金属压铸工艺与模具设计

1、金属压铸工艺与模具设计 第1章 概 述 第1章 概 述 压力铸造简称压铸，属铸造工艺的范畴，是特 种铸造中的一种。通常将砂型铸造以外的铸造 方法统称为“特种铸造”，常用的特种铸造方 法有近十种之多，而压铸是其中应用很广的方 法之一。 第1章 概 述 1.1 铸造工艺与压力铸造 1.2 压铸原理与金属充填理论 1.3 压铸工艺特点及其应用和发展 1.1 铸造工艺与压力铸造 在金属成型工艺发展过程中，铸造是历史最为悠久的一种工艺。将金属液浇入铸型内 待其凝固冷却后获得铸件，称为重力铸造。铸型根据材料不同有泥型、砂型、金属型、 失蜡型等。我国早在三千多年以前就用泥范(泥型)来浇注各种铸件了。 根据文

2、献记载和实物考察研究，铸造技术的发展可分为两大阶段，前阶段以青铜铸造 技术为主，后阶段以铸铁技术为主。大约五千年以前，人们就用铸型浇出形状简单的 铜件，到中世纪末，装饰青铜和锡基铸件开始用于欧洲的教堂和家庭生活。我国在商 周时代，青铜技术达到了成熟期。河南安阳出土的殷朝祭器司母戊鼎重达700多公斤， 长高都超过一米，四周饰有精美的蟠龙纹及饕餮纹。湖北隋县出土的一大批青铜器， 种类繁多，纹饰细致精美。其中六十四件编钟铸造精巧、音律准确、音色优美。这些 充分证明殷商时期铜合金的冶炼和铸造技术已达到了很高的水平。 我国在公元前六世纪就发明了生铁冶铸技术，比欧洲早一千八百多年。隋唐以后，随 着社会经济

3、的发展铸造技术有了很大的进步。公元974年铸造的河北沧州大铁狮高6.1 m，长5.5 m，重达50 t。明朝永乐年间铸造的永乐青铜大钟重达40 t，钟体内外遍铸经 文十余万字。 1.1 铸造工艺与压力铸造 我国古代铸造技术成就辉煌，但在近百年来却大大落后于西方先进工业国家，有许多技术甚至都失传了。到新中国 成立之后，铸造技术又呈现出蓬勃的生机。南京晨光机器厂于1989年为香港的“天坛”铸造了一尊青铜大佛，又在 1994年铸造出“泰国第一佛”释迦牟尼坐像和莲花的部分，总高22 m，重40 t。 社会需要是促进科学技术发展的主要原因。当一种生产工艺不能满足社会需要时，就会有新的更好的工艺产生，压

4、铸技术的出现就是如此。压铸最早用来铸造印刷用的铅字，当时需要生产大量清晰光洁以及可互换的铸造铅字，压 铸法随之产生。1885年奥默根瑟勒(mergenthaler)发明了铅字压铸机。最初压铸的合金是低熔点的铅和锡合金。随 着对压铸件需求量的增加，要求采用压铸法生产熔点和强度都更高的合金零件，这样，相应的压铸技术、压铸模具 和压铸设备就不断地改进发展。1905年多勒(doehler)研究成功用于工业生产的压铸机，压铸锌、锡、铅合金铸件。 1907年瓦格纳(wagner)首先制成气动活塞压铸机，用于生产铝合金铸件。1927年捷克工程师约瑟夫 波拉克(joset polak)设计了冷压室压铸机，克服

5、了热压室压铸机的不足之处，从而使压铸生产技术前进了一大步，铝、镁、铜等 合金零件开始广泛采用压铸工艺进行生产。压铸生产是所有铸造工艺中生产速度最快的一种，也是最富有竞争力的 工艺之一，使得它在短短的160多年的时间内发展成为航空航天、交通运输、仪器仪表、通信等领域内有色金属铸 件的主要生产工艺。 20世纪60年代至70年代是压铸工艺与设备逐步完善的时期。而70年代到现在，则是电子技术和计算机技术加速用于 压铸工艺与设备的大发展阶段。数控压铸机、计算机控制压铸柔性单元及系统(压铸fmc及fms)和压铸工艺与设备 计算机辅助设计(cad)的出现，标志着压铸生产开始从经验操作转变到科学控制新阶段，从

6、而使压铸件的质量、自 动化程度及劳动生产率都得到极大的提高。 各种常用铸造方法适用范围及技术经济指标见表1.1。 1.2 压铸原理与金属充填理论 u1.2.1 压铸原理 u1.2.2 金属充填理论 1.2 压铸原理与金属充填理论 高压和高速是压铸时金属液充填成型过程中的两 大特点，也是压铸与其他铸造方法最根本的区别 所在。 1.2.1 压铸原理 压铸是将液态或半固态金属浇入压铸机的压室中，金属液在运动的压射冲头 作用下，以极快的速度充填型腔，并在压力的作用下结晶凝固而获得铸件的 一种铸造方法。压铸时作用在金属液上的压射比压从几兆帕至几十兆帕不等， 有时甚至高达500兆帕。金属液充填型腔时，浇口

7、处的线速度达0.570 m/s。 充填的时间极短，一般为0.010.03 s。压铸生产过程如图1.1所示。 压铸过程是由压铸机来实现的，压铸机分热压室压铸机和冷压室压铸机两大 类。 1. 热压室压铸机工作的基本原理 热压室压铸机的压室通常浸没在坩埚的金属液中，如图1.2所示。压铸过程中， 金属液在压射冲头上升时通过进口进入压室；压射冲头下压时，金属液沿着 通道经喷嘴充填压铸模型腔，待金属液冷却凝固成型后，压射冲头上升，此 时开模取出铸件，完成一个压铸循环。 1.2.1 压铸原理 1.2.1 压铸原理 1.2.1 压铸原理 2. 冷压室压铸机工作的基本原理 冷压室压铸机的压室与保温坩埚是分开的，

