，铝土矿的品质不高。在 这种情况下，如何利用本国优势资源替代日益耗尽的资源，推动本国经济的可持 续发展成了世界各国的重要研究方向。 我国在很多传统矿产资源上，与其他国家相比具有很大的劣势，铜矿贫乏， 铁的储藏量也不丰富，铝土矿的品质不高，因此，随着工业的持续发展，可持续 发展问题在我国显得尤其突出。但我国也有其他国家无法比拟的优势资源一镁， 据勘测，我国的镁资源特别丰富，菱镁矿储量居世界首位，约2 7 亿吨，占全球储 量的2 2 5 ；此外，在青海盐湖还有储量巨大、为我国所独有的廉价高品质镁资源。 镁作为一种轻质工程材料，具有比重轻、高比强度、高比刚度，以及良好的电磁 屏蔽能力、良好的铸造性能、易于再生利用以及优越的阻尼吸震降噪特性等一系 列独特的优点，是一种极具利用价值的资源。但由于多种因素，其潜力尚未充分 挖掘出来，开发利用远不如钢铁、铜、铝等成熟。在很多传统金属矿产趋于枯竭 的今天，镁金属材料的大量开发是解决社会可持续发展的一个有效途径，因此， 如何充分利用该材料，使之大规模替代那些贫乏资源便成了当今的一项紧迫任务。 2 0 0 0 年我国原镁产量已居世界首位，占全球产量的4 0 。但是由于国内还没 有形成镁加工产业体系，对镁应用领域的开拓非常滞后，2 0 0 0 年全国原镁产量的 8 0 以上作为初级原料低价出口。在国内消费的2 0 原料中，只有很少一部分以镁 合金压铸件形式用于桑塔纳轿车变速箱壳体，其余均作为合金制备等普通用途， 产业结构极不合理，使镁产业成为了典型的以牺牲资源和环境为代价的原料出口 型产业。因此，如何利用镁合金的诸多优良特性，推动镁合金在我国交通工具上 的应用及产业化，是将我国的镁合金资源优势转化为产品和技术优势的必然途径。 由于我国长期忽视镁资源的开发和应用，虽然镁产业“十五”期间在国家和地区 科技计划的强力推动下取得了世人瞩目的进步，但迄今国内尚未形成镁加工产业 体系，镁应用领域的拓展严重滞后。随着全球经济一体化进程的加速，如何降低 能源消耗、提高能源利用率、减少环境污染以及节约地球有限资源是当今人类所 重庆大学硕士学位论文 面临的一个十分重要而紧迫的任务，而产品的轻量化为该问题的解决提供了一个 有效途径。特别是在制造加工业中，采用高比性能的新型工程材料成为实现轻量 化的一个重要途径。将镁合金用于汽车、摩托车等运输机械的结构件上，能降低 车辆的重量及燃油消耗，降低车辆的振动和噪声，提高车辆加减速的动力学特性， 能较大幅度的改善车辆的驾乘舒适度和安全性。因此，我国汽车、摩托车等交通 行业的骨干企业，已经结合自身的产品和部件制订出了具体的镁合金新产品研究 开发计划。 2 0 世纪9 0 年代以来，可持续发展的要求使镁合金的应用领域得到了的快速扩 展，已经引起了世界各国政府的普遍重视。美国、德国、日本和澳大利亚等国相 继出台了各自的镁研究计划，将镁资源作为2 1 世纪的重要战略物资，加强了镁及 镁合金在资源、加工、应用等方面的研究开发，并着力扩大应用数量和范围。这 些计划的共同点都是以产业化为目标，以技术集成为特征，以汽车工业和电子信 息工业为主要用户，由政府组织协调，以研究单位与生产厂家联合开发为主要形 式。其中，德国推出的m a d i c a 计划最有代表性。该计划由德国5 所大学、研究 所和5 0 余家企业联合实施，其目标是解决模具制造、装备、加工工艺和表面处理 等镁合金铸件成形过程的各种关键技术难题，建立一套完整的镁合金压铸及加工 的工艺规范。这些计划的制定与实施极大地推动了德国镁合金的开发和在交通上 的应用。因此，在世界范围内，镁合金作为一种迅速崛起的新兴汽车结构材料， 每年以1 5 的速率连续保持快速增长，远远高于铝、铜、锌、镍以及铜铁的应用 增长速度。 