基于PQ^2图理论验证模具设计和优化压铸工艺

47 0 铸 造 F 0UN DR Y Ma y2 0 1 0 Vo I 5 9 No 5 基于尸 Q2 图理论验证模具设计和优化压铸工艺 张玉玺 宁波大红鹰学院 浙江宁波 3 1 5 1 7 5 摘要 运用P Q 图理论对镁合金笔记本电脑外壳压铸模进行设计验证 并对其压铸工艺进行了优化处理 压铸生产能 力得到极大提升 全面细致地介绍 了P q 图的绘制方法及应用过程 并从不 同角度进 行分析 与说明 并将其实用化 关键词 图 模具设计 压铸工艺 中图分类号 T G 2 4 1 T G 2 4 9 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 9 7 7 2 0 1 0 0 5 0 4 7 0 0 5 T o Ve r i f y Mo u l d De s i g n a n d Op t i mi z e Di e Ca s t i n g Pr o c e s s Ba s e d o n Pi c t u r e PQ 2 Th e o r y Z HANG YU X I N i n g b o D a h o n g y i n g U n iv e r s i t y N i n g b o 3 1 5 1 7 5 Z h e j i a n g Ch i n a Ab s t r a c t B y u s i n g o f t h e PQ c u r v e t h e o r y t h e d e s i g n o f ma g n e s i u m a l l o y d i e c a s t i n g n o t e b o o k S s h e l 1 wa s v e r i f i e d a n d t h e d i e c a s t i n g p r o c e s s wa s o p t i miz e d wh ic h c a n g r e a t l y i mp r o v e t h e d i e c a s t i n g p r o d u c t i o n c a p a c i t y Th e d r a wi n g me t h o d a n d a p p l i c a t i o n o f PQ c u rve we r e p r e s e n t e d c o mp r e h e n s iv e l y a n d a n a l y s i s a n d e x p l a n a t i o n we r e g i v e n f r O m d i ff e r e n t p o i n t s t o ma k e i t e a s i e r t o u n d e r s t a n d a n d t o a p p l y t o t h e p r a c t i c a I p r o d u c t io n K e y WO r d s PQ c u r v e mo u l d d e s i g n d i e c a s t i n g p r o c e s s 所谓尸 9 图 是指同时反映压铸机特性 模具特性 及系统工艺特性的线图 1 对于压铸机来说 每台压铸 机的压射系统都有 自身的特性 图反映了压室中最 大金属静压与流量的关系 表明了压铸机的特性 说 明了压铸机提供压射能量的能力 对于模具来说 当 浇排系统确定之后 这副模具也形成了其独有的特性 如每副模具都存在一个充填界限速度 尸 9 图反映了模 具内浇 口流量与压射 比压的关系 根据工艺需要 模 具必须获得一定 的压射能量才能保证压铸件成形 这 说明了模具需求压射能量的程度 这两种能量供需 的 结合 就形成了一个压铸机 压铸模 系统 这个系统得 到匹配后 可以使压铸工艺范围更充裕 因此 为了 提高压铸工艺灵活性 在设计阶段应用尸 p 图 可以让 设计方案更周密 对已制模具 应用 图进行分析 可以指引我们通过改变一些参数来优化压射系统 2 1 本 研究中 以镁合金笔记本电脑壳体压铸模 为例 介绍 了P p 图的绘制过程 及验证模具设计与优化压铸工艺 的应用步骤 1 压铸机与压铸模系统条件 选用6 5 0 t 高速压铸机 空打速度V 0 1 0 m s 射出 油缸直径为1 4 5 c m A c c 压力 1 3 5 k g