全套课件-压铸工艺及模具设计

1、压铸工艺及其模具设计压铸工艺及模具设计前言第一章 绪论第二章 压铸过程原理第三章 压铸工艺及压铸新技术第四章 压铸机第五章 分型面、浇注系统和排溢系统设计第六章 成型零件与模架设计第七章 压铸模机构设计第八章 压铸模材料及技术要求第九章 压铸模设计实例第十章 压铸模CAD/CAE/CAM附：大作业1 前言 本书由多年从事压铸工艺、模具设计和研究的高校教师以及企业具有丰富的实践经验的压铸生产和模具设计工程技术人员参加，参考了国内外大量有关专著与最新技术资料和成果。本书从内容上兼顾理论基础和设计实践两个方面，注意理论密切联系实际，加强实用性，突出实践性，确保内容有一定深度并与实际紧密结合，在第9章

2、中用大量的实例和篇幅，对压铸模设计及压铸件的生产所遇到的问题进行了分析。本书还介绍了压铸模CAD/CAE/CAM也作了较系统的阐述。本书内容简洁全面，实用性强。压铸工艺及模具设计 本书内容主要包括：压铸过程原理；压铸工艺及压铸新技术；压铸机；分型面、浇注系统和排溢系统设计；成型零件与模架设计；压铸模机构设计；压铸模材料及技术要求；压铸模设计实例；压铸模CAD/CAE/CAM等。各章均选编了应用实例和习题，重点章节精选了综合应用实例，实用性和可操作性强，便于教学和自学，本书书后还编制了2个大作业，以备选用。 由于技术的迅猛发展，加上编者水平有限，书中难免有不当之处，敬请广大读者批评指正。 编者压

3、铸工艺及模具设计压铸工艺及模具设计 1 绪 论1.1 压铸的基本概念 1.2 压铸的特点与应用范围 1.3 压铸的发展 压铸工艺及模具设计 压力铸造（简称压铸）属于特种铸造的范畴。它是在普通铸造技术基础上发展起来的一种先进工艺。压铸是一种将熔融状态或半熔融状态的金属浇入压铸机的压室，在高压力的作用下，以极高的速度充填在压铸模（压铸型）的型腔内，并在高压下使熔融或半熔融的金属冷却凝固成型而获得铸件的高效益、高效率的精密铸造方法。压铸的分类方法很多，常见的压铸分类方法见表1-1。1 绪 论 1.1 压铸的基本概念压铸工艺及模具设计表1-1 常见的压铸分类方法压铸的分类方法说明压铸的分类方法说明按压

4、铸材料分单金属压铸目前主要是非铁合金压铸按压铸机分热室压铸压室浸在保温坩埚内合金压铸铁合金压铸冷室压铸压室与保温炉分开非铁合金压铸按合金状态分全液态压铸常规压铸复合材料压铸半固态压铸一种压铸新技术1.2压铸的特点与应用范围 1. 压铸的特点高压和高速是压铸时液态或半液态金属充填成型过程的两大特点，也是压铸与其他铸造方法最根本的区别所在。压铸时常用的压射压力一般为20200MPa，最高可达500MPa；充填速度一般为0.5120 m/s；充填时间与铸件的大小和壁厚有关，一般为 0.010.2s，最短仅有千分之几秒。此外，压铸模具有很高的尺寸精度和很高的表面粗糙度要求。 与其他铸造方法相比较，压铸

5、的特点见表1-2。压铸工艺及模具设计特 点 说 明 优点 产品质量好 铸件尺寸精度高，一般为IT12IT11。表面粗糙度一般Ra为 3.20.8m，最低达0.4m。尺寸稳定，互换性好。压铸件表面层晶粒较细，组织致密，表面层的硬度和强度都比较高，强度一般比砂型铸造提高25%30%，但延伸率降低约70%。可压铸薄壁复杂的铸件。当前锌合金压铸件最小壁厚可达0.3mm，铝合金压铸件可达0.5mm，最小铸出孔径为0.7mm，最小螺距为0.75mm。对于形状复杂，难以或不能用切削加工制造的零件，即使产量小，通常也采用压铸生产，尤其当采用其他铸造方法或其他金属成型工艺难以制造时，采用压铸生产最为适宜 生产效