由于我国的镁资源的天然优势，世界发达国家和地区的镁合金产品生产已逐 渐向我国转移，现在应是形成镁合金产品生产应用能力、提升镁合金产品出口附 加值的最好时机。因此，一项十分紧迫而艰巨的任务摆在我们面前：针对我国镁 合金生产应用技术落后，产品品质低的现状，从镁合金在交通上应用及产业化急 需的关键共性技术入手，实施科技攻关，尽快形成具有独立知识产权的镁合金应 用技术，促进传统制造业的改造，形成一批新兴的高新技术镁合金加工企业，加 快镁合金产品在交通领域的应用，提高我国产品的国际竞争力，带动我国镁资源 优势向产品和经济优势转化。 1 2 课题学术和实用意义 模具是机械、汽车、电子、通讯、家电等工业产品的基础工艺装备。作为基 础工业，模具的质量、精度、寿命对其它工业的发展起着十分重要作用，在国际 上被称为“工业之母”，对国民经济的发展起着无可置疑的关键作用。近十年来，随 着我国经济的快速发展，作为各种工业品基础的模具工业，也得到了蓬勃发展， 2 1 绪论 已成为国民经济建设中一支重要产业。 资料显示，2 0 0 3 年中国模具总产值达到4 5 0 亿元人民币以上，比上年增长2 5 以上( 较近年来的平均增速1 4 高出约1 1 个百分点) 。去年中国模具总产值已跃 居世界第三位，仅次于日本和美国。 我国已成为馍具大国”但远非“模具强国”。目前中国技术含量低的模具已供过 于求，市场利润空间狭小，而技术含量高的模具仍远远不能满足市场需要，特别 是大型、精密、复杂、长寿命模具还大部分依靠进口，致使模具进口额白1 9 9 9 年 以来不断增加。根据最近公布的2 0 0 3 年统计数据为例，中国的模具进出口额为 1 7 0 6 1 亿美元，比上年增长1 1 9 5 ，其中进口额为1 3 6 9 3 亿美元，比上年增长 7 6 5 ，出口额为3 3 6 8 亿美元，比上年增长3 3 6 5 。出口增幅比进口增幅高出2 6 个百分点，进出口比例也从上年的5 ：1 改进为4 1 ：1 ，但模具的净进口额( 即逆差) 仍达1 0 3 2 5 亿美元。 铸造模具作为模具行业中一支重要的力量，占模具总量的近1 3 ，应用范臣目 益广泛，越来越显示其重要性。铸造模具设计和制造水平的高低，直接影响到重 庆市乃至全国汽车、摩托车以及其它加工行业的发展水平。目前，重庆市乃至全 国的铸造工艺水平、铸件质量、技术经济指标等较之先进国家都有很大差距，手” 工、半机械化造型仍占有很大比例。同样，铸造工艺装备同先进国家相比也有很 大差距。铸造工艺及模具的设计仍主要依赖经验、模仿、感觉，模具的制造仍然 靠手工和普通量具进行质量控制，木模、木塑模仍被广泛使用，铸造模具的设计 制造水平和能力，远远落后于国际平均水平，更不能满足我国欣欣向荣的制造业 市场需求。 随着社会需求的多样化、个性化和不断变化，以及新材料、新工艺的广泛应 用，对模具的结构形式和型腔要求也日益复杂，铸造模具特别是精密结构铸造模 具的需求量越来越大。但由于精密结构铸造模具的设计、制造常常受人员技术水 平、设备技术能力、材料成型工艺特性、结构复杂程度、模具几何尺寸等因素的 影响，大大增加了开发和制造难度和风险。因此，怎样建立具备现代技术手段和 人才队伍，快速、可靠、经济地设计和制造出精密结构铸造模具，是当前模具制 造业所面临的主要问题之一。可以预见，在未来铸造模具行业发展趋势中，精密 铸件成型工艺及模具的优化设计制造将在铸造业发展中扮演日益重要的主导角 色。 1 3 镁合金国内外的发展现状 1 3 1 镁合金压铸在国外的发展现状 北美地区 3 重庆大学硕士学位论文 北美是镁合金用量最多的地区，其年发展速度为3 0 ，以美国、加拿大为代 表。 