8、压铸时由人工用料勺从保温坩埚内舀取金属液浇入压室后再 进行压铸。根据压铸模与压室的相对位置不同，冷压室压铸机又可分为立式、卧式、全立式三种。 (1)立式冷压室压铸机的基本原理。压室与压射机构处于垂直位置，压铸过程如图1.3所示。浇入压 室中的金属液被反料冲头托住，以防止金属液流入型腔。当压射冲头下压快要接触金属液面时，反料冲 头突然下降让出喷嘴入口，金属液在压射冲头的作用下充填型腔并使压铸件在压力下冷却凝固。压射冲 头在完成金属液充填型腔并保压后返回。反料冲头上升切断余料并将其推至压室的上沿，以便去除余料。 最后反料冲头返回，动定模分开，取出压铸件，完成一个压铸循环。 (2)卧式冷压室压铸机的

9、基本原理。压室与压射机构处于水平位置，压铸过程如图1.4所示。压铸过 程中，金属液从加料口浇入压室，压射冲头向前运动，推动金属液使之经浇道充填模具型腔。金属液在 压力下冷却凝固，然后开模，取出带着浇注系统和余料的压铸件，完成一个压铸循环。 (3)全立式冷压室压铸机的基本原理。全立式冷压室压铸机的合模机构和压射机构垂直布置。它又 分上压式和下压式两种。上压式压铸原理如图1.5(a)所示。压铸过程是先加料后合模，然后压射冲头由 下向上运动将金属液通过浇注系统压入型腔。下压式压铸原理如图1.5(b)所示。合模后，将金属液浇入 压室中，依靠下冲头底部弹簧弹力，由下冲头托住金属液，防止其在重力的作用下流

10、入型腔。当上冲头 下压时，通过金属液推动下冲头，下冲头下降，让出浇道，金属液在上冲头的压力作用下充填型腔。 1.2.1 压铸原理 1.2.1 压铸原理 1.2.1 压铸原理 1.2.2 金属充填理论 由前可知，压铸是金属液在极高的压力作用下，在很短的时间内以极高的速度充满型腔的。这个过程是十分复杂的， 它涉及流体动力学问题和热力学问题，并且与许多因素有关，如金属液的成分、黏度、表面张力、重度及结晶温度， 铸件的结构形状，浇口的位置、形状及大小，压射比压、压射速度，浇注系统，模具温度等。这些因素又是动态的， 相互影响的。 高温金属液压入温度较低的压铸模浇注系统内时，金属液与模具之间就产生各种形式

11、的热交换。金属液失去热量， 温度降低；模具得到了热量，温度提高。金属液温度降低表面张力增大，黏度增大，流动性降低。当它们超过某一 限度时，铸件就会产生轮廓不清晰、缺肉、冷隔、流纹、夹渣等铸造缺陷。 此外，金属液充填型腔时还受到各种阻力的影响，而且充填速度越大受到的阻力也越大。金属液进入型腔时，首先 受到型腔内气体的阻力，排气不良的铸型与排气良好的铸型相比，在充填金属液时，前者的充填速度只有后者的一 半。其次，金属液充填型腔过程中碰到型壁和型芯时也将受到较大的阻力，能量损失较大。 为了清楚地看到金属液在充型受阻后对铸件成型的影响，我们可以做充填u形型腔的试验。试验用u形铸件，一个端 部为矩形，另

12、一个端部是圆形。浇口都位于铸件另一端一壁的中心，直径为2 mm，长为10 mm，如图1.6所示。金 属液充填速度为1520 m/s。图1.7、图1.8分别表示金属液充填二种型腔的情况。比较图1.7和图1.8在相近的充填 时间段内各自的充填情况，可以看到： (1)金属液充填端部为矩形的型腔时受到的阻力比端部为圆形的大。 (2)端部为矩形时，在1610-3 s时金属液就有回流产生，回流现象一直持续到充填结束。这是因为液流在直角 转折处受到较大阻力，金属液动能损失较大，向前充填的速度降低，致使从浇口进入型腔的金属液在此积聚起来并 产生回流。 1.2.2 金属充填理论 (3)8510-3 s时端部为矩

13、形的u形型腔尚有1/5的型腔未被充满，而端部为圆形的u 形型腔在8610-3 s时已全部充满。 (4)试验测定了流动速度。在端部为矩形的u形型腔中流动速度由1520 m/s下降到 2.54 m/s时，端部为圆形的u形型腔只降到8.59.6 m/s。 当金属液在压力作用下进入型腔，喷射的金属流未撞击对面型壁之前，其保持初始的 方向及截面形状。撞击型壁后，该处金属液将形成扰动的聚集区。继续充填，则扰动 明显增加。先期撞击型壁的金属液流束从聚集区沿型壁向浇口方向折回，折回的金属 液量与金属流束的截面大小、速度及金属液的黏度有关。在折回的过程中由于与型壁 摩擦及热量损失，损耗了能量，从而使流束减慢下来

14、，以致聚集区的金属液超过了往 回折的金属液。因此在返回充填型腔的过程中，产生剧烈的涡流现象，如图1.9所示。 当f /f1/3且以较低的速度充填时，除金属液聚集区的前沿部分稍有扰动外其余部分相 当稳定。而且，随着聚集区的增加，充填过程越来越平稳。反之，当f /f1/3且高速充 填型腔时，则在整个充填过程中聚集区都发生激烈扰动。 1.2.2 金属充填理论 1.2.2 金属充填理论 图1.7 端部为矩形的u形型腔的充填时间/10-3s 1.2.2 金属充填理论 图1.8 端部圆形u形型腔的充填时间/10-3 s 1.2.2 金属充填理论 1.2.2 金属充填理论 1.2.2 金属充填理论 1.2.

