压铸成形工艺与模具设计课件：压铸原理及工艺参数选择-

1压铸原理及

工艺参数选择【本章要点与提示】知识要点目标要求学习方法压铸过程的基本原理熟悉通过多媒体课件中的图片介绍及动画演示，获得对压铸过程的初步认识，熟悉压铸过程的基本原理，并加深理解。液态金属充填理论及金属液流动特性掌握结合老师的讲解，对三种较为典型的液态金属充填理论加深理解，熟悉充填时液态金属流的种类及对其特性的应用，认识影响压铸金属流的因素以及金属流与压铸件质量之间的关系。压铸工艺参数及其选择重点掌握注意区分不同工艺参数的含义及选择规范。熟悉它们对压铸件成形质量的影响。压铸涂料知道要求理解压铸涂料的作用及对涂料的要求，了解常用压铸涂料的种类（名称）、配制方法及适用范围。其他特殊压铸工艺了解建议课外阅读相关的文献资料，进一步扩充对其他特殊压铸工艺的了解。3主要内容压铸过程的基本原理

1

液态金属的流动状态及其特性

3速度参数及其选择

5时间参数及其选择

7

液态金属充填理论概述

2压力参数及其选择

4温度参数及其选择6压铸用涂料

8特殊压铸工艺简介

94》压铸过程的基本原理

1

热室压铸过程的基本原理

压室浸在熔化坩埚的液态金属中，压射部件不直接与机座连接，而是装在坩埚上面，如图所示。压射冲头上升时，坩埚中的金属液通过进液口进入压室内，合模后，在压射冲头作用下，金属液由压室经鹅颈管、喷嘴和浇注系统进入模具型腔，冷却凝固成压铸件，动模移动与定模分离而开模，通过推出机构推出压铸件而脱模，取出压铸件即完成一个压铸循环。5压铸过程的基本原理

1

卧式冷室压铸

合模(b)压铸成形(c)开模取件1-压室；2-浇口套；3-定模；4-浇道凝料及余料；5-动模；6-压射冲头；7-金属液浇注口；8-金属液；9-浇道；10-型芯；11-推杆6压铸过程的基本原理

1

立式冷室压铸

(a)合模(b)压铸成形(c)开模取件1-压射冲头；2-金属液；3-压室；4-余料；5-反料冲头；6-动模；7-定模；8-喷嘴7压铸过程的基本原理

1全立式冷室压铸

(a)冲头下压式(b)冲头上压式8喷射充填的理论

液态金属充填理论概述

2

由弗罗梅尔（Frommer）于1932年提出。液态金属的充填过程遵循流体力学定律，并且有摩擦和涡流现象。通过实验，熔融金属从内浇口进入型腔时，以内浇口截面的形状射向远离浇口的对面型壁，撞击后，部分金属聚积并产生涡流，另一部分金属则向所有方向喷溅，并沿型壁返回流动，金属积聚所产生的反压力使喷溅的金属紊乱地与后来的主流汇合，由于型壁的摩擦，沿型壁流动的金属逐渐被积聚的金属赶上而合在一起，其后便向浇口方向流回。9“全壁厚”充填的理论

液态金属充填理论概述

2

由勃兰特（Brandt）于1937年提出的一种与当时流传的费罗梅尔理论完全不同的金属充填型腔形态理论。勃兰特认为，熔融金属通过内浇口进入型腔时，自浇口处开始，由后向前充满型腔厚度地流动，流动时不产生涡流，型腔中的气可以得到充分的排除，并且认为，无论内浇口截面积与型腔截面积之比的大小如何，填充形态仍然是“全壁厚”的。

10“三阶段”充填的理论

液态金属充填理论概述

2

(a)形成薄壳层(b)继续充填(c)即将充满(d)充满型腔

三阶段填充理论由巴顿（Barton）于1944年提出。巴顿认为，压铸过程是一个包含着热力学、力学和流体动力学因素的复合问题。并通过试验提出这样的看法，即充填过程大致分为三个阶段，并且充填过程的三个阶段对压铸件质量所起的作用也不相同。

11“三阶段”充填的理论

液态金属充填理论概述

2

第一阶段，受内浇口面积限制的金属流射入型腔后，首先冲击对面型壁，沿型腔表面向各方向扩展，在型腔具有正确的热平衡时，金属流过的型壁上生成表层，这个表层即为压铸件的外壳（薄壳层）。这一阶段影响压铸件的表面质量。

