基于PQ2图理论验证模具设计和优化压铸工艺

基于PQ2图理论验证模具设计和优化压铸工艺摘 要：一直以来，PQ2图只是研究者的课题，业界应用者甚少。本文运用PQ2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。本文全面细致地叙述了PQ2图的绘制方法及应用过程，并从不同角度进行分析与说明，旨在能让更多的行业爱好者充分理解PQ2图，并将其实用化。关键词：绘制PQ2图、验证模具设计、优化压铸工艺。1. 引言所谓PQ2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。对于压铸机来讲：每台压铸机的压射系统都有其自身的特性，PQ2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，它说明了压铸机提供压射能量的能力。对于模具来讲：当浇排系统确定之后，这付模具也形成了其独有的特性，如每付模具都存要一个充填界限速度。PQ2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型。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PQ2图，可以让设计方案更周密；对已制模具：应用PQ2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。本文以镁合金笔记本电脑壳体压铸模为例，介绍了PQ2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，供参考。2. 压铸机与压铸模系统条件东芝650吨高速压铸机：空打速度V0=10m/s；射出油缸直径为14.5cm；Acc压力=135 kg/cm2。镁合金笔记本电脑壳体压铸件如图1所示：铸件重量260g；平均壁厚为1.1mm；内浇口截面积Ag=2.83cm2；冲头直径为80mm。3. 绘制P-Q2线图3.1绘制压铸机的特性线根据公式：Q0=1000V0AP-(1)式中Q0：压室金属液最大流量（L/S)；V0：冲头最大空打速度（m/s）；AP：压射冲头截面积(cm2)冲头截面积AP=(/4)82=50.26cm2=0.5026/102m2即P=0时，Q02=(1000V0AP)2=(1000100.5026/102)2=2526(L/S)2(V0=10m/s)横坐标Q02=25时取1mm，Q02为2526时，在绘图是就绘成101mm长度，得到一点（101，0）根据液体力学原理可知，冲头压射力=射出缸推力=增压缸推力。即：P0 X AP = Pa X AS-（2）式中P0：压室最大金属液压力；AP：压室内孔截面积(cm2)Pa：储能器Acc压力(kgr/cm2)；AS：射出缸截面积(cm2)P0 X 0.785 X 82 =135 X 0.785 X 14.52(Acc压力Pa=135kg/cm2，射出油缸直径为14.5cm)即Q=0时，P0=13514.52/82=443.5kg/cm2=45MPa取纵坐标1MPa=1mm，在绘图时，45MPa就绘成45mm长度，得到另一点（0，45）连接上述两点，可以绘出压铸机的特性线（见图2）（图2详情请参阅中国压铸杂志。）3.2绘制模具的特性线根据公式：Q= Cd X Ag(2P/)1/2-（3）式中Q-内浇口金属液的流量(L/S)；Cd-流量系数(镁合金为0.5)；P-金属液的比压(MPa)；-金属液的密度（镁合金=1810 kg/m3）将公式换算成：Q2/P= Ag 2Cd22/Ag=283mm2时，Q2/P=Ag2Cd22/1810=22.1，取P=0，则Q2 =0，得到一点（0，0）取P=45（MPa），则Q2=45X22.1=994.5（L/s）2，则纵坐标为45mm，横坐标为994.5/25=39.78mm得到另一点坐标（39.78，45），连接上述两点，可以绘出模具特性线（见图2）。（图2详情请参阅中国压铸杂志。）4.从P-Q2线图中读取流量供需关系及速度供需关系4.1 流量虽然我们在前面已经绘制出了P-Q2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。4.1.1 铸造压力Pm工艺需要Pm=250Kgr/cm2以上，当然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。4.1.2 溶汤充填时间TSTS=0.005T2(sec)(T:制品肉厚mm)因此在设计模具过程中， 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。4.1.3 内浇口金属液流量Q=W/(0.005T2)-（4）其中T : 制品肉厚mm : 铸造合金的密度(镁合金取1.81g/cm3)W : 越过内浇口的铸造合金重量的总和(kg)当 T=1.1mm，W=0.26Kg时Q=0.26/(0.0051.121.81)=23.74L/SQ2=(23.74) 2=564(L/S)2，绘入图3（图3详情请参阅中国压铸杂志。）求得B点4.1.4 流量供需关系比较从图3（图3详情请参阅中国压铸杂志。）中可以求得交点E处的流量值的平方QE2，如果QE2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QE2=714，QB2=564，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，在这种情况下可以采取以下一种或几种方法来解决，改善效果见图4（P-Q2线图）a在允许的范围内提高压铸机的工作压力。b在允许的范围内增大射头的直径。c重新选择吨位大一些的压铸机。d减少压铸模的型腔数。e在允许的范围内增大内浇口的截面积。4.2 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，所以可以从流量入手加以分析。