15、2 金属充填理论 第一阶段：金属液以接近内浇口横截面的形状进入型腔，首先撞击到对面的型壁，在该处沿型壁向 型腔四周扩展后返回浇口，在金属液流过的型壁上形成铸件的外壳(薄壳层)。 第二阶段：随后进入的金属液沉积在薄壳层内，并继续充填，直至充满。 第三阶段：在型腔完全充满的同时，压力通过余料中心部分尚未凝固的金属液的传递而作用在铸件 上。 巴顿还认为，充填过程的三个阶段对铸件质量所起的作用是不同的。第一阶段是影响铸件表面质量； 第二阶段是影响铸件的硬度；第三阶段是影响铸件的强度。 三阶段充填理论与喷射充填理论的实验结果基本一致，全壁厚充填理论只在特定的条件下才出现。 由于压铸过程中充填铸型是在极短

16、的时间内完成的，并且金属液有些是不连续的，另外，充填过程 还受压铸工艺参数、铸件的结构与形状、浇口的位置与大小、压铸合金性能等因素的影响，因此对 充填理论一直存在着不同的看法。 1.3 压铸工艺特点及其应用和发展 u1.3.1 压铸工艺特点 u1.3.2 压铸工艺的应用及发展 1.3 压铸工艺特点及其应用和发展 压铸是高压高速充填成型，所以压铸工艺和生产 过程、压铸件的结构和质量以及有关性能都有自 己的特点。 1.3.1 压铸工艺特点 与其他金属成型工艺相比，压铸的特点为： (1)生产率极高，生产过程容易实现机械化和自动化。一般冷压室压铸机每八小时可压铸600700 次，热压室压铸机每八小时可

17、压铸3 0007 000次。而且一幅压铸模中的型腔往往不止一个，这样生产 的压铸件数也就成倍地增加了。 (2)铸件的尺寸精度高，其尺寸稳定、一致性好、加工余量少而且有很好的装配性。压铸件的精度 可达it11it13级，有时可达it9级。表面粗糙度值一般为ra0.83.2，最低达ra0.4。一般压铸件只 需对少数几个尺寸部位进行机械加工，有的零件甚至于不需机械加工就可直接装配使用。这样材料利用 率高，可达60%80%，毛坯利用率达90%。 (3)铸件组织致密，具有较高的强度和硬度。由于压铸时金属液是在压力下凝固的，又因高速充填， 冷却速度极快，使铸件表面生成一层冷硬层(约0.30.8 mm)，该

18、层的金属晶粒细小，组织致密。所以 压铸件强度和硬度较高，坚实耐磨。当压铸件壁厚适当且均匀时，其强度更高。 (4)可以压铸形状复杂、轮廓清晰的薄壁深腔铸件，因为金属液在高压下能保持高的流动性。压铸 件最小壁厚锌合金可达到0.3 mm，铝合金约为0.5 mm。最小铸出孔径为 0.7 mm，可铸螺纹的最小 螺距为0.75 mm。 (5)镶铸法可省去装配工序，简化制造工艺。在压铸件的特定部位上可以直接嵌入所需的其他材料 的制件，例如磁铁、铜套、绝缘材料等嵌件以满足特殊要求，既省去了装配工序，又简化了制造工艺。 1.3.1 压铸工艺特点 (6)铸件内部有气孔存在，但一般仍能满足使用要求。由于金属液充填速

19、度极快，充填时卷入型 腔中的气体很难完全排除，致使压铸件内常有气孔及氧化夹杂物存在，从而降低了压铸件的质量。 因此，一般压铸件不能进行热处理，也不宜在高温下工作。同样，也不希望进行机械加工，以免铸 件表层下的气孔露出来。 (7)压铸机的压室和压铸模型腔的材料限制了压铸合金的种类。高熔点的黑色金属因其压铸模使 用寿命短而目前难以在实际生产中压铸。在同一种合金中，又有牌号限制，这是因为压铸过程的特 点，如激冷、收缩应力、成型时的充填条件等造成的。 (8)压铸件的尺寸受压铸机锁模力及装模尺寸的制约，故大型压铸件的生产受到限制。目前大型 压铸机有所发展，大型零件的压铸问题正逐渐得到解决。 (9)压铸工

20、艺只适用于大批量生产。由于压铸机价格高，压铸模制造费用高、工时长、维修费用 也高，故生产总成本高，不宜小批量生产。 1.3.2 压铸工艺的应用及发展 压力铸造的应用范围很广。在有色合金中，以铝合金压铸件比例最高(约30%35%)，锌合金次之。 在国外，锌合金铸件大部分为压铸件，铜合金(黄铜)铸件仅占压铸件总量的1%2%，镁合金压铸 件易产生裂纹，且工艺复杂，故少用。目前用压铸工艺生产的铸件重量可以从几克到数十千克。其 投影面积可以从零点零几平方厘米到数千平方厘米。现代工业的各个部门如汽车、摩托车、拖拉机、 航空、农业机械、仪器、仪表、日常用品等方面无不用到压铸件。发达国家如美国、日本、英国、

21、德国等国的压铸件生产主要是在汽车制造业的促进下发展起来的。目前，我国压铸生产从压铸机质 量和先进技术的综合水平以及生产效率来看，与压铸生产先进国家相比还有一定的距离，不过随着 汽车、航空、仪表等制造业的发展，压铸生产技术将随之有一个大发展。今后发展的主要趋势应该 是： (1)进一步提高压铸模寿命，降低成本，以解决黑色金属压铸问题。 (2)镁合金是近几年国际比较关注的合金材料。对镁合金研究开发特别是镁合金压铸、挤压铸造、 半固态加工等技术将得到进一步的研究和应用。 (3)计算机在压铸中的应用是提高压铸技术水平的重要途径。计算机技术将在压铸中得到多方面 的应用，例如金属液充型的计算机模拟研究由高压

22、铸造转向半固态压铸过程；低压铸造过程的充型 模拟研究；利用cad进行压铸模具设计，提高设计速度和设计精度；开发具有压铸模浇注系统的 cad设计软件等。 (4)研究开发新型压铸机，生产更大的压铸件。 思 考 题 (1)什么是金属压力铸造？ (2)几种压铸机的基本工作原理各是什么？ (3)压铸工艺的特点是什么？主要应用在什么场合？ 第2章 压 铸 合 金 第2章 压 铸 合 金 压铸合金、压铸模、压铸机是压铸生产的三要 素。要获得优质的压铸件除了要求压铸件的结 构工艺性合理，压铸模设计合理、制造精确， 压铸机性能优良之外，还要有压铸工艺性良好 的合金。 第2章 压 铸 合 金 2.1 压铸合金性能

23、要求 2.2 压 铸 合 金 2.1 压铸合金性能要求 并非任何性能的合金都能用来生产压铸件，用于压铸生产的合金其性能有两方面的要求，一是在压铸件成型时 有良好的成型工艺性，二是成型后的压铸件能满足产品的使用要求。合金的成型工艺性能是指合金的铸造成型 工艺性、切削加工性、焊接性能、电镀性能、热处理性能等。合金的使用性能包括合金的力学性能、物理性能 和化学性能。因此，用于压铸生产的合金应具有以下性能： (1)结晶温度范围小，以防止压铸件产生缩孔和缩松缺陷。 (2)具有良好的流动性，有利于成型结构复杂、表面质量好的压铸件。 (3)线收缩率小，可降低铸件产生热裂的倾向并且易于获得尺寸精度较高的铸件。

