【摘要】 壓鑄工藝是將壓鑄機、壓鑄模和合金三大要素有機地組合而加以綜合運用的過程。而壓鑄時金屬按填充型腔的過程，是將壓力、速度、溫 度以及時間等工藝因素得到統(tǒng)一的過程。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱處理工藝、模 具制造及模具裝配對鋁合金壓鑄模壽命的影響。
【關(guān)鍵詞】 壓鑄工藝 壓力 速度 溫度 時間 壽命 影響 。
壓鑄工藝是一種高效率的少、無切削金屬的成型工藝，從 19 世紀初期用鉛 錫合金壓鑄印刷機的鉛字至今已有 150 多年的歷史。 由于壓鑄工藝在現(xiàn)代工業(yè)中 用于生產(chǎn)各種金屬零件具有獨特的技術(shù)特點和顯著的經(jīng)濟效益， 因此長期以來人 們圍繞壓鑄工藝、壓鑄模具及壓鑄機進行了廣泛的研究，取得了可喜的成果。 中國壓鑄業(yè)不斷追求技術(shù)進步，不斷追求高品質(zhì)生產(chǎn)。壓鑄總體水平與國外 先進水平相比雖有差距，但從某些經(jīng)常用來評價壓鑄技術(shù)水平的指標來看，這種 差距正在縮小。 壓鑄是一個高度依賴技術(shù)經(jīng)驗的行業(yè)，中國壓鑄專業(yè)人員不足、整體技術(shù)素 質(zhì)偏低。無國界的市場，使我國壓鑄企業(yè)面臨發(fā)展壯大的機會，同時也面臨著日 益激烈的競爭風(fēng)險。人才是企業(yè)生存和發(fā)展的根本，企業(yè)要不斷地學(xué)習(xí)運用先進 的生產(chǎn)技術(shù)，必須培養(yǎng)高素質(zhì)的技術(shù)和管理人才。只有這樣，才能使中國壓鑄業(yè) 取得更大進步。 目前，我國的鋁合金壓鑄模具壽命與國外相比相差較大，延長模具壽命對于 鋁合金壓鑄行業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。
第一章 概述 1.1 壓鑄工藝概述 壓鑄工藝是把壓鑄合金、 壓鑄模和壓鑄機這三個生產(chǎn)要素有機組合和運用的 過程?，F(xiàn)就壓鑄工藝的發(fā)展歷史及有代表性的事件做簡要的回顧。 1838 年格·勃魯斯首先用壓鑄法生產(chǎn)鉛字。 1839 年一種活塞式壓鑄機獲得了第一個壓力鑄造專利。 1849 年英國人斯都奇斯取得熱壓室壓鑄機專利。 1885 年奧·默根瑟勒在前人的基礎(chǔ)上發(fā)明了一種鉛字壓鑄機。 1907 年瓦格納首先制成了氣動活塞壓鑄機。 1920 年英國開發(fā)了冷壓室壓鑄機，使壓鑄機有可能生產(chǎn)鋁合金和鎂合金等 壓鑄件。 1927 年捷克人約瑟夫·波拉克設(shè)計了立式冷壓室壓鑄機。 1952 年前蘇聯(lián)制造出了第一臺立式冷壓室壓鑄機。我國在 60 年代也制造出 了此種壓鑄機。 1958 年真空壓鑄機在美國獲得專利。 1966 年美國人 General Motors 公司提出精、速、密壓鑄法。 1969 年美國人愛列克斯提出充氧壓鑄的無氣孔壓鑄法。 今后壓鑄生產(chǎn)的發(fā)展趨勢是：壓鑄工藝要采用新技術(shù)，提高壓鑄件質(zhì)量，擴 大應(yīng)用范圍；壓鑄機要實現(xiàn)系列化、大型化及自動化；壓鑄模要提高使用壽命。 總之，為壓鑄生產(chǎn)開辟更廣闊的前景。 