（机械制造及其自动化专业论文）挤压铸造模具结构的系列化研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 挤服铸造是一种节能、省力和材料利用率较高的成慰工艺。因为它的起步 鞍筮诲魏，蘑鼓程模暴设计孛它逐是一个不攫或熬嚣矮竣。薅罄汽车、摩托车、 航空等工业的飞速发展，挤压铸造以其优良的工艺特点越来越得到了各界模具 王俸蠹熬欢逮，葵模吴竣诗镁域毽其畜广耀懿发蒺蓠景。 但是由于模舆设计的周期较长，耗时较多，导致模具成本较高，因此对挤 撬铸造搂矮进孬系裂纯、标准纯磺究其蠢深远豹遭霜徐稳。只蠢形残了按基铸 造模具设计的标准化，才能使其更快、鼹好的发展。模舆的系列化研究是实现 檬准馥瓣蓦蓼提秘必要条毂，本文扶模具部 孛续构熬系到纯蹬发，针对耪疆铸造攘 舆结构及工艺特点，完成了其系列化结构的研究。 主要工终体瑷在以下几个方嚣： ( 1 ) 研究了挤压铸造工艺机理，分析了挤胍铸造工艺的特点，归纳总结出 挠蹑铸造工艺所遗会的零停特征，对不麓特征零件进纾分类，找国会适予壹接 式、间接式和特种挤压铸造模具总体结构形式，初步建立了挤聪铸造模凝总体 缭构豹系列。 ( 2 ) 对同类和非同熊模具的结构进行系统臼白分析、比较，拽出各类机构的 共性及特性，进藏实现模具备郝传的系别化，包括开合摸机构、卸料机构、抽 芯机构、排气溢流装置簿。 ( 3 ) 使用v a + 及数据库技术建立了挤压铸造模具缕掏的焱询系统，该系 统使用筒单，管瑷有效，对从事挤压铸遗模具设计的工程技术人员具有僭鉴和 参考价假。 ( 4 ) 针对汽车空调活塞的镱构特镊，分析袋质量要求及成擞特点，借助子 挤压铸造模具结构查询系统，设计了五种不同的挤压铸造模具结构，并对每种 工艺方案迸行分析，从中选择崮了最为禽适的成型方案。 对挤压铸造模具系列化、标准化豹研究是一项具有深远意义的长期任务， 鬻要嚣裔觚事挤逛铸造技术翡科技工作翥耱钛簸入员长麓不断鹣努力，才能使 挤压铸造模具系列化、标准化体系更加究善! 荧键词；挤压铸造模具系列化煮询系统活塞 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n e e wm o l d i n gp r o c e s s ，s q u e e z ec 髂t i n gf 抽o u so nt h ev i r c i l eo fs o u r c e s a v i i 堰a n dh i 曲e rm a t 商a l su t i l i z a t i o n w i t h 也er a p i dd e v e l o p m e n to f 卸t o m d b i l e ， m o t o r c y c l e ，删a t i o n ，a n do t h e ri n d u s 仃i e s ，s q u e e z ec 嬲t i n gi sa c l m o w l e d g e df o ri t s f i n ec r a f id h a m c t e r i s t i c s h o w e v e f ，l o l 培e rd e s i g nc y c l ea n de x c e s s i v ew o r k i i 坞h o u r sl e a dt o c o s t r e l a t i v e l yl l i g h e lt h e r e f o r e ， r c s e a r c ho n s q u e e z ec 嬲t i i l g s e r i a 王i z a t i o n 锄d s t a i l d a r d i z a t i o ni si i n p e r a t i v e o n l ys q u e e z ec 髂t i n gm o u l dd e s i 弘s t a n d a r d i z a t i o n c a i lm a k ei tf 缸t e r 飘db c t t c rd e v d o p m e n t r e s e a r c ho ns q u e e z ec 鹊痂坞m 伽l d d e s i 肛s e r i a l i z a t i o ni sn e c e s s a r yt 0a c h i e v ei t ss t a i l d a r d i z a t i o n 1 1 l ep a p e r sw o r ka s f 0 1 1 0 w s ： ( 1 ) t h r o u g ha d v a n c 。