美国镁合金的发展起源于8 0 年代，以汽车行业为龙头，其初期的镁合金开发 与应用主要以企业及其研究机构为主。在镁合金开发与应用的过程中，p r i n c e 公司 于1 9 8 6 年和1 9 9 0 年研制的锁型力为1 1 7 6 m n 和1 3 7 2 m n 的大型镁合金压铸机， 为镁合金压铸件的开发与应用提供了必要的保障，著名的汽车公司如福特、通用 和克莱斯勒等公司在过去的几十年里一直致力于新型镁合金和镁合金离合器壳 体、转向柱架、进气歧管及照明夹持器等汽车部件的开发与应用，替代效果十分 明显，大大促进了镁合金的发展。与此同时，镁合金在应用中显示出的巨大优势， 也逐渐受到了政府的关注与重视，1 9 9 6 年政府能源部与通用、福特和克莱斯勒三 大集团签署了一项名为“p n v g ( 新一代交通工具) 的合作计划，该计划的目的在 于生产出符合市场要求的节能轿车。政府的这一行为极大地促进了镁合金压铸件 的开发与应用，通用汽车公司于1 9 9 7 年成功地开发出镁合金汽车轮毂，并且与世 界最大的镁生产与加工公司一h y d m 公司签订了应用镁合金压铸件的协议，福特公 司也于1 9 9 7 年宣布与澳大利亚的昆士兰金属公司合资新建昆士兰镁厂，以便有稳 定的镁合金来源，威斯康辛l i n d b e r g 触变成形发展中心对镁合金的压铸技术进行 了创新，采用半固态压铸技术生产出镁合金赛车离合器片与汽车传动零件 2 1 。2 0 0 0 年全球最大的汽车制造企业美国通用汽车公司已经宣布将扩大镁合金在汽车上的 应用，其2 0 0 3 中型p o n t i a cg r a n dp i l e 汽车的仪表盘轴将全部用a m 6 0 镁合金压铸， 该型号车的质量比钢的小得多，镁的用量将达1 3 5 0 8 吨侔或更多 3 1 。 此外，在汽车行业的带动下，镁合金在通讯、计算机等行业的应用也在不断 扩大，芝加哥w h i t em e t a lc a s t i n g 公司采用镁合金生产的雷达定位器壳体和 6 1 0 m m x 6 1 0 m m 的计算机外壳压铸件在通讯和计算机领域得到了成功的应用，效果 比钢、铝合金、塑料等制件好得多。康柏公司( c o m p a q ) 在其笔记本电脑的很多型 号上也都采用了镁合金显示器外壳。康柏- - m 7 0 0 系列笔记本电脑在应用了镁合金 显示器外壳后，比塑料外壳坚韧2 0 倍，可在旅游中提供额外保护，在振动和跌落 情况下能更好的保护液晶显示器 4 】。 加拿大镁资源丰富，镁业亦十分发达，1 9 4 1 年安大略省建立的哈雷镁厂是世 界上历史最长、规模最大的皮江法镁厂，1 9 9 0 年建成的年产4 万吨贝坎库尔镁厂， 正在开发第三代多极电解槽，其现代化水平非常高，这些镁厂为加拿大镁合金的 发展提供了充分的保障。加拿大拥有世界上最大的镁生产与加工公司一h y d r 0 公 司，h y d r o 公司与其他发达国家的镁合金应用公司联系十分密切，其产品在许多发 达国家汽车公司的汽车上都有应用，该公司对镁合金的发展与应用起到了相当大 的推动作用。随着镁合金应用领域的不断扩大，1 9 9 5 年前后由加拿大联邦政府及 4 1 绪论 魁北克省与h y d r o 公司共同投资1 1 4 0 万加元成立了一个新的镁研究中心，其宗兽 在于通过优化设计、工艺及材质，获得具有优良性能的镁合金压铸件零部件，从 而进一步拓展镁合金的应用【5 】。在政府的参与下，加拿大镁合金的发展步伐大大加 快，各个领域对镁合金压铸零部件的需求量不断增长，镁研究中心已经制定出一 整套完善的镁合金加工与回收规范。