壓鑄工藝流程圖示 6 1，壓鑄機調(diào)試 2，壓鑄模安裝 3，壓鑄模設(shè)計與制造 5，涂料配制 4，模具預(yù)熱、涂料 6，模具清理 7，合型（合模） 8，合金熔煉保溫 10 澆注壓射 9，嵌件準備 11，保壓 12，開模、抽芯取件 13，表面質(zhì)量檢查 15，時效處理 14，清理（整修） 16，鑄件浸滲、噴丸 處理 17，終檢驗 7 1.11 壓鑄工藝原理 壓鑄工藝原理是利用高壓將金屬液高速壓入一精密金屬模具型腔內(nèi)， 金屬液 在壓力作用下冷卻凝固而形成鑄件。冷、熱室壓鑄是壓鑄工藝的兩種基本方式， 其原理如圖 1-1 所示。冷室壓鑄中金屬液由手工或自動澆注裝置澆入壓室內(nèi)，然 后壓射沖頭前進，將金屬液壓入型腔。在熱室壓鑄工藝中，壓室垂直于坩堝內(nèi)， 金屬液通過壓室上的進料口自動流入壓室。壓射沖頭向下運動，推動金屬液通過 鵝頸管進入型腔。 金屬液凝固后， 壓鑄模具打開， 取出鑄件， 完成一個壓鑄循環(huán)。 圖 1-1 壓鑄工藝原理示意圖 a)冷室壓鑄原理 b)熱室壓鑄原理 8 1.12 壓鑄工藝的特點 一、 優(yōu)點 （1） 可以制造形狀復(fù)雜、輪廓清晰、薄壁深腔的金屬零件。因為熔融金屬在高 壓高速下保持高的流動性， 因而能夠獲得其他工藝方法難以加工的金屬零 件。 （2） 壓鑄件的尺寸精度較高，可達 IT11—13 級，有時可達 IT9 級，表面粗糙 度達 Ra0.8—3.2um，互換性好。 （3） 材料利用率高。由于壓鑄件的精度較高，只需經(jīng)過少量機械加工即可裝配 使用，有的壓鑄件可直接裝配使用。其材料利用率約 60%--80%，毛坯利 用率達 90%。 （4） 生產(chǎn)效率高。由于高速充型，充型時間短，金屬業(yè)凝固迅速，壓鑄作業(yè)循 環(huán)速度快。在各種鑄造工藝中，壓鑄方法生產(chǎn)率最高，適合大批量生產(chǎn)。 （5） 方便使用鑲嵌件。易于在壓鑄模具上設(shè)置定位機構(gòu)，方便嵌鑄鑲嵌件，滿 足壓鑄件局部特殊性能要求。 二、 缺點 （1） 由于高速填充，快速冷卻，型腔中氣體來不及排出，致使壓鑄件常有氣孔 及氧化夾雜物存在，從而降低了壓鑄件質(zhì)量。因高溫時氣孔內(nèi)的氣體膨脹 會使壓鑄件表面鼓泡，因此，有氣孔的壓鑄件不能進行熱處理。 （2） 壓鑄機和壓鑄模費用昂貴，不適合小批量生產(chǎn)。 （3） 壓鑄件尺寸受到限制。因受到壓鑄機鎖模力及裝模尺寸的限制而不能 壓鑄大型壓鑄件。 （4） 壓鑄合金種類受到限制。由于壓鑄模具受到使用溫度的限制，目前主要用 來壓鑄鋅合金、鋁合金、鎂合金及銅合金。 1.13 壓鑄工藝的應(yīng)用范圍 壓鑄生產(chǎn)效率高，能壓鑄形狀復(fù)雜、尺寸精確、輪廓清晰、表面質(zhì)量及強度、 硬度都較高的壓鑄件，故應(yīng)用較廣，發(fā)展較快。目前，鋁合金壓鑄件產(chǎn)量較多， 其次為鋅合金壓鑄件。 壓鑄工藝主要用于汽車、拖拉機、電氣儀表、電信器材、航天航空、醫(yī)療器 9 械及輕工日用五金行業(yè)。生產(chǎn)的主要零件有發(fā)動機汽缸體、汽缸蓋、變速箱體、 發(fā)動機罩、儀表及照相機的殼體及支架，管接頭齒輪等。 各種合金壓鑄件的質(zhì)量和尺寸范圍見表 1-1. 表 1-1 合金壓鑄件質(zhì)量和尺寸范圍合金 最大 鋅合金 鋁合金 銅合金 92000 60000 12000 質(zhì)量 最小 0.3 0.14 10 平均壁厚 最大 10 12 20 最小 0.3 0.7 0.8 最大 400 1220*160*4.5 外形尺寸 最小 2 最小孔徑 （mm) 0.7 0.7 - 注：銅合金最大壁厚指局部尺寸。 