dg 札d yo ns q e z ec a s t i n gp i o c e s sc r a nm e c h a i l i s m s ， a n a l y s i so f s q u e e z ec 船t i n gp r o c e s sf b a n 玳s ，s u i i l i n gu pt 1 1 ec h a r a c t e r i s t i c so f 嘶t a 【b l e p a r t so fs q u e e z ec 鹊t i n gp r o c e s s ，d 髂s i f i 1 1 9p a n sw i md i 丘e n md l 啪c t e r i s t i c g ，m i s p 印e rf i n d ss u i t a b l es 衄l c t i i r eo fd i r e c t 锄di n d i r c c t 柚dt h es p e c i a ls q u e c z ec a s d n g m o u l d t h es e r i a l i z a t i o no f o 、嘲试ls t r l l c t u r eo f 也em o u l d m e v e si n i t i a l l y ( 2 ) t h m u 曲c o m 】啦锄da n a l y z i n gt o s 廿u c t u r co fd i 位：r e n tm o m d s ，1 i s p 印c re x p l o r e sc o m m o nc h 盯a c t e r i s t i c sa n da c h i e v e ss e r i a l i z a 矗o no fm es 协j c t i l r e ， i n c l u d i n gm o u l do p c n i n gm e c h a i l i s m ，c l a m p i n gl l i l i t ，s t r i p p i n gm e c h a i l i s m ，c o r e p u l l i n gm e c l l a m s m 卸do v e m o w 卸de 】( 1 l a l l s tm e c h a n j s m ，e t c ( 3 ) u s ev c + + 锄dd a t a _ b a s et e c t m o l o g y ，e s t a ：b l i s h 也es e a r c hs 驴把m ，o p e r a t e e a s y ，h a sm ep a t c i e da p p l i c a l i o nv a l u e ( 4 ) t 酞ei 1 1 _ t 0a c c o u mo fm ec h a r a c t e ro fp i s t o nf o r ；童i rc o 删n o n e r ，d e s 啦a n d a n a l y s e df i v ed i f f b r c n tm o l ds 恤l c t l l r e ，c h o o s em e 删o no n e t h es e r i 砒i 砒o n 强ds t a 眦l a r d i 刎o no f s q u e e z ec 嬲t i n gm o l l l di saf a h e a c h i l l g w o r k w en e e da l lt h es c i e n t i s t s 锄dp r a c d t i o n e r si nt h et e c h n 0 1 0 9 yo fs q u e e z e c a s t i n gc o 蚯n u 证ge 筋n s ，t 0m a k et l l es t a i l d a r d i z a t i o ns y s t c mo fs q u e e z ec a s d n g i r l o u l dm o r ep e r f e c c ! k e y w o r d s ：s q u e e z ec a s t i n g ，m o l d ，s e r i a l i z a t i o n ， s e a r c hs y s t e i l l ， p i s t o n i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 挤压铸造发展概况 1 1 1 我国挤压铸造发展历程 挤压铸造是一种介于铸造和模锻之间的少切屑或无切屑金属成形工艺，因 其合金液是在液态压力下结晶成型，所以国内外有很多学者称这种工艺为“液 态模锻”、“液态挤压”和“压力结晶铸造”等。这种工艺方法是合金液在较高 的压力作用下充型、凝固并产生少量塑性变形，从而获得轮廓清晰、表面光洁、 尺寸精确、组织紧密、晶粒细小、力学性能良好的产品的方法。这种技术在2 0 世纪3 0 年代前就问世了，4 0 至5 0 年代，在前苏联得到了推广应用。在6 0 年 代末期，有色金属挤压铸造在日本获得了应用和发展 ”。而在我国，挤压铸造 技术的发展大体上分为四个阶段。 2 0 世纪5 0 至6 0 年代中期为工艺探索阶段。如武昌造船厂与华中科技大学 协作的挤压铸造铜合金、大连造船厂的铸锻高压阀体联合工艺及杭州前氧机厂、 沈阳冶金机械专科学校等单位开展的试验研究工作。 6 0 年代后期至8 0 年代中期为生产应用阶段。如广东仪表厂、西安仪表厂、 维纺铸锅厂等都是我国第一批应用该工艺的生产单位。其中，在7 0 年代初期， 一些高等院校和科研院所如上海交通大学、武汉理工大学、哈尔滨工业大学、 五二研究所等单位相继开展了挤压铸造典型铸件的生产工艺、模具结构、挤压 铸造材料等研究，为挤压铸造的发展奠定了良好基础。在7 0 年代中后期，我国 挤压铸造技术得到了稳步发展，无论从挤压铸造方式到挤压铸造材料均取得了 可喜的成就。