镁合金结构设计与加工工艺指南

上层文件机械设计规范文件属性指南类 模块属性设计开发管理维护部门超声机械研发部 文件类别和属性 文件编号版 本1.0 镁合金结构设计与加工工艺指南镁合金结构设计与加工工艺指南 拟制：陈国鹰、张平审核：肖训华批准： 日期：2008-2-18日期：2008-2-20日期： 历历 史史 修修 订订 记记 录录 版版本本修修订订内内容容概概述述 修修订订人人批批准准人人修修订订日日期期 1.0创建 陈国鹰 张平 肖训华 2008-2-18 人力资源部 资源管理部信息技术部销售管理部 小产品销售部 耗材销售部 国内市场部 国际市场部国内用服部国际售后服务部 研发管理部 技术法规部血球试剂厂生化试剂厂供应商资源开发部 机加中心 计划部采购部生产管理部生产工程中心 发至： 财务管理部 财务部总裁办办事处 由：质管部 目录 镁合金结构设计与加工工艺指南 .4 1.目的.4 2.适用范围.4 3.引用标准.4 4.镁合金简介.4 4.1.用途及应用前景 .4 4.1.1 材料特点 .4 4.1.2 气体与气孔 .6 4.1.3 粘模倾向 .6 4.1.4 一个令人关心的问题：镁会燃烧，镁屑有没有危险? .6 4.2.镁合金的压铸性能 .7 4.3.成形机的选择 .7 4.4.镁合金产品的加工过程 .8 4.5.镁合金的线性公差 .9 4.6.镁合金的平面度 .9 4.7.机加工余量 .9 5.模具相关.9 5.1.入水 .9 5.2.入水唧嘴 .10 5.3.模具排气槽 .11 6.镁合金件结构设计.11 6.1.壁厚 .11 6.2.分色槽 .12 6.3.拔模斜度 .12 6.4.加强筋 .13 6.5.螺丝柱 .15 6.6.止口配合尺寸 .16 6.7.圆角设计 .18 6.8.机加工刀具预留空间 .18 6.9.排风口结构 .19 7.镁合金常见问题与改善方法.22 7.1.镁合金压铸缺陷分析 .22 7.2.镁合金常见压铸缺陷与改善方法 .22 8.镁合金压铸工艺介绍.25 8.1.压铸机介绍 .25 8.2.充填过程介绍 .26 8.3.压铸成型要素 .28 8.3.1 压射力 .28 8.3.2 比压 .28 8.3.3 比压的作用与选择 .29 8.3.4 胀型力和锁模力 .30 8.3.5 速度 .30 8.3.6 压射行程 .32 8.3.7 温度 .32 8.3.8 时间.33 8.4.压铸涂料 .34 9.镁合金机加及后处理工艺介绍.35 9.1.冲浇口和溢流槽 .35 9.2.去批锋打磨 .36 9.3.表面处理 .36 9.3.1 前期化学转化化膜法 .36 9.3.2 后期表面喷涂 .36 9.4.印刷 .37 10.镁合金压铸模具介绍 .38 10.1.浇口及流道排布 .38 10.2.浇口设计 .39 10.3.产品搭桥 .40 10.4.排气槽与渣包 .40 10.5.模具结构图 .41 10.6.压铸模具失效分析 .42 10.6.1 热疲劳龟裂 .42 10.6.2 熔损冲蚀 .42 10.6.3 崩块和断裂 .42 10.6.4 型腔塑性变形 .42 11.M5 镁合金压铸产品问题点汇总.43 11.1.裂纹 .43 11.2填充不良 .45 11.3双色槽涂装混色、溢边 .45 12.结束语 .46 镁合金结构设计与加工工艺指南 1.目的目的 镁合金件设计与塑胶件、铝合金设计有很多不同，本设计指南介绍了镁合金的材料特性、镁 合金模具、镁合金结构设计和加工工艺，供设计工程师参考。 2.适用范围适用范围 本指南适用于公司镁合金产品的机械结构设计。 3.引用标准引用标准 北美压铸协会(NADCA)标准: ADCI-E1-65 ADCI-E5-65 ADCI-E13-65 ADCI-E15-65 GB-T1177-1991 铸造镁合金 4.镁合金简介镁合金简介 4.1.