目前诺兰达矿物公司正在筹建一座年产6 万 吨镁厂，以满足突飞猛进的镁合金发展要求【2 】。 欧洲地区 欧洲的镁合金用量仅次于北美，其年发展速度为6 0 ，其中主要以德国为代 表。 德国镁合金历史悠久，早在2 0 年代中期，就出现了镁合金压铸件f 6 】。长期以 来，尤其9 0 年代末以来，德国在镁合金压铸领域一直处于世界领先地位，著名的 奔驰汽车公司最早把镁合金压铸件应用于汽车座支架，奥迪汽车公司第一个推出 镁合金压铸汽车仪表盘，德国大众汽车公司1 9 3 6 年就用压铸镁合金生产其“甲壳 虫饩车的曲轴箱、传动箱壳体等零件，1 9 4 6 年“甲壳虫”单车镁合金用量达18 k g ， 并在当时达到了批量生产汽车用镁合金量的最高纪录【_ ”，到1 9 8 0 年累计生产1 9 0 0 万辆【8 】，总用量达3 8 万吨【4 】。可以说德国是推动镁合金压铸发展的先驱与主力军： 为适应镁合金发展的需要，确保其需求量不断增长的镁合金的来源。1 9 9 6 年，德 国大众汽车公司与以色列合资兴建了死海镁厂，1 9 9 7 年，德国又由联邦科技教育 部牵头，联合大众汽车公司等5 0 余家企业和慕尼黑工业大学等六所大学及科研所， 投资2 5 0 0 万马克进行了一项为期三年的 m a d i c a ”( 镁合金压铸) 发展项目【9 1 ， 这是一个多学科联合交叉的项目，其目的在于提供从模具制造、铸造、加工和装 配的镁合金铸件成套技术，解决镁合金压铸生产及加工中的各种关键技术难题， 建立一套完整的镁合金压铸及加工的工艺规范，并将镁合金压铸件进一步应用于 汽车、计算机、航空、通讯、医疗、办公自动化和轻工等领域。镁合金的年用量 由计划开始时的3 6 0 0 吨增加到2 5 0 0 0 吨。德国的大众汽车公司在帕萨特汽车上的 目前用镁量是1 4 k g ，占车重的1 ，该公司预计在不远的将来镁的用量将增加到 3 0 - - 5 0 k g ：a u d i a 6 轿车单车的用镁量是1 4 2k g ，其未来目标是增加到5 6 - - 8 0k g t 4 1 。 在政府、企业和科研部门的共同努力下，该项目自实施以来，业已取得了丰硕成 果，显著地促进了镁合金在德国及欧盟工业领域的应用。除此之外，意大利的 w e b e r 公司的触变成形发展中心，也进行了镁合金的半固态生产e 们。最近法拉利 推出的9 9 8 款f 3 5 5 的六种车型b e r l i n e t t a ( c o u p e ) 、g t s ( t a r g a ) 和s p i d e r ( c o n v e r t i b l c ) 以及它们各自的一级方程式赛车都采用了5 孔1 8 英寸的镁合金轮毂，大大减轻了 车身的重量，改善了整车的性能【4 】。 日本和新加坡 重庆大学硕士学位论文 日本镁合金的开发与应用十分迅速，8 0 年代末期，日本开发出先进的镁合金 低压金属型铸造装置，为镁合金的开发与应用提供了保证。经过研究相继开发了 系列镁合金压铸产品，如丰田汽车公司首先制造出镁合金汽车轮毂、转向轴系 统、凸轮罩等零部件 1o 】，三菱公司与澳大利亚工业科技部合作，开发出超轻量镁 舍金发动机等等。目前，日本的各家汽车公司都生产和应用了大量的镁合金壳体 类铸件，而且日本正在开发6 5 0 0 k n 、1 3 0 0 0 k n 和1 8 0 0 0 k n 等三种压铸机，为大 型镁合金零件提供生产手段【1 1 1 。在汽车领域开发应用镁合金的同时，日本还在计 算机、通讯等领域进行了镁合金压铸件的开发与应用，如1 9 9 1 1 9 9 5 年间，国际 商用机器公司采用镁合金压铸了7 种便携式电脑外壳，实际上早在1 9 9 6 年索尼公 司就开始用镁合金制作手提式摄录机机壳、东芝公司则将镁合金用于笔记本电脑 外壳。