6、率高 在所有的铸造方法中，压铸是一种生产率最高的方法。一般冷室压铸机平均八小时可压铸600700次，小型热室压铸机平均八小时可压铸30007000次，适合于大批量的生产。并且可以实现一模多腔的工艺，其产量倍增或多倍增。与其他铸造方法比较，压铸还节约甚至完全省去了零件的机械加工工时和设备 经济效果优良 由于压铸件尺寸精确、表面光洁等优点，压铸件不进行机加工而直接使用，或加工量很小，所以既提高了金属利用率，又减少了大量的加工设备和工时。压铸生产时，可嵌铸其它金属或非金属材料零件以提高压铸件的局部强度，满足某些特殊要求（耐磨性、绝缘性、导磁性等），改善铸件结构的工艺性，代替某些部件的装配和简化制造工

7、序，改善压铸件的工作性能，既节省装配工时又节省金属 压铸工艺及模具设计表1-2 压铸的特点压铸工艺及模具设计缺 点 采用一般压铸法，铸件易产生气孔，不能进行热处理。对内凹复杂的铸件，压铸较为困难。高熔点合金（铜合金，铁合金等），压铸模寿命较低。不宜小批量生产，这主要是因为压铸模制造成本高，压铸机生产效率高，小批量生产不经济 2. 压铸的应用范围压铸是最先进的金属成型方法之一，是实现少切屑，无切屑的有效途径，应用广，发展快。目前压铸合金不再仅局限于非铁合金的锌、铝、镁和铜，而且也逐渐用来压铸铸铁和铸钢件。在非铁合金的压铸中，铝合金占比例最高（约3060），锌合金次之（在国外，锌合金铸件绝大部分为

8、压铸件），铜合金仅占压铸件总量的12，镁合金是近几年国际上比较关注的合金材料，对镁合金的压铸、挤压铸造、半固态加工等技术的研究更是呈现遍地开花的局面。表1-2 压铸的特点(续) 压铸件的尺寸和重量，取决于压铸机的功率。由于压铸机的功率不断增大，压铸件外形尺寸可以从几毫米到12m；重量可以从几克到数十千克。国外可压铸直径为2m，重量为50kg的铝铸件。 压铸已广泛地应用于各行各业，如兵器、汽车与摩托车、航空航天产品的零部件以及电器仪表、无线电通信、电视机、计算机、农业机具、医疗器械、洗衣机、电冰箱、钟表、照像机、建筑装饰以及日用五金等各种产品的零部件的生产方面。 压铸零件的形状多种多样，常见的压

9、铸件形状见表1-3。表1-3 常见的压铸件形状压铸件形状 压铸件举例 压铸件形状 压铸件举例 压铸件形状 压铸件举例 圆盘类 号盘座 圆环类 方向盘 多孔缸体、壳体类 汽缸体 圆盖类 机盖 筒体类 仪表盖 特殊形状类 叶轮 压铸工艺及模具设计1.3压铸的发展 压铸的起源应该是从半永久型及永久型的发展中分支出来的。1822年，威廉姆乔奇（Willam Church）制造了一台日产1.22万铅字的铸造机，显示出压铸工艺方法的生产潜力。1849年斯图吉斯（J.J.Sturgiss）设计并制造成第一台手动活塞式热室压铸机，并在美国获得了专利权。1855年默根瑟勒（Mersen-thaler）发明了印字

10、压铸机，开始只用于生产低熔点的铅、锡合金铸字，到19世纪60年代用于锌合金压铸零件生产。压铸广泛用于工业生产还只是上世纪初。1904年英国的法兰克林（HHFranklin）开始用压铸方法生产汽车的连杆轴承，开创了压铸零件在汽车工业中应用的先例。压铸工艺及模具设计1905年多勒（HHDoehler）研制成功用于工业生产的压铸机、压铸锌、锡、铜合金铸件。随后瓦格纳（Wagner）设计了鹅颈式气压压铸机，用于生产铝合金铸件。 1927年捷克工程师约瑟夫波拉克（Jesef Pfolak）设计了冷室压铸机，使压铸技术向前推进了一大步。铝、镁、铜等合金均可采用压铸生产。因为整个压铸过程都是在压铸机上完成，

11、因此，随着对压铸件的质量、产量和扩大应用的需求，对压铸设备也不断提出新的更高要求，而新型压铸机的出现及新工艺、新技术的采用，又促进压铸生产更加迅速地发展。 压铸工艺及模具设计 大型压铸机的发展是在20世纪50年代开始的。近10年来，无论压铸机还是压铸技术均得到相当的发展，压铸机械已朝自动化智能化方向发展。 根据近几年来国际压铸会议及相应的展览会，压铸的发展方向见表1-4。压铸工艺及模具设计压铸的发展方向说 明深入开展理论研究利用计算机模拟技术，展开金属在充填型腔的流动形态、金属在型腔中的凝固过程、型腔内金属液体的流动压力、模具的温度场分布、模具的温度梯度、模具的变形、压铸机拉杠杆系受力分析等方