第二章 2.1 壓鑄合金壓鑄合金是壓鑄生產(chǎn)的要素之一，要生產(chǎn)優(yōu)良的壓鑄件，除了要有合理的零 件構(gòu)造、設(shè)計完善的壓鑄模和工藝性能優(yōu)越的壓鑄機外，還需要有性能良好的合 金。 壓鑄件的斷面厚度取決于它承受的應(yīng)力和合金材料本身的強度， 具有較高強 度是壓鑄合金的優(yōu)點之一。 選用壓鑄合金時， 應(yīng)充分考慮其使用性能、 工藝性能、 使用場合、生產(chǎn)條件和經(jīng)濟性等多種因素。 壓鑄合金 2.11 對壓鑄合金的基本要求 1) 熱溫度不高時具有較好的流動性，便于充填復(fù)雜型腔，以獲得表面質(zhì)量良好 的鑄件。 2) 線收縮率和裂紋傾向性小，以免鑄件產(chǎn)生裂紋，并可提高鑄件尺寸精度。 3) 結(jié)晶溫度范圍小，防止產(chǎn)生縮孔和縮松，提高鑄件質(zhì)量。 4) 具有一定的高溫強度，以防止推出鑄件時產(chǎn)生變形或碎裂。 10 5) 在常溫下有較高的強度，以適應(yīng)大型薄壁復(fù)雜鑄件生產(chǎn)的需要。 6) 與金屬型腔相互之間物理-化學(xué)作用的傾向性小，以減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蝕性。 2.12 各類壓鑄鋁合金 Al-Si 合金由于 Al-Si 合金具有結(jié)晶溫度間隔小、 合金中硅相有很大的凝固潛熱和較大 的比熱容、線收縮系數(shù)也比較小等特點，因此其鑄造性能一般要比其他鋁合金為 好，其充型能力也較好，熱裂、縮松傾向也都比較小。Al-Si 共晶體中所含的脆 性相（硅相）數(shù)量最少，質(zhì)量分數(shù)僅為 10%左右，因而其塑性比其他鋁合金的共 晶體好， 僅存的脆性相還可通過變質(zhì)處理來進一步提高塑性。 試驗還表明： Al-Si 共晶體在其凝固點附近溫度仍保持良好的塑性，這是其他鋁合金所沒有的。 鑄造合金組織中常要有相當(dāng)數(shù)量的共晶體，以保證其良好的鑄造性能；共晶 體數(shù)量的增加又會使合金變脆而降低力學(xué)性能，兩者之間存在一定的矛盾。但是 由于 Al-Si 共晶體有良好的塑性， 能較好的兼顧力學(xué)性能和鑄造性能兩方面的要 求，所以 Al-Si 合金是目前應(yīng)用最為廣泛的壓鑄鋁合金。 Al-Mg 合金 Al-Mg 合金的性能特點是： 室溫力學(xué)性能好； 抗腐蝕性強； 鑄造性能比較差， 力學(xué)性能的波動和壁厚效應(yīng)都較大；長期使用時，有因時效作用而使合金的塑性 下降，甚至壓鑄件出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象；壓鑄件產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的傾向也較大等。 Al-Mg 合金的缺點部分抵消了它的優(yōu)點，使其在應(yīng)用方面受到一定的限制。 Al-Zn 合金 Al-Zn 合金壓鑄件經(jīng)自然時效后，可獲得較高的力學(xué)性能，當(dāng)鋅的質(zhì)量分數(shù) 大于 10%時，強度顯著提高。此合金的缺點是耐蝕性差，有應(yīng)力腐蝕的傾向，壓 鑄時易熱裂。