1 9 9 7 年3 月，松下公司也开发了新型便携式电脑外壳【l2 1 ，同年，索尼公司 成功的开发了结构紧凑的数字摄像集成系统v r r 的镁合金压铸外爿”】。1 9 9 8 年 以后，受家电回收法规的限制，镁合金在电子、电脑和通讯产品上的用量明显增 加，特别是镁合金笔记本电脑壳体曾一度处于供不应求状态。2 0 0 0 年全世界笔记 本电脑的年销售量大约是2 5 0 0 万件，其中的2 0 - 3 0 ，即6 - - 9 百万件的外壳是 用镁合金制成的。在这些镁合金制品中，日本企业、社团的产品占了很大的比重【4 】。 在此基础上，日本镁压铸业积极拓宽镁合金的应用领域，成功地将镁合金应用于 农业和木材加工业，现已成功研制出镁合金割草机、电锯等等【l4 1 。针对本国压铸 业存在的供液装置不理想等一系列问题，日本政府采取措施，如普及冷压铸法等 以改善供液技术，并于2 0 0 1 年引进1 8 0 0 吨冷压铸机1 台，日本进行的这些工作 对促进镁合金的发展与应用也做出了不小的贡献。 新加坡g i n t i c 制造技术学院( g - i n t i ci n s t i t u t eo fm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ) 长期 以来一直致力于薄壁镁合金的压铸研究，他们采用数值模拟技术进行浇口及浇注 系统的设计与优化，在优化设计基础上成功生产出了具有致密微观结构的薄壁镁 合金通讯部件u “。 1 3 2 镁合金压铸在我国的发展现状 我国镁合金压铸起步于2 0 世纪6 0 年代，产业化才刚刚开始，基础还十分薄 弱，但我国发展镁合金压铸的优势却是得天独厚的。 2 0 世纪8 0 年代末，上海乾通汽车附件有限公司迫于桑塔纳国产化的严峻形势， 从德国大众引进了两套镁合金压铸的二手设备，生产桑塔纳轿车变速器中的壳体、 壳盖镁合金压铸件，开创了国内镁合金压铸件用于轿车的先例。1 9 9 7 年南京华宏 集团新建镁合金压铸专业厂，引进意大利意德拉( i d r a ) 公司的镁合金压铸机和德 国w e s l l p f e n 公司的镁合金熔化保温定量浇铸炉。主要生产汽车镁合金变速箱壳 体、壳盖、高档自行车前叉等镁合金压铸件。除此之外，国内还有部分压铸厂也 6 1 绪论 有镁合金压铸件的生产，如唐山华森压铸有限公司、深圳嘉瑞制品有限公司、西 安蓝华压铸厂等【1 6 1 。截止到2 0 0 1 年底，全国共拥有5 0 余家镁生产企业，年产能 力仅达1 0 万吨【1 7 】，但这与美、欧、臼的差距还非常大。 为此，国家已将有关镁和镁合金的开发、应用与产业化列入了国家科技攻关 计划和“8 6 3 ”计划，并成立了国家“十五”重大科技攻关项目“镁合金开发应用及产业 化”专家组，专门进行研究。除此之外，国内众多高校和科研机构，如上海交通大 学t 1 扪、清华大学【1 9 1 、中科院沈阳金属所、沈阳工业大学【2 0 】等，已经着手镁合金的 研究工作，有的已经取得了不错的成绩。在科研院所的技术支撑下，中国镁用量 正以每年1 2 的速度增长，年产量1 0 万吨【“j 。 台湾省镁合金压铸发展如火如荼，1 9 9 3 年由可成科技引入第一台镁合金热室 压铸机后，辉科技、敬得工业、集盛工业、美利达工业等相继加入。1 9 9 8 年以后 大举向镁合金压铸进军，现在无论其规模还是技术水平均居亚洲第一，并跻身世 界先进之列圜。与日本情况相仿的是，其主要产品为手提电脑外壳，小部分为电 脑、手提电话及电视零件【2 l 】。