压铸过程原理 及压铸工艺引言引言n压铸机、压铸模具及压铸合金是压铸生产的三大要素。n但要生产出合格压铸件，没有正确的压铸工艺是不可能的。压铸工艺规定三大要素的工作方式。n换言之，如果压铸机、压铸模具及压铸合金压铸机、压铸模具及压铸合金压铸机、压铸模具及压铸合金压铸机、压铸模具及压铸合金是压铸生产的硬件硬件硬件硬件，那么压铸工艺压铸工艺压铸工艺压铸工艺就是压铸生产的软件软件软件软件。2.1 2.1 压射过程与压射过程曲线压射过程与压射过程曲线n压力和速度是压射过程的两个重要参数。记录压射过程中压力和速度动态特性的曲线，称为压射过程曲线。n冷室压铸（1）小型压铸机 三级压射，即为两级速度，一级增压。（2）中大型压铸机 双回路控制的四级压射系统，即慢压射、一级快压射（也较慢）、二级快压射、增压。n热室压铸，主要以两个阶段压射为主（一速升液和二速填充）。一、压射过程一、压射过程n压铸机的压射过程从压射冲头开始移动至型腔充满保压（热室压铸机），或者至增压结束（冷室压铸机）为止。n压射过程中，随着压射冲头的位移，速度和压力都是按设定的模式变化。阶段阶段进程描述进程描述I I起始位置：起始位置：从压射冲头起始位置至越过浇料口位置参数：参数：压射速度v1（冲头），压射压力p1（动态）特征：特征：低压低速，运行平稳说明：说明：低速推进，防止金属液从浇料口溢出，有利于气体排出。压力主要用于克服系统摩擦阻力，只有小部分用于推动金属液IIII起始位置：起始位置：从压射冲头越过浇料口位置至金属液充满至内浇口处参数：参数：压射速度v2，压射压力p2（动态）特征：特征：压力增大，压射冲头速度加快说明：说明：压射冲头通过浇料口，压射压力提高，压射冲头速度加快，金属液充满压室至浇注系统。该阶段应注意防止卷气，并尽量避免金属液提前进入型腔IIIIII起始位置：起始位置：从金属液充满内浇口处至型腔完成充满参数：参数：压射速度v3，压射压力p3（动态）特征：特征：压射压力再次升高，压射速度略有下降，充型速度最快说明：说明：金属液流经内浇口充填型腔。由于内浇口处截面积大幅缩小，流动阻力剧增，压射速度略有下降，但此时充型速度最快。要保持足够的充型速度，需更高的压射压力，用于克服浇注系统主要是内浇口处的流动阻力。IVIV起始位置：起始位置：充型结束参数：参数：压射速度迅速减至零，增压压力p4建立特征：特征：压射冲头停止运动，压力剧增，达到全过程的最高值说明：说明：金属液完成充满型腔。增压压力对凝固中的金属液进行压实，压射冲头可能稍有前移。金属液凝固后，增压压力撤除，压射过程结束。通过增压使压铸件密度增加，获得清晰压铸件n说明：压射阶段的划分来源于长期的压铸实践，但并非必须完全遵循，根据压铸件及压铸工艺的具体状况设定。n发展历程：不变化-二阶段-三阶段（或四阶段）n最新进展：突破了传统的三阶段压射，可以根据工艺需要，多点设置速度和压力，可以非常灵活地设定压射过程；某些压铸机还具备压射冲头运动优化程序，根据压室参数、金属液充满度等参数，计算最佳压射模式，减少卷气现象。n压射模式应根据压铸件及压铸工艺的具体状况设定，并非采用哪一种固定模式。二、压射过程曲线二、压射过程曲线压射过程分析的重要线图压射过程分析的重要线图压射过程分析的重要线图压射过程分析的重要线图1 1、压射阶段、压射阶段n理论上，压射压力与压射速度的平方成正比，一定的速度对应一定的压力，或者说使用一定压力才能达到一定的速度n压射曲线中的上升斜线，表示压力和速度处于上升之中，起始点为速度或压力的切换点n压射曲线中的平台，表明该阶段的速度和压力没有变化，一个稳定的平台可以理解为一个阶段（冷室压铸出现三个压射阶段I、II、III）n在IV阶段（增压阶段），压力迅速上升出现高压平台，但速度值迅速降为零，这是增压阶段的特征，表明充型结束，增压形成。