进入8 0 年代后，我国挤压铸造技术得到了较快发展，特别是间接 挤压铸造的研究与成功应用，给挤压铸造技术注入了新的活力，使得过去无法 用挤压铸造生产的铸件如形状复杂、壁厚较大、用普通铸造性能达不到要求或 因形状复杂无法用一般铸造方法生产的铸件成为可能，并可获得满意的铸件， 扩大了挤压铸造应用范围。此外，黑色金属的研究也取得突破性进展，哈尔滨 工业大学与山东即墨铸锻厂合作开发生产的钢质平法兰等挤压铸造件也取得成 武汉理工大学硕士学位论文 功。 8 0 年代中期至9 0 年代中期为快速发展阶段【2 】，一大批挤压铸件相继开发成 功并投入生产。如以挤压铸造生产的摩托车铝轮毂、汽车空压机铝连杆和汽车 制动泵缸体等。与此同时，挤压铸造、钢质液态金属模锻、液态金属模锻 模具设计等专著的出版又迸一步推动和促进了挤压铸造技术的发展。 9 0 年代后期挤压铸造处于健康、稳步发展阶段。由于某些企业不注重技术 上的创新和市场的变化，忽视产品质量，没有根据铸件的具体结构来选择适合 的工艺，致使一些企业投产后又转产，造成了不应有的损失。相反，重视技术 上的创新，较好掌握该技术特点的生产企业都得到了快速发展，取得了很好的 经济效益和社会效益。 1 1 2 挤压铸造理论研究的进展 挤压铸造基础理论研究压力是挤压铸造最主要的工艺参数之一。挤压铸造 时，压力对热物理参数、合金状态图、晶核的形成与长大以及对显微组织细化 等方面都具有重要影响。 在挤压铸造一书中，作者已进行了卓有成效地理论推导【3 】。计算结果 与试验观测结果基本吻合，所得出的结论和观点对从事挤压铸造研究者具有指 导意义。罗守靖分析了直接挤压铸造时金属的四种塑性流动方式f 4 ，即初期的 金属塑性流动方式、基本的塑性流动方式、最后阶段的塑性流动方式和最后凝 固时金属的致密流动。通过对碳钢挤压铸造时金属塑性流动的组织观察，证明 了理论分析的正确性。在不同材料、不同工艺参数( 比压力、保压时间) 条件下， 所测得的试验曲线具有相似性或相同的规律性。通过对曲线的综合分析，给出 了力位移曲线的物理意义 5 】，可用来判断挤压铸造过程的有效性和挤压件的内 部质量。挤压铸造可获得不同质量等级的铸件：最后凝固区为压力下结晶和 塑性致密组织；最后凝固区仅为压力下结晶的凝固组织；最后凝固区为自 由凝固组织。压力行程曲线对指导生产和获得高质量的铸件有着重要的意义。 挤压铸造过程的压力行程理论曲线在对直接挤压铸造过程的力学分析中，给 出的比压值的解析式是有意义的【6 】，而对间接挤压铸造，特别是间接正向挤压 铸造施加在金属液上的压力是由下向上的，与金属液收缩方向相反，若使铸件 内不产生缩孔、缩松等缺陷，施加的实际比压值应比给出的理论值要大，即还 要克服金属液收缩时的自重力，所以对导出比压值的解析式应加以修正。通过 武汉理工大学硕士学位论文 对挤压铸造过程的凝固、收缩、塑性变形及补缩之间谐调关系的分析7 1 ，定义 了三个谐调因子：力学因子f ，时间因子o 及速度因子v ，并得到了它们的具体 表达式，进而提出了挤压铸造的无缩孔判据是：f ，0 ，v 均大于或等于l 。经验 证，该判据可以用来指导工艺设计和预防缩孔缺陷。 1 1 3 挤压铸造技术在生产中的应用 在汽车摩托车铸件中的应用挤压铸造作为活塞毛坯生产的主要方向之一， 我国己制造出直径为9 0 1 9 0 m m 各类挤压铸造活塞。第一汽车制造厂已用挤 压铸造从事活塞生产多年，是国内挤压铸造活塞产量最大的企业【8 】。汽车制动 器缸体性能要求较高，国内同类产品多为金属型铸造或低压铸造，导致产品的 废品率较高，主缸孔多为盲孔，加工余量大，浪费了大量有色金属和加工工时， 增加了生产成本 9 1 。自采用了挤压铸造技术后，产品的各项性能指标均达到或 超过日本同类产品先进水平，已大批量投入生产。为减轻连杆重量，改善空压 机的使用性能，挤压铸造铝合金连杆在国产东风汽车空压机中得到应用，取得 了良好的经济效益和社会效益。我国摩托车减振器套管多采用金属型铸造或低 压铸造工艺生产，铸件质量不够稳定，废品率较高，浇冒口余量大，金属利用 率低。而采用挤压铸造生产套管，可获得无气孔铸件，减少加工余量，节省材 料和电力的消耗，有利于在批量生产中实现机械化、自动化。所以，用挤压铸 造工艺生产套管较之其它工艺更具有明显的优势 1 。 我国摩托车铝轮毂的生产起始于2 0 世纪8 0 年代中期，均采用低压铸造( 差 压铸造) 、金属型铸造和压力铸造工艺。而挤压铸造摩托车铝轮毂，于9 0 年代 初首先由五二所研制开发成谢“ 。目前用挤压铸造工艺生产摩托车铝轮毂有较 强的竞争力。我国挤压铸造摩托车铝轮毂的生产能力已占铝轮毂生产能力的1 3 以上。 除此之外，用挤压铸造生产汽车、摩托车上的部件还很多，如汽车空调压 缩机零件、发动机油管、离合器缸体、制动器卡钳等及摩托车蹄块、调速器零 件等。在国防工业中的应用我国兵器工业总公司五二研究所多年来致力于挤压 铸造在兵器工业中的应用研究，先后开发成功迫击炮下体、弹体风帽等一批军 工产品 1 2 。利用挤压铸造技术成功研制了导弹二级舵面【1 3 ，该产品原生产工艺 为锻造坯料，再机加成形，其生产工艺复杂、周期长、材料浪费大，由坯件1 0 kg 加工成零件净重仅为o6 5kg ，且理论外形加工困难，必须在三坐标数控 武汉理工大学硕士学位论文 加工中心机床上完成，大大增加了生产成本。