24、 (4)高温时有足够的热强度和可塑性，高温脆性和热裂倾向小，防止推出铸件时产生变形和开裂。 (5)在常温下有较高的强度，以适应大型薄壁复杂压铸件的使用要求。 (6)具有良好的加工性能和一定的抗蚀性能。 (7)成型过程中与型壁产生物理-化学反应的倾向小，防止黏模及相互合金化以延长模具寿命。 在满足使用性能的前提下，选用压铸合金时尽可能考虑工艺性能优良的合金。目前得到广泛应用的压铸合金是 有色金属。黑色金属由于熔点太高，致使压铸模的使用寿命极低，因此，极少采用压铸生产工艺来生产黑色金 属铸件。 通常有色压铸合金分高熔点压铸合金和低熔点压铸合金两大类。前者有铝合金、镁合金和铜合金，后者有铅合 金、锡

25、合金和锌合金。 2.2 压 铸 合 金 u2.2.1 铅合金和锡合金 u2.2.2 锌合金 u2.2.3 铝合金 u2.2.4 镁合金 u2.2.5 铜合金 2.2 压 铸 合 金 常用的压铸合金有锌合金、铝合金、镁合金和铜 合金。铅、锡合金仅用于少数场合。 2.2.1 铅合金和锡合金 铅合金和锡合金是压铸生产中最早使用的合金， 用来制造印刷用铅字。这类合金的特点是比重大、 熔点低，铸造和加工性能好，但力学性能不高。 适用于力学性能要求不高的各种复杂的小零件， 目前很少使用。 2.2.2 锌合金 在压铸发展史中，压铸锌合金曾占有相当重要的地位。锌合金的特点是：熔 点低，熔炼、保温均比较容易；对

26、模具热损害小，模具寿命长；铸造工艺性 好，可压铸结构复杂的薄壁铸件；与铁的亲合力小，不粘模。锌合金在常温 下有良好的力学性能，加工性、焊接性、电镀性均良好。由于锌合金的比重 大，因此航空、电子、仪表等工业部门的产品中很少用锌合金压铸件。它抗 蚀性能差，容易产生晶间腐蚀，导致发生强度和尺寸变化，严重时铸件会完 全碎裂，也就是出现“老化”现象。 压铸锌合金的牌号、化学成分、力学性能及用途见表2.1。 2.2.2 锌合金 2.2.3 铝合金 压铸铝合金的使用性能和工艺性能都优于其他压铸合金，而且来源丰富，所以在各国的压铸生产中都占据极重要的地位， 其用量远远超过其他压铸合金。 铝合金的特点是：比重小

27、、强度高；铸造性能和切削性能好；耐蚀性、耐磨性、导热性和导电性好。铝和氧的亲和力很 强，表面生成一层与铝结合得很牢固的氧化膜，致密而坚固，保护下面的铝不被继续氧化。铝硅系合金在杂质铁含量较 低的情况下，粘模倾向严重。铝合金体收缩值大，易在最后凝固处形成大的集中缩孔。 用于压铸生产的铝合金主要是铝硅合金、铝镁合金和铝锌合金三种。纯铝铸造性能差，压铸过程易粘模，但因它的导电 性好，所以在生产电动机的转子时使用。 铝合金中主要合金元素及杂质对其性能影响如下： (1)硅。硅是大多数铝合金的主要元素。它能改善合金在高温时的流动性，提高合金抗拉强度，但使塑性下降。硅 与铝能生成固熔体，它在铝中的溶解度随温

28、度升高而增加，温度577时溶解度为1.65%，而室温时仅为0.2%。在硅含 量增加到11.6%时，硅与其在铝中的固溶体形成共晶体，提高了合金高温流动性，收缩率减小，无热裂倾向。二元系铝 硅合金耐蚀性高、导电性和导热性良好、比重和膨胀系数小。硅能提高铝锌系合金的抗蚀性能。 当合金中硅含量超过共晶成分，而铜、铁等杂质又较多时，就会产生游离硅，硅含量越高，产生的游离硅就越多。游离 硅的硬度很高，由它们所组成的质点的硬度也很高，加工时刀具磨损厉害，给切削加工带来很大的困难。此外，高硅铝 合金对铸铁坩锅熔蚀严重。硅在铝合金中通常以粗针状组织存在，降低合金的力学性能，为此需要进行变质处理。 (2)铜。铜和

29、铝组成固溶体，当温度为548时，铜在铝中的溶解度为5.65%，室温时降至0.1%左右。铜含量的增加 可提高合金的流动性、抗拉强度和硬度，但降低了耐蚀性和塑性，热裂倾向增大。压铸通常不用铝铜合金，而用铝硅铜 合金。 2.2.3 铝合金 在高硅铝合金中，铜含量以0.8%为界限。当含量低于0.8%时，能提高合金的强度和硬度以及弹性极限；当含量超过 0.8%时则起着相反的作用。含硅量7%以下的铝硅合金中加入1%2%的铜可提高铸件的表面光洁度。 (3)镁。在共晶温度(449)下镁在铝中的溶解度可达17.4%。镁含量高的铝合金是一种坚固的工业铝合金，具有良 好的加工性能。含镁8%的铝合金，具有优良的耐蚀性

30、，但是铝镁合金的铸造性能很差，在高温下的强度和塑性都较低， 冷却时的收缩也大，故容易产生热裂和形成疏松。此外，镁的存在会增加合金在熔炼和保温过程中的氧化倾向。 在高硅铝合金中加入少量(0.2%0.3%)的镁可提高合金的强度极限、弹性极限、疲劳极限及硬度，而其塑性降低不多。 (4)锌。铝合金中的锌能提高合金的流动性，但在高硅铝合金中，锌使合金的热裂倾向增加，而耐蚀性有所降低， 故应严格控制锌含量不超出规定的范围。可是锌含量很高的铝锌合金(含锌量为9%13%)却具有较好的铸造成型性能和 力学性能，其切削性能也比较好。 (5)铁。铝合金中含有少量的杂质铁(0.6%1.4%)能削弱铝和铁的亲合力，从而