二、压射过程曲线二、压射过程曲线2 2、压力和速度值、压力和速度值n正常情况下，压力值和速度值相对应n如果曲线异常，出现压力过高而速度偏低，表明压射系统可能出现问题，如压射冲头阻滞、浇道堵塞，或液压管路问题等n如果压力曲线偏低，速度无法上升，表明压力没有建立，应检查压力设置是否合适或是存在泄压之处二、压射过程曲线二、压射过程曲线3 3、压力和速度切换状况、压力和速度切换状况n各阶段的切换起始点至结束点，或者说切换处曲线斜率，反映了从低速切换至高速，或从低压切换至高压的响应速度。n切换时速度和压力应该同步响应为佳，以反应迅速为佳。二、压射过程曲线二、压射过程曲线4 4、建压时间、建压时间n建压时间表示增压压力的响应速度，建压时间是反映压铸机性能的重要指标。n增压压力必须在金属凝固之前建立，否则将大大影响增压效果。n理论上讲，建压时间越短越好，可以在金属液凝固之前对其进行高压压实，有效减少内部缺陷，增加压铸件的致命性。n目前先进压铸机的建压时间已达10ms以下。二、压射过程曲线二、压射过程曲线5 5、压力峰值、压力峰值n压力峰值指的是快压射结束时（充型结束），迅速增压形成的压力冲击或水锤现象。n在第III阶段结束后，压射冲头运动突然停止及压力快速切换，造成了压力瞬间升高，并伴有压力振荡现象。n压力峰值虽是瞬态行为，但对压铸工艺非常不利。压力峰值可以引起胀形，造成泄压，影响压铸件成形质量，使压铸产生飞边、毛刺等。n现代压铸机都把消除压力峰值作为一项重要内容。目前许多压铸机增加了反压措施，使压射冲头在充型结束前瞬间减速，从而大大减轻了水锤现象，缩小了压力峰值。2.2 2.2 压铸工艺参数及其确定方法压铸工艺参数及其确定方法一、压铸压力一、压铸压力n压铸压力是压铸工艺的基本特征，金属液的充型和压实都是在压力作用下完成的，分为动态压射力和增压压射力。n压铸过程中的压力是由压铸机的压射机构产生的n压射机构通过工作液体将压力传递给压射活塞n然后由压射活塞经压射冲头施加于压室内的金属液上一、压铸压力（两种表现形式）一、压铸压力（两种表现形式）1、压射力：来源于高压泵，通过压射冲头对金属液施加压力，施加压力的大小用比压表示。2、压射比压：指压射过程中，压室内单位面积上金属液所受到的静压力式中 P压射比压（MPa）； F压射力（N）； A压射冲头截面积（近似等于压室截面积）（mm2）； D压室直径（mm）。2.2 2.2 压铸工艺参数及其确定方法压铸工艺参数及其确定方法一、压铸压力一、压铸压力3、压射比压的取值范围n冷室压铸机的动态压射比压一般在3090MPa之间，增压压射比压一般在50300MPa之间n热室压铸机提供的压射比压可达到2050MPan使用压铸机提供的最小压射冲头才能得到最大压射比压机器吨位/kN30005000800012000动态压射力/kN140210300480增压压射力/kN3505507201120压射冲头直径/mm4080601007012080140动态压射比压/MPa11127742678269531增压压射比压/MPa27869194701876422372表表表表1 1 1 1 部分部分部分部分压铸机压铸机压铸机压铸机的压射力及压射冲头尺寸与压射比压的关系的压射力及压射冲头尺寸与压射比压的关系的压射力及压射冲头尺寸与压射比压的关系的压射力及压射冲头尺寸与压射比压的关系一、压铸压力一、压铸压力4、选择合理的压射比压n比压也可以根据压铸件的某一特征进行选取，表2列出了冷室压铸推荐的压射比压参考值。在快压射阶段，一般优先压射速度调整，动态比压随之确定。合金一般压铸件耐压压铸件大平面薄壁件/表面质量要求高受力压铸件锌合金3030404060铝合金30408010040604080镁合金30406010040604080表表表表2 2 2 2 冷室压铸推荐的压射比压（增压参考值）（单位：冷室压铸推荐的压射比压（增压参考值）（单位：冷室压铸推荐的压射比压（增压参考值）（单位：冷室压铸推荐的压射比压（增压参考值）（单位：MPaMPaMPaMPa） 二、压铸速度二、压铸速度n压射速度：是压射冲头推动金属液移动的速度，也成为冲头速度。