而采用挤压铸造成膨，既解决了 理论终形纛搂戏形无篱宓鞋王豹翊题( 按压铸造坯鼹投osl 【g ) ，又瓣决了蟋传不 经淬火就能达到设计要求的力学性能，大大降低了生产成本。 在复合毒孝料铸馋中，拱压铸遗卷冬复会材料，已；成为复合枋拳喜中最常用虽 行之有效的方法之一。在挤压力的作用下，基体与复合材料能很好的结合，使 基体渗入到绎维增强体预铸件中，改善了绥维与基体蛉润湿性，撼离了终维与 基体的结合强度。如利用挤压铸遄工艺将氧化铝( a12 0 3 ) 或硅酸铝( al2 0 3 ，si0 2 ) 短纤维制成的镪基复合材料，耐蘑、离滠( 2 5 0 3 ) 强度性能郄明 显提高，而线膨胀系数下降涮成的内燃发动机活褰，复含材料与纂体合金结合 良好，可用舍金钢刀具加工。此外，采用液态浸渗后再经嶷接挤缀工艺制备的 氧化铝短纤维增强铝基复合材料其有基体敬密、均匀细小的变形弭结晶缎织， 纤维分布均匀且保图了较大的长径比，这熊起到较好的增强承载作用。因此， 复合材料液态浸渗褥采用赢接挤透工艺其肖消除缺陷、强化基体、改善纤维分 布并避免纤维在成型过程中的破断与损伤等诸多优点f 1 4 】。 在黑色金属铸件中的淑用：黑色金属挤压铸造的研究相对有甑金满挤压铸 造的研究怒步较晚。在2 0 世纪6 0 年代，原第一机械工业部机械科学研究院、 长赛光学及精密税械研究掰等单髓对黑色鑫属挤藤铸造避行了研究，后来出于 种种原因停了下来。青岛即墨铸锻厂于1 9 7 8 年开始了钢挤压铸遗研究，1 9 8 0 年溺埝尔浚工韭大学合作熬该工艺成功应麓虱钢葳法兰、长径法兰、毫辊前惹 端箍等成形件的生产，取得了较好效果【1 5 】。生产的铸件，质量稳定，有3 0 0 多 遗钢震按送铸 孛鑫弱垂磊零、末南驻等国。 挤压铸造技术在其它领域中的应用也较多，主要用于蒙求气密性较高的壳 钵传，懿上海菜仪表厂琢采藤金鬟蓬铸造象产基力表壳舔，产品璇量一童褥不 到保证，采用挤压铸造工拨后，质孱大幅度提高。在电机行业采用挤压铸造技 本生产黾掇零磐载较多，麴溪戈慕厂跌交钤雩l 遘静毫动黎芦锥形锅台金起霪电 机，电机壳体，端箍均采用挤压铸造工艺嫩产。 经与鬃多 采用愿薅方法生产懿撵燕比较，鑫瑗经靛均达到或越遘样磊搀标， 已大批量生产，生产节拍为每件壳体6 0 1 2 0 秒；每件端盏柏6 0 秒，产品合 格攀在9 5 以上。采用接援铸造工艺替代众属委l 铸造生产筑路极镪合金掇麓纂 壳体，壳体蘑量由原来金属型浇注的1 3kg 降为现在的63kg ，各项性能指 标均达设诗要求。瓣翦广客傍山震旗爨厂纛生产2 万多l 孛，具有骥显的经济效 4 武汉蠼工大学硕士学位论文 焱。瘸按压薅造毅本礤裁成功瓣美式铝裰警子镶，其夺蓬萋轻、疆度蹇、夹葑 牢固可靠、外型美观大方、使用灵活、携带方便等优点。经检测铸态性能超过 帮分标撩，达到了美国联箨援蔻豹要求，深受震户戆欢逮露好译，叁1 9 8 7 年投 产以来，产品销侮形势很好。此外，家用推车铝轮毂、铲板、支架等零件均己 搬量生产并运链鬻终。 1 1 4 我国挤魇铸造业存在的问题 挤压铸造作为一种工艺技术，已广泛被生产中采用，但在实际应用中也暴 嚣了 莘多阉题。魏铸释矮霪不稳定，或菇率不够蹇，寿夹杂、气魏、霭都巯裣 簿缺陷，导致力学性能不稳定。这些问题除与设备有关外，主要与选择的挤压 铸造工艺骞关。终为一耱王艺技零，嚣然蠢它特定鹣瘦穗范围帮特熹，藤爝者 必须根攒零件的矮体结构和要求( 如形状、尺寸、性能和批量等) 综合考虑，确 定最蕊羔艺方寨。甥莫熬该工艺姿藏一耪万戆技零，在不了簿荚特点熬德提下 宵目选用，这样很容易造成失败。在对挤压铸遗工艺研究和应用中，研究者也 不要把铸 串静塑热交形缎织终为撬量按愿铸馋成功与否瀚一大攒据。黠毙顼指 标的过商要求，必然限制该工艺在实际缎产中的应用范围，那贱只生产形状非 鬻簿单匏铸辫，厂家是不能盔激熬懿枣绥竞争孛骞有更多熬硷额。 目前，挤压铸造分类方法较乱，在宓际应用中这些分类方法往往会造成概 念上的误解。笔黉认力对挤压铸造的分类应投攒挤压铸造酎铸传上豹受力形式 及金属液充填型腔状态确定其分类方法【嘲。按照这一观点可将挤压铸造分为两 大类，一类为直接式挤联铸造馐2 腔内热压) ，其特点是冲头的鼷力赢接作用在 铸件的端部和内表面上，加压效果好，铸件局部可产生微量塑性变形组织。该 种工艺方式适用予生产溪壁和形状不太复杂的铸件。另外一类为间接式揍压铸 造( 压室内加压) ，其主甍特征是工件成形时所受到的压力是由联室内液态金属 农压( 冲) 头力的像用下经浇道传递到铸件上，外力并不赢接作用在工件上，它 没有塑幢变形组绒。此种方式更加灵活邋用，可生产形状更加复杂、壁厚差较 大的铸件，铸件的尺寸糟度高，性能好。 挤压铸造设备的现状堪优，黼产挤压铸造设备先进稳度只相警于国外2 0 世 纪7 0 年代的水平。设备问题己严墓制约了我国挤压铸造技术的发展，目前用于 挤压铸造酌主税设备多为四桂万能液压梳。裰攥使用分两种情况：一种楚压视未 改动，保持原有的机构性能，另一种是对压机局部进行了改装，加装侧油缸用 武汉理工大学硕士学位论文 于抽芯或开合型，也有的在压机活动横梁上开设两个工艺孔，用于安装模具的 卸料装置。显然无论哪种情况都无法满足挤压铸造工艺的要求。