[摘要]“模”一詞在以前的澆鑄中意謂熔化金屬被鑄進金屬型模中并在模中冷卻成形. 模是由兩半构成的, 可以打開并取出鑄件. 壓鑄過程變化
“模”一詞在以前的澆鑄中意謂熔化金屬被鑄進金屬型模中并在模中冷卻成形. 模是由兩半构成的, 可以打開并取出鑄件. 壓鑄過程變化很多, 沒有一個鑄造過程適用于所有的鑄造產品或所有的生產條件, 這些過程通常分為三种主要類型, 它們的主要區別是施加給液体金屬和金屬射料系統的壓力是不同的.
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金屬型鑄造模 |
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金屬型鑄造的鎚頭 |
除過金屬型模可用來代替類似的砂型之外, 這种過程所用的方法和傳統砂型鑄造所用的方法相似. 金屬型模廣泛應用于有色金屬鑄件的生產, 而且要求生產超過一百多件時最為合算.
金屬型鑄造所用的模通常結構簡單, 通常由兩半构成. 這兩半具有通過模腔的垂直接縫. 流道、澆口及气孔和砂型類似而且可以使用砂芯. 模具要涂上一層耐火材料, 暫時延遲冷卻直到熔化金屬可以均勻地流入模中.
基本的操作包括澆鑄熔化金屬, 冷卻階段, 頂出鑄件, 清理模具, 固定松弛的型芯, 合模准備下一次循環. 圖示2-1展示了金屬型鑄造模的鋁質自動柱塞具有可動的半模和多件位于中部的型芯. 圖示2-2展示的是和圖示2-1相同的模, 但是它們的自動柱塞在從模中移出前冷卻.
— 金屬型鑄造的优點(Advantages of Permanent Mold Casting )
這种鑄造過程的主要優點是經濟和优良鑄造品質. 生產率通常比砂型鑄造高。 這种鑄造鑄出的鑄件比砂型鑄造鑄出的鑄件具有更細的晶粒結構和更好的強度特征. 而且, 鑄件可以設計成具有更薄的件壁. 另外, 鑄造表面比砂型鑄造件的表面更光滑, 而且由于可以保持更為緊密的尺寸公差, 因此很少要求机加工. 金屬型鑄件的孔隙率小于砂型鑄件, 因而具有优越的氣密性, 金屬型模的壽命通常是50000到70000啤之間.
— 金屬型鑄造的缺點(Disadvantages of Permanent Mold Casting )
這种鑄造過程由于工模成本高、生產期短而不經濟合算. 這种鑄造過程要進行大批量的生產既慢且成本昂貴. 高壓壓鑄過程可以更好地滿足大批量生產的要求, 當要求不同尋常的可靠性和高机械特征時, 金屬型鑄造件就不會滿足零件的要求了.
— 低壓壓鑄 (Low Pressure Die Casting )
要想使熔化金屬進入模中的工藝自動化, 就要開發出一種技朮代替人工操作熱金屬。
使用低壓壓鑄机, 熔化金屬裝在絕熱的、加壓密封的坩堝或熔爐中. 管道垂直向下通過熔爐, 它的底端浸入熔化金屬中且頂端法蘭用熔爐蓋密封, 模裝在熔爐上方的壓鑄机上, 并密封管道的開口端, 當給熔爐施加氣壓時, 熔爐排出熔化金屬并使熔化金屬沿著管道向上運行并進入模腔.
冷卻過程從模的未端依次進行, 最后到達給料頭, 給料頭是管道的嘴. 一旦鑄件開始冷卻, 那么通過松弛空氣壓力的方法就把不需要的金屬返回到了熔爐之中。 開模, 取出鑄件并開始下一輪循環.
— 低壓壓鑄的優點(Advantages of Low Pressure Die Casting )
低壓壓鑄超過高壓壓鑄的最大優點是孔隙率降低. 特別是壁厚部分。 因為沒有流道, 冒口或澆口, 所以鑄造的效率是90~95%. 很少有殘渣碎屑需要再熔化, 這樣就節約了熔化金屬所需燃料的成本. 模具壽命比金屬型鑄造的模壽命長, 且模具成本比高壓壓鑄的成本低. 低壓壓鑄比高壓壓鑄有更多的合金選擇余地. 由于使用的是熱處理合金, 且減小了空氣的夾帶量, 因此可以改善机械特征. 低壓壓鑄過程中可以任意使用型芯, 但對于高壓壓鑄過程卻很難生產, 鎂合金鑄造也可采納這種過程.