12、面的理论研究研发新式压铸设备进行解决高温铝液腐蚀零部件问题及有柔性单元配备装置、智能化机械手、分立的自动浇料、取件、喷涂装置等新式压铸机的研发研发压铸新材料进行金属基复合材料的压铸及压铸镁合金的开发研究发展新型检测技术研发压铸产品的检测特别是内部缺陷的无损检测新技术发展压铸新技术进一步研发真空压铸、充氧压铸、半固态压铸、挤压压铸等无气孔压铸新技术广泛应用最新技术在压铸生产中，广泛应用并行工程（CE）和快速原型制造技术（RPM）等最新技术研发压铸模新材料不断研发提高压铸模寿命的压铸模新材料及压铸模表面处理新技术表1-4 压铸的发展方向压铸工艺及模具设计思考题1.1 什么是压铸？压铸的类型有哪些？

13、1.2 压铸的特点和应用范围有哪些？1.3 压铸的发展方向有哪些？压铸工艺及模具设计压铸工艺及模具设计2 压铸过程原理 2.1 压铸压力 2.2 压铸速度 2.3 金属充填铸型的形态 压铸工艺及模具设计 压铸的主要特点是金属液在高压、高速下充填压铸模型腔，并在高压下成型、结晶,因此，压铸过程中压力和速度的变化及其作用是至关重要的，它们直接影响金属充填形态和金属液在型腔中的运动，从而影响压铸件的质量。2 压铸过程原理2.1 压铸压力 压铸压力是压铸工艺中主要的参数之一。压铸过程中的压力是由压铸机的压射机构产生的，压射机构通过工作液体将压力传递给压射活塞，然后由压射活塞经压射冲头施加于压室内的金属

14、液上。 压铸工艺及模具设计作用于金属液上的压力是获得组织致密和轮廓清晰的铸件的主要因素，所以，必须了解并掌握压铸过程中作用在金属液上的压力的变化情况，以便正确利用压铸过程中各阶段的压力，并合理选择压力的数值。 压铸过程中的压力可以用压射力和压射压力两种形式来表示。 压铸机压射缸内的工作液作用于压射冲头，使其推动金属液充填模具型腔的力，称为压射力。其大小反映了压铸机功率的大小。 压射压力是指压射过程中，压室内单位面积上金属液所受到的静压力。压射力和压射压力的关系如下： (2-1)压铸工艺及模具设计式中p压射压力（Pa）； F压射力（N）； A压射冲头截面积（近似等于压室截面积）（m2）； D压射

15、缸直径（m）。 由式(2-1)可知，压射压力与压射力成正比，而与压射冲头的截面积成反比。所以，压射压力可以通过调整压射力和更换不同直径的压射冲头来实现。 既考虑压射力又考虑压射压力，会把问题复杂化，而且压射压力更能反映压铸过程中金属液在充填时的各个阶段以及金属液流经各个不同截面时的力的概念，因此，压铸压力通常指的是压射压力。 在压铸过程中，作用在金属液上的压射压力并不是一个常数，而是随着压射阶段的变化而改变。金属液在压室与压铸模型腔中的运动可分解为四个阶段，图2-1表示在不同阶段，压射冲头的运动速度与金属液所受的压力（压射压力）曲线。压铸工艺及模具设计图2-1压铸不同阶段，压射冲头运动速度 与

16、金属液所受压力的变化情况压铸的各个阶段v压射冲头的运动速度p压射压力压铸工艺及模具设计 第一阶段1压射冲头以慢速v1前进，封住浇口，金属液被推动，其所受压力p1也较低，此时p1仅用于克服压室与液压缸对运动活塞的摩擦阻力。 第二阶段2本阶段在压射冲头作用下，金属液将完全充满压室至浇口处的空间，压射冲头的速度达到v2，压力p2也由于压室中金属液的反作用而超过p1。 第三阶段3金属液充填浇注系统和压铸模型腔，因为内浇口面积急剧缩小，故使金属液流动速度v3下降，但压力则上升至p3，在第三阶段结束前，金属液因压射机构的惯性关系，而发生水锤作用，使压力增高，并发生波动，待波动消失之后，即开始压铸的第四阶段