应开发带有增 压缸或双压射冲头及侧油缸并带有自动浇注、自动喷涂、自动取件和切边的全 自动挤压铸造设备，以满足日益增长的挤压铸造工艺发展的需要。 黑色金属挤压铸造的模具材料问题对黑色金属挤压铸造模具已成为急待解 决的关键问题。从挤压铸造理论及工艺上讲，黑色金属的挤压铸造已不成问题， 只因模具寿命太短，在一定意义上限制了该工艺在黑色金属中的应用。国外用 钨、钼高合金材料使模具寿命接近一万次。因此如能解决挤压铸造黑色金属的 模具材料的寿命问题，将极大地促进我国挤压铸造技术在黑色金属中的应用， 扩大该工艺的应用领域。 挤压铸造模具的设计问题：作为挤压铸造工艺的重要装备模具近年 来受到应有的重视，在实际生产中的模具设计，特别是间接挤压铸造模具设计 与金属型、压铸型、低压铸造型、锻模和热挤压型设计均有很大区别【1 7 】。不仅 要求模具设计者懂得模具设计的一般常识，同时对挤压铸造工艺必须内行，这 样所设计出的模具结构才能适合挤压铸造工艺的要求。由于某些模具设计者对 挤压铸造技术缺乏了解，所设计的模具结构不合理而导致整个工艺试验的失败， 最后将失败原因归结为工艺本身不行，给挤压铸造工艺的推广和应用带来了负 面影响。 1 1 5 二+ 一世纪我国挤压铸造技术的展望 二十一傲纪，我国挤压铸造技术将得到稳步、快速的发展。主疆体现在挤 压铸造理论研究将会有更大的突破和刨薪，应用也姆不断扩大。在理论研究方 面寂主要做好以下凡项工作；加强间接挤压铸造液流充填特性研究。困鑫属 液的流动行为对充填形态、填充时闷、压力传递等方面都肖着直接影响，农确 定挤压铸造工艺方案时，了解金属液在型藏内的流动状态，即在型腔内的充填 顺序、金属液流股前端的形状、金属液内部的流速论布是十分重要的，它关系 舞旃梓豹成形性、气孔、缩孔可能发生的部位。开展挤舔铸造过程摹本瑷论 和缺陷控制的研究，提高铸件质量，使其向高性能、大型化嗣复杂化方向发展。 热速挤压铸造模蒜豹标准纯帮ead ，ea e ，ea m 软 串技术的开发。 在应用研究领域，挤压铸造技术将在以下几个杼业得到快速发展。张汽 车豢l 造监孛会大量惫焉【擂l 。为馒汽晕减重，瑟求汽笨铸镩妊颓轻薰他、薄壁纯、 武汉理工大学硕士学位论文 精确化、强韧化。所以，汽车的铸铁件不断被重量轻的铝铸件所取代。以挤压 铸造代替普通铸造、低压铸造及部分锻造，以达到提高毛坯的精度，减少加工 余量，减少原材料消耗，降低成本的目的。另外，我国汽车工业已由中型载货 车时代转入轻轿车发展时期，主机和零部件参加国际大循环，世界上一些发达 国家也向发展中国家购买各种车型的铝合金零件。由于我国劳动力资源丰富， 若适当引进和应用先进的制造工艺，提高产品档次，节省材料和能源，降低生 产成本，提高生产率，这样无论在产品质量还是产品价格上都会有竞争优势。 基于国内外市场对高质量铸造产品强烈需求，形成了先进的挤压铸造工艺发展 的极好条件，预示着用先进的挤压铸造工艺生产汽车、摩托车某些重要部件有 着十分广阔的市场 19 1 。在军工产品中大量应用。随着国防工业的发展，原来 那种不计成本开发出来的产品，如某些零件原来可能采用锻造制坯然后再机加 工成形，生产周期较长，材料浪费大，成本高。而现在，为提高生产率、降低 成本，必然要寻找更为先进的技术替代原有工艺生产，这给挤压铸造带来了良 好的机遇。因挤压铸造适合生产那些性能要求高、形状又较复杂的零件。在 半固态成型中的广泛应用。随着半固态成型技术成熟和发展，挤压铸造技术必 然替代部分压铸和锻造来生产半固态产品。在复合材料铸件中的广泛应用。 挤压铸造工艺是复合材料铸件，尤其是短纤维型、粒子型金属基复合材料铸件 最有效的成形方法。为简化生产工艺，降低成本，以适应大批量生产条件，近 十几年来，国内外大量研究挤压铸造复合工艺，利用挤压铸造液态金属在压力 下充型和凝固的原理，增强液态金属对固态材料的各种空腔、间隙的充填性， 并且与固态材料紧密接触，因而可以增加相互的咬合和机械夹紧作用。压力又 可以提高液态金属对固态材料的浸润性，并能迅速提高固态材料的表面温度， 进而增加其扩散结合的可能性，因此，挤压铸造是一种较理想的复合铸造工艺。 随着科学技术的飞速发展，新的工艺、新的技术不断涌现，传统的制造业 正面临着严重的挑战。作为铸、锻结合的先进的挤压铸造技术，也面临着与更 多学科融合以求得更大发展的要求，使之在激烈的市场竞争中发挥自身的优势， 占有一席之地。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 课题研究的目的、意义和内容 1 2 1 课蘧研究的圈的意义 模其标猴俘( 篱称“模耘件”) 蹩模其豹燕要组戚都分，怒模其静萋穑构件。 模具系列化、标准化程度和艨用水平是衡量现代模其整体技术水平的熏要指标， 遣楚模其工妲发震率不可忽筏熬重簧环节之一。实菠涯疆，采建标准 串生产模 具可节约工时2 5 _ 4 5 ，这就大大地缩短模具设计与制造周期，大大减轻模舆设 计久受戆劳动强度，提裹设计效率，并量露模吴工效发震其有分篷要的藏略 意义 2 0 1 。因此，模嶷系列化、标准化是实现模具工业现代化的基础，推行模具 稼建纯是实瑗模其合理纯生产鹃必备条磐。 在国外一些发选国家，模具标凇化起步很早，模具标准化程度已经达到了 攫藏豹拳平。美国、德国逡行搂其檬攥纯王终已有l 年戆历史。酲奉在二战 后，也进行了全面推行模具标准化工作。因此，这蟪国家全面实现了模具标准 健。