c m 镁合金笔 记本 电脑壳体压铸件如图1 所示 铸件质量2 6 0 g 平 均壁厚为1 1 mm 内浇 口截面积A g 2 8 3 c m 冲头直 径为 8 0 mm 图1 笔记本电脑壳体镁合金压铸件 F i g 1 Mg a l l o y d i e c a s t i n g o f n o t e b o o k S s h e l l 2 绘制P Q2 线图 2 1 绘制压铸机的特性线 根据公式 1 计算压室金属液最大流量 1 O 0 0 x V o x A P 1 式中 为压室金属液最大流量 L s V 为冲头最大 空打速度 m s A 为压射冲头截面积 c m 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 1 7 作者简介 张玉玺 1 9 6 3 一 男 高级工程师 长期从事机械 压铸 模具设计制造及教学工作 E ma i l 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 铸造 张玉玺 基于P Q 图 理论验证模具 设计和 优化压铸工艺 4 7 1 冲头截面 4 x 8 5 0 2 6 c mZ O 5 0 2 6 1 0 1 T I V o l O m s 即当 0 时 p 0 L 1 O 0 0 x V 0 x A P 2 1 O 0 0 x 1 0 x 0 5 0 2 6 1 0 2 2 5 2 6 L s 绘制压铸特性线时 横坐标在Q o 2 2 5 时取 1 mm p 0 2 为2 5 2 6 时 在绘图时就绘成1 0 1 r n l 1 长度 得到一 点 1 0 1 0 根据流体力学原理可知 冲头压射力 射出缸推力 增压缸推力 即 P o x A P 尸 a A s 2 式中 为压室最大金属液压力 MP a AP 为压室内孔 截面积 c m P a 为储能器A c c 压力 k g c m A s 为射 出 缸截面积 c m 当A c c 压力P a 1 3 5 k g c m 射出油缸直径为1 4 5 c m 时 可 得 P 0 x O 7 8 5 x 8 Z 1 3 5 x O 7 8 5 x 1 4 5 则 p 0 时 P o 1 3 5 x 1 4 5 V 8 4 4 3 5 k g c m 4 5 MP a 取纵坐标1 MP a I mm 在绘图时 4 5 MP a 就绘成 4 5 mm长度 得到另一点 0 4 5 连接上述 两点 可以绘出压铸机的特性线 如图2 所示 2 2 绘制模具的特性线 根据公式 3 计算内浇口金属液流量 9 g X 2 P p 3 式中 Q 为内浇 口金属液的流量 L s C d 为流量系数 镁合金为0 5 P 为金属液的比压 MP a P 为金属液 的 密度 镁合金p 1 8 1 0 k g m 将公式 3 转换为 Q z p A C x 2 p 当内浇 iq 截面积A g 2 8 3 fi l m 时 Q A c g x 2 1 8 1 0 2 2 1 取 P O 则p 0 得 到一点 0 0 取P 4 5 V I P a 贝 0 Q 2 4 5 x 2 2 1 9 9 4 5 L s 则纵坐标为4 5 mi i 1 横坐标 为9 9 4 5 2 5 3 9 7 8 ml n 得到另一点坐标 3 9 7 8 4 5 连接上述两点 可以绘出模具特性线 见图2 所示 图2 压铸 机特性线 和模具特性线 F i g 2 Ch a r a c t e r i s t i c l i n e s o fd i e c a s t e r a n d t h e d i e 3 从P Q2 线 图中读取流量供 需关 系及 速度供需关系 3 1 流量 虽然我们在前面已经绘制出了 线 图 但是如何 应用尚需作进一步分析 压铸过程首先必须达成所需 的外观形状 因此在压铸过程中具备一定的铸造压力 和在有效的时间内完成充填动作是至关重要的 3 1 1 铸造压力 工艺需要压力P m 2 5 0 k g c m 以上 是在考虑到模具 寿命等因素的情况下 以能够满足要求的相对比较低的 铸造压力作为铸造条件来进行模具设计是很必要的 3 1 2 充填时间 充填时间T s 0 0 0 5 x T s 哟 制品壁厚 mm 在设计模具过程中 设定浇口套直径及内浇 口截 面积时 必须充分考虑充填时间的限制 在压铸作业 过程中 也需要尽可能地缩短充填时间 3 1 3 内浇 口金属液流量 