1 9 9 0 年台北国际自行车展中，美利达展出了轻型镁 合金自行车车身框架，整车净重只有7 5 k g 。2 0 0 0 年台湾龙通关实业公司与台湾自 行车研发设计中心合作开发出当时世界上最轻的折叠式自行车，该车的骨架采用 镁合金，总重仅6 4 k g 。 目前，影响世界范围内镁合金大规模发展与应用的重要因素就是镁合金压铸 零部件的价格偏高，而在我国，镁合金资源十分发达，镁产量仅次于美国位居第 二位，镁合金压铸的发展有可靠的原料来源，而且目前我国的镁价格比已经小于 1 4 ，进行镁合金零部件的生产优势已大于铝合金，在原材料成本上存在极大的优 势，镁合金压铸的前景十分广阔。 1 4 镁合金铸造成形 镁合金成形主要通过铸造和塑性变形二种方式来实现，在目前得到应用的镁 合金产品中，约9 0 通过铸造成形方式生产。从国内外研究应用情况看，镁合金 的铸造成形工艺主要有砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、挤压铸造、低压铸造 和高压铸造，其中应用最为广泛的是传统的高压铸造工艺，而其未来的发展则更 多的偏向挤压铸造、半固态压铸、真空压铸、充氧压铸等铸造成形工艺。 1 4 1 压铸 压铸是镁合金铸造最主要的成形工艺，世界上镁合金铸件总产量的9 3 是用 压铸工艺生产的，这主要是由于镁合金有很好的压铸工艺性能【1 6 】： 镁合金液黏度低，流动性好，易于充满复杂型腔，用镁合金可以很容易生 产出壁厚为1 0 - 2 o m m 的压铸件，最小壁厚可达o 6 m m ，而铝合金压铸件 7 重庆大学硕士学位论文 的最小壁厚则是2 3 - 3 5 m m ： 镁合金压铸件的尺寸精度比铝压铸件高5 0 ： 镁合金压铸件的铸造斜度为1 5 0 ，而铝合金为2 q o ； 镁合金的熔点和结晶潜热都比铝合金低，压铸过程中对模具冲蚀比铝合金 小，且不易粘型，其模具寿命可比铝合金件长2 4 倍： 镁合金压射周期比铝合金短，因而生产率可比铝合金提高2 5 ： 镁合金铸件的加工性能优于铝合金铸件，镁合金铸件的切削速度可比铝合 金提高5 0 ，加工耗能比铝合金件低5 0 。 同铝合金压铸件相比，除炉料成本高之外，镁合金压铸件的压铸和机械加工 成本都低。生产实践表明：由于生产率高，热室压铸的镁合金小件的总成本低于 冷室压铸铝合金同样件。一般而言，l k g 以下的镁合金小件用热室压铸法生产，l k g 以上的镁合金件用冷室压铸法生产。 1 4 2 真空压铸 船冀 鬈堪 矗 铷 真空压铸是通过在压铸过程中抽出型腔内的气体而消除或减少压铸件内的气 孔和溶解气体，提高压铸件的力学性能和表面质量。由于镁合金的凝固区域较宽， 在凝固收缩过程中易于产生枝晶，被枝晶封闭的局部地区液体补缩受阻将形成负 压，成为卷入气体析出的有利位景。考虑到镁合金中的疏松将有利于气孔的形成， 8 1 绪论 而气体又助长了疏松的长大，因此若能通过抽真空来控制和减少镁合金中气体卷 入量，就会降低镁合金中的缩松量和缩孔倾向，极大地改善镁合金压铸件的力学 性能。此外，通过在镁合金溶液进入型腔前的瞬间抽真空，还可以使镁合金压铸 充型过程不受气流干扰，压铸件中的气体含量减少，铸态组织得到改善。对于某 些合金，由于铸件中的含气量减少，还可通过热处理进一步改善合金的组织和性 能。目前，国外已成功的冷室压铸机上利用真空压铸法生产出了a m 6 0 b 镁合金汽 车轮毂，并在锁型力为2 9 4 0 k n 的热室压铸机上生产出了a m 6 0 b 镁合金汽车方向 盘，铸件的伸长率由8 提高到1 6 。图1 1 所示为镁合金真空压铸工艺【1 6 】。 