铝合金压铸工艺

1 压铸产品基本工艺流程及影响铝合金压铸模寿命的因素 摘要 压铸工艺是将压铸机 压铸模和合金三大要素有机地组合而加以 综合运用的过程 而压铸时金属按填充型腔的过程 是将压力 速度 温度 以及时间等工艺因素得到统一的过程 模具结构设计 热处理工艺 模具 制造及模具装配对铝合金压铸模寿命的影响 关键词 压铸工艺 压力 速度 温度 时间 寿命 影响 2 摘要 压铸工艺是将压铸机 压铸模和合金三大要素有机地组合而加以 综合运用的过程 而压铸时金属按填充型腔的过程 是将压力 速度 温度 以及时间等工艺因素得到统一的过程 模具结构设计 热处理工艺 模具 制造及模具装配对铝合金压铸模寿命的影响 关键词 压铸工艺 压力 速度 温度 时间 寿命 影响 摘要 压铸工艺是将压铸机 压铸模和合金三大要素有机地组合而加以 综合运用的过程 而压铸时金属按填充型腔的过程 是将压力 速度 温度 以及时间等工艺因素得到统一的过程 模具结构设计 热处理工艺 模具 制造及模具装配对铝合金压铸模寿命的影响 关键词 压铸工艺 压力 速度 温度 时间 寿命 影响 目录 绪 论 1 第一章 概 述 2 1 1 压铸工艺概 述 2 3 1 11 压铸工艺原 理 3 1 12 压铸工艺的特 点 5 1 13 压铸工艺的应用范 围 6 第二章 压铸合 金 7 2 1 压铸合 金 7 2 11 对压铸合金的基本要 求 8 2 12 各类压铸铝合 金 9 第三章 压铸件的结构设 计 13 3 1 功能结构设 计 13 3 11 压铸件的尺寸精度及加工余 量 4 14 3 12 压铸件的表面质 量 15 第四章 压铸工 艺 16 4 1 压 力 16 4 11 压射压 力 16 4 12 胀模 力 18 4 2 速 度 19 4 21 压射速 度 19 4 22 内浇口速 度 20 4 23 内浇口速度与压射速度和压力的关 系 21 4 3 温 度 5 22 4 31 合金浇注温 度 22 4 32 内浇口速度对合金温度的影 响 23 4 33 压铸模的温 度 24 4 4 时 间 24 4 41 填充时间和增压建压时 间 24 4 42 持压时间和留模时 间 25 4 5 压铸涂 料 26 4 51 压铸涂料的作用和压铸涂料的要 求 26 4 52 压铸涂料的使 用 27 第五章 影响铝合金压铸模寿命的因 素 28 6 5 1 模具结构设计的影 响 28 5 2 热处理工艺的影 响 29 5 3 模具制造的影 响 30 5 4 模具装配的影 响 30 5 5 模具的使用维 护 31 结 论 32 致谢 辞 33 参考文 献 34 7 绪论 压铸工艺是一种高效率的少 无切削金属的成型工艺 从 19 世纪初期用铅 锡合金压铸印刷机的铅字至今已有 150 多年的历史 由于压铸工艺在现代工业 中用于生产各种金属零件具有独特的技术特点和显著的经济效益 因此长期以 来人们围绕压铸工艺 压铸模具及压铸机进行了广泛的研究 取得了可喜的成 果 中国压铸业不断追求技术进步 不断追求高品质生产 压铸总体水平与国 外先进水平相比虽有差距 但从某些经常用来评价压铸技术水平的指标来看 这种差距正在缩小 压铸是一个高度依赖技术经验的行业 中国压铸专业人员不足 整体技术 素质偏低 无国界的市场 使我国压铸企业面临发展壮大的机会 同时也面临 着日益激烈的竞争风险 人才是企业生存和发展的根本 企业要不断地学习运 用先进的生产技术 必须培养高素质的技术和管理人才 只有这样 才能使中 国压铸业取得更大进步 目前 我国的铝合金压铸模具寿命与国外相比相差较大 延长模具寿命对 于铝合金压铸行业的发展具有重要的意义 8 第一章 概述 1 1 压铸工艺概述 压铸工艺是把压铸合金 压铸模和压铸机这三个生产要素有机组合和运用 的过程 现就压铸工艺的发展历史及有代表性的事件做简要的回顾 1838 年格 勃鲁斯首先用压铸法生产铅字 1839 年一种活塞式压铸机获得了第一个压力铸造专利 1849 年英国人斯都奇斯取得热压室压铸机专利 1885 年奥 默根瑟勒在前人的基础上发明了一种铅字压铸机 1907 年瓦格纳首先制成了气动活塞压铸机 1920 年英国开发了冷压室压铸机 