Q W 0 0 0 5 x T x p 4 式 中 劝 制品壁厚 l T l m p 为铸造合金的密度 镁合 金取1 8 1 e C c m W为越过内浇 口的铸造合金重量的总 和 当T I 1 m l T l W 0 2 6 k g 时 Q O 2 6 0 0 0 5 x 1 1 2 X 1 8 1 2 3 7 4 L s p 2 3 7 4 2 5 6 4 L s 绘入图3 求得 点 Q 图3 尸 Q 钱 图 F i g 3 p Q C B r V e 3 1 4 流量供需关系比较 在图3 中可以求得交点E 处的流量值的平方p E 2 如 果p F 2 的数值大于工艺所要求的流量值的平方 则说明 压铸机的能量可以满足浇注系统的要求 目前所求得 的p E L7 1 4 Q B z 5 6 4 说明可 以满足浇注系统的要求 否则就说明压铸机不能满足浇注系统的要求 若不能 满足浇注系统的要求 可以采取 以下一种或几种方法 来解决 改善效果见图4 图4 图 F i g 4加 c u r v e 1 在允许的范围内提高压铸机的工作压力 2 在允许的范围内增大射头的直径 3 重新选择吨位大一些的压铸机 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m F OUNDRY Ma y2 01 0 VO I 5 9 N0 5 4 减少压铸模的型腔数 5 在允许的范围内增大内浇 口的截面积 3 2 速度 速度分为 模具界限速度 压铸机的设定速度 工 艺所要求的实际速度 由于流量与速度是成正比例关系 所以可以从流量人手加以分析 从理论上讲 整个浇注 过程要受到内浇1 3 的压力损失的影响 受到压铸机的能 力的影响 以及受到压铸机的速度阀门开启度的控制 也就是说模具本身存在一个界限速度 另外 压铸机的 设定速度就是压射头的空打速度 它是通过改变压铸机 速度调节阀门开启度来控制的 由压射头空打速度再去 掉整个浇注过程中的压力损失就是压射头的实际速度 3 2 1 模具界限速度 模具界限速度公式如下 Vo 7 3 0 x A s X A 5 当 P w 4 x 8 5 0 2 6 c m As 7 r 4 x 1 4 5 1 6 5 c m P a1 3 5 A 2 8 3 c m 时 模 具 界 限速 度 V D 7 3 0 X 2 8 3 x 1 6 5 x 1 3 5 5 0 2 6 a 8 6 5 c m s 8 6 5 m s 3 2 2 射头实打速度与空打速度 射头实打速度为 V V y x V g V d V g 抛 6 式中 为设定的射头空打速度 m s V 为模具界限 速度 m s 应用公式 6 V o l O m s 时 实打速度v 8 6 5 X t O V 8 6 5 2 1 0 1 6 5 m s 对应图3 中的 点 如图3 所示 连接A B 并延长至横坐标 求得C 点 可求出与工艺要求相对应的机械特性 1 3 0 3 由 p 1 0 0 0 V o x A P 2 1 0 0 0 x V o x 0 5 0 2 6 1 0 2 1 3 0 3 可求得此时的空打速度V o 7 1 8 m s 代人公式 6 此 时的实打速度 v i 8 6 5 x 7 1 8 2 8 6 5 7 1 8 1 5 5 m s 对应 图3 中的B 点 3 2 3 速度关系比较 由前面3 2 1 和3 2 2 两部分内容可知 通过工艺设计 所要求的流量 可求出压铸机的设定流量 再由设定流 量可求出压铸机的空打速度 利用空打速度与模具界限 速度可求出射头的实打速度 同理 也可以应用上述公 式进行逆运算 因此 不难看出 模具界限速度代表模 具的特性 在压铸机参数中 仅与A c c 压力有关 模具 界限速度是相对独立的 它不受压射系统的控制 同样 空打速度仅代表压铸机的特性 也是相对独立的 与此 相反 实打速度是压铸机与压铸模结合的产物 完全受 压射系统的控制 换言之 实打速度即受压铸机速度调 节阀开启度的控制 同时也受模具界限速度的制约 4 从P Q2 线 图中读取压射 系统的能量 供需关 系 根据需要 压铸成形工艺对机器有一个期 望特 性 将期望特性绘 成尸 Q 图 并与 已有机器 图进 行 比较 能判定所选压铸 机是否合适 还可进一步 通过 压射能量 的计算 来判定压射能量是否能满足 需要 4 1 压铸件工艺P Q 图 能量需求 4 1 1 求最大金属流量 根据工艺所需要的金属充填流量p 求得最大金 