— 低壓壓鑄的缺點(Disadvantages of Low Pressure Die Casting )
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模 |
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模腔 |
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澆口 |
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司筒 |
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鎚頭 |
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連杆 |
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熔化金屬 |
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蓄壓瓶 |
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控制閥 |
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圖示2-3. 冷室机基本的液壓射料系統 |
— 高壓壓鑄(High Pressure Die Casting )
這是一種在壓鑄工業中較為廣泛使用的過程. 在北美 ,“壓鑄”一詞的含義通常是指高壓壓鑄. 在壓鑄中熔化金屬高速壓入鋼模中, 從而保証了熔化金屬完全注入到兩個半模之間的模腔空間內. 強行射料冷卻收縮. 在熔化金屬進入模中的同時, 熱量流動离開金屬并進入模中, 金屬冷卻, 在完全冷卻之時, 開模并取出冷卻的鑄件.
把熔化金屬射入模中有兩种類型的机理. “冷室”机理是金屬在高溫條件下熔化, 而且熔化金屬如鋁、黃銅和鎂与鐵有親合力. 在冷室過程中有水平射料和垂直射料兩種射料系統. “熱室”机理常用鋅和鉛金屬, 金屬是在低溫條件下熔化且降低了与鐵的親合力.
— 壓鑄過程的主要說明如下:(A brief definition of the die casting Process is as follows)
高壓壓鑄是在壓力條件下把熔化金屬強行壓入一個已安全鎖定的模腔內的過程. 模腔內保持強大的壓力一直到模腔內的金屬冷卻下來, 金屬冷卻下來之后, 開模、頂出鑄件并取出, 鑄件取出之后, 潤滑模具, 合模并鎖定, 准備下一次循環. 圖示2-3展示的是冷室机基本的液壓頂出系統.
在冷室壓鑄過程中, 熔化金屬用手工或自動化系統舀入冷室机的開口中。 液壓操作的鎚頭頂端前移并封住這個開口, 在高壓高速的條件下迫使熔化金屬進入模中. 鑄件冷卻后, 鎚頭回退, 開模、頂出鑄件、潤滑模具, 然后准備下一次循環. 圖示2-4展示的是冷室過程中的金屬流動系統.
熱室机的射料設備浸入熔爐的熔化金屬槽內, 當壓射鎚頭移動時迫使熔化金屬通過鵝頸和射咀進入模具中. 此系統所用壓力低于冷室過程中所用的壓力. 由于熱室壓鑄机的打料時間比冷室壓鑄机的打料時間縮短, 所以熱室壓鑄机的生產率比冷室壓鑄机的生產率要高. 圖示2-5展示了熱室壓鑄机的金屬流動系統.
— 高壓壓鑄的優點(Advantages of High Pressure Die Casting )
高壓壓鑄的生產率比金屬型鑄造或低壓壓鑄都要高得多. 生產的鑄件具有緊密的尺寸公差, 大大減少了机加工操作. 壓鑄件具有良好的表面處理, 也是電鍍的基本要求. 壓鑄件的壁厚可以作的更薄一些, 大大減輕了鑄件的總体重量, 更長的壓鑄工模壽命降低了單件的成本 . 在壓鑄操作中, 可以生產出更复雜的零件, 因此大大減小了裝配中部件的數量, 在高壓壓鑄中有些位置還可以鑲入插件鑄造.
— 高壓壓鑄的缺點(Disadvantages of High Prissure Die Casting)
高額的模具成本使數量很少的短期生產顯得不那么經濟合算. 適合于壓鑄生產的合金數目有限以及鑄件的內部孔隙都限制了完整鑄件的熱處理或接合. 鐵或鋼合金一般不可壓鑄, 鑄件在鑄造大小和鑄件壁厚方面都會有限制, 這樣有些零件的壓鑄就沒有可能. 壓鑄机和維修成本都比其他的鑄造過程更高.