其中，申，、型模爨孛9 辨0 以上黪零、部传，孛大灌模其审懿6 势疆土懿零、 部件，均己实现了标准化、通用化、系列化和商品化供应。 期国辨襁毙，囊于我莺豹模具王她起步较唆，横具系到纯、标准晓程嶷不 高，中小模舆标准零、部件使用覆盏率还不足3 0 。且国内生产供应的标准件 晶弛、规格不齐，威璧不赢，不能瀵是互换瞧要求，造成我国模其生产水平整 体上远远落厝于其他发达国家。 随着工业的发鼹，工业产品的晶种、数爨越来越多；慰产品糕废、质爨和 使用性能的骤求更魑日趋严格 2 ”，使得挤雁铸造等商质量、高机械性能的特种 金属成形工兹有了越来越广泛的应用，但是 扭于我湖模具工业整体起步较瞧， 挤压铸造模凝方面尚无标准和规范。因此，瓣挤压铸造工艺进行深入的分析， 并针对不同零件的成趟特点，归纳总结出其穰应的挤压铸造模具的系列化结构， 并避行分类编码，以供模其设计工 乍者参考，同时为进行挤压铸造模具的标准 化打下良好基础。挤压铸造模的系列化、标准化实现，可以极大的缀短模舆制 造弼期，减少设计工时，降低模其成本，而本文所研究的模其系列化作为模具 标准化的前提，更具有其深遁研究意义。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 课题研究的内容及技术路线 在深入研究挤压铸造工艺机理的同时，根据挤压铸造工艺的特点，针对不 同种类零件的特征及要求，对其归类；对同类制件当采用相同的挤压铸造工艺 时，设计和优化模具结构：研究设计出相应的直接、间接和特种挤压铸造模具 的典型结构，进而实现挤压铸造模具结构的系列化。对挤压铸造工艺结构的系 列化研究分四部分进行： 第一阶段：深入研究挤压铸造工艺机理，分析挤压铸造工艺的特点，归纳总结 出挤压铸造工艺所适合的零件特征。 第二阶段： 第三阶段 第四阶段 对不同特征零件进行分类，并设计出合适的直接式、间接式挤压铸 造模具总体结构。初步实现模具总体结构系列化。包括正反挤压模、 水平分模、垂直分模、单分型模、多分型模等各类模具结构的系列 化。 对不同模具结构进行系统的比较分析，发掘各机构的共性及特性， 实现各机构的系列化，包括开合摸机构、卸料机构、抽芯机构、排 气溢流装置等各类机构。 分析比较各机构零部件的特征，分门归类，对零部件进行分类编码， 并最终实现挤压铸造模具的系列化，并建立一套可供从事挤压铸造 模具设计的工程技术人员参考的系列化结构查询系统。 9 武汉理王大学硕士学位论文 第2 章挤压铸造模具结构特点及系列化研究 2 1 挤压铸造工艺简介 2 。1 1 挤艨铸造成型视瑗 挤压铸造是对浇天铸黧腔蠹豹液态金满施麓较高静抗械压力，并便箕成形 和凝固，从而获得铸件的种工艺方法，俗的典型工艺程序可分为铸型凇备、 浇注、会鍪鸯羹匿嚣好型取转疆个步骧： ( 1 ) 铸型准备：使上、下、模处于待浇注的位置，清理型腔并喷刷涂料， 怼铸型避移冷却 会模翅攫：将上、下攘瓣舍，依靠净关黥歪力壤滚态金瀛充满麓靛， 升愿并在预定的压力下保持一定的时间，使液态金属在较黼的机械压力下凝固。 ( 4 ) 开模、取堪铸传；筇压、牙模，露拜重取濑铸终。 挤压铸造模具一般是安装在联力机或专用挤膳铸造机上进行工作的。挤压 铸造与压力铸造、低压铸造、裹遂燕铸造终一样，是一移麴莲麴铸逡工艺。 但挤联铸造与其他几种加压铸造工艺又有所不同。在聪力铸造中，压力的 主要终恩是烂动渡怒金属，激亵静遮度流过浇遂瑗态型黢。出于莫浇遘长且商 窄日，因就此处液淹金属黉比铸件本身先凝固，故铸件凝圃时所受的机械胍力 较小。鉴予液态金簇是以麓的压射速度( 一般大予1 5 粒移) 充整鲢，虽邋霉 易卷入大量气体，执1 砥使蕊铸俘在简温下辩出现表面气泡镣缺陷。因而压力铸 造多愿予薄蹙、形状复杂的铸 牛上，且铸转通常不黢进行辫港热处理。嚣爨接 式挤压铸造，它的加压冲头盥接隘猩铸件螽满上，没有浇鞫口系统，故能使液 态金属平缓冲型：并麓接在鹾力下绪鼎 2 2 1 。爨褥组织数密，不会卷入气体。爨接 式旃压铸造多甭于嚣壁、形状不太炭杂的铸件，铸件可进行固溶热处理。遮种 挤脒铸造的工艺方法很像模锻和热挤压工芑。但蘸卷是使液态金瘸在压力下充 奎帮凝固，少量鹃蘩性交形戆在凝溺过程中所发生的，获得瀚铸 串为铸态组织。 而模锻和热挤压工艺是馒固态金属蟋料通过趄性变澎而成型，因蔼掰需的燮形 l o 武汉瑷工大学硕士学位论文 功要磁蘩殛铸造篱褥多，援获褥瓣毛坯弹必交形缀织。 2 ，l 。2 接压铸造成型特点 由于挤压铸造是使液态金属在高的机械压力下进行结晶，因而此工艺具有 魏下的黪点： ( 1 ) 挤压铸造可以消除铸件内部的气孔、缩孑l 和缩松等缺陷，产生周部的 蘩性交形，霞铸黪缀缓致密。攘之，在舔力下缩磊，遂蠢明显弱维绽晶羧、鸯鬟 快凝固速度和使组织均匀化的作_ 蜡3 。因而，挤压铸件的力学性能一般要高于其 它骛逶铸件，磊接近甚至这弱圈耱合金翡锻伴拳警，同睡宅没蠢锻释串逶豢存 在的各向异性问题。所以，挤压铸造是目前用以提供高质量、离机械性能铸件 瓣一魏蘩癸工艺方法。 ( 2 ) 液态金属在压力_ f 成形和凝固，使铸件与型胶蹙贴合紧密。因而挤压 铸转嘉较寒豹表嚣必法发粒足寸精度，焚级别熊迭裂压镣佟鳃承乎。 ( 3 ) 挤压铸件在凝固过程中，各部分处于厩应力状态，有利于铸件的补缩 联茨止铸造裂纹粒产生。透嚣，揆压铸逡王艺鲍逶弱挫较强，使冯鹣台愈不受 铸造性能好坏的限制【2 。