属流量 即 p 0 3 7 式中 为最大金属流量 L s Q 为工艺所需要的金 属充填流量 Us 4 1 2 求最大金属静压 根据工艺所需要的金属充型压力P 求得最大金属 静压 即 P o 3 2 P 8 式 中 为最大金属静压力 MP a P 为充 型压力 M P a 4 1 3 绘制工艺需要的 图 在图上连接坐标上 的 与P 0 两点 完成工艺需要 的 图 一般说来 只要工艺需要的 连线位于机 器P 0 连线的下方 就表明该机器能满足压铸该零件的 需要 至于供求之间的匹配是否为最优化 还与模具 的特性有关 4 2 压射系统中的压射能量 4 2 1 压铸机能提供的压射能量P 供 计算压铸机能提供的压射能量 尸 供 0 3 8 5 P x V 0 x A液 9 式中 尸 供 为压铸机能提供的压射能量 k W P 储 为蓄能 器之压 力 MP a V 为空压射 时射 头 的最 大速度 d m s A液 为压射缸的面积 d m 4 2 2 压铸件所需的压射能量 根据公式 7 公式 8 所求得的最大金属流量 和最大金属静压 计算压铸所需的压射能量 J F 0 3 8 5 x Q 0 x P o 1 0 4 2 3 压射能量供需关系比较 从量的方面计算 出压铸机所能提供的压射能量 P 读 与压铸件生产所需要的压射能量 P 供 尸 需 说明所选择的压铸机有可能满足该压铸件的工艺要求 是实现压铸成形的必要条件 5 用P Q2 图验证设计及优化压铸 工艺 5 1 用P Q 图验证浇注系统的设计 P p 图将压铸机 压铸模 压铸工艺有机地联系在 一 起 应用液体力学 的原理 可以通过测定压铸机射 头压射能量 能量损失 压铸模浇注系统的阻力系数 来绘制 图 图主要是 由机器性能线 ML 模 具 需要 的压力 线 D L 所 组 成 的金 属 液 比压 流 量 图 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 铸造 张玉 玺 基于尸 0 图理论验 证模具设计和优化压铸工艺 参见图5 由 化线和D L 线的交点E 可获得特定压铸 模充型时金属液所能达到的最大压力和最大流量 通 过E 点的压力值和流量平方值与浇注系统的能量设计值 进行比较 验证压铸机浇注系统的能量是否满足浇注 系统的设计要求 Q一 图5 P Q 图示例 F i g 5 De mo n s t r a t i o n o f P Q c u r v e 5 2 用尸 Q 图优化压铸 系统的匹配 压铸机和压铸模组成一个压铸系统 系统应具有 尽可能大的 柔性 即在尽可能大的范围内调整工艺 参数 以适应多变的生产条件 获得高质量 的铸件 我们可以利用 图的 窗 口 功能 优化系统的匹 配 使系统具有较大的 柔性 5 2 1 常用公式 公式 1 1 和公式 1 2 也是常用的公式 v l O 0 0 x C d x 2 P p 1 1 Q V t 1 2 式中 为内浇口金属液的流速 m s C d 为流量系数 镁合金为0 5 尸 为金属液的比压 MP a p 为金属液的 密度 k g m Q 为内浇 口金属液的流量 L s z 为充填 时间 ms V 为压铸模型腔体积 c m 5 2 2 用 图优化压铸工艺 应用尸 p 图对镁合金笔记本电脑壳体压铸件的压铸 工艺进行优化 具体步骤如下 1 根 据 公 式 1 1 当 镁 合 金 C d 0 5 p 1 8 1 0 k g m 导出 2 2 7 6 取一组型腔充填速度数据 可得 出与之相对应的压射 比压 例如 v 9 0 m s 时 代人公式可得P 2 9 3 5 MP a 在P 9 图纵坐标上加上型 腔充填速度的标度值 图6 2 根据 p V t 型腔体 积V 2 6 0 1 8 1 1 4 4 c m 取一组型腔充填时间数据可得出与之相对应 的q 例 如 t 8 ms 时 可得Q 1 4 4 8 1 8 L s Q 2 3 2 4 在尸 9 图纵坐标上加上型腔充填时间的标度值 图6 3 确定型腔的最大充填速度和最小充填速度 铝 合金和锌合金一般为3 0 6 0 m s 镁合金为3 0 1 1 0 m s 铜合金为2 0 5 0 m s 最大充填速度的选取应避免充型 时粘模及对型腔过度的冲蚀 镁合金笔记本电脑壳体最 大充填速度取9 0 m s 最小充填速度的选取应确保铸造 压力在2 5 MP a 以上 由2 5 2 2 7 6 可求出v 8 3 m s 将 其作为最小充填速度 用最大和最小充填速度在尸 