第二阶段，随后进入的液态金属继续沉积在薄壳层内的空间里进行充填，直至填满。这一阶段影响压铸件的硬度。

第三阶段，在型腔完全充满的同时，压力通过处于尚未凝固的中心部分作用在压铸件上，型腔内的金属得到压实。这一阶段影响压铸件的强度。

12×充填时液态金属的种类及对其特性的利用

1）喷射及喷射流特性：在很大的运动能量的作用下能够直线前进。应用：可以先充填那些阻力较大的部位及没有排气槽的部位。

液态金属的流动状态及其特性

3

(a)(b)1-喷射；2-喷射流13

2)压力流及其应用由喷射、喷射流转变为压力流（a）喷射的前端开始转变为喷射流阶段（b）金属液由喷射流进入型腔约有型腔容积一半的阶段（c）压力流的阶段（d）完成充填的阶段

1—喷射2—喷射流3—压力流充填时液态金属的种类及对其特性的利用

液态金属的流动状态及其特性

314

压力流发生在偏离喷射及喷射流的通路部分（如铸件上的凸台）和远离内浇口的部位。压力流在阻力少的通道上前进的特性很强。

压力流没有喷射流那样大的运动能量，但具有接受后续金属液中供给的压力能，从而使金属液沿着型腔内壁前进的特性。（开设排气槽排气）充填时液态金属的种类及对其特性的利用

液态金属的流动状态及其特性

315

3)再喷射发生再喷射的部位易产生气孔和缩孔。将内浇口设在靠近铸件厚壁的部位。

4)补缩金属流在内浇口部位的金属流尚未凝固之前，立即增高压室内的压力，向型腔内补充金属液。充填时液态金属的种类及对其特性的利用

液态金属的流动状态及其特性

316影响压铸金属流的因素

压铸过程中金属液的充填形态与铸件结构、压射条件、模温、金属液的温度和粘度以及浇注系统的形状尺寸等都有着密切的关系，这些因素的改变，也会导致金属液充填形态的改变。

液态金属的流动状态及其特性

317

1)金属液随压射条件的改变而改变

（a）—（d）所示，金属液高速压射时的情况。（a）金属液压入前的准备状态；（b）完全喷射状态；（c）-（d）喷射流--压力流，卷入空气。

（e）—（h）所示，金属液低速压射时的情况。（e）金属液压入前的准备状态；（f）型腔的1/3，转换为高速压射（g）、（h）喷射流（不发生喷射）

液态金属的流动状态及其特性

3影响压铸金属流的因素18

2）内浇口的形状对压铸金属液的影响分型面定模动模定模定模定模

基本内浇口形状与金属液的喷射方向

液态金属的流动状态及其特性

319金属流与压铸件的质量

1）表面质量

金属流的流速越快，压铸件的表面质量越好，越光滑；流速相同时，通过的金属液越多，压铸件的表面质量越好。

由喷射流充填的部位要比压力流充填部位的表面质量好；在薄壁部位设置内浇口易获得光亮的表面（但此时内部缺陷增多）。

液态金属的流动状态及其特性

320金属流与压铸件的质量

2）内部质量在金属液充填终了到增压压力完全上升止，而金属液尚未开始凝固的条件下，金属液流速越缓慢，则内部缺陷越少；如果在相同的时间内金属液充填完毕，则压力流成型的铸件比喷射流成型的铸件的内部缺陷少；但是采用压力流的压铸件的形状，总是会把气体封闭在里边，从而产生局部面积较大的内部缺陷，此时应在容易把气体封闭的部位用喷射流的充填形式来减少内部的缺陷。

液态金属的流动状态及其特性

321金属流与压铸件的质量

3）强度及气密性引起压铸件强度降低的原因主要有气孔、缩孔、冷隔等，须综合考虑压铸模的设计、压铸机的性能、压铸条件；保持合适的金属液温度和模温、并在金属液开始凝固前即行充填加压以消除冷隔等缺陷；有效地排出气体以获得气孔少、强度及气密性质量高的压铸件。

液态金属的流动状态及其特性

322压力参数及其选择

4《1）压铸压力压铸压力在压铸工艺中是主要的参数之一，其表示形式有：压射力来源于高压泵，它是压铸机压射机构中推动压射活塞的力，其大小随压铸机的规格不同而异。压射比压压室内金属液在单位面积上所受的压力。23