31、降低铝合金在压铸过程中的粘模倾 向。从这一角度来说，杂质铁的存在对压铸生产是有利的，所以铝合金在采用砂型铸造工艺时铁含量不允许超过1%，而 使用压铸工艺时允许铁含量控制在1.5%以内。但是铝合金中铁含量不能太高，因为铝和铁会生成feal3、fe2al7和al-si- fe等片状或针状组织存在于合金中，降低了力学性能，特别是冲击韧性和塑性。承受较大动载荷的零件铁含量应控制在 1%以内。 (6)锰。铝合金中锰的存在能减少铁的有害影响，锰含量在0.4%以下时还能增加塑性，因为锰能使合金中铁的片状 或针状晶体组织变为细密的晶体形状，故一般铝合金中允许锰含量不超过0.5%。合金中锰含量高时会引起偏析。

32、压铸铝合金的牌号、化学成分、力学性能及用途见表2.2。 2.2.4 镁合金 镁合金的比重是各种压铸合金中最小的(仅为1.761.83g/cm3)，是铝合金的 2/3左右。镁合金的强度高，屈服极限低于铝合金，承受载荷的能力稍差。但 在承受冲击载荷时有较大的冲击韧性。镁合金在常温和低温下(-196)都有良 好的力学性能。镁合金与铁的亲合力小，故发生粘模现象较少，模具寿命长。 铸件尺寸稳定，且有良好的切削加工性能。镁是一种非常活泼的元素，易燃 烧，镁合金在熔炼和压铸过程中易被氧化，给生产带来较大的困难，并且镁 合金压铸件易产生缩松和热裂缺陷，抗蚀性能较低。 由于镁合金有以上的特点，故常用于重量要求轻

33、，但又有一定强度的零件。 如航空工业、汽车发动机零部件、室外移动设备的零部件以及在低温下工作 的零件。 当前我国用于压铸的镁合金只有5号铸造用镁合金，其化学成分及力学性能见 表2.3。 2.2.4 镁合金 2.2.5 铜合金 铜合金作为一种压铸用的金属材料力学性能远远超过锌合金、铝合金 和镁合金。另外，铜合金抗蚀性能好、耐磨性好、疲劳极限和导热性 都很高，线膨胀系数也较小，故用于制造耐磨和工作温度变化时要求 尺寸稳定的零件。铜合金的导电性能很好，并且具有抗磁性能，常用 来制造不允许受磁场干扰的仪器仪表零件。 铜合金的熔点较高，会较快地使模具由于热疲劳而降低寿命，而且铜 合金的熔炼与保温不能使用

34、铝合金压铸时常用的电阻保温炉。常用于 压铸生产的铜合金主要是铸造黄铜，它们的化学成分及力学性能见表 2.4。 2.2.5 铜合金 思 考 题 (1)压铸合金应具备哪些性能？ (2)常用压铸合金有哪些？ (3)硅、铜、镁、锌、铁对压铸铝合金性能有何影响？ 第3章 压铸件设计 第3章 压铸件设计 压铸件设计是压铸生产技术中十分重要的环节。 设计压铸件除要满足使用要求外，同时应该满 足成型工艺要求并且尽量做到模具结构简单、 生产成本低。 第3章 压铸件设计 3.1 压铸件的精度、表面粗糙度及加工余量 3.2 压铸件基本结构单元设计 3.3 压铸件结构设计的工艺性 3.1 压铸件的精度、表面粗糙度及加

35、工余量 u3.1.1 压铸件的尺寸精度 u3.1.2 表面形状和位置 u3.1.3 表面粗糙度 u3.1.4 加工余量 3.1 压铸件的精度、表面粗糙度及加工余量 压铸件的精度较高，表面光洁，且稳定性好，因 此，压铸件具有很好的互换性。 3.1.1 压铸件的尺寸精度 压铸件的尺寸精度取决于压铸件的设计、模具结构以及模具制造的质量。通 常，压铸件的尺寸精度比模具的精度低三到四级左右。压铸件尺寸稳定性取 决于工艺因素、操作条件、模具修理次数及其使用期限等各方面因素。压铸 件的尺寸精度一般按机械加工精度来选取，在满足使用要求的前提下，尽可 能选取较低的精度等级。此外，同一压铸件上不同部位的尺寸可按照

36、实际使 用要求选取不同的精度，以提高经济性。 1. 长度尺寸 压铸件能达到的尺寸公差及配合尺寸公差等级见表3.1。 3.1.1 压铸件的尺寸精度 3.1.1 压铸件的尺寸精度 3.1.1 压铸件的尺寸精度 3.1.1 压铸件的尺寸精度 3.1.1 压铸件的尺寸精度 3.1.1 压铸件的尺寸精度 4. 角度 压铸件上的角度公差是由设计要求和工艺能达到的程度共同决定的，对于一 般要求的角度公差可按表3.5选取。 5. 孔中心距尺寸 孔中心距尺寸公差按表3.6选取。若受模具分型面或活动成型零件影响，在基 本尺寸公差上再加上附加公差。 3.1.1 压铸件的尺寸精度 3.1.1 压铸件的尺寸精度 3.1

37、.2 表面形状和位置 压铸件的表面形状和位置主要由压铸模的成型表面决定，而压铸模成型表面 的形位公差精度较高，所以对压铸件的表面形位公差一般不另行规定，其公 差值包括在有关尺寸的公差范围内。对于直接用于装配的表面，类似机械加 工零件，在图中注明表面形状和位置公差。 对于压铸件而言，变形是一个不可忽视的问题，整形前和整形后的平面度和 直线度公差按表3.7选取。平行度、垂直度和倾斜度公差按表3.8选取。同轴 度和对称度公差按表3.9选取。 3.1.2 表面形状和位置 3.1.2 表面形状和位置 3.1.2 表面形状和位置 3.1.3 表面粗糙度 压铸件的表面粗糙度取决于压铸模成型零件型腔表面的粗糙