(2) 机器能力(MACHINE CAPCITY) --- PQ2分析(PQ2 ANALYSIS)
PQ2研究施加給熔化金屬的有效壓力与模腔可以獲得的填料率之間的相互關系, 它涉及到澆口面積、鎚頭大小、机器動力、液壓、霧化流動和模腔填料率之間的關系. 在研究PQ2之時, 要檢測的范圍包括如下主題:
— 作為射咀的澆口
— 作為金屬泵的壓鑄机
— PQ2的基本公式
— 机線圖示
— 計算金屬壓力
— 壓鑄机最大的干燥射速
— 模線圖示
— 定義操作窗
----- 澆口速度的限制
----- 填料時間的限制
----- 繪制操作窗
為了提高壓鑄机上生產零件的質量, 壓鑄商必須了解壓鑄机和模具的安裝, 并使它們最優化. PQ2分析的目標是預測所給的模裝在已知性能的壓鑄机上時將如何運作. 分析會產生一個和鑄造品質要求相一致的操作窗. 模具/過程設計就會在所選操作窗的中間進行理想地運作. PQ2分析對于運用在壓鑄机上的壓鑄過程開發來說是一個起始點.
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圖示2-6. PQ2圖表 |
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机器:---- ________________
液缸大小:---- ____________
液壓:---- ________________
液壓射速:---- ____________
鎚頭端的大小: ______ |
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金屬壓力
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(磅./英寸2)
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操作窗
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壓鑄机動力
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理論填料率
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操作點
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模線(澆口面積)
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澆口速度限制
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數量(英寸3/秒)
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— PQ2圖表(The PQ2 Diagram )
一副完整的PQ2圖表如圖示2-6所示, 目的是預測當所給的模安裝在已知性能的壓鑄机上時, 模具將在哪里操作, 而且還顯示出了一個操作窗, 它的開發是為了与鑄件質量要求相一致. 目標是確定一個設計使模和壓鑄机在已開發的操作窗范圍之內操作, 并生產出合格的品質和生產率.
PQ2圖表的計算和開發給壓鑄過程規定出了一個良好的起點. 過程的精確調整源于生產鑄件的評估. 如果鑄件上的表面處理是重要的規格, 那么填料時間就是可變的參數. 如果孔隙率是重要的規格, 那么壓力就可能是可變參數. 壓力主要由所選的鎚頭大小控制. PQ2圖表可以讓工程師在紙上對壓鑄机和模的組合進行過程調節, 保証過程合理可行, 不會在模上留下切划痕和焊痕.
PQ2過程沒有指明模填滿料之后, 以及壓力施加給模腔中的半固態金屬時會發生什么事情.
(3) 填料時間分析(FILL TIME ANALYSIS )
一旦模腔填料圖確定下來, 就必須決定理想的填料時間, 填料時間是指從熔化金屬到達澆口時開始, 一直到完全填滿模腔和溢流槽為止. 壓鑄模腔用熔化金屬填料的典型時間是0.010到0.200秒. 填料時間不考慮隨后的填密或冷卻收縮的時間, 熔化金屬流經澆口和要求產生金屬流的壓力之間的關系以伯努利議程中的導數為基礎.
— 計算填料時間(Computing Fill Time) --- 澆口方程(The Gating Equation)
填料時間由如下的澆口方程計算:
其中:
t = 理論填料時間, 秒
K = 實驗上的導出常數, 秒/英寸(秒/厘米)
Tf = 最低的金屬流動溫度, °F (°C)
Td = 熔化金屬進入模腔之前模腔表面的溫度, °F (°C)
S = 填料結束時在金屬中允許凝固成固体的百分比, %
Z = 單位轉換因素, °F/% (°C/%)
T = 鑄件厚度, 英寸 (mm)
澆口方程給出了所有主要過程變量之間的相互關系. 允許設計師給所有的可變量選擇數值, 而且規定固結百分數用于期望的鑄件品質. 期望的鑄件品質可以決定可變量組的理論填料時間. 如果規定出不同的過程條件, 那么方程就會產生不同的填料時間, 如果設計師有原因或需求在其它條件下操作模, 他就應把數值代入代表這些條件的澆口方程之中, 澆口方程中的各個可變量在PQ2或北美壓鑄學會的課本中都有詳細的說明.
— 伯努利方程 (Bernoulli’s Equation)
澆口速度是指熔化金屬流經澆口時的速度. 施加給壓鑄机射料系統的負荷從推動熔化金屬通過模口或澆口的力而來, 而且當迫使熔化金屬以要求的澆口速度通過澆口時釋放出的壓力就會表現出來. 這種施加給熔化金屬通過壓鑄机的壓射系統, 使熔化金屬以要求的填料時間進入模腔的釋放壓力可以由伯努利方程計算出來.
