铝合金压铸结构设计规范

铝合金压铸件的设计和质量要求 学习内容 1 压铸工艺及压铸铝合金材料常识 2 铝合金压铸件的设计 3 铝合金压铸件的质量要求 1 压铸工艺及压铸铝合金材料常识 一 压铸工艺简介压力铸造 简称压铸 是近代金属成型加工工艺中发展较快的一种少无切削的特种铸造方法 工艺实质是在高压作用下 使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸型型腔 并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法 工艺过程动画压铸工艺的特点 高速高压是压力铸造的主要特征 常用的工作压力为数十兆帕 填充速度约为16 80m s 金属液填充模具型腔时间极短 约为0 01 0 2s 与其它铸造方法相比 压铸有以下三方面优点 1 产品质量好铸件尺寸精度高 一般相当于6 7级 甚至可达4级 表面光洁度好 一般相当于5 8级 强度和硬度较高 强度一般比砂型铸造提高25 30 但延伸率降低约70 尺寸稳定 互换性好 可压铸薄壁复杂的铸件 例如 当前锌合金压铸件最小壁厚可达0 3mm 铝合金铸件可达0 5mm 最小铸出孔径为0 7mm 最小螺距为0 75mm 2 生产效率高机器生产率高 例如国产J1113型卧式冷空压铸机平均八小时可压铸600 700次 小型热室压铸机平均每八小时可压铸3000 7000次 压铸型寿命长 一付压铸型 压铸钟合金 寿命可达几十万次 甚至上百万次 易实现机械化和自动化 3 经济效果优良由于压铸件尺寸精确 表泛光洁等优点 一般不再进行机械加工而直接使用 或加工量很小 所以既提高了金属利用率 又减少了大量的加工设备和工时 铸件价格便易 可以采用组合压铸以其他金属或非金属材料 既节省装配工时又节省金属 压铸是最先进的金属成型方法之一 是实现少切屑 无切屑的有效途径 应用很广 发展很快 目前压铸合金不再局限于有色金属的锌 铝 鎂和铜 而且也逐渐扩大用来压铸铸铁和铸钢件 压铸件的尺寸和重量 取决于压铸机的功率 由于压铸机的功率不断增大 铸件形尺寸可以从几毫米到1 2m 重量可以从几克到数十公斤 国外可压铸直径为2m 重量为50kg的铝铸件 二 压铸合金用于生产压铸件的金属材料有多为铝合金 纯铝 锌合金 铜合金 镁合金 铅合金 锡合金等有色金属 黑色金属很少采用 对压铸合金的基本要求 三 压铸铝合金材料常识我公司常用的压铸件材料为压铸铝合金 代号为YL102 国标材料 和ADC12 日本标准材料 二种 国标GB T15115和日本标准JISH5302中分别规定了压铸铝合金的牌号 代号 化学成份 检验方法和检验规则等 ADC12相当于YL104 但性能参数 化学成份不恒等 特别在性能上相差较大 压铸铝合金中各元素的作用和影响1 硅 Si 硅是大多数压铸铝合金的主要元素 它能改善合金的铸造性能 硅与铝能组成固溶体 在577 时 硅在铝中的溶解度为1 65 室温时为0 2 含硅量至11 7 时 硅与铝形成共晶体 提高合金的高温造型性 减少收缩率 无热裂倾向 当合金中含硅量超过共晶成分 而铜 铁等杂质又多时 即出现游离硅的硬质点 使切削加工困难 高硅铝合金对铸件坩埚的熔蚀作用严重 2 铜 Cu 铜和铝组成固溶体 当温度在548 时 铜在铝中的溶解度应为5 65 室温时降至0 1 左右 增加含铜量 能提高合金的流动性 抗拉强度和硬度 但降低了耐蚀性和塑性 热裂倾向增大 3 镁 Mg 在高硅铝合金中加入少量 约0 2 0 3 的镁 