用途及应用前景用途及应用前景 镁合金在汽车、航空、电信、交通运输和机械行业等应用越来越受重视，采用镁合金铸件取 代铝合金或钢铁零部件可有效地减轻机械重量，从而显著地节省能耗，减少环境污染。如汽车若 每减轻 100kg，则每公里耗油量可减少 0.4L。所以现在美、日、欧等发达国家开始在汽车上扩大 镁合金铸件的应用，镁合金铸件以每年 20%30%的速度增长，其中 80%为压铸件。据国外统计， 到 2006 年镁合金压铸件的年产量将达 20 多万吨。因此，镁合金压铸及镁合金压铸机正成为当今 压铸行业重要发展项目之一。 4.1.1 材料特点材料特点 镁合金常用的合金化元素是铝和锌。铝的合金化能提高合金强度及铸造性能。锌也能提高合 金的铸造性能。为保证铸造性能压铸镁合金的铝含量3%，锌含量2%。否则容易产生裂纹。 基于 Mg-An-Mn 系的合金 AZ91（含锌）和 AM60B（不含锌）是室温使用的主要压铸镁合金。 目前 AZ 及 AM 这两种系列合金占镁汽车结构件的 90%，但它们在 150以上时其强度显著下降。 目前得到工业应用的压铸镁合金主要有 4 个系列，即 AZ 系列（Mg-Al-Zn-Mn） ；AM 系列 （Mg-Al-Mn） ；AS 系列（Mg-Al-Si） ；AE 系列（Mg-Al-稀土） 。2006 年度开发的 2108 镁合金用 的是 AZ91D。表 1 中给出了它们中的常用合金的名义成分和性能。 压铸镁合金的成分及性能 元素组成元素组成%室温拉伸性能室温拉伸性能合金合金 AlZnMnSiFeCu max Ni max Re 总量 抗拉强度 MPa 屈服强度 MPa 伸长率 % AZ91D 8.3-9.70.35-1.00.15-0.500.10max0.0050.0300AM60B 5.5-6.50.22max0.24-0.60.10max0.0050.01008 Am50A 4.4-5.40.22max0.24-0.60.10max0.0040.0100.0022201206-10 AE42 3.4-4.60.22max0.25-0.0050.050.0051.8-3.02251408-10 AS41B 3.5-5.00.12max0.35-0.70.5-1.50.00350.020合金名称合金名称特征特征应用范围应用范围 AZ91D强度高且耐腐蚀性好电器产品的壳体等 AM60B AM50A 延伸率和抗冲击力大汽车上的方向盘和坐椅等 AS41B抗蠕变性能好汽车上的减速相等 符号含义如下： 镁的比重大约是铝的 2/3，是铁的 1/4。它是实用金属中的最轻的金属。 高强度、高刚性, 镁合金的比重虽然比塑料重，但是，单位重量的强度和弹性率比塑料高， 所以，在同样的强度零部件的情况下，镁合金的零部件能做得比塑料的薄而且轻。另外，由于镁 合金的强度-重量比高于铝合金和铁，因此，在不减少零部件的强度下，采用镁合金代替铝或者铁 制零部件，可减轻铝或铁的零部件的重量。 传热性好，镁合金的导热系数比塑料高出数十倍，因此，镁合金用于电器产品上，可有效地 将内部的热散发到外面。 电磁波屏蔽性好，镁合金的电磁波屏蔽性能比在塑料上电镀屏蔽膜的效果好，因此，使用镁 合金可省去电磁波屏蔽膜的电镀工序。 机械加工性能好，镁合金比其他金属的切削阻力小，在机械加工时，可以较快的速度加工。 金属名金属名切削阻力切削阻力 镁合金镁合金1.0 铝合金铝合金1.8 黄铜黄铜2.3 铸铁铸铁3.5 耐凹陷性好，镁合金与其他金属相比抗变形力大，由冲撞而引起的凹陷小于其他金属。 对振动冲击的吸收性高，由于镁合金对振动能量的吸收性能好，使用在驱动和传动的部件 上可减少振动。另外，冲击能量吸收性能好，比铝合金具有更好的延伸率的镁合金，受到冲击后， 能吸收冲击能量而不会产生断裂。 抗蠕变性能好，镁随着时间和温度的变化在尺寸上蠕变少。 再生，镁合金与塑料不同，它可以简单地再生使用且不降低其机械性能，而塑料很难在不降低 其机械性能再生使用。