常用的 Y401 合金流動性好、易充滿型腔，缺點是形成氣孔傾向性 大，硅、鐵含量少時，易熱裂。 第三章 壓鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計 壓鑄件功能結(jié)構(gòu)設(shè)計是壓鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心， 它確定了能實現(xiàn)壓鑄件使用 11 功能所需的尺寸、壁厚和形狀，并校核壓鑄件在靜載荷或動載荷的使用過程中的 形變、疲勞、磨損等的變化狀態(tài)，以滿足其使用的安全性。 設(shè)計壓鑄件的功能結(jié)構(gòu)， 不但要具有機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和機械加工等方面的素質(zhì) 和技術(shù)能力，也還需要有壓鑄合金、壓鑄成型工藝以及壓鑄模設(shè)計等諸多方面的 綜合基礎(chǔ)知識，以使得所設(shè)計的功能結(jié)構(gòu)，能夠滿足壓鑄件所規(guī)定的各項技術(shù)要 求以及在使用期限內(nèi)的功能及性能，并且是可靠、安全和經(jīng)濟的。 壓鑄件按使用功能可分成兩類： 一類是能承受較大載荷或有較高相對運動速 度的壓鑄件，檢查的項目有尺寸精度、表面要求、化學(xué)成分、力學(xué)性能，甚至于 進行破壞性試驗，檢驗其內(nèi)部缺陷等；另一類是一般壓鑄件，檢查的項目有尺寸 精度、表面要求、化學(xué)成分。 3.11 一 壓鑄件的尺寸精度及加工余量 壓鑄件的尺寸精度 壓鑄件能達到的尺寸精度是比較高的，其穩(wěn)定性也很好，基本上依壓鑄模制 造精度而定。 造成壓鑄件尺寸偏差的原因很多， 其中有合金本身化學(xué)成分的偏差、 工作環(huán)境溫度的高低、金屬收縮率的波動、開模和抽芯以及推出機構(gòu)運動狀態(tài)的 穩(wěn)定程度、模具使用過程中的磨損量引起的誤差、壓鑄工藝參數(shù)的偏差、壓鑄機 的精度和剛度引起的誤差、模具的修理次數(shù)及其使用期限等。而這些原因又互相 交織在一起，彼此影響。 二 加工余量 當(dāng)壓鑄件的尺寸精度與形位公差達不到設(shè)計要求而需機械加工時， 應(yīng)優(yōu)先考 慮精整加工，以便保留其強度較高的致密層。加工余量應(yīng)選用較小值，見表 3-1 表 3-1 機械加工余量 尺寸 30 30-50 50-80 80-120 120-180 180-260 260-360 360-500 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1.0 1.2 單 面 0.3 余量 注：1.待加工的內(nèi)表面尺寸以大端為基準，外表面尺寸以小端為基準。 2.機械 加工余量取鑄件最大尺寸與公稱尺寸兩余量的平均值。 12 3.12 壓鑄件表面質(zhì)量 壓鑄件按使用要求分 3 級 1 級 要求高的表面，需鍍鉻、拋光、研磨，相對運動配合面，危險應(yīng)力區(qū)表面。 相當(dāng)于 Ra=1.6um。 2 級 涂裝要求一般，或要求密封的表面，鍍鋅、陽極化、油漆、不打膩、裝配 接觸面。相當(dāng)于 Ra=3.2um。 3 級 保護性涂裝表面及緊固接觸面、油漆打膩面、其他表面，相對于 Ra=6.3um。 第四章 壓鑄工藝 4.1 壓力 壓力是壓鑄工藝的基本特征，金屬液的充型流動和壓實都是在壓力的作用下 完成的。 