38、度，通常压铸件 的表面粗糙度比模具相应成型表面的粗糙度高两级。若是新模具，压铸件的 表面粗糙度应达到gb 103183的ra2.50.63 m，要求高的可达到ra0.32 m。随着模具使用次数增加，压铸件的表面粗糙度逐渐增大。 3.1.4 加工余量 当压铸件某些部位尺寸精度或形位公差达不到设计要求时，可在这些部位适 当留取加工余量，用后续的机械加工来达到其精度要求。由于压铸件的表层 组织致密、强度高，因此机械加工余量应选用小值。压铸件的机械加工余量 按表3.10选取。 3.1.4 加工余量 3.2 压铸件基本结构单元设计 u 3.2.1 壁的厚度、连接形式及连接处的圆角 u 3.2.2 脱模斜

39、度 u 3.2.3 压铸孔和槽 u 3.2.4 肋 u 3.2.5 压铸齿与螺纹 u 3.2.6 嵌件 u 3.2.7 凸纹、凸台、文字与图案 3.2 压铸件基本结构单元设计 不论零件如何复杂，都可以将其分解为壁、连接 壁的圆角、孔和槽、肋、凸台、螺纹等部分，这 些部分就是组成零件的结构单元。 3.2.1 壁的厚度、连接形式及连接处的圆角 压铸件壁的厚薄对其质量有很大的影响。压铸件表面约0.81.2 mm的表层由于快速冷却而晶粒细 小、组织致密，因为它的存在使压铸件的强度较高。而若是厚壁压铸件，其壁中心层的晶粒粗大， 易产生缩孔、缩松等缺陷。通常，压铸件的力学性能随着壁厚增加而降低，而且也增加

40、了材料的用 量和压铸件的重量。图3.1为铸件壁厚对抗拉强度的影响。图3.2为铝合金压铸件壁厚与抗拉强度及 比重的关系。当然，壁太薄可能出现欠铸、冷隔等缺陷。因此，在保证压铸件有足够强度和刚度的 条件下，以薄壁和均匀壁厚为佳。一般情况下，壁厚不宜超过4.5 mm，同一压铸件内最大壁厚与 最小壁厚之比不要大于3 1。压铸件总体尺寸越大，壁厚也应越厚。而壁厚一定时，该壁厚的面积 也应受到一定的限制。压铸件的最小壁厚与适宜壁厚见表3.11。 为有利于金属液流动和压铸件成型，避免压铸件和压铸模产生应力集中和裂纹，压铸件壁与壁的连 接通常采用国内外设计标准推荐的圆角和隅部加强渐变过渡连接。各种过渡连接形式

41、及尺寸计算见 表3.12。 3.2.1 壁的厚度、连接形式及连接处的圆角 3.2.1 壁的厚度、连接形式及连接处的圆角 3.2.1 壁的厚度、连接形式及连接处的圆角 3.2.1 壁的厚度、连接形式及连接处的圆角 3.2.1 壁的厚度、连接形式及连接处的圆角 3.2.2 脱模斜度 脱模斜度又称铸造斜度。为了便于压铸件从压铸模中脱出及防止划伤铸件表 面，铸件上所有与模具运动方向(即脱模方向)平行的孔壁和外壁均需具有脱模 斜度。最好在设计压铸件时就在结构上留有斜度。若压铸件设计时未考虑脱 模斜度，则由压铸工艺来考虑。 脱模斜度一般不计入公差范围内，其大小根据合金性质、脱模深度、形状复 杂程度以及壁厚

42、而定。一般高熔点合金压铸件的脱模斜度大于低熔点合金压 铸件；脱模深度浅的大于深的；形状复杂的大于形状简单的；厚壁的大于薄 壁的；内孔的大于外壁的。一般在满足压铸件使用要求的前提下，脱模斜度 应尽可能取大值。表3.13为最小脱模斜度值。 3.2.2 脱模斜度 3.2.3 压铸孔和槽 3.2.3 压铸孔和槽 3.2.3 压铸孔和槽 3.2.4 肋 3.2.5 压铸齿与螺纹 3.2.5 压铸齿与螺纹 3.2.5 压铸齿与螺纹 3.2.6 嵌件 压铸件内镶入金属或非金属制件，与压铸件形成牢固不可分开的整体，此镶入的制件称为嵌件。压 铸件内镶入嵌件的目的是使压铸件的某一部位能够具有特殊的性能，如强度、硬

43、度、耐蚀性、耐磨 性、导磁性、导电性、绝缘性等，或代替部分装配工序，或者将复杂件转化为简单件。 设计有嵌件的压铸件应注意以下几点： (1)嵌件与压铸件应牢固连接。为防止嵌件受力时在压铸件内移动、旋转或拔出，在嵌件镶入压 铸件的部分，其表面上设计成适当的凹凸状，最常采用的有滚花、滚纹、切槽、铣扁等方法。 (2)嵌件放入模具内时与模具应有可靠的定位和合理的公差配合。 (3)嵌件周围的金属层厚度不能过薄，以提高铸件对嵌件的包紧力及防止金属层产生裂纹。金属 层厚度可按嵌件直径选取，包住嵌件的金属层最小厚度见表3.19。 (4)嵌件镶入铸件的部分不应有尖角，以免压铸件在尖角处开裂。 (5)嵌件与压铸件基

44、体之间不应产生电化学腐蚀，必要时嵌件外表面可加镀层。 (6)有嵌件的压铸件应避免热处理，以免两种材料的热膨胀系数不同而产生不同的体积变化，导 致嵌件在压铸件内松动。 3.2.6 嵌件 3.2.7 凸纹、凸台、文字与图案 压铸件上可以压铸出凸纹、凸台、文字和图案。它们最好是凸体，以便模具 加工。文字大小一般不小于gb 4457.384规定的5号字，文字凸出高度大于 0.3 mm，一般取0.5 mm。线条最小宽度为凸出高度的1.5倍，常取0.8 mm。 线条最小间距大于0.3 mm，脱模斜度为1015。线端应避免尖角，图案应 尽量简单。 3.3 压铸件结构设计的工艺性 3.3.1 简化模具结构、延