镁合金与其他金属相比，熔点低，比热小，在再生熔解时所消耗的能源 是新材料制造所消耗的能源的 4%。 4.1.2 气体与气孔气体与气孔 气孔以各种方式存在于铸件中，一种方式是由于冷却过程中气体从液体中析出，主要是 H2，另一些是由于浇注而带入了空气。镁溶解氢的能力很强，即使铸锭上只有极少量的一点水分， 也可能通过水的还原而吸收氢。然而氮产生氮化物、氧产生氧化物。因此，大气的影响较小，空 气的温度与气体含量有关，也就是镁块必须进行彻底的烘干才能投炉熔化。 4.1.3 粘模倾向粘模倾向 粘模倾向是指铸造合金粘附在铸型上的倾向。这种现象对压铸过程的影响很大。相对塑胶， 镁合金侧面脱模力比较大，而且一旦粘模，成品断裂在模具中比较难处理。 4.1.4 一个令人关心的问题：一个令人关心的问题：镁会燃烧，镁屑有没有危险镁会燃烧，镁屑有没有危险? ? 手加工工序等产生的镁粉，会由静电而引起着火，所以必须使用湿式吸尘器，即使少量的镁 合金粉也不要在干燥的状态下保存。 镁合金在一定的体积下，只要从火源来的热量小于镁合金的散热量，镁合金是不易着火的。 按照日本的第二类危险物判断准则，在小瓦斯火焰下，对触变成形用的镁屑(直径在 26mm)进行 试验，其结果镁屑不属第二类危险物。但是，如果对镁屑施加大量热量，再使其与水反应产生氢 气，就有着火的可能性。 4.2.镁合金的压铸性能镁合金的压铸性能 和铝合金相比，镁合金的热容较小，所以和铝合金压铸中大多数压铸模常常需要水冷不同， 镁合金的模具常常需要加热才能满足正常生产，特别是在生产一些薄壁件时，为了加热模具，用 模温机来对模具进行加热。 模温机利用高导热性的导热媒质，可以在很短的时间内将热量传递给模具。常用的模温机有 两类，一类为热水模温机，一类为热油模温机，由于水的沸点所限，在密封加热的情况下，热水 模温机的加热温度最高使用温度也只能达到 140-160之间，由于镁液遇水会发生激烈的反应 引起爆炸，高压冷却水在模具内泄漏有引起爆炸的危险，而且镁合金压铸时模具的温度通常要保 持在 180-280之间，因此，热水模温机在镁合金压铸中很少采用。镁合金压铸时常用的是热 油模温机，导热油的沸点较高，使用温度也远高于水，对模具的加热也更均匀恒定，热油模温机 的使用温度可以达到 300以上。 镁锭在投入熔炉前，一定要预热到 150以上,以去除镁锭中的水气，以免加入熔炉时引起爆 炸的危险使用的料勺等工具，也要预热到 150以上。每次开机前模具也要预热到 150以上。 镁合金热室压铸温度一般在 630-650之间，温度远远高于锌合金。 镁合金模具缩水率取 1.0051.007 之间。 4.3.4.3. 成形机的选择成形机的选择 成形机的大小的选择是从产品的的投影面积来计算出锁模力而定。设总投影面积(包括主流 道，分流道，溢流槽)为 A(cm2)，射出时模具内压为 P(kgf/cm2)，所需锁模力的计算如下 机器的锁模力 A x P x 安全系数 通常，触变成形时金属模具的模腔内的压力以 800kgf/cm2 来计算。与塑料产品相比镁合金 的模腔内的压力要大(塑料产品的模腔内压力为 250500kg/cm2)，所以，需要大的锁模力的成形 机。关于安全系数，成形品的壁越薄，射出压力的设定越高，射出速度的设定也越快，其安全系 数的设定也有必要设定提高。通常，安全系数设定在 1.21.3。另外，如果不知道主流道，分流 道，溢流槽的精确的投影面积，以产品的投影面积的 1.3 倍作为总投影面积，模具设计完毕后， 有必要再确认。 投影面积与所需锁模力 4.4.4.4. 镁合金产品的加工过程镁合金产品的加工过程 成形-切边(切除流道、溢流槽)-喷砂研磨、圆桶内研磨-打孔和攻丝-去除飞 边表面研磨(抛光、手加工)-化学处理(俗称“化成”)-涂装-丝印-成品 金属表面处理 脱脂-清洗(1)- 蚀刻处理-清洗(2)- 调整处理-清洗(3)- 化学处理- -清洗(4)- 烘干 4.5.4.5. 