n充型速度：金属液通过内浇口进入型腔的速度，也称为内浇口速度。1、冲头速度n在压射起始阶段，或低速压射阶段，金属液尚未达到内浇口，所以只考虑冲头速度。n在这一阶段，冲头速度一般都控制在0.10.4m/s之间。n冷室压铸金属液的充满度高，冲头速度可取低些。n一般技术资料中给出的压射速度推荐范围都很宽，应权衡各种因素选取，冷室压铸机最大压射速度可达10m/s.二、压铸速度二、压铸速度冲头速度过高时液态金属的波面冲头速度过高时液态金属的波面二、压铸速度二、压铸速度2、充型速度n高速压射阶段，金属液充填型腔。n充型速度对金属液的充型模式及压铸件成型具有重要作用，在选择时必须十分小心。n充型速度过高容易引起紊流、卷气、氧化及粘模等现象，还会加速模具的磨损。n在保证压铸件质量的前提下，充型速度应尽量选低。n充型速度与压射压力相关，相同的压铸条件下，要达到高的充型速度，需要的压射力大。二、压铸速度二、压铸速度平均壁厚/mm1.02.03.04.05.06.07.08.0充型速度/（m/s）46554250384634423240303728342632表表4 4 基于压铸件壁厚的冷室压铸充型速度基于压铸件壁厚的冷室压铸充型速度合金种类铝合金锌合金镁合金铜合金充型速度/（m/s）2060305040902050表表3 3 不同合金种类常用的冷室压铸充型速度不同合金种类常用的冷室压铸充型速度二、压铸速度二、压铸速度3、充型速度和冲头速度的关系n在冷室压铸机中，压室、浇道和压铸模型腔相连，成为一个密闭系统，因而它们之间具有连续方程的关系，即因此，充型速度确定后，根据内浇口和压射冲头面积核算冲头速度。因此，充型速度确定后，根据内浇口和压射冲头面积核算冲头速度。二、压铸速度二、压铸速度4、速度切换位置A给汤完了状态压射时间内，溶汤安定后，开始压射B低速压射，压室充填设定防止空气卷入的速度注意无溶汤飞溅，冲头的卡住等的影响。C低速压射，浇道充填多段压射的机器另外可以设定，一般情况下，以加速度的匀加速进行设定。D高速切换位置一般来说以溶汤到达浇口的位置为基准进行设定，根据产品前后调整切换位置来决定最佳的位置。从溶汤到达浇口位置作为高速切换位置是最基本的从溶汤到达浇口位置作为高速切换位置是最基本的E减速位置产品充填完了后，在集渣包充填完了之前进行有效减速的决定，设定后短射必然会有，但必须对产品的影响加以确认。F增压位置增压为充填完了开始增压，切换位置一般在充填完了的前20mm左右设定。不论哪一个切换要点，都要计算机器、电气工作时间的不论哪一个切换要点，都要计算机器、电气工作时间的延迟，比计算值之前延迟，比计算值之前101015mm15mm左右进行设定。左右进行设定。二、压铸速度二、压铸速度5、高速压射行程二、压铸速度二、压铸速度二、压铸速度二、压铸速度6、根据水力学原理，充型速度与压射比压的关系二、压铸速度二、压铸速度二、压铸速度二、压铸速度7、影响充填速度的因素n影响充填速度的因素有三个，即压射速度、压射比压和内浇口截面积。n因此，生产中通常采用的调整充填速度的方法是：调整压射速度、改变压射压力、调整内浇口的截面积。三、时间三、时间n压铸工艺中的时间参数包括充型时间、持压时间和留模时间三个部分。1、充型时间：金属液开始进入型腔至型腔充满所需时间，可按下式估算：三、时间三、时间1、充型时间：经验推荐见下表平均壁厚平均壁厚/mm充型充型时间/s平均壁厚平均壁厚/mm充型充型时间/s1.50.010.033.00.050.101.80.020.043.80.050.122.00.020.065.00.060.202.30.030.076.40.080.302.50.040.09三、时间三、时间2、增压建压时间：指充型（快压射）结束至增压压力形成所需的时间。