可提高强度和屈服极限 提高了合金的切削加工性 含镁8 的铝合金具有优良的耐蚀性 但其铸造性能差 在高温下的强度和塑性都低 冷却时收缩大 故易产生热裂和形成疏松 4 锌 Zn 锌在铝合金中能提高流动性 增加热脆性 降低耐蚀性 故应控制锌的含量在规定范围中 5 铁 Fe 在所有铝合金中都含有害杂质 因铝合金中含铁量太高时 铁以FeAl3 Fe2Al7和Al Si Fe的片状或针状组织存在于合金中 降低机械性能 这种组织还会使合金的流动性减低 热裂性增大 但由于铝合金对模具的粘附作用十分强烈 当铁含量在0 6 以下时尤为强烈 当超过0 6 后 粘模现象便大为减轻 故含铁量一般应控制在0 6 1 范围内对压铸是有好处的 但最高不能超过1 5 6 锰 Mn 锰在铝合金中能减少铁的有害影响 能使铝合金中由铁形成的片状或针状组织变为细密的晶体组织 故一般铝合金允许有0 5 以下的锰存在 含锰量过高时 会引起偏析 7 镍 Ni 镍在铝合金中能提高合金的强度和硬度 降低耐蚀性 镍与铁的作用一样 能减少合金对模具的熔蚀 同时又能中和铁的有害影响 提高合金的焊接性能 当镍含量在1 1 5 时 铸件经抛光能获得光洁的表面 由于镍的来源缺乏 应尽量少采用含镍的铝合金 8 钛 Ti 铝合金中加入微量的钛 能显著细化铝合金的晶粒组织 提高合金的机械性能 降低合金的热裂倾向 2 铝合金压铸件的设计 压铸件对压铸工艺的符合性 是防止不良品的发生并以低成本大批量生产的保证 良好的压铸件设计可以保证模具的寿命和生产的可靠性以及高的良品率 压铸件的设计原则是 正确选择压铸件的材料 合理确定压铸件的尺寸精度 尽量使壁厚分布均匀 避免尖角 压铸件按使用要求可分为两大类 一类承受较大载荷的零件或有较高相对运动速度的零件 检查的项目有尺寸 表面质量 化学成分 力学性能 抗拉强度 伸长率 硬度 另一类为其它零件 检查的项目有尺寸 表面质量及化学成分 一 压铸件的结构要素合理的压铸件结构不仅能简化压铸型的结构 降低制造成本 同时也改善铸件质量 1 铸件设计的结构要求 1 消除内部侧凹 如 2 避免或减少抽芯部位 压铸抽芯过程示意 避免和减少抽芯的方法 非重要部位 由压铸完成后的后续工序完成 改进结构设计 以满足功能而牺牲外观 如 3 避免型芯交叉 如 2 铸件设计的壁厚要求 压铸件设计的特点之一是壁厚设计 合理的壁厚取决于铸件的具体结构 合金性能和压铸工艺等因素 为了满足各方面的要求 以正常 均匀壁厚为佳 薄壁铸件致密性好 相对提高了铸件强度及耐压性 但壁不能太薄 太薄使合金熔接不好 易产生缺陷 并给工艺带来困难 特别是大面积的薄壁成型更困难 厚壁或壁厚的严重不均匀则易产生缩孔 气孔等缺陷 使压铸件的力学性能明显下降 图3 2表示出锌合金 铝合金 镁合金的强度增减百分比与铸件壁厚的关系 图3 2 故在保证铸件有足够强度和刚度的前提下 应尽量减小厚度并保持截面的厚薄均匀一致 为了避免缩松等缺陷 对铸件的厚壁处应减厚 增加加强筋 压铸件的壁厚一般以2 4mm为宜 同一压铸件内最大壁厚与最小壁厚之比不要大于3 1 壁厚超过6mm的铝合金零件不宜采用压铸 推荐采用的最小壁厚和适宜壁厚见表1 压铸件总体尺寸越大 壁厚也应越厚 而壁厚一定时 该壁厚的面积也应受到一定的限制 表1压铸件的最小壁厚和正常壁厚 对于大面积的平板类厚壁铸件 设置筋以减少壁厚 如 如下图为各种改进铸件壁过厚的部位的示例 压铸件各种典型的截面形状 如下图 3 铸件设计筋的要求筋的作用是壁厚改薄后 用以提高零件的强度和刚性 防止或减少铸件收缩变形 