镁合金的线性公差镁合金的线性公差 下表为北美压铸协会(NADCA)提供的，镁合金在正常压铸情况下可以达到的尺寸公差，更高 的要求要增加工序，增加成本。例如 1000mm 长零件的严格铸造公差为1.2mm 基本公差基本公差每增加每增加 25mm，公差增加值，公差增加值长度长度 非严格尺寸非严格尺寸严格尺寸严格尺寸非严格尺寸非严格尺寸严格严格 L25mm 0.25mm0.1mm 25L300mm0.05mm0.04mm L300mm0.025mm0.025mm 计算方法： （1000-300）/25*0.025+（300-25）/25*0.04+0.1=0.7+0.44+0.1=1.24，即 1000mm 长零件的严格铸造 公差为1.2mm。 4.6.4.6. 镁合金的平面度镁合金的平面度 下表为北美压铸协会(NADCA)提供的，镁合金在正常压铸情况下可以达到的平面度。 镁合金平面度公差镁合金平面度公差 最大线性长度最大线性长度75mm0.2mm 最大线性长度最大线性长度75mm，每增加，每增加 25mm，平面度增加值，平面度增加值0.08mm 最大线性长度是指最大外接圆直径或矩形对角线长。 4.7.4.7. 机加工余量机加工余量 机加工余量尽量少留，以节省材料简化工序，确保表面致密性和机械性能。 机加工时应该合理确定测量面和基准面，尽量减少对机加工的不良影响。 根据镁合金件机加经验，机加工余量最小为 0.25mm，为避免工具过度磨损，除特别大的铸件外， 其表机机加工余量都不应该大于 0.5mm。 5.模具相关模具相关 5.1.入水入水 镁合金模具一般为单侧入水，一般是一排，入水口厚度约 11.2MM。见下图。 5.2.入水唧嘴入水唧嘴 入水唧嘴 排气槽 5.3.模具排气槽模具排气槽 模具排气槽用来排除模具压铸时模腔内的空气。镁合金压铸时间很短，比起塑胶件注 塑快很多，常用排气槽结构见下图所示： 6.镁合金件结构设计镁合金件结构设计 由于镁合金件强度比塑胶高很多，出模抱紧力比塑胶件大，所以镁合金零件的结构设计与塑 胶零件的结构设计有些不同。 6.1.壁厚壁厚 壁厚主要是根据产品而定，原则上应该比塑胶件要薄些。 镁合金具备优良的填充性能，笔记本电脑的外壳主壁厚通常在 0.81mm 之间，通常汽车配件 等工业产品的镁合金件壁厚在 24mm 之间。 目前 2108 的主机上下盖主壁厚 1.8mm，侧壁厚 2.2mm。MicroMAX 的镁合金外壳主壁厚是 2.5mm。 6.2.分色槽分色槽 如果镁合金零件需要喷不同的颜色粉或者油时，需要设计分色槽。分色槽尺寸不宜太小，特 别是宽度，一般做到 0.9mm 以上，槽宽度比较大时，喷油夹具比较容易装夹，喷油效果比较好。 分色槽喷涂目前有两种方法，一种是用夹具装夹后喷涂，再对分色槽以外的区域进行遮蔽， 进行手工修整，这种方法由于后期手工修整，经常出现分色槽内有锯齿状的缺陷，不良率较高。 另一种是用点胶机进行分色槽的喷涂，相比之下，用点胶机喷涂的分色槽比较好，但是也要 对不涂装的区域进行有效的遮蔽，防止点胶机在运行时，喷嘴的油漆掉到不需要喷涂的表面上。 另外点胶机不易控制，每次编程要花很长时间，喷涂效果跟成品变形量有关。 分色坑尺寸 6.3.拔模斜度拔模斜度 ADAC（德国汽车协会）建议，镁合金拔模斜度按下面方法进行计算： 一般拔模角： 精密拔模角： C 值按下表取数： 一般拔模角一般拔模角 C 值值精密拔模角精密拔模角 C 值值 外表面（前模面）外表面（前模面）77.8 内表面（后模面）内表面（后模面）1415.6 孔侧面孔侧面4.765.3 6.4.加强筋加强筋 加强筋尽量不要做太高，以免出模困难，原则上，镁合金件的拨模斜度要比塑胶大，斜度在 允许的情况下，最好做到 1 度以上。 下面给出几种不同高度的加强筋设计尺寸。 高度10mm以下的加强骨尺寸 CLD/ 01746. 0 / )/(LD )/( 8 . 0CLD 01746. 