n建压时间越短越好，取决于型腔中金属液的凝固时间n凝固时间长的合金，增压建压时间可长些，但必须在浇口凝固之前达到增压比压n但建压时间由压铸机压射系统性能决定，不能任意调节。n目前最先进压铸机的建压时间已达到10ms以内。三、时间三、时间3、持压时间：指金属液充满型腔后，压射系统继续保持压力的时间n持压的目的是保证金属液在整个凝固期间都处于高压之下，达到紧实压铸件的目的。n持压时间应比金属液在型腔内的凝固时间长。表表5 5 基于压铸件壁厚的持压时间推荐值基于压铸件壁厚的持压时间推荐值三、时间三、时间4、留模时间：从持压终了至开模顶出压铸件的时间段n留模的目的是使压铸件在型腔中冷却到一定温度，形成一定强度，避免开模顶出时压铸件变形、开裂。n留模时间过长，压铸件的冷却及收缩幅度大，包紧力增大，会导致顶出困难。n在以下情况时，留模时间可取短些：合金的收缩大、高温强度较高；薄壁件、结构复杂；压铸模具热容量大、冷却能力强。四、温度四、温度n温度是压铸工艺中的热因素，主要涉及金属液的浇注温度和压铸模具温度。1、浇注温度：指金属液进入浇注系统或型腔时的温度，一般用保温炉内的金属液温度表示。n浇注温度应高于合金液相线温度300C左右，以弥补合金液在浇注过程中及在压室停留期间的热损失，以保证金属液在充型时仍有良好的流动性。表表6 6 常用压铸合金的推荐浇注温度常用压铸合金的推荐浇注温度四、温度四、温度2、压铸模具工作温度n压铸模具温度对压铸件质量、尺寸精度及压铸模具寿命都有影响。n温度过高，容易导致粘模、压铸件顶出变形、压铸模具活动部件卡死、开模时间延长等。n压铸模具温度控制在浇注温度的1/3左右，薄壁、结构复杂的压铸件可适当调高。n压铸模预热一般多用煤气、喷灯、电器或感应加热。n国外在压铸生产中大量采用模温机，不但提高压铸模具寿命，还可以稳定生产优质压铸件。n各种压铸合金的模具工作温度经验数据见表2.3 2.3 压铸用涂料（压铸用涂料（P44P44）一、涂料作用一、涂料作用（1）高温时保持良好的润滑性。在压铸件与模具之间形成隔离层及润滑膜，保持熔融金属的流动性，改善合金的成形性能，美化压铸件外观。（2）所形成的润滑膜窜入到模具的活动部位，减少压铸件与成形零件间的摩擦，使构件动作灵活，压铸件脱模顺畅，尺寸稳定，并减少零件的磨损，相应地提高模具寿命。（3）通过水分的蒸发，局部冷却模具，使其在生产过程中减少热疲劳应力。（4）在喷涂过程中清除碎屑，减少废品，操作流畅，达到安全生产的目的。2.3 2.3 压铸用涂料压铸用涂料二、对压铸涂料的总体要求二、对压铸涂料的总体要求（1）高温时，能保持良好的润滑性能。（2）挥发点低，在1001500C时，稀释剂能很快地挥发。（3）对模具及压铸件材料没有腐蚀作用。（4）性能稳定，在空气中不会因稀释剂很快挥发而变浓。（5）无特殊味道，在高温时不析出或分解出有害气体，也不留有残余物质。（6）配制工艺简单，来源丰富，价格低廉。2.3 2.3 压铸用涂料压铸用涂料三、涂料的种类和使用三、涂料的种类和使用n国内外普遍采用水基涂料激冷效果好，清洁、安全、便宜2.4 2.4 压铸件的整修和处理（压铸件的整修和处理（P45P45）一、压铸件的清理、整形和修补一、压铸件的清理、整形和修补1、压铸件的清理浇注系统、排溢系统的金属物、飞边及毛刺2、压铸件的校正留有残余应力而引起变形，需热校正或冷校正3、压铸件的修补和浸渍处理焊补和嵌补密封剂渗入压铸件的缝隙（气孔、针孔等）二、压铸件的后处理和表面处理二、压铸件的后处理和表面处理1、压铸件的后处理不宜淬火，需进行退火或时效处理2、表面处理加强铸件表面耐蚀性和增加美观度，电镀、喷漆，等