从理论上讲，整个浇注过程要受到内浇口的压力损失的影响，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。4.2.1 模具界限速度VD=730 X (Ag2X ASX PO /AP3)1/2-(5) AP ：压室内孔截面积(cm2)；AS：射出缸截面积(cm2)Pa ：储能器Acc压力(kgr/cm2)；Ag：内浇口截面积(cm2)当AP=(/4) 82=50.26 cm2；AS=(/4)14.52=165cm2；Pa=135；Ag=2.83 cm2时模具界限速度：VD=730(2.832165135/50.263)1/2=865 cm/s=8.65 m/s4.2.2 射头实打速度与空打速度Vi=VD2 X V02/(VD2+V02)1/2-(6) V0：设定的射头空打速度(m/s)；VD ：模具界限速度(m/s)应用公式（6），V0=10m/s时，实打速度Vi=8.652X102/(8.652+102)1/2=6.5m/s（对应图3中的E点）。（图3详情请参阅中国压铸杂志。）如图3（图3详情请参阅中国压铸杂志。）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QC2=1303由QC2=(1000V0AP)2=(1000V00.5026/102）2=1303可求得此时的空打速度V0=7.18m/s，代入公式（6），此时的实打速度:Vi=8.652X7.182/(8.652+7.182)1/2=5.5m/s（对应图3中的B点）。（图3详情请参阅中国压铸杂志。）4.2.3 速度关系比较由4.2.1和4.2.2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Acc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，它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。5.从P-Q2线图中读取压射系统的能量供需关系根据需要，压铸成型工艺对机器有一个期望特性，将期望特性绘成PQ2图，并与已有机器PQ2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。5.1 压铸件工艺PQ2图（能量需求） 5.1.1 求最大金属流量根据工艺所需要的金属充填流量Q ，求得最大金属流量Q0：Q0= (3)1/2Q-（7）式中 Q0-最大金属流量(L/S) ；Q-工艺所需要的金属充填流量(L/S)5.1.2 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P0：P0=(3/2) P-（8）式中P0-最大金属静压力(MPa)；P-充型压力(MPa)5.1.3 绘制工艺需要的PQ2图连接坐标上的Q0与P0两点，完成工艺需要的PQ2图。一般说来，只要工艺需要的PQ2连线位于机器PQ2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，参见第7节的说明。5.2 压射系统中的压射能量5.2.1 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：P供=0.385P储V0*A液-（9）式中P供-压铸机能提供的压射能量(KW)；P储-蓄能器之压力(MPa)V0-空压射时射头的最大速度(dm/s)；A液-压射缸的面积(dm2)5.2.2 压铸件所需的压射能量P需根据公式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P需：P需=0.385Q0P0 -（10）式中P需-压铸所需的压射能量(KW)；Q0-最大金属流量(L/S)；P0-最大金属静压力(MPa)5.2.3 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供)与压铸件生产所需要的压射能量(P需)，P供P需说明所选择的压铸机有可能满足该压铸件的工艺要求，是实现压铸成型的必要条件。6.用PQ2图验证设计及优化压铸工艺6.1 用PQ2图验证浇注系统的设计PQ2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PQ2图。PQ2图主要是由机器性能线（ML），模具需要的压力线（DL）所组成的金属液比压/流量图（参见图5）（图5详情请参阅中国压铸杂志。），由ML线和DL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。 6.2 用PQ2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PQ2图的“窗口”功能， 优化系统的匹配，使系统具有较大的“柔性”。6.2.1 常用公式=1000 X CdX (2P/)1/2 -（11）Q = V/t - （12）式中 -内浇口金属液的流速(m/s)Cd-流量系数(镁合金为0.5)；P-金属液的比压(MPa)；-金属液的密度(kg/m3)Q-内浇口金属液的流量(L/s)；t-充填时间(ms)；V-压铸模型腔体积(cm3)7.结束语不难看出：用PQ2图指导模具设计或验证压铸工艺条件更具有说服力。我们可在在模具设计阶段充分考虑压铸工艺性；通过细致的分析来优化设计；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。a.流量比较：从P-Q2线图中求得交点E的流量值的平方QE2，如果QE2值大于工艺所要求的流量值的平方QB2，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供P需为止。b.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