使压铸机有可能生产铝合金和镁合金等 压铸件 1927 年捷克人约瑟夫 波拉克设计了立式冷压室压铸机 1952 年前苏联制造出了第一台立式冷压室压铸机 我国在 60 年代也制造 出了此种压铸机 1958 年真空压铸机在美国获得专利 1966 年美国人 General Motors 公司提出精 速 密压铸法 1969 年美国人爱列克斯提出充氧压铸的无气孔压铸法 今后压铸生产的发展趋势是 压铸工艺要采用新技术 提高压铸件质量 扩大应用范围 压铸机要实现系列化 大型化及自动化 压铸模要提高使用寿 命 总之 为压铸生产开辟更广阔的前景 压铸工艺流程图示 9 1 压铸机调试 2 压铸模安装 4 模具预热 涂料 7 合型 合模 10 浇注压射 11 保压 12 开模 抽芯取件 14 清理 整修 17 终检验 3 压铸模设计与制造 5 涂料配制 6 模具清理8 合金熔炼保温 9 嵌件准备 13 表面质量检查 15 时效处理16 铸件浸渗 喷 丸处理 10 1 11 压铸工艺原理 压铸工艺原理是利用高压将金属液高速压入一精密金属模具型腔内 金属 液在压力作用下冷却凝固而形成铸件 冷 热室压铸是压铸工艺的两种基本方 式 其原理如图 1 1 所示 冷室压铸中金属液由手工或自动浇注装置浇入压室 内 然后压射冲头前进 将金属液压入型腔 在热室压铸工艺中 压室垂直于 坩埚内 金属液通过压室上的进料口自动流入压室 压射冲头向下运动 推动 金属液通过鹅颈管进入型腔 金属液凝固后 压铸模具打开 取出铸件 完成 一个压铸循环 图 1 1 压铸工艺原理示意图 a 冷室压铸原理 b 热室压铸原理 11 1 12 压铸工艺的特点 一 优点 1 可以制造形状复杂 轮廓清晰 薄壁深腔的金属零件 因为熔融金属在 高压高速下保持高的流动性 因而能够获得其他工艺方法难以加工的金 属零件 2 压铸件的尺寸精度较高 可达 IT11 13 级 有时可达 IT9 级 表面粗糙 度达 Ra0 8 3 2um 互换性好 3 材料利用率高 由于压铸件的精度较高 只需经过少量机械加工即可装 配使用 有的压铸件可直接装配使用 其材料利用率约 60 80 毛坯 利用率达 90 4 生产效率高 由于高速充型 充型时间短 金属业凝固迅速 压铸作业 循环速度快 在各种铸造工艺中 压铸方法生产率最高 适合大批量生 产 5 方便使用镶嵌件 易于在压铸模具上设置定位机构 方便嵌铸镶嵌件 满足压铸件局部特殊性能要求 二 缺点 1 由于高速填充 快速冷却 型腔中气体来不及排出 致使压铸件常有气 孔及氧化夹杂物存在 从而降低了压铸件质量 因高温时气孔内的气体 膨胀会使压铸件表面鼓泡 因此 有气孔的压铸件不能进行热处理 2 压铸机和压铸模费用昂贵 不适合小批量生产 3 压铸件尺寸受到限制 因受到压铸机锁模力及装模尺寸的限制而不能 压铸大型压铸件 4 压铸合金种类受到限制 由于压铸模具受到使用温度的限制 目前主要 用来压铸锌合金 铝合金 镁合金及铜合金 1 13压铸工艺的应用范围 压铸生产效率高 能压铸形状复杂 尺寸精确 轮廓清晰 表面质量及强度 硬度都较高的压铸件 故应用较广 发展较快 目前 铝合金压铸件产量较多 其次为锌合金压铸件 12 压铸工艺主要用于汽车 拖拉机 电气仪表 电信器材 航天航空 医疗器 械及轻工日用五金行业 生产的主要零件有发动机汽缸体 汽缸盖 变速箱体 发动机罩 仪表及照相机的壳体及支架 管接头齿轮等 各种合金压铸件的质量和尺寸范围见表 1 1 表 1 1 合金压铸件质量和尺寸范围 质量平均壁厚外形尺寸最小孔径合金 最大最小最大最小最大最小 mm 锌合金 铝合金 铜合金 92000 60000 12000 0 3 0 14 10 10 12 20 0 3 0 7 0 8 400 1220 160 4 5 2 0 7 0 7 注 铜合金最大壁厚指局部尺寸 第二章 压铸合金 2 1 压铸合金 压铸合金是压铸生产的要素之一 要生产优良的压铸件 除了要有合理的 零件构造 设计完善的压铸模和工艺性能优越的压铸机外 还需要有性能良好 的合金 压铸件的断面厚度取决于它承受的应力和合金材料本身的强度 具有较高 强度是压铸合金的优点之一 选用压铸合金时 