避免工件从模型内顶出时发生变形 填充时用以作辅助回路 金属流动的通路 筋的厚度应小于所在壁的厚度 一般取该处壁的厚度的2 3 3 4 表3 1 4为筋的断面尺寸 筋的设置原则 一是要尽量对称 二是尽量避免筋与筋之间在同一部位的加固和交叉 尽量避免筋的布置可于密集 三是筋的布置方案应考虑避免零件包定模的情况 四是考虑设置防零件变形的筋 4 铸件设计的圆角要求 压铸件各部分相交应有圆角 分型面处除外 使金属填充时流动平稳 气体容易排出 并可避免因锐角而产生裂纹 对于需要进行电镀和涂饰的压铸件 圆角可以均匀镀层 防止尖角处涂料堆积 圆角的不合理对模具的强度 寿命及应力集中产生不良的影响 如下图所示 铸件圆角对质量的影响 压铸件圆角与应力集中的关系 表2压铸件的最小圆角半径 mm 铝合金压铸件的圆角半径R一般不宜小于1mm 最小圆角半径为0 5mm 见表2 铸造圆角半径的计算见图3 图3 铸造圆角半径的计算 mm 说明 计算后的最小圆角应符合表2的要求 压铸件典型结构圆角参数的选择如下 直角连接 T型连接 交叉连接 铸件的尖角 直角 盲孔和凹槽的根部凸起部分都应有圆角 当铸件的内角必须为清角时 应参看下图设计 有时 考虑模型型腔加工的方便 对同一零件也可以选用大小相等的圆角 5 铸件设计的铸造斜度要求设计压铸件时 就应在结构上留有结构斜度 无结构斜度时 在需要之处 必须有脱模的工艺斜度 斜度的方向 必须与铸件的脱模方向一致 推荐的脱模斜度见表4 各种尺寸大小与深度和脱模斜度的关系查阅有关压铸模设计手册 表4脱模斜度 说明 由此斜度而引起的铸件尺寸偏差 不计入尺寸公差值内 表中数值仅适用型腔深度或型芯高度 50mm 表面粗糙度在Ra0 1 大端与小端尺寸的单面差的最小值为0 03mm 当深度或高度 50mm 或表面粗糙度超过Ra0 1时 则脱模斜度可适当增加 高熔点的合金大于低熔点合金 壁厚厚的大于薄壁的 内侧的大于外侧的 一般可取外侧为内侧的1 2 形状复杂的大于形状简单的 6 铸孔和孔到边缘的最小距离 1 铸孔 压铸件的孔径和孔深 对要求不高的孔可以直接压出 可按下表关系 由于在实际生产中 直径2mm以下的型针极易变形弯曲以及断针 所以对以2mm以下的型针建议直接做成引孔针 后续由加工保证 对于压铸件自攻螺钉用的底孔 推荐采用的底孔直径见表6 表6自攻螺钉用底孔直径 mm 2 铸孔到边缘的最小距离 为了保证铸件有良好的成型条件 铸孔到铸件边缘应保持一定的壁厚 见图2 b 1 4 1 3 t当t 4 5时 b 1 5mm 7 压铸件上的长方形孔和槽 压铸件上的长方形孔和槽的设计推荐按表7采用 表7长方形孔和槽 mm 说明 宽度b在具有铸造斜度时 表内值为小端部位值 在一定的工艺条件下 锌 铝及镁等合金的压铸件 可以直接压出螺纹 铜合金只是在个别情况下才压铸出螺纹 压铸螺纹一般为国家标准规定的3级精度 压铸螺纹通常为外螺纹较多 在必要时 也可以压铸内螺纹 外螺纹又分两种 一种是由可分开的两半螺纹型腔构成 这种方式的特点是易产生错扣 圆度稍差 但可以达到精度范围内 使用前要经过简单修整加工 另一种是由螺纹型环构成 其特点是不产生错扣 圆度好 但生产效率低 操作不安全 内螺纹方式是由螺纹型芯构成 其特点是螺纹型芯的螺纹在轴方向上要有斜度 通常为10 15 螺纹长度有限 压铸螺纹的牙形 应是平头或圆头的 平头螺纹见下图 压铸螺纹极限尺寸和斜度见表3 1 13和表3 1 14 8 铸件设计的压铸螺纹及齿轮 压铸齿轮的最小模数见表3 1 17 