1 4 3 充氧压铸 充氧压铸又称无气孔压铸( p o r e - f i e ed i ec a s t i n gp r o c e s s ，即p f 法) 。改法在金 属液充型前，将氧气或其他活性气体充入型腔，来置换型腔内的空气。当金属液 充型时，活性气体与充型金属液反应，生成的金属氧化物微粒弥散分布在压铸件 内，从而消除了压铸件内的气体，使压铸件可通过热处理强化。已有的研究结果， 表明：充氧压铸镁合金件可像重力铸造镁合金件一样，进行热处理强化，并且其 力学性能优于普通压铸件和重力铸造件，而普通镁合金压铸件则在热处理时变形， 无法进行力学性能测试【。 1 4 4 挤压铸造 北美压铸协会( n a d a c ) 对挤压铸造的定义为采用低的充型速度和最小的扰 动，使金属液在高压下凝固，以获得可热处理的高致密度铸件的铸造工艺。挤压 铸造最突出的特点是充型压力高，比重力金属型铸造要高几个数量级，其对铸件 形成的影响主要表现为：是充型金属液冷却速度显著增加；改变凝固合金中相的 组成和数量；增大合金与铸型间的传热系数；抑制金属液中气体的析出，从而减 少铸件中的疏松和气孔缺陷，提高铸件的致密度【1 6 】。 面面齑龄 图1 2 直接挤压铸造原理示意 f i 9 1 2s c h e m a t i cp l a no f p r i n c i p l eo f d i r e c ts q u e e z i n gc a s t i n g 根据挤压方式的不同，挤压铸造可分为直接挤压铸造和间接挤压铸造两种。 目前国内外已对镁合金挤压铸造成形进行了初步的研究，并得出了镁合金挤压铸 9 重庆大学硕士学位论文 造的一些工艺参数，如镁合金挤压铸造时铸型温度一般控制在2 0 0 - 3 0 0 ( 2 ，充型压 力为5 0 - - 1 5 0 m p a ，铸型涂料为石膏基，浇铸时的过热温度为3 0 1 4 0 c 。 图1 3 间接挤压铸造原理示意 f i 9 1 3s c h o r a a t i ep l a no f p r i n c i p l eo f i n d i r e c ts q u e e z i n gc a s t i n g 1 4 5 半固态铸造 虽然采用挤压铸造、常规铸造、充氧铸造等成形方法，可以铸造出质量、强 度高、形状复杂的镁合金铸件。但必须过热以确保合金液的流动而导致产生了许 多难以克服的问题，如镁合金的氧化燃烧，而镁合金半固态铸造则为解决这以难 题提供了条件，这主要由于半固态铸造具有充型平稳、无金属喷溅、金属液氧化 损失少、铸件尺寸精度高、孔洞类缺陷少、可进行热处理、铸型寿命长等优点。 镁合金半固态铸造可分为流交铸造和触变铸造两种方式。 镁合金流变铸造是有美国康乃尔大学开发的半固态铸造工艺，其特点是对处 于从液相到固相冷却凝固过程中的金属熔体进行强烈搅拌，在熔体达到一定固相 分数时，对其进行压铸或挤压成形。日本的研究机构以固相率在4 0 - 5 0 ：之间的 a z 9 1 d 镁合金在研究对象，在冷室压铸机上进行了半固态流交铸造，其研究结果 表明：在压铸件内基本上无气孔缺陷，抗拉强度达到1 4 0 - 2 0 0 m p a 。由于该工艺存 在半固态金属浆料的保存和输送难度较大的问题，所以其实际应用受到很大的限 制，至今未能实现商业化规模生产。 镁合金触变铸造起源于美国的d o w 化学公司，然后由 l 飞i x o m a t 公司在1 9 9 1 年推出世界上第一台商业化机器( 其触变机构如图所示) ，标志着镁合金半固态半 固态触变铸造进入了工业化应用阶段。镁合金触变铸造具有节能、环保和近似净 形加工等优点，其生产流程为将制备好的非枝晶组织锭坯重新加热到液固相区， 达到了一定的动力学黏度，即进行压铸或挤压铸造。