45、长模具寿命 3.3.2 有利于脱模与抽芯 3.3.3 防止压铸件变形 3.3 压铸件结构设计的工艺性 设计压铸件时除了结构、形状等方面有一定要求 外，还应使铸件适应压铸工艺性。 3.3.1 简化模具结构、延长模具寿命 3.3.1 简化模具结构、延长模具寿命 3.3.1 简化模具结构、延长模具寿命 3.3.1 简化模具结构、延长模具寿命 3.3.2 有利于脱模与抽芯 3.3.2 有利于脱模与抽芯 3.3.3 防止压铸件变形 压铸件形状结构设计不当，收缩时会产生变形或出现裂纹。解决的方法除设 加强肋外也可采用改变铸件结构的方法。图3.15(a)中压铸件断面厚薄不匀， 容易产生翘曲变形。改成均匀壁厚

46、可避免，如图3.15(b)所示。图3.16(a)中板 状零件收缩时容易产生翘曲变形，如图3.16(b)所示改为有凹腔，避免或减少 翘曲变形。箱形薄壁件收缩变形如图3.17(a)所示，采用加肋的方法来避免变 形，如图3.17(b)所示。 3.3.3 防止压铸件变形 3.3.3 防止压铸件变形 3.3.3 防止压铸件变形 思 考 题 (1)铸件设计应该满足哪几方面要求？设计内容主要包括哪几方面？ (2)铸件的尺寸精度受哪些因素影响？ (3)铸件结构设计的工艺性是指什么？ 第4章 压 铸 工 艺 第4章 压 铸 工 艺 压铸工艺是把压铸合金、压铸模和压铸机这三个压铸生产要素有机组合 和运用的过程。压

47、铸时，影响金属液充填成型的因素很多，其中主要有 压射压力、压射速度、充填时间和压铸模温度等。这些因素是相互影响 和相互制约的，调整一个因素会引起相应的工艺因素变化，因此，正确 选择与控制工艺参数至关重要。 第4章 压 铸 工 艺 4.1 压 力 4.2 速 度 4.3 温 度 4.4 时 间 4.5 压室充满度 4.6 压铸用涂料 4.7 压铸件的整修和处理 4.1 压 力 u4.1.1 压射力 u4.1.2 比压及其选择 u4.1.3 胀模力 4.1 压 力 压力是使压铸件获得致密组织和清晰轮廓的重要 因素，压铸压力有压射力和压射比压两种形式。 4.1.1 压射力 压射力是指压射冲头作用于金

48、属液上的力，来源于高压泵，压铸时它推动金属液充填到模具型腔中。在压铸过程中， 作用在金属液上的压力并不是一个常数，而是随着不同阶段而变化。图4.1所示为压射各阶段压射力与压射冲头运动 速度的变化。图中所示压射四个阶段分别是： 第一阶段(1)，此时压射冲头低速前进，封住加料口，推动金属液前进，压室内压力平稳上升，空气慢慢排出。高 压泵作用的压力p1主要是克服压室与压射冲头及液压缸与活塞之间的摩擦力，其值很小。 第二阶段(2)，压射冲头以较快的速度前进，将金属液推至压室前端，充满压室并堆积在浇口前沿。由于内浇口在 整个浇注系统中截面积最小，因此阻力最大，压力升高到p2以突破内浇口阻力。此阶段后期，

49、由于内浇口阻力使金 属液堆积，瞬时压力升高，产生压力冲击而出现第一个压力峰。 第三阶段(3)，压射冲头按要求的最大速度前进，金属液突破内浇口阻力充填型腔，并迅速充满，压力升至p3。在 此阶段结束前，金属液会产生水锤作用，压力升高，产生第二个压力峰并出现波动。 第四阶段(4)，压射冲头稍有前进，但这段距离实际上很小。铸件在这一阶段凝固，由于p4的保压作用，铸件被进 一步压实，消除或减少内部缩松，提高了压铸件密度。 上述过程称为四级压射。但目前压铸机大多是三级压射，一般将第一、二级压射阶段作为一级压射，第三、四阶段 则分别作为第二、三级压射。其中，p3、p4对铸件质量影响最大。p3越大，充填速度越

50、大，金属液越容易及时充 满型腔。p4越大，则越容易得到轮廓清晰、表面光洁和组织致密的压铸件。最终压力p4与合金种类、压铸件质量要 求有关，一般为30500 mpa。 4.1.1 压射力 4.1.1 压射力 4.1.2 比压及其选择 4.1.2 比压及其选择 由式(4.3)可见，比压与压铸机的压射力成正比，与压射冲头直径的平方成反比。所以，比压可以通 过改变压射力和压射冲头直径来调整。 在制订压铸工艺时，正确选择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 影响。首先，选择合适的比压可以改善压铸件的力学性能。随着比压的增大，压铸件的强度亦增加。 这是由于金属液在较高比压下凝固，其

51、内部微小孔隙或气泡被压缩，孔隙率减小，致密度提高。随 着比压增大，压铸件的塑性降低。比压增加有一定限度，过高时不但使延伸率减小，而且强度也会 下降，使压铸件的力学性能恶化。此外，提高压射比压还可以提高金属液的充型能力，获得轮廓清 晰的压铸件。 选择比压时，应根据压铸件的结构、合金特性、温度及浇注系统等确定，一般在保证压铸件成型和 使用要求前提下，选用较低的比压。选择比压时应考虑的因素见表4.1。各种压铸合金的计算压射 比压见表4.2。在压铸过程中，压铸机性能、浇注系统尺寸等因素对比压都有一定影响。所以，实 际选用的比压应等于计算比压乘以压力损失折算系数。压力损失折算系数k值见表4.3。 4.1

52、.2 比压及其选择 4.1.2 比压及其选择 4.1.2 比压及其选择 4.1.2 比压及其选择 4.1.2 比压及其选择 4.1.3 胀模力 4.2 速 度 u4.2.1 压射速度 u4.2.2 内浇口速度 u4.2.3 内浇口速度与压射速度和压力的关系 4.2 速 度 压铸过程中，速度受压力的直接影响，又与压力 共同对内部质量、表面轮廓清晰度等起着重要作 用。速度有压射速度和内浇口速度两种形式。 4.2.1 压射速度 4.2.1 压射速度 4.2.1 压射速度 4.2.2 内浇口速度 金属液通过内浇口处的线速度称内浇口速度，又称充型速度，它是压铸工艺 的重要参数之一。选用内浇口速度时，参考