其中:
P = 金屬壓力, 磅/英寸2 (kg/cm2)
ρ = 金屬密度
鋁: 0.093磅/英寸3 (2.580g/cm3)
鋅: 0.221磅/英寸3 (6.130g/cm3)
鎂: 0.063磅/英寸3 (1.750g/cm3)
g = 386.4(常數)英寸/秒2 (981cm/秒2)
Vg = 澆口速度, 英寸/秒(cm/秒)
Cd = 卸壓系數, (沒有單位)
使用伯努利方程時, 可以看出金屬壓力与澆口速度的平方成正比. 如果澆口速度增加二倍, 那么金屬壓力和射料力就要求增加4倍, 一旦要求的壓力由伯努利方程求出, 那么它就可以繪制到PQ2圖表上.
要求特殊的流量Q和澆口面積Ag時, 伯努利方程還可求出實際的金屬壓力, 伯努利方程通過使用下面的方程變化:
金屬壓力的計算數值可以直接繪制在PQ2圖表上.
(4) 壓鑄的熱流理論(HEAT FLOW THEORY FOR DIE CASTING)
壓鑄實質上是一個熱量過程. 制造優質壓鑄件的重要因素是能夠了解并正確設計模中的熱量條件. 從鑄件到模的熱流動必須正確管理以得到優良品質的鑄件.
h 熱流理論(Heat Flow Theory)
熱流用英熱量單位(BTU)測量. 必須解釋熱量流進材料(材料溫度升高)和熱量流出材料(材料溫度降低)的概念, 便于理解鑄件如何凝固.
每种材料都有吸收和包含熱量的能力, 它被稱作材料的比熱. 部分代表性數值如表格2-1所示. 材料的這种熱能力通過給材料溫度升高(或降低) 1°F, 計算材料吸收(放出)熱量(BTU)的多少.
當材料加熱到變化狀態的臨界點時(也就是: 物質從固態變到液態, 或者像水沸騰那樣從液態變到气態), 作這樣的狀態變化需要額外的熱量. 這樣, 冰可以加熱到32°F, 并在此臨界點上停止加熱, 但是要改變狀態就要增加熱量. 在這种情況下冰就會熔化(從固態變為液態). 這种要求把金屬從固態變為液態的額外熱量就稱為熔解熱. 這种變化是金屬到金屬的變化. 有些金屬(像鋁)需要很多的額外熱量才能從固態變為液態, 而有些金屬(像鋅)需要很少的額外熱量就能從固態變為液態. 表格2-2表明的是各种材料的潛熱.
相反當鑄件冷卻之時, 會發生同樣的事情, 液態金屬冷卻到凝固點時, 必須從金屬上轉移大量額外的英熱量單位才能轉化為固態.
h 熱量流動原理(Mechanisms of heat flow)
熱傳遞通過三种不同的方式進行: 傳導, 對流和輻射. 因為這三种方式常用于壓鑄中, 所以下面對它們進行適當的評述.
h 傳導(Conduction)
傳導所涉及的熱傳遞是通過直接接觸熱源來進行. 傳導的熱量通過如下等式定義出來:
QK = KA (T1-T2)/L
其中:
QK = 通過材料轉移的熱量 (英熱量單位/小時)
K = 材料的熱導率和熱量流動路經 (英熱單位‧小時‧英寸‧°F)
A = 熱流動路經的橫截面積 (英寸2)
L = 熱流動路經通過材料的距離 (英寸)
T1 = 材料在熱流動開始時的溫度 (°F)
鑄件上的大部分熱量是通過傳導進模中實現轉移的.
h 對流(Convection)
對流是當空气這樣的媒体流向諸如壓鑄模這樣的熱表面時, 從熱表面吸收熱量并把熱量帶走, 對流帶走的熱量由下面的等試定義:
QC =cA(TS-TA)
其中:
QC = 熱傳遞量 (英熱量單位/小時)
c = 熱傳遞系數 (由媒体的流動速度以及從材料到流動媒体的抗熱流動性決定)
(英熱量單位/小時‧英寸2‧°F)
A = 表面積 (英寸2)
TS = 表面溫度 (°F)
Ta = 空氣溫度 (°F)
h 輻射(Radiation)
輻射是通過輻射電磁波的方式轉移熱量. 通過輻射轉移的熱量為: [注意溫度必須用蘭金溫標(絕對華氏溫標)表示]
Qr = rA (Rs2 –Ra2)
其中:
Qr = 熱傳遞量 (量熱量單位/小時)
r = 模的輻射常數 (英熱量單位/小時‧英寸2‧°F)
A = 表面積 (英寸2)
Ts = 表面溫度 (蘭金溫標°R)
Ta = 空氣溫度 (蘭金溫標°R)
盡管鑄件頂出之后通過輻射部分冷卻, 但是由于模溫相當低, 所以通過輻射從鑄件上轉移的熱量不是太多.