它不仅遥用于铸造性能好的铸造合金，而且也适用于 铸造性畿妓差戆变形舍金。甄可瘸子锅、镪、镁、镑等蠢包合金，又霹矮子铁、 钢等黑色金属，还可用于镍、钻等高温食金，甚至可用于复合材料和铸稻等。 ( 4 ) 按压铸造是在驱力枫或拱压铸燎极上避雩亍豹。粒压力铸造一撵，便予 实现机械化、自动化，可大大减轻工人的劳动强度，改罄铸造车间劳动条件。 兜珏之，按压铸造遵鬻没鸯浇冒口，毛坯糕化，铸传尺寸糖度衰，因丽金属材料 的利用率高，可以减少切削加工避【坤】。所有这些，均有利于降低成本，提高生 产效率。与重力铸造相比，它可以提高镑件质量，减少废品率。 ( 5 ) 挤压铸造是通过压力谶行补缩的。对于薄壁零佟和一垫形状复杂的零 件，因为铸件冷凝速度快，有时来不及加压就凝固了，湖面此工艺的应媚会受 弼莱些隈镱。舅矫，直接式挤压铸造通常无浇霹瞄系统，浇注的金属全部成形 为铸件。因此，铸件的高度是由浇入金爝的量决定的。即其高度方向的尺寸精 袋取决予定量浇注的精确程度。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 挤愿铸造模具设计的基本要求 ( 1 ) 熊稳定的僳证工件的质爨； ( 2 ) 有较高的生产率； ( 3 ) 结构麓攀、结檎工艺性合理、势动条律好； ( 4 ) 模具制遗成本低。 氇就怒说，设计挤毯铸造模篡时，努须兼颞产品瘊登、生产率、劳动条件 及经济性等几个方面的问题。其中保证工件的质墩是最基本的要求。为了提高 生产率，采雳鞍复杂戆禳獒结梅帮麓燕、冷帮系统，往往会增热筏其制造成本， 但当批量达到一定的程度时，将从单工件工时成本下降而获得的经济效益中得 至| l 謇 偿，觚瑟簿鬣工俘懿麓造成本，嚣藏浙设诗静赫压铸迄镤其复杂耩浚、生 产率必须与生产规模相适应，此外还应注意某些特殊情况，例如，若工件的质 量要求疆巍，这惑蒺疆煮憝绦 蒌产燕霞量瀛瑟。农覆量要求虿严，容荔遮鬣覆 量溪求的情况下，则着重考虑生产率问题。总之，在考虑上述四个方面要求时， 瘦在滚是产器使建黉求熬瓣握下，壤据其体篱提聚理好生产率与势羲条传，生 产率与经济性的关系。 2 1 4 挤壤铸造横具设计的步骤 ( 1 ) 分辑模鬟部释王佟覆理秘佟蠲，绢确设计任务 为明确设计任务，首先分析研究模具部件在该设备( 装置) 中的作用及工 终瀑莲，帮徉兹结稳特焘，榜瓣豹选援，爱产撬鬃，接术瀑求及与螽续工窿鹃 联系，然后了解生产现场的设备条件，设祷的主要技术参数，最后应了解该厂 熬横其热王缆力，僚为设诗翡参考。 ( 2 ) 选择挤压铸造方式 擐握王传茨形状及曩爨要求穗患，邃毅会逵熬矮莲铸逡工艺终筏，确定按 压铸造模具的结构服理图，在第三章列出了挤压铸造模具结构的系列化图寝， 对不同的按压铸造模具结栋逶舍酶零终特点馁了谨缨熬分类，设计瓣霹参爨国 表选择合邋的总体结构，这里不再一介绍。 ( 3 ) 选择挤压铸造设备 挤压铸造设备的选用主要有以下的原则：有足够的压力吨位和保压能力； 有较快的空程速度秘一定的辏压速度；有慰够豹顼攘力帮朗程力；在水平方疑 武汉理工大学硕士学位论文 需要开摸或抽芯等要考虑是否需要水平液压缸或在侧向是否需要垂直辅助液压 缸；具备一定的自动化程度。但在我国，由于挤压铸造工艺发展历史较短，多 数选择通用的液压机进行挤压铸造。 ( 4 ) 确定挤压铸造模具结构方案，绘制结构草图 确定挤压铸造模具结构方案时，主要解决如下问题：凸、凹模结构；导向 方式( 定位方式) ；脱件方式；模具的连接形式；模具预热及冷却系统；浇注系 统及排气槽、溢流槽：模具封闭高度及开模高度。 对于挤压铸造模具的总体结构，最好考虑几种方案，画出草图，经过分析比 较，从中选择最合理的结构方案 2 4 】。 ( 5 ) 绘制模具总装图、零件图 2 2 挤压铸造模具的分类 挤压铸造工艺的分类多数是依据液态金属在铸型中充型的特征和结晶时所 受压力的状况而确定的。各国的划分方法不同，名称也不尽一致，在我国一般 分为直接式挤压铸造、间接式挤压铸造两类，对其它特殊的结构我们暂且称为 特种结构。直接式分有正挤压铸造，反挤压铸造，复合挤压铸造，上压下挤式 四种；间接式分水平分型和垂直分型两种方式，特种挤压铸造模具结构分为双 分型面模具结构和三分型面结构两种，我们对应每种结构进行了编号，形成表 2 1 所示的系列化图表： 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 挤压铸造模具总体结构系列化图表 序号结构名称结构形式编号 反挤压式直接挤压铸造模 f 1 正挤压式直接挤压铸造模 z 直接 复合式直接挤压铸造模 f h 上冲头充型下底板反挤式挤 压铸造模 s x 水平分型间接挤压铸造模 t 2 间接 垂直分型间接挤压铸造模 d 双分型面挤压铸造模 s h 3 特种 三分型面挤压铸造模 s 2 3 直接式挤压铸造工艺 直接式挤压铸造是利用成形冲头，在合型时，直接压入液态金属中，以填 充由凹模和冲头形成的封闭型腔，继续升压和保压直至铸件完全凝固。 直接式冲头挤压铸造工艺的特点是，在液态金属浇入凹型后，靠冲头加压 进行铸件的成形，在成形过程中液态金属要进行充型运动。直接式挤压铸造没 有浇注系统，冲头直接作用于制件的上端面和内表面，加压效果好。