53、如下： (1)铸件形状复杂或薄壁时，内浇口速度应高些； (2)合金浇入温度低时，内浇口速度可高些； (3)合金和模具材料导热性能好时，内浇口速度应高些； (4)内浇口厚度较厚时，内浇口速度应高些。 内浇口速度过高也会带来一系列问题，主要是容易包卷气体形成气孔。此外， 也会加速模具的磨损。推荐的内浇口速度见表4.5。 4.2.3 内浇口速度与压射速度和压力的关系 4.2.3 内浇口速度与压射速度和压力的关系 4.3 温 度 u4.3.1 合金浇注温度 u4.3.2 模具温度和模具热平衡 4.3 温 度 压铸过程中，温度规范对充填成型、凝固过程以 及压铸模寿命和稳定生产等方面都有很大影响。 压铸的

54、温度规范主要是指合金的浇注温度和模具 温度。 4.3.1 合金浇注温度 合金浇注温度是指金属液自压室进入型腔的平均温度。由于对压室内的金属液温度测量不方便，通 常用保温炉内的金属液温度表示。由于金属液从保温炉取出到浇入压室一般要降温1520，所 以金属液的熔化温度要高于浇注温度。但过热温度不宜过高，因为金属液中气体溶解度和氧化程度 随温度升高而迅速增加。 浇注温度高，能提高金属液流动性和压铸件表面质量。但浇注温度过高，会使压铸件结晶组织粗大， 凝固收缩增大，产生缩孔缩松的倾向也增大，使压铸件力学性能下降。并且还会造成粘模严重，模 具寿命降低等后果。因此，压铸过程中金属液的流动性主要靠压力和压射

55、速度来保证。图4.2和图 4.3所示为浇注温度对压铸件力学性能的影响。 选择浇注温度时，还应综合考虑压射压力、压射速度和模具温度。通常在保证成型和所要求的表面 质量的前提下，采用尽可能低的浇注温度。甚至可以在合金呈黏稠“粥”状时进行压铸。一般浇注 温度高于合金液相线温度2030。但对硅含量高的铝合金不宜采用“粥状”压铸，因为硅将大 量析出以游离状态存在于压铸件内，使加工性能恶化。各种压铸合金的浇注温度见表4.6。 4.3.1 合金浇注温度 4.3.1 合金浇注温度 4.3.1 合金浇注温度 4.3.2 模具温度和模具热平衡 在压铸生产过程中，模具温度过高、过低都会影响铸件质量和模具寿命，因此，

56、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，这一温度范围就是压铸模的 工作温度。 1. 模具温度 预热压铸模可以避免金属液在模具中因激冷而使流动性迅速降低，导致铸件不能顺利成型。即使成 型也因激冷而增大线收缩，使压铸件产生裂纹或表面粗糙度增加。此外，预热可以避免金属液对低 温压铸模的热冲击，延长模具寿命。 连续生产中，模具吸收金属液的热量若大于向周围散失的热量，其温度会不断升高，尤其压铸高熔 点合金时，模具升温很快。模具温度过高，使压铸件因冷却缓慢而晶粒粗大，并且带来金属粘模； 压铸件因顶出温度过高而变形，模具局部卡死或损坏，延长开模时间，降低生产率等问题。

57、为使模 具温度控制在一定的范围内，应采取冷却措施，使模具保持热平衡。 压铸模的工作温度可以按经验公式(4.9)计算或由表4.7查得。压铸模温度对压铸件力学性能影响如 图4.4和图4.5所示。 4.3.2 模具温度和模具热平衡 4.3.2 模具温度和模具热平衡 4.3.2 模具温度和模具热平衡 4.3.2 模具温度和模具热平衡 4.3.2 模具温度和模具热平衡 4.3.2 模具温度和模具热平衡 4.3.2 模具温度和模具热平衡 4.3.2 模具温度和模具热平衡 4.3.2 模具温度和模具热平衡 4.3.2 模具温度和模具热平衡 4.3.2 模具温度和模具热平衡 4.3.2 模具温度和模具热平衡

58、4.4 时 间 u4.4.1 充填时间和增压建压时间 u4.4.2 持压时间和留模时间 4.4 时 间 压铸工艺中的时间是指充填时间、增压建压时间、 持压时间和留模时间。 4.4.1 充填时间和增压建压时间 金属液从开始进入模具型腔到充满型腔所需要的时间称为充填时间。充填时间长短取决于压铸件的大小、复杂程度、 内浇口截面积和内浇口速度等。体积大形状简单的压铸件，充填时间要长些，体积小形状复杂的压铸件，充填时短 些。当压铸件体积确定后，充填时间与内浇口速度和内浇口截面积之乘积成反比。即选用较大内浇口速度时，也可 能因内浇口截面积很小而仍需要较长的充填时间。反之，当内浇口截面积较大时，即使用较小的

59、内浇口速度，也可 能缩短充填时间。因此，不能孤立地认为内浇口速度越大，其所需的充填时间越短。 在考虑内浇口截面积对充填时间的影响时，还要与内浇口的厚度联系起来。如内浇口截面积虽大，但很薄，由于压 铸金属呈黏稠的“粥状”，黏度较大，通过薄的内浇口时受到很大阻力，则将使充填时间延长。而且会使动能过多 地损失，转变成热能，导致内浇口处局部过热，可能造成粘模。 压铸时，不论合金种类和铸件的复杂程度如何，一般充填时间都是很短的，中小型压铸件仅0.030.20 s，或更短。 但充填时间对压铸件质量的影响是很明显的，充填时间长，慢速充填，金属液内卷入的气体少，但铸件表面粗糙度 高。充填时间短，快速充填，则情

60、况相反。充填时间与压铸件平均壁厚及内浇口速度的关系见表4.5。充填时间对压 铸件质量影响如图4.6所示。 增压建压时间是指从金属液充满型腔瞬间开始，至达到预定增压压力所需时间，也就是增压阶段比压由压射比压上 升到增压比压所需的时间。从压铸工艺角度来说，这一时间越短越好。但压铸机压射系统的增压装置所能提供的增 压建压时间是有限度的，性能较好的机器最短建压时间也不少于0.01 s。 增压建压时间取决于型腔中金属液的凝固时间。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，因为合金一旦凝固，压力无法传递，即使增压也起不了压实作用。因此压铸机增压装置上，增压建 压时间的可调性