h 射料期間的熱量流動(Heat flow duing injection)
在壓鑄過程中, 金屬射料非常之快, 以致大量熱量不是在模具填料期間轉移, 而是只有一部分熱量轉移 --- 這對于鑄件良好的表面處理可能是非常重要的因素. 金屬上的熱量持續地從熱金屬上轉移到溫度相當低的模具上. 因此, 金屬流經模具鋼的每一個小的截面時都將從金屬上獲得一少部分熱量.
由于所有進入鑄腔的金屬都必須流經澆口位的模具鋼, 所以澆口位的模具鋼在填料期間將獲得更多的熱量(這種熱量不是由于金屬速度太高). 金屬流動盡頭的模具鋼由于只有一少部分金屬流經, 所以獲得的熱量很少, 盡管從流動金屬上轉移的熱量很少, 但是如果鑄件很大或很重, 那么就特別重要, 而且有可能需要增加冷卻水.
另外一方面, 如果沒有大量的金屬流經模具的特殊截面(例如, 在液体金屬流動的盡頭模的一個薄部分或截面), 那么模就不會接受足夠的熱量以維持良好的操作溫度, 而且表面處理的質量還會降低. 這种情況下需要增加熱量(熱油、電加熱器或溢流槽).
h 射料之后的熱量流動(Heat flow after injection)
大部分進入模具的熱量, 不是在模具填料期間得來的, 而是鑄件在模中冷卻期間獲得的. 傳導期間的熱量流動公式可以用來計算熱量流動的數值. 一個重要因素是鑄件和板模鋼之間的熱傳遞系數. 熱傳遞系數會隨著一個因素的變化而變化 --- 例如所用塗層(模潤滑劑)的類型, 所用的金屬壓力以及鑄件在收縮期間的運動方向.
H-13板模鋼的熱傳導系數相當低, 這就意謂著通過板模鋼的熱傳導進行地非常慢. 由于它幫助熱量控制在了模中, 所以在這一點上是有利的, 鑄件在模中冷卻期間, 由于花費了很長一段時間把熱量轉移到模中, 所以模的表面會變得非常熱.
h 控制模溫(Controlling die temperature)
一般采取三種方法控制模中的熱量流動. 一种方法是使用噴模, 特別适用于鋁壓鑄. 用大約98%的水噴模, 且噴水可使模表面快速冷卻, 盡管在模具鋼上采用冷卻的方法太難且縮短了壽命, 但是它卻非常有效地控制了局部溫度.
第二种方法是在模中使用冷卻(加熱)線路. 如果正確的熱量流動管理是有效的, 那么就必須仔細設計冷卻或加熱線路的位置. 冷卻線路必須置于鑄件的下面 (而不是在外側邊緣)才真正有效. 如果所有其他條件相同, 那么轉移熱的數量取決于水的流量 (率) 或速度.
控制模溫的第三種方法是通過調節周期率控制熱量的輸入. 一般情況下, 周期率需要盡可能快. 因此輸入的熱量 (和周期率) 可以通過噴模清除熱量的方法及模中設計冷卻系統的方法加以控制.
熱流動非常复雜, 因此這種熱流動体系的工程最好是用計算机分析來做. 使用現今的軟件, 可以對過程熱量條件給出預測. 而且這樣對模的加熱 / 冷卻体系作出了更多更好的工作.
h 頂出之后的熱流動(Heat flow after ejection)
零件頂出之后, 零件的熱流動除在水中淬火之外, 大部分通過輻射和對流(空氣流動)的方式進行. 在鑄件冷卻之時, 溫度仍然很高, 鑄件仍具有展性, 而且由于鑄件受冷收縮, 大部分壓鑄件复雜的形狀會引起不均勻的應力. 這款零件在冷卻過程中會引起部分變形. 控制這种變形的最佳方法是在頂出時采取非常均勻的溫度.