0 / )/(LD 高度2030mm的加强骨尺寸 高度40mm左右的加强骨尺寸 注意：尽量不要做 30mm 以上的筋。出模较困难，加强筋很容易断裂；如果加强筋太高可 以考虑在筋顶端加顶针（但要注意要避免造成外观面缩陷） ，如下图所示： 考虑顶出加顶针 6.5.螺丝柱螺丝柱 螺丝柱出模是实心的，通过 CNC 钻孔、攻牙，最终得到我们要的尺寸。 M2螺丝柱尺寸 M2.5螺丝柱尺寸 M3螺丝柱尺寸 注意：按最新的 2D 图要求，钻孔和螺纹的深度要在图中标注出来。 6.6.止口配合尺寸止口配合尺寸 常用的止口配合尺寸如下，这种方案容易保证美工线尺寸。 由于喷涂时，油易飞溅到导电接触面上，会影响上下壳接触导电。另外一种止口配合方案， 这种方案有利于喷涂，容易保证 EMC 屏蔽要求，但是对零件装配精度要求较高。 导电接触对 EMC 有利 导电接触对 EMC 有利 如果对导电接触要求不高，建议采用下面这种止口-叉骨配合方式： 6.7.圆角设计圆角设计 镁合金件的圆角很重要，在两平面相交处尽可能做圆角，尖角易导致脱模困难。以下数值为 北美压铸协会(NADCA)推荐： (1)当 T1=T2 时： 若 R2=R1+T1，推荐 R1=T1 (2)当 T2T1 时： R1=1/(T1+T2), R2=T1+T2 6.8.机加工刀具预留空间机加工刀具预留空间 镁合金件的扣位一般是用成形刀机加做出来的，通常不会模具上直接做出。 大于5 大于5 大于8 上面图示的尺寸并非绝对的，能满足最好，在不能做到的时候可以和供应商讨论。 6.9.排风口结构排风口结构 镁合金件的排风口结构与塑胶件不同，一般需要机加工处理，否则成形不良缺陷多。如下图 所示 配合的扣位 如果是平面上的孔，排风孔可以搭桥成形后机加工去掉，见下图： 中间搭桥，机加 工铣掉 虚线以下部分机加去除 7.镁合金常见问题与改善方法镁合金常见问题与改善方法 7.1.镁合金压铸缺陷分析镁合金压铸缺陷分析 7.2.镁合金常见压铸缺陷与改善方法镁合金常见压铸缺陷与改善方法 1）熔剂夹渣： 缺陷特点缺陷特点：即熔剂夹渣。主要出现在镁-锌-锆（ZM-2）合金中， 它的密度远远大于基体的密度，在 X 光底片上呈白色的块状或 粒状影像。 产生原因产生原因：主要是 ZM-2 合金液的熔炼需要使用镁-锆中间合金和熔剂，而镁-锆中间合金的配制 又依赖于氯化物的使用，容易形成氯化物夹渣混在其中。 改善方法改善方法：通过使用特别加重熔剂、延长静止时间以及增加坩埚底部剩料等措施来克服。 2）氧化夹渣： 缺陷特点缺陷特点：多分布在铸件表面或铸件转接部分以及铸件内部的各部分。夹渣表面通常是粗糙而形 状不规则的孔洞，在 X 光底片上表现为外形不定而轮廓较清晰的黑斑，其摄影密度深浅不一，有 块状或片状连续性。 产生原因产生原因：浇注操作不当，例如浇注时产生涡流、搅动和卷入气体。 改善方法改善方法：在熔炼过程中加入溶剂精炼，使溶剂吸收各种非金属物质（如氧化物、氮化物等） ， 其后将在静置过程中沉于坩埚底部。 3)裂纹： 缺陷特点缺陷特点：在 X 光底片上呈现为黑色小树枝条，有单条或多条，一般出现在铸件厚薄交界处或冷 铁交界的缝隙内，分为热裂和冷裂。 产生原因产生原因：热裂由于存在严重氧化，其裂开处呈暗灰色，严重的呈黑色。金属型铸零件凸台部位 的根部也容易产生裂纹，它们都是因为收缩受阻或分型过早，或取型不平稳等原因所造成。 冷裂可以出现在铸件的任何部位，其产生原因多为铸件被敲打、摔击以及内应力集中所造成。 改善方法改善方法：a. 改变零件设计结构，将尖角改为圆角，厚截面均匀地过渡到薄截面； b. 尽可能使铸件顺序凝固或同时凝固，减少内应力产生。如在铸件上适当放大工艺余量在铸件厚 大部分设置冒口或冷铁对胃口根部产生裂纹的铸件注入金属时应沿冒口壁注入或在冒口旁边另开 浇口； c. 控制原料，镁合金条不能含有促使晶粒粗大的合金元素和杂质； d. 减少铸件收缩时的外界阻力，比如加大拨模