壓力分為動態(tài)壓射力和增壓壓射力。 動態(tài)壓射力的作用是克服各種阻力， 保證充型時金屬液達到一定速度。 增壓壓射力的作用是在充型結(jié)束后對壓鑄件進 行壓實，提高壓鑄件的致密度，使壓鑄件輪廓清晰。壓射力通過壓射沖頭對金屬 液施加壓力。施加壓力的大小用比壓表示。冷室壓鑄機的動態(tài)壓射比壓一般在 30-90MPa 之間，增壓壓射比壓一般在 50-300MPa 之間。熱室壓鑄機提供的壓射 比壓可達到 20-50MPa。應(yīng)該注意，使用壓鑄機提供的最小壓射沖頭才能得到最 大壓射比壓。 選擇壓射比壓時， 應(yīng)考慮壓鑄機能夠提供壓射力及使用的壓射沖頭， 超出可選范圍則無法達到。 4.11 壓射比壓 P3 壓力 P2 P4 P1 P1 P2 T1 t2 t3 t4 保壓時間 13 升壓 注：t1 t2 充填 增壓 金屬液在壓室中未承受壓力的時間；P1 為一級（慢速） 金屬液于壓室中在壓射沖頭的作用下，通過內(nèi)澆口充填型腔 的時間；P2 為二級（快速） t3 t4 充填剛剛結(jié)束時的舜間；P3 為三級（增壓） 最終靜壓力；P4 為補充壓實鑄件 4Py P b= Лd2 式中：Pb 比壓（Mpa）; Py 機器的壓射力（N） ； （壓射力=壓射缸直徑×蓄壓器壓射時間最小壓力） d 壓室（沖頭）直徑（MM） 比壓的選擇與多種因素有關(guān)，一般應(yīng)遵守以下原則： 1) 壓鑄件結(jié)構(gòu)特征。①薄壁壓鑄件，壓射比壓可選高些；厚薄壓鑄件，增壓比 壓可選高些。②形狀復(fù)雜，壓射比壓可選高些。③工藝性良好，壓射比壓可 選低些。 2) 壓鑄合金特性。①結(jié)晶溫度范圍寬，增壓比壓可選高些。②流動性差，壓射 比壓可選高些。③密度大，壓射比壓、增壓比壓可選高些。 3) 澆注系統(tǒng)。①流程長，轉(zhuǎn)折多、澆口薄、阻力大，壓射比壓可選高些。②澆 道扁平，散熱快，壓射比壓可選高些。 4) 合金及壓鑄模具溫度。①合金澆注溫度較低、壓鑄模具溫度較低，壓射比壓 可選高些。②合金液與壓鑄模具溫度差異較大時，壓射比壓可高些。 5) 壓鑄件質(zhì)量。①壓鑄件內(nèi)部質(zhì)量要求高，增壓比壓可選高些。②壓鑄件表面 質(zhì)量要求高，壓射比壓可選高些。 4.12 脹模力壓鑄過程中，在比壓的作用下，金屬液填充型腔時，給型腔壁和分型面一定 的壓力，稱為脹模力。在壓鑄過程中的最后階段即增壓比壓通過金屬液傳給壓鑄 模時，脹型力最大，是為壓鑄件初選壓鑄機型號及支承板進行強度和剛度校核的 14 重要參數(shù)。脹型力可根據(jù)分型面的面積初步預(yù)算： Fz=pbA 式中 Fz----模具分型面上的脹型力（N） ，當(dāng)有活動鑲塊契緊裝置時，應(yīng)計入側(cè) 面脹型力引起鎖模方向的分力； Pb----壓射比壓(MPa)，有增壓機構(gòu)的壓鑄機采用增壓比壓； A----壓鑄件、澆口和排溢系統(tǒng)在分型面上投影面積總和. 