压铸凸台应有足够的高度 便于留切削余量 而不致使刀具切削到铸件壁上 凸台的最小高度h 2 2 5mm 当紧固件的孔中心距L等于或小于表3 1 19所列数值时 应将相近的凸台连成一体 见图3 1 22 9 铸件设计中的凸台 凸纹及文字和图案 表3 1 19紧固件中心距mm 凸纹和直纹可直接压出 其纹路一般要平行于出模方向 并有一定的脱模斜度 按内表面选取 其结构尺寸见表3 1 20 压铸件上的文字 图案与符号一般是凸体的 不应有尖角 尽可能简单 其有关尺寸见表3 35 铸件上线条的凸起高度与宽度之比约为3 2 最小高度为0 3mm 字体出型越大越好 一般不应小于10 铸字一般分为三种 如图3 9所示 图3 9 c 是有特殊理由才能使用 10 铸件设计中的铸入嵌件压铸零件内可铸入金属或非金属镶件 铸入镶件的材料多为铜 钢 纯铁等 镶铸件的作用有这样几个方面 加强压铸件某些部位的强度 耐磨性 导电性 成绝缘性等 如铝中铸入钢件提高强度 铸入蓝宝石提高耐磨性 铸入绝缘材料降低成本及提高绝缘性 铸入铁心赋予导磁性等 清除压铸件过于复杂的型腔以及内侧凹形无法压铸的型腔 消除热节 避免疏松 利用低熔点金属压铸代替贵金属 如用高硅铝代替青铜 可将许多小铸件合铸起来代替部分装配 铸件铸入后 被基体金属所包紧 不应松动 嵌件周围的铸件基体金属不应小于1 5 2mm 大铸件上应增厚 镶件与铸件金属基体之间不应产生电化腐蚀 这时 镶件的表面可加保护层 镶件上被包围的部分不应有清角 棱边 以免铸件开裂 有镶件的铸件应避免热处理 以免两种金属相变的不同而产生体积变化的不同 导致镶件在铸件内松动 设计带嵌件的压铸件的注意事项 镶件应能满足放入模型内的定位要求和各种公差配合的要求 镶件的形状和在铸件上所处的位置应使压铸生产时放置方便 嵌件不应离浇口太远 以免熔接不牢 如必须远离 应适当提高浇注温度 对镶嵌件要进行清理 去污秽 如油 灰 锈等 并要进行预热 见表3 1 26 带螺纹的镶嵌件 嵌入后留1 5 2mm在外边 图3 1 28 镶嵌件压直 网纹等花纹时 沟槽宽度不应小于2mm 深度不应小于1 5mm 图3 1 29 滚花尺寸见表3 1 27 嵌件常用的固定方法 11 铆钉头的设计 压铸件与其它零件铆接时 其铆钉头可在压铸时与铸件同时铸出 压铸铆钉头的尺寸见图表2 31 12 压铸件尽量减小加工面积 13 压铸件的加工余量 压铸件由于尺寸精度或形位公差达不到产品图纸要求时 应首先考虑采用精整加工方法 如校正 拉光 挤压 整形等 必须采用机加工时应考虑选用较小的加工余量 并尽量以不受分型面及活动成型影响的表面为毛坯基准面 推荐采用的机加工余量及其偏差值见表8 铰孔余量见表9 表8推荐机加工余量及其偏差 mm 表9推荐铰孔加工余量 mm 14 压铸件的收缩率铸件收缩率K L模 L件 L件式中 L模为模腔尺寸 L件为铸件尺寸 压铸件的收缩率包括压铸合金的液态收缩 凝固收缩 固态收缩以及压铸模具工作温度升高时膨胀的影响 影响收缩率的因素主要有 1 铸件结构越复杂 型芯数量越多 阻碍收缩的因素就多 因此收缩率就小 2 薄壁铸件收缩小 壁厚铸件收缩率大 3 包住型芯的径向尺寸收缩受阻 收缩率较小 4 浇注温度高时收缩率大 反之收缩率小 5 有镶嵌件的铸件收缩率变小 6 铸件在压铸模具中停留时间短 脱模温度高 则铸件的固态自由收缩大 总之收缩也就越大 反之收缩越小 综合上述因素 要精确确定收缩率就很困难 在计算成型尺寸时 往往综合上述诸多因素的影响 综合考虑收缩率 实际经验数据 具体根据壁厚 