p 图 上作两条平行线 图7 f 宴 刨 O 0 9 0 8 0 70 6O 5 0 l O 8 7 6 5 4 3 充填时 间 m s 图6 P Q 图及充填时 间和速度图 Fi g 6 c u r v e a n d r e l a t i o n o f mo l d fil l i n g t i me a n d fil l i n g s p e e d 50 l 0 8 7 6 5 4 3 充填 时间 ms 图7 最大和最小的充填速度 F i g 7 Th e ma x i mu m an d m i n i mu m fi l l i n g s pe e d 4 确定 型腔的最长充填时间和最短充填时间 最长充填时间指充型结束前型腔内的金属液尚未凝固 最短充填时间是指充型时排出型腔 内的气体 的能力 根据经验公式T s O 0 0 5 x T 2 0 O 0 5 x 1 1 2 0 0 0 6 s 6 ms 本 例充填时间范围取5 7 ms 之问 通过最长和最短充填 时间在即 图上作两条平行线 至此四条平行线构成了 一 个矩形 窗口 图8 压铸 系统的工作状态处于 窗 口 内 则能获得优 良的压铸件 f 量 瑙 O0 90 8 0 70 6 O 5 O 1 0 8 7 6 5 4 3 充填 时 间 ms 图8 最大和最小充填时间 F i g 8 T he ma xi mu m a nd m i n i mu m fil l i n g t i me 5 在 z 图上作ML 线和现 线 两条线的交点为 E D L 线O E 段在窗 口内的长度越 大 则压铸系统 的 柔性 就越大 也意味着系统的匹配就越好 从 图9 可以看出 O E 线段穿过窗 口的上下两条平行线 说明 模具原设计是 比较合理 的 但并非最佳状态 需作进 一 步优化 6 在尸 9 图中 通过改变一些参数 来增大O E 段 在窗 口内的长度 以优化压铸系统 由图1 0 测量可得 点横坐标为3 3 1 8 mm 纵坐标为2 9 3 5 mm 由此可 知 点P 2 9 3 5 Q 2 3 3 1 8 x 2 5 8 2 9 5 代入公式 3 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 4 7 4 F OUNDRY Ma y2 0 1 0 VO 1 5 9 NO 5 1 0 0 9 O 8 0 姜 5 O f 量 1 0 8 7 6 5 4 3 充填时 间 ms 图9 模具验证与优化 F i g 9 Ve rifi c a t i o n a n d o p t i mi z a t i o n o f d i e c a s t i n g d i e 00 9 0 80 70 60 5O l 0 8 7 6 5 4 3 充 填时 问 m s 图1 0 压铸系统优化验证 Fi g 1 0 Ve rific a t i o n a n d o p t i m i z a t i o n o fd i e c a s t i n g s y s t e m 求 出AF3 2 c mz 说明 将 内浇 口面积从2 8 3 c m 改为 3 2 c mz 可使O E 段在 窗 口 内的长度达到最大值 该压铸镁合金笔记本 电脑壳体的模具 改进前生产不 稳定 工艺参数需要每班调整3 次 影响品质和产量 经上述优化改进 压铸工艺范围明显加宽 改进后为 每周确认 1 次 废品率下降5 班产量提升8 6 结束语 不难看出 用尸 图指导模具设计或验证压铸工艺 条件更具有说服力 我们可在模具设计阶段充分考虑 压铸工艺性 通过细致地分析来优化设计 也可以通 过对在用模具的分析 提 出合理的模具修改意见并实 施改进 都是很有实用价值的 1 流量 比较 从 线图中求得交点E的流量值 的平方p F 2 如果p E 2 值大于工艺所要求的流量值的平方 p R 2 说明压铸机所能提供的压射能量P 供 大于压铸件生 产所需要的压射能量P 需 也就是说 压铸机可以满足 浇注系统 的要求 否则就说 明压铸机不能满足浇注 系统 的要求 也就意味着需要采取方法来解决 直 至P 烘 为止 2 参数比较 压铸机和压铸模组成一个压铸系 统 系统应具有尽可能大的 柔性 即在尽可能大的 范围内调整工艺参数 以适应多变的生产条件 获得 高质量 的铸件 利用即 图的 窗 IZ 1 功能 只有O E 段在窗 口内的长度越大 压铸系统才具有较大的 柔 性