压射力的计算公式：

式中：Fγ-----压射力（N）；Pg-----液压系统的管路工作压力（Pa）；AD

------压铸机压射缸活塞的截面积(m2)。

压射比压的计算公式：

式中：Pb-----压射比压（Pa）；Fγ

-----压射力（N）；Ad

-----压射冲头（近似压室）截面积（m2)。压力参数及其选择

424

在压铸过程中作用在熔融合金上的压力以两种不同的形式和作用出现。熔融合金在流动过程中的流体动压力，（完成充填和成形过程）；在充填结束后，以流体静压力形式出现的最终压力（其值明显大于动压力），（对凝固过程中的合金进行“压实”）。

液体金属在压室与压铸模中的运动可分解为四个阶段2）压铸过程压射比压的变化压力参数及其选择

425压力参数及其选择

4压铸周期压射比压的变化曲线p1—慢压射压力；p2—快压射压力；p3—系统压力；p200—增压压力稳态值；t1—慢压射时间；t2—快压射时间；t3—系统升压时间；t4—增压延时时间；t5—增压时间a—压射冲头速度与压射时间的关系曲线；b—压射压力与压射时间的关系曲线26压射压力就是在充模刚结束时压射冲头作用于金属液面上的力。压射比压就是在充模刚结束时压射冲头作用于单位面积金属液面上的压力。3）压射比压的选择压射比压的选择应根据压铸件的形状、尺寸、复杂程度、壁厚、合金的特性、温度及排溢系统等确定。正确选择压射比压的大小对铸件的力学性能、表面质量和模具的使用寿命都有很大的影响。压力参数及其选择

427一般在保证压铸件成形和使用要求的前提下选用较低的比压。选择合适的压射比压可以改善铸件的力学性能：铸件在较高的比压下凝固，可以↑内部组织的致密度，强度↑；但随着比压增大↑↑，铸件的塑性指标↓，强度也会↓，力学性能恶化。↑压射比压可以提高金属液的充模能力，防止铸件产生冷隔或充填不足的缺陷，获得轮廓清晰的铸件。比压↑↑，会加剧金属液在充模时对型腔的冲击，加速模具的磨损，影响模具的寿命。3）压射比压的选择压力参数及其选择

428在压铸中，压铸速度有压射速度和充填速度两个不同概念。压射速度是指压铸机压射缸内的液压推动压射冲头前进的速度；充填速度是指液体金属在压力作用下，通过内浇道进入型腔的线速度。速度参数及其选择

5《29熔融金属在压射冲头的推动下，经过浇注系统内浇口时的速度可以认为不变化或变化很小。把流动过程看成在一封闭的管道中进行，根据等流量连续方程：压射速度由压铸机的特性决定，一般在0.1—7m/s范围内变动。1）压射速度和内浇口截面积对充填速度的影响v1----压射速度（m/s）v2----充填速度（m/s）Ad----压射冲头（近似压室）截面积（m2)d----压室（压射冲头）的直径（m）Aj----内浇口截面积（m2)速度参数及其选择

5302）充填速度与压射比压的关系充填速度与压射比压是两个密切相关的物理量。考虑粘度和摩擦阻力的影响根据伯努力方程：2----充填速度（m/s）Pb----压射比压（Pa）g----重力加速度（m/s2）

----液体金属的重度（N/m3）----阻力系数（一般取0.358）速度参数及其选择

531充填速度↓↓，会使铸件的轮廓不清，甚至不能成形。充填速度↑↑，会引起铸件粘型并使铸件内部气孔率↑，使力学性能↓。充填速度也是压铸工艺主要参数之一，充填速度的高低直接影响压铸件的内部和外观质量。3）充填速度的选用速度参数及其选择

532合金的浇注温度较低、合金和模具材料的导热性能好、内浇道厚度较大时，也要选择较高的充填速度。充填速度的选择，一般应遵循的原则：对于厚壁或内部质量要求较高的铸件，应选择较低的充填速度和高的增压比压；对于薄壁或表面质量要求高的铸件以及复杂的铸件，应选择较高的比压和高的充填速度；速度参数及其选择

533合金浇注温度是指金属液从压室进入型腔的平均温度，通常用保温炉内的温度表示，一般高于合金液相线20~30℃。1）合金浇注温度

浇注温度↑↑，合金收缩大，使铸件容易产生裂纹，铸件晶粒粗大，还能造成脆性；

浇注温度↓↓，易产生冷隔、表面流纹和浇不足等缺陷；温度参数及其选择6》34

各种压铸合金浇注温度温度参数及其选择6压铸件壁厚≤3mm压铸件壁厚＞3mm简单结构复杂结构简单结构复杂结构锌合金含Al的420～440430～450410～430420～440含Cu的520～540530～550510～530520～540铝合金含Si的610～630640～680590～630610～630含Cu的620～650640～700600～640620～650含Mg的640～660660～700620～660640～670镁合金640～680660～700620～660640～680铜合金普通黄铜870～920900～950850～900870～920硅黄铜900～940930～970880～920900～940352）压铸模具的温度压铸模工作温度一般可按下式计算：----压铸模工作温度（℃）----液体金属的浇注温度（℃）----温度控制公差（一般取25℃）压铸模工作温度↑↑①产生粘模（特别是铝合金）②铸件来不及凝固、推出温度过高而导致变形③模具的运动部件卡死④铸件冷却缓慢，造成晶粒粗大而影响其力学性能压铸模冷却措施：压缩空气、水或其他液体