表 4-1 各種壓鑄合金常用比壓表鑄件壁厚≤3(mm) 合金 結(jié)構(gòu)簡單 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 鑄件壁厚>3(mm) 結(jié)構(gòu)簡單 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 鋅合金 鋁硅、鋁銅合金 鋁、鎂合金 鎂合金 銅合金 20-30 25-35 30-40 30-40 40-50 30-40 35-45 40-50 40-50 50-60 40-50 45-60 50-65 50-65 60-70 50-60 60-70 65-75 65-80 70-80 4.2 速度壓鑄過程中，速度受壓力的直接影響，又與壓力共同對內(nèi)部質(zhì)量、表面輪廓 清晰度等起著重要作用。速度有壓射速度和內(nèi)澆口速度兩種形式。 4.21 壓射速度壓射速度又稱沖頭速度，它是壓室內(nèi)的壓射沖頭推動金屬液的移動速度，也 就是壓射沖頭的速度。壓射過程中壓射速度是變化的，它可分成低速和高速兩個 階段，通過壓鑄機的速度調(diào)節(jié)閥可進行無級調(diào)速。 壓射第一階段、第二階段是低速壓射，可防止金屬液從加料口濺出，同時 使壓室內(nèi)的空氣有較充分的時間逸出，并使金屬液堆積在內(nèi)澆口前沿。低速壓射 的速度根據(jù)澆到壓室內(nèi)金屬液的多少而定。壓射第三階段是高速壓射，以便金屬 15 液通過內(nèi)澆口后迅速充滿型腔， 并出現(xiàn)壓力峰， 將壓鑄件壓實， 消除或減小縮孔、 縮松。 表 4-2 低速壓射速度的選擇壓室充滿度（%） ≤30 30～60 ＞30 壓射速度（cm/s） 30～40 20～30 10～20 4.22 內(nèi)澆口速度內(nèi)澆口速度是金屬液通過內(nèi)澆口進入型腔的線速度。較高的內(nèi)澆口速度，即 使采用較低的比壓也能將金屬液在凝固之前迅速填充型腔，獲得輪廓清晰、表面 光潔的壓鑄件，并提高金屬液的動壓力。 內(nèi)澆口速度過高時也會帶來一系列問題，主要是容易包卷氣體形成氣泡；金 屬液呈霧狀進入型腔， 粘附于型腔壁與后來的金屬液不能熔合而形成表面缺陷和 氧化夾雜，加速壓鑄模的磨損等。 選用內(nèi)澆口速度時，應(yīng)考慮一下因素： 1) 鑄件形狀復(fù)雜或薄壁時，內(nèi)澆口速度應(yīng)高些。 2) 合金澆入溫度低時，內(nèi)澆口速度可高些。 3) 合金和模具材料導(dǎo)熱性能好時，內(nèi)澆口速度應(yīng)高些。 4) 內(nèi)澆口厚度較厚時，內(nèi)澆口速度應(yīng)高些。 內(nèi)澆口速度太小，易使鑄件輪廓不清；內(nèi)澆口速度太大，會使鑄件產(chǎn) 生氣孔等缺陷。內(nèi)澆口速度與壓鑄件的平均壁厚和填充時間的關(guān)系見表 4-3。 表 4-3 推薦的壓鑄件平均壁厚與填充時間、內(nèi)澆口速度的關(guān)系壓鑄件平均壁厚/mm 1 1.5 2 2.5 填充時間/ms 10～14 14～20 18～26 22～32 內(nèi)澆口速度(m/s) 46～55 44～53 42～50 40～48 16 3 3.5 4 5 28～40 34～50 40～60 48～72 38～46 36～44 34～42 32～40 4.23 內(nèi)澆口速度與壓射速度和壓力的關(guān)系 在冷壓室壓鑄機中，壓室、澆道和壓鑄模構(gòu)成一個密閉系統(tǒng)。根據(jù)連續(xù)性原理， 內(nèi)澆口速度與壓射速度具有固定關(guān)系。即 Лd2vy Anvn= 4 式中 d----壓室直徑（cm）; Vy----壓射速度(cm/s) An----內(nèi)澆口截面積 cm Vn---內(nèi)澆口速度(cm/s) 2 17