壁厚的收缩率高锌合金 K 0 4 0 8 一般可选0 6 铝合金 K 0 3 0 7 一般可选0 5 15 表皮铸态零件其外表面有致密的激冷表皮层比铸件其它部分有较高的力学性能 因此设计者应避免机械加工去掉铸件表皮致密层 尤其是对要求耐磨的铸件 二 压铸件的精度1 压铸件的尺寸公差及选用见表3 1 37 压铸件线性尺寸受分型面或压铸模活动部分的影响 应按表3 1 38和表3 1 39的规定 在基本尺寸公差上再加附加公差 应用较多的压铸件尺寸的经济精度为IT11 IT13级 高时可达IT9 IT10级 未注公差可参照IT14级选取 注 CT4 CT8为铸造件尺寸公差 国标GB T6414 精密压铸件的尺寸公差选取时 应考虑以下因素 1 铸件空间对角线的大小 L空2 a2 b2 c2 2 合金种类的影响 铝合金和镁合金为一类 锌合金 铅合金和锡合金为一类 铜合金为一类 3 不同压铸工艺水平和保证条件对精度有不同程度的综合影响 引起尺寸误差较小的选取 类精度 较大时选取 类精度 具体查阅有关 压铸模设计手册 尺寸公差带的位置可按以下原则来确定 1 不加工的配合尺寸 孔取正 轴取负 2 待加工尺寸 孔取负 轴取正 或孔和轴均取双向偏差 3 非配合尺寸根据铸件结构的需要 确定公差带位置取单向或双向 2 压铸件的自由角度和锥度公差按表3 10 锥度公差按母线的长度决定 角度公差按角度短边长度决定 表中的精度等级指的是精度类别 3 压铸件的形状与位置公差 4 压铸件的表面粗糙度压铸件表面粗糙度应符合 GB T6060 1铸造表面 的规定 按使用要求 压铸件可分为三级 如表3 42 3 铝合金压铸件的质量要求 一 铝合金压铸件的缺陷1 流痕 花纹 条纹 流痕 花纹 条纹 是首先进入模腔的熔融合金 形成一层极薄而不均匀的金属层 被后来的熔融合金所弥补而留下的痕迹 2 冷隔 冷接 冷隔 冷接 是温度较低的金属流相互对接但未熔合而出现的缝隙 3 凹陷 凹陷是压铸件平滑表面上出现凹瘪的部分 其表面呈自然冷却状态 4 气泡 鼓泡 气泡 鼓泡 是压铸件表皮下 聚集气体鼓胀所形成的鼓泡 气泡 5 气孔 针孔 气孔 针孔是卷入压铸件内部的气体所形成的形状较为规则 表面较为光滑 显灰暗色表面的孔洞 多为圆形 椭圆 6 缩孔 疏松 缩孔 疏松是压铸件在冷凝过程中 由于内部补偿不足所造成的形状不规则 表面较粗糙的孔洞 7 裂纹 裂纹是压铸件上合金基体被破坏或断开形成细丝状的缝隙 有冷裂和热裂两种 冷裂纹未被氧化 热裂纹被氧化 8 欠铸 欠铸是熔融金属未充满型腔 压铸件上出现填充不完整的部位 9 飞边 飞边是压铸件边缘上出现的金属薄片 也叫披锋 10 模裂 模裂是压铸件因模具裂纹 龟裂 印在压铸件上的条纹 11 分层 夹层 分层 夹层 是压铸件上局部存在有明显的金属层次 12 错边 错边是压铸件上的一部分和另一部分在分型面上的错开 发生相对位移 也称错位 13 变形 变形是压铸件几何形状与设计要求不符的整体变形 14 擦伤 拉痕 粘模伤痕 顺着脱模方向 由于金属粘附 模具制造斜度太小而造成铸件表面的拉伤痕迹 严重时成为拉伤面 15 碰伤 铸件表面因碰击而造成的伤痕 16 硬质点 氧化夹杂 夹渣 铸件基体内存在有硬度高于金属基体的细小质点或块状物 使加工困难 刀具磨损严重 加工后铸件上常常显示出不同亮度的硬质点 17 脆性 铸件基本金属晶粒过于粗大或细小 使铸件易断裂或碰碎 18 渗漏 压铸件经试验产生漏水 漏气或渗水 19 化学成分不符合要求 经化学分析 铸件合金元素不符要求或杂质