温度参数及其选择636

避免液体金属在模具中因激冷而很快失去流动性，使铸件不能顺利充型，造成浇不足、冷隔、“冰冻”等缺陷，或即使成形也因激冷增大线收缩，引起铸件产生裂纹或表面粗糙度增加等缺陷；压铸模在压铸生产前应预热到一定温度，在生产过程中要始终保持在一定的温度范围内。

压铸模预热的作用有三个方面：

避免高温液体金属对冷压铸模的“热冲击”而导致过早热疲劳失效，以延长压铸模使用寿命；压铸模中间隙部分的热膨胀间隙应在生产前通过预热加以调整，不然合金液会穿入间隙而影响生产的正常进行。压铸模的预热方法：一般常用喷灯喷烧、煤气喷烧、电阻加热或电感应加热。温度参数及其选择637不同压铸合金的压铸模预热温度及工作温度温度参数及其选择6壁厚≤3mm壁厚＞3mm简单结构复杂结构简单结构复杂结构锌合金预热温度130~180150~200110~140120~150连续工作保持温度180~200190~220140~170150~200铝合金预热温度150~180200~230120~150150~180连续工作保持温度180~240250~280150~180180~200铝镁合金预热温度170~190220~240150~170150~180连续工作保持温度200~220260~280180~200180~200镁合金预热温度150~180200~230120~150170~190连续工作保持温度180~240250~280150~180200~240铜合金预热温度200~230230~250170~200200~230连续工作保持温度300~325325~350250~300300~35038《充填时间：金属液自开始进入模具型腔到充满型腔所需的时间。最佳的充填时间——充填时间的长短取决于铸件的大小、复杂程度、内浇口处的面积和充填速度。在压铸过程中，充填时间对铸件质量的影响：充填时间↑，充填速度↓，有利于排气，但铸件表面粗糙度较高；充填时间↓，充填速度↑，可获得表面粗糙度较低的铸件，但铸件的致密度较差，铸件内部的气孔量较多。1）充填时间时间参数及其选择

739对大而简单的铸件，充填时间要相对长些；对复杂和薄壁铸件充填时间要短些。当压铸件体积确定后，充填时间与充填速度和内浇口截面积之乘积成反比。时间参数及其选择

7压铸件平均壁厚b/mm充填时间t/s压铸件平均壁厚b/mm充填时间t/s10.010~0.01450.048~0.0721.50.014~0.02060.056~0.06420.018~0.02670.066~0.1002.50.022~0.03280.076~0.11630.028~0.04090.088~0.1383.50.034~0.050100.100~0.16040.040~0.06040持压时间长短取决于压铸件的材料和壁厚。对于熔点高、结晶温度范围大的厚壁压铸件，持压时间应长些，对熔点低、结晶温度范围小的薄壁压铸件、持压时间可以短些。2）持压时间持压时间的作用：

使压射冲头有足够的时间将压力传给未凝固的金属，使之在压力下结晶，以获得较致密组织的铸件。持压时间----从液态金属充满型腔到内浇口完全凝固，在冲头压力作用下所持续的时间。时间参数及其选择

741停留时间过短，由于铸件强度尚低，可能在铸件顶出和自压铸模落下时引起变形，对强度差的合金还可能因为内部气孔的膨胀而产生表面气泡。3）留模时间留模时间是指持压时间终了到开模推出压铸件的时间，以推出压铸件不变形、不开裂的最短时间为宜。停留时间太长，则铸件温度过低，收缩大，对抽芯和顶出铸件的阻力亦大：对热脆性合金还能引起铸件开裂，同时也会降低压铸机的效率。时间参数及其选择