该工艺不采用熔融过程和传 统的铸造工艺，而是把传统的压铸技术和塑料注射成形技术结合起来，无需复杂 l o 1 绪论 的熔化设备，避免了镁合金熔化而引发的危险性，可较好的用于解决传统压铸技 术不能克服等的镁合金应用问题。该工艺要求成形坯料有等轴、细小、无枝晶的 近球形组织，且无氧化物、非金属夹杂物和气体。目前生产坯料的主要方法是i v h - i d 发和a i r - s l i pc a s t i n g 法，由于坯料生产被o r m e t 、a l u m a x 等少数几家公司垄断， 阻碍了镁合金半固态触变成形技术的发展n 6 1 。 严晶 固体瓣辩 ( 3 - - s m m 片状) 图1 4 镁合金触变成形机构示意 f i 9 1 4 s c h e m a t i c p l a n o f s t r a c t u r e o f m a g n e s i u m a l l o y t h i x o t r o p y f o r m i n g 1 5 研究的目的、内容及方案 1 5 1 本论文题研究的目的 本论文提出的。镁合金精密铸件成形工艺及模具设计与制造”，是针对镁合 金铸造工艺、铸件质量水平低，铸造工艺装备同先进国家相比差距大，大部分( 特 别是大型、复杂、精密模具、新产品，如长安的新型汽车发动机、重庆摩托车发 动机减速箱等关键成套铸件、割草机壳体等) 模具长期依靠外委制造或直接从国 外进口的现状，拟通过校企联合建立镁合金精密铸件成型工艺技术、铸造过程模 拟、工艺和模具优化设计制造能力，以达到提升镁合金铸造技术水平和市场竞争 力的目的。 1 5 2 本论文研究的主要内容 本论文以改变镁合金压铸造产品技术含量低、关键新品铸造工艺及模具设计 制造长期依赖外地或外国的局面为目标，通过校企联合建立镁合金精密铸件成型 工艺技术、铸造过程模拟、工艺和模具优化设计制造的能力，提升镁合金铸造技 术水平和市场竞争力。主要研究内容有： 针对镁合金铸造工艺特性，结合镁合金熔铸工艺特性、压铸成形工艺本质、 重庆大学硕士学位论文 流动和凝固本质与缺陷形成理论进行高品质、高效率、高工艺收得率的压 铸成形工艺的设计研究； 参照铝合金压铸模具设计标准，结合镁合金压铸成形特性，提出镁合金精 密压铸成型模具优化设计初步规范： 参照铝合金压铸模具制造标准，结合镁合金压铸成形特性，提出镁合金精 密压铸成形模具制造初步规范。 1 5 3 本论文的方案 本论文是通过手动工具从工艺优化、模具设计、模具制造到最后的实际生产 的整个过程的参与跟踪，基本过程可以分以下几个步骤来进行： 对手动工具进行工艺模拟。工艺模拟主要是集中在浇注系统的设计、内浇 口的开设位置、溢流槽的的设置以及排气槽的位置，通过模拟得出最优的压铸工 艺方案，并总结出工艺开发的初步规范。 压铸工艺确定后，根据浇注系统和溢流槽的开设进行模具的详细设计，并 在此基础上总结出压铸模具设计的初步规范。 根据模具的详细设计，按照既定的方案进行模具的加工制造。 试模。根据试模的结果对模具或者工艺进行相应的修改，使之符合生产的 要求。 1 2 2 镁合金压铸工艺 2 镁合金压铸工艺 压力铸造的主要特点是金属液在高压、高速下充填型腔，并在高压下成形、 结晶。因此，压铸过程中压力和速度的变化及其作用是至关重要的，它们直接影 响金属充填形态和金属液在型腔中的运动，从而影响压铸的质量。 2 1 镁合金的特点 纯镁的优点很多，但是力学性能较低，其应用范围受到很大限制。通过在纯 镁中添加合金化元素，可以显著改善镁的物理、化学和力学性能。根据实际需要， 人们已经开发出为数众多的镁合金体系，大多具有如下特点【1 7 】。 镁合金的密