由于合金 液是在压力下成形的，往往伴随着初生树枝晶粒在流动过程中破碎，形成大量 的晶核，最终合金液是在较高的压力下完成凝固，并有少量塑性变形，所以产 品组织紧密，机械性能较高。 根据压力的作用方向与合金液流动方向的关系，直接冲头挤压铸造又可分 为： 反挤压铸造挤压铸造时压力的作用方向与合金液的流动方向相反。即 在压力作用下合金液沿着与作用力相反的方向流动的挤压铸造方式。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 正挤压铸造合金液的流动方向与压力的作用方向相同的挤压铸造方 式。 复合挤压铸造在压力的作用下，合金液的流动方向较复杂( 其中部分 合金液沿着压力的作用方向流动，部分合金液可能沿与压力垂直的方向流动， 也有可能还有部分合金液沿压力的反方向流动) 的一种挤压铸造方式【2 5 1 。 直接冲头挤压铸造还可以采用上冲头合型以实现液态金属充型，下底板反 挤以进行对铸件挤压的技术方案。 直接冲头挤压铸造可用于壁较薄( 大于2 毫米) 形状较复杂的铸件。对于 壁厚均匀的壳体类产品，常采用反挤压铸造；壁厚差别大的产品，主要采用正 挤压铸造方式；形状复杂的产品，则采用复合挤压铸造方式最为适宜。 当用不同的挤压铸造方式或相同方式而分型面不同时，其压力损失的大小 也是不同的。通常压挤压铸造的压力损失较反挤压铸造要小。 2 4 直接式挤压铸造模具系列化结构 2 4 1 直接式挤压铸造模具结构系列化概论 根据直接式挤压铸造的工艺及结构特点，将直接式挤压铸造模具分为四个 系列：反挤压铸造、正挤压模、复合挤压铸造模、上冲头合型下底板反挤式挤 压铸造模。对于形状较复杂、机械性能要求高的实心、杯形、通孔形铸件可以 采用此系列结构，并在模具的设计过程中，依零件形状特征，及现有的生产设 备条件，从中选择适合的总体模具、部件结构( 在下一章里对其中的开合模机 构、卸料机构、拔芯机构等做了系列化的总结) ，只需依照零件的大小，改变模 具结构尺寸便可得到用于生产该零件的模具。 2 4 2 反挤压挤压铸造模具结构 反挤压铸造模具结构在系列化图表中的编号为f ，以下是几种不同特征的 零件所采用的模具结构： 图2 1 所示的是垫板浮动的反挤压铸造模的典型结构原理图。在凹模2 的 底孔中装有浮动垫板5 ，其直径应与凸模( 冲头) 的直径相等，下面与汽缸活 塞相连接合金液在凸模1 的作用下首先充型。充型结束后，随着压力的增大， 武汉理工大学硕士学位论文 垫板下移，将多余的液态奄属余料7 推入底孔中，冲头继续下压弗插入底孔中 终孑l 封阙，势进步对液态金属旋压。这糖努 压铸造方式使铸 串镑部位懿匿力 分布均匀f 2 6 】，克服了台阶部分造成的压力损失。当生产类似通孔件时，则可利 用她系列摸具结构。 l 一凸横2 一凹模3 铸件4 一垫板s 一浮动垫擞6 下模板7 一余料 图2 i 腐板可动式反挤压挤压铸造模具结构阔 图2 - 2 所示的是在双动专用液压机上采用的殿挤压铸造模具的典型结构。 其特点是：液态金爆蓄先浇注在鞠模6 内，在压抒2 魏馋惩下，上辇模扳3 与 凹横6 压紧组合型腔。内滑块推动凸模1 进行挤滕铸造，实现液态金属的挤压 铸逡。挤聪铸造过程结寒鼷，凸棱l 营先从铸搏中脱出，然螽楚剩瘸步 溪块实 现水平分模、卸料、合模。这种形式的模凝结构简单，动作可靠，能先将凸模 从铸l 牛中麟出，有效地防止收缩裂绞。 6 武汉理工大学硕士学位论文 l 一叠搂2 一基括3 上凿耩裁4 一铸锌s 一定救镑 6 一凹模7 一下模扳8 顶杆；9 螺栓 图2 五取幼反挤鹾铸造模爨结构图 图2 3 所示的也是褒双动液罐辊上送行反挤难铸造静模具，出于挤聪铸造 牛外侧商凹槽。所以凹横5 是蠡点可分的。它利用斜销6 进行开合模，利用模 套7 镄紧。其工作过程为：首先在可分硝模组成的型腔中浇入液态金属，然后， 愿抒压紧上凹摸板，摸囊将其锬紧，实现模具的合模。然后凸模在压力作用下 + f 降，熨现液态企属挤聪成型。当成型过程结束后，上踟模板上移，铸件在包 紧力豹终建下跟夔凸摸淘上运动。裹予铸 孛终铡鹭糖夔撵建镬霹分聱摸瞧要浚 潜斜销运动，从而实现卸料。 武汉理工大学硕士学位论文 1 一凸棋i2 压样；3 一上强耩板； 祷件；5 一可分四模# 6 _ _ 斜销 7 横套；8 一垫板：9 一下模板；1 0 推杆 图2 3 利用斜销歼合可分凹模的挤压铸造横具结构圈 这是一种十分麒型的采用斜销式卸料机构迸彳予卸料的直接式挤压铸造模具 结槐。斜销式卸料枫梅主臻用于凹模是垂嶷可分鸵模具孛。当铸传铡蘧鸯魏或 槽时，为了能是铸件顺利脱模，凹模应该用垂赢可分的形式。藏直可分的凹 模便于铸件脱模，珂减轻黧腔的机械磨损，寿剥予型腔鲍巍然教热、喷涂秘清 理，也可减轻疲劳裂纹和粘焊，因此可以很大程度的提高模具的使用寿命。 图2 4 所示的是在普通液压枞上挤压铸造皮带轮的模凝结构。因为键钵的 侧黼有槽，所以凹摸采用囊宣可分的形式。由于凸模1 结构斜度很大，所以挤 压铸造过程结束后铸件留在凹模3 熙面。邋过推杼7 将可分凹模3 推起，凹模 3 便沿着斜镝2 运动而自动分开。上述反挤压挤滕铸造模也是采稍的斜销式开 合横机构。其原理与上例棚似。 武汉理工大学硕士学位论文 1 一凸模2 一斜销3 町分凹模4 模套5 一斜销固定板 6 一下模板7 一推杆8 一铸件 图2 - 4 皮带轮挤压铸造模具结构图 2 4 _ 3 正挤压铸造模具结