应充分考虑其使用性能 工艺 性能 使用场合 生产条件和经济性等多种因素 2 11 对压铸合金的基本要求 1 热温度不高时具有较好的流动性 便于充填复杂型腔 以获得表面质量良 好的铸件 2 线收缩率和裂纹倾向性小 以免铸件产生裂纹 并可提高铸件尺寸精度 3 结晶温度范围小 防止产生缩孔和缩松 提高铸件质量 13 4 具有一定的高温强度 以防止推出铸件时产生变形或碎裂 5 在常温下有较高的强度 以适应大型薄壁复杂铸件生产的需要 6 与金属型腔相互之间物理 化学作用的倾向性小 以减少粘膜和相互合金化 7 具有良好的加工性能和一定的抗腐蚀性 2 12 各类压铸铝合金 Al Si 合金 由于 Al Si 合金具有结晶温度间隔小 合金中硅相有很大的凝固潜热和较 大的比热容 线收缩系数也比较小等特点 因此其铸造性能一般要比其他铝合 金为好 其充型能力也较好 热裂 缩松倾向也都比较小 Al Si 共晶体中所 含的脆性相 硅相 数量最少 质量分数仅为 10 左右 因而其塑性比其他铝 合金的共晶体好 仅存的脆性相还可通过变质处理来进一步提高塑性 试验还 表明 Al Si 共晶体在其凝固点附近温度仍保持良好的塑性 这是其他铝合金 所没有的 铸造合金组织中常要有相当数量的共晶体 以保证其良好的铸造性能 共 晶体数量的增加又会使合金变脆而降低力学性能 两者之间存在一定的矛盾 但是由于 Al Si 共晶体有良好的塑性 能较好的兼顾力学性能和铸造性能两方 面的要求 所以 Al Si 合金是目前应用最为广泛的压铸铝合金 Al Mg 合金 Al Mg 合金的性能特点是 室温力学性能好 抗腐蚀性强 铸造性能比较 差 力学性能的波动和壁厚效应都较大 长期使用时 有因时效作用而使合金 的塑性下降 甚至压铸件出现开裂的现象 压铸件产生应力腐蚀裂纹的倾向也 较大等 Al Mg 合金的缺点部分抵消了它的优点 使其在应用方面受到一定的 限制 Al Zn 合金 Al Zn 合金压铸件经自然时效后 可获得较高的力学性能 当锌的质量分 数大于 10 时 强度显著提高 此合金的缺点是耐蚀性差 有应力腐蚀的倾向 压铸时易热裂 常用的 Y401 合金流动性好 易充满型腔 缺点是形成气孔倾向 14 性大 硅 铁含量少时 易热裂 第三章 压铸件的结构设计 3 1 功能结构设计 压铸件功能结构设计是压铸件结构设计的核心 它确定了能实现压铸件使 用功能所需的尺寸 壁厚和形状 并校核压铸件在静载荷或动载荷的使用过程 中的形变 疲劳 磨损等的变化状态 以满足其使用的安全性 设计压铸件的功能结构 不但要具有机械结构设计和机械加工等方面的素 质和技术能力 也还需要有压铸合金 压铸成型工艺以及压铸模设计等诸多方 面的综合基础知识 以使得所设计的功能结构 能够满足压铸件所规定的各项 技术要求以及在使用期限内的功能及性能 并且是可靠 安全和经济的 压铸件按使用功能可分成两类 一类是能承受较大载荷或有较高相对运动 速度的压铸件 检查的项目有尺寸精度 表面要求 化学成分 力学性能 甚 至于进行破坏性试验 检验其内部缺陷等 另一类是一般压铸件 检查的项目 有尺寸精度 表面要求 化学成分 3 11 压铸件的尺寸精度及加工余量 一 压铸件的尺寸精度 压铸件能达到的尺寸精度是比较高的 其稳定性也很好 基本上依压铸模 制造精度而定 造成压铸件尺寸偏差的原因很多 其中有合金本身化学成分的 偏差 工作环境温度的高低 金属收缩率的波动 开模和抽芯以及推出机构运 动状态的稳定程度 模具使用过程中的磨损量引起的误差 压铸工艺参数的偏 差 压铸机的精度和刚度引起的误差 模具的修理次数及其使用期限等 而这 些原因又互相交织在一起 彼此影响 二 加工余量 当压铸件的尺寸精度与形位公差达不到设计要求而需机械加工时 应优先 考虑精整加工 以便保留其强度较高的致密层 加工余量应选用较小值 见表 3 1 表 3 1 机械加工余量 15 尺寸 3030 5050 8080 120 120 180 180 260 260 360 360 500 单面 余量 0 30 40 50 60 70 81 01 2 注 1 待加工的内表面尺寸以大端为基准 外表面尺寸以小端为基准 2 机械 