742时间参数及其选择

7生产中常用的持压时间

s合金压铸件壁厚＜2.5mm压铸件壁厚2.5~6mm锌合金1~23~7铝合金1~23~8镁合金1~23~8铜合金2~35~10各种压铸合金常用留模时间

s合金铸件壁厚＜3mm铸件壁厚3~4mm铸件壁厚＞5mm锌合金5~107~1220~25铝合金7~1210~1525~30镁合金7~1210~1515~25铜合金8~1515~2025~3043压铸过程中对模具型腔、型芯表面、滑块、推出元件、压铸机的冲头和压室等所喷涂的润滑材料和稀释剂的混合物，通称为压铸涂料。〈压铸用涂料

8压铸用涂料的种类（名称）、配制方法及适用范围详见教材或其他有关设计手册。441）压铸涂料的作用压铸用涂料

80YYourTextHereYourTextHere压铸涂料的作用高温时保持良好的润滑性能，减少压铸件与模具成型部分尤其是型芯之间的摩擦，便于推出，延长模具寿命，提高压铸件的表面质量；预防粘模（对铝、锌合金）

为压铸合金和模具之间提供有效的隔离保护层，避免金属液直接冲刷型腔和型芯表面，改善模具的工作条件；降低模具热导率，保持金属液的流动性，提高金属的成型性；45压铸用涂料

8

（1）在高温状态下具有良好的润滑性；

（3）涂敷性要好，对压铸模和压铸件无腐蚀作用；（5）高温时不分解出有害气体，且不会在压铸模型腔表面产生积垢；（2）挥发点低，在100~150℃，稀释剂能很快挥发；（4）性能稳定，在空气中稀释剂不应挥发过快而变稠，存放期长；

（6）配制工艺简单，来源丰富，价格便宜。2）对涂料的要求

46

喷涂涂料后，应特别注意压铸模排气道的清理。3）涂料的使用

特别注意用量，要避免厚薄不均或者太厚；

喷涂时，涂料浓度要加以控制。涂刷时，在刷后应用压缩空气吹匀；

喷涂或涂刷后，应待涂料中的稀释剂挥发后再合模浇注；

大多数压铸模应每压一次都上一次涂料，上涂料的时间要尽可能短；

一般对糊状或膏状涂料可用棉丝或硬毛刷涂刷；

有压缩气源的地方可用喷枪喷涂（适合油脂类涂料）；

对于转折、凹角部位应避免涂料沉积。压铸用涂料

847特殊压铸工艺简介

91）真空压铸

真空压铸是用真空泵抽出压铸模型腔内的空气，建立真空后注入金属液的压铸方法。其真空度在52~82kPa（380~600mmHg）的范围内。这样的真空度可以用机械泵来获得。对于薄壁与复杂的压铸件真空度应高些。真空压铸工艺由来已久，型腔抽气在技术上也已圆满解决，因此，真空压铸在20世纪50年代时曾被广泛应用。但目前，真空压铸只用于生产要求耐压、机械强度高或要求热处理的高质量零件，如传动箱体、气缸体等重要而结构复杂的铸件。《48特殊压铸工艺简介

92）充氧压铸

充氧压铸仅适用于铝合金压铸。所谓充氧压铸，就是指将干燥的氧气充入压室和压铸模型腔，以取代其中的空气和其他气体，使压铸过程中残留在型腔中的氧与铝液反应形成Al2O3质点，从而消除不充氧时压铸件内部形成的气孔。这种Al2O3质点颗粒细小，约在1µm以下，其质量占压铸件总质量的0.1%~0.2%，不影响力学性能，并可使压铸件进行热处理。充氧压铸是消除铝合金压铸件气孔，提高压铸件质量的一个有效途径。49特殊压铸工艺简介

93）精速密压铸

精速密压铸是精确、快速及密实的压铸方法的简称。它采用两个套在一起的内外压射冲头，故又称套筒双冲头压铸法。在压射开始时，内外冲头同时压射，当填充结束压铸件外壳凝固型腔达到一定压力后，限时开关启动，内压射冲头继续前进，推动压室内的金属液补充压实压铸件。图（d）所示的结构为在压铸模上另设补充压射冲头，对压铸件补充压实，以获得致密的组织。也可将补充压射冲头设在压铸件的厚壁处。

(a)开始状态(b)中间状态(c)压实状态(d)补充压射冲头示意图1-外压射冲头2-内压射冲头3-补充压射冲头4-推杆50特殊压铸工艺简介

94）半固态压铸

1-压铸合金；2-连续供给合金液；3-感应加热器；4-冷却器；5-流变铸锭；6-坯料；7-软度指示计；8-坯料重新加热装置；9-压室；10-压铸模半固态压铸装置原理示意图流变压铸法

(b)触变压铸法51特殊压铸工艺简