加工余量取铸件最大尺寸与公称尺寸两余量的平均值 3 12压铸件表面质量 压铸件按使用要求分 3 级 1 级 要求高的表面 需镀铬 抛光 研磨 相对运动配合面 危险应力区表面 相当于 Ra 1 6um 2 级 涂装要求一般 或要求密封的表面 镀锌 阳极化 油漆 不打腻 装配 接触面 相当于 Ra 3 2um 3 级 保护性涂装表面及紧固接触面 油漆打腻面 其他表面 相对于 Ra 6 3um 第四章 压铸工艺 4 1压力 压力是压铸工艺的基本特征 金属液的充型流动和压实都是在压力的作用下 完成的 压力分为动态压射力和增压压射力 动态压射力的作用是克服各种阻 力 保证充型时金属液达到一定速度 增压压射力的作用是在充型结束后对压 铸件进行压实 提高压铸件的致密度 使压铸件轮廓清晰 压射力通过压射冲 头对金属液施加压力 施加压力的大小用比压表示 冷室压铸机的动态压射比 压一般在 30 90MPa 之间 增压压射比压一般在 50 300MPa 之间 热室压铸机提 供的压射比压可达到 20 50MPa 应该注意 使用压铸机提供的最小压射冲头才 能得到最大压射比压 选择压射比压时 应考虑压铸机能够提供压射力及使用 的压射冲头 超出可选范围则无法达到 4 11压射比压 P3 P4 16 压力 P2 P1P2 P1 T1t2t3t4 保压时间 升压充填增压 注 t1金属液在压室中未承受压力的时间 P1 为一级 慢速 t2金属液于压室中在压射冲头的作用下 通过内浇口充填型腔 的时间 P2 为二级 快速 t3充填刚刚结束时的舜间 P3 为三级 增压 t4最终静压力 P4 为补充压实铸件 4Py Pb d2 式中 Pb比压 Mpa Py 机器的压射力 N 压射力 压射缸直径 蓄压器压射时间最小压力 d压室 冲头 直径 MM 比压的选择与多种因素有关 一般应遵守以下原则 1 压铸件结构特征 薄壁压铸件 压射比压可选高些 厚薄压铸件 增压 比压可选高些 形状复杂 压射比压可选高些 工艺性良好 压射比 压可选低些 2 压铸合金特性 结晶温度范围宽 增压比压可选高些 流动性差 压 射比压可选高些 密度大 压射比压 增压比压可选高些 3 浇注系统 流程长 转折多 浇口薄 阻力大 压射比压可选高些 浇道扁平 散热快 压射比压可选高些 4 合金及压铸模具温度 合金浇注温度较低 压铸模具温度较低 压射比 17 压可选高些 合金液与压铸模具温度差异较大时 压射比压可高些 5 压铸件质量 压铸件内部质量要求高 增压比压可选高些 压铸件表 面质量要求高 压射比压可选高些 4 12胀模力 压铸过程中 在比压的作用下 金属液填充型腔时 给型腔壁和分型面一 定的压力 称为胀模力 在压铸过程中的最后阶段即增压比压通过金属液传给 压铸模时 胀型力最大 是为压铸件初选压铸机型号及支承板进行强度和刚度 校核的重要参数 胀型力可根据分型面的面积初步预算 Fz pbA 式中 Fz 模具分型面上的胀型力 N 当有活动镶块契紧装置时 应计入 侧面胀型力引起锁模方向的分力 Pb 压射比压 MPa 有增压机构的压铸机采用增压比压 A 压铸件 浇口和排溢系统在分型面上投影面积总和 表 4 1 各种压铸合金常用比压表 铸件壁厚 3 mm 铸件壁厚 3 mm 合金 结构简单结构复杂结构简单结构复杂 锌合金 20 3030 4040 5050 60 铝硅 铝铜合 金 25 3535 4545 6060 70 铝 镁合金 30 4040 5050 6565 75 镁合金 30 4040 5050 6565 80 铜合金 40 5050 6060 7070 80 4 2速度 压铸过程中 速度受压力的直接影响 又与压力共同对内部质量 表面轮 廓清晰度等起着重要作用 速度有压射速度和内浇口速度两种形式 18 4 21压射速度 压射速度又称冲头速度 它是压室内的压射冲头推动金属液的移动速度 也就是压射冲头的速度 压射过程中压射速度是变化的 它可分成低速和高速 两个阶段 通过压铸机的速度调节阀可进行无级调速 压射第一阶段 第二阶段是低速压射 可防止金属液从加料口溅出 同 时使压室内的空气有较充分的时间逸出 并使金属液堆积在内浇口前沿 低速 压射的速度根据浇到压室内金属液的多