17、。压铸工艺及模具设计 第四阶段4本阶段的主要任务是建立最后的增压，使铸件在压力p下凝固，而达到使铸件致密的目的。所需最终压力p4的大小与合金的种类、状态（粘度、密度）和对铸件的质量要求有关。p4一般为50500MPa。如果在最终压力达到时，浇注系统中的金属仍处于液态或半固态，则压力p4将传给凝固中的铸件，缩小铸件中的缩孔、气泡，改善铸件表面质量（特别是在半固态压铸时）。 上述过程称为四级压射。根据工艺要求，压铸机均应实现四级压射。压铸工艺及模具设计 目前使用的大中型压铸机为四级压射，中小型压铸机多为三级压射，这种机构（参考第四章中压铸机的压射机构部分）是把四级压射中的二和三阶段合为一个阶段。从

18、14为一个压铸周期，其中p3愈高所得的充填速度愈高，而p4愈大，则愈易获得外廓清晰、组织致密和表面粗糙度要求高的铸件。在整个过程中p3和p4是最重要的。压铸工艺及模具设计 所以，在压铸过程中压力的主要作用在一定程度上是为了获得速度，保证液态金属的流动性。但要达到这一目的，必须具备以下条件： (1) 铸件和内浇口应具有适当的厚度。 (2) 具有相当厚度的余料和足够的压射力，否则效果不好。 上述的压力和速度的变化曲线只是理论性的，实际上液态金属充填型腔时，因铸件复杂程度不同，金属充填特性及操作不同等因素，压射曲线也会出现不同的形式。压铸工艺及模具设计 压铸中，压铸速度有压射速度和充填速度两个不同的

19、概念。压射速度是指压铸机压射缸内的压力油推动压射冲头前进的线速度。充填速度是指金属液在压力作用下，通过内浇口进入型腔的线速度。充填速度的主要作用是将金属液在凝固之前迅速输入型腔，它是获得轮廓清晰、表面质量高的铸件的重要因素。 速度和压力是密切相关的两个工艺参数，因此除有适当的压射压力外，还必须正确地选择速度。充填速度确定的依据是合金的特性和铸件的结构特点。当充填速度较低时，会使铸件轮廓不清，甚至不能成型。2.2 压铸速度压铸工艺及模具设计 当充填速度较高时，即使采用较低的压射压力也可以获得表面质量高的铸件。但是过高的充填速度会引起许多工艺上的缺点，造成不利的压铸条件，主要有以下几点： (1)

20、裹住空气形成气泡。由于高速金属液流到空气的前面，堵塞排气通道，所以，空气被裹在型腔内。 (2) 金属液呈雾状进入型腔，粘附于型壁上，随后进入的金属液不能与它熔合而形成表面缺陷（冷豆或冷隔），降低铸件表面质量。 (3) 高速金属流产生旋涡，裹住空气和最先进入型腔的冷金属，使铸件产生气孔和氧化夹杂。 (4) 高速金属流冲刷型壁，加速压铸模的磨损。压铸工艺及模具设计 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，即式中v压射冲头速度（m/s）； 压射冲头截面积（m2）； D压室直径（m）； v g充填速度（m/s）； g内浇口截面积（m2）。压铸工艺及

21、模具设计(2-2) (2-3) 由于压射速度与充填速度有式(2-2)与式(2-3)的关系，确定了充填速度，就能很方便地求出压射速度，而且充填速度更能反映压铸的工艺特性，因此，压铸速度通常指的是充填速度。 由式(2-3)可知，金属液充填压铸模型腔的线速度与压室直径的平方、冲头的压射速度成正比，而与内浇口的截面积成反比。因此，可以通过改变上述三因素的数值，来调整充填速度。其中压室直径的变化，可以较显著地改变充填速度，与此同时，压射压力的数值也会随同变化。通过变化内浇口的截面积所能调整充填速度调整的范围很小对金属液充填速度影响不显著。压铸工艺及模具设计 压射速度的调节可通过调整压铸机上的压力控制阀来

22、实现。在生产中，应根据具体条件去确定调整因素。 此外，充填速度和压射压力有关，根据水力学原理，压射压力与充填速度间的关系可用下式来表示，即 式中vg充填速度（m/s）； p压射压力（Pa）；金属液密度（kg/m3）。压铸工艺及模具设计(2-4) 因为金属液是粘性液体，它在流经浇注系统时，会因为摩擦而引起动能损失，故上式应改写为式中vg充填速度（m/s）；阻力系数（=0.358）； p压射压力（Pa）；金属液密度（kg/m3）。压铸工艺及模具设计(2-5) 由此可见，充填速度与压射压力的平方根成正比，而与金属液密度的平方根成反比。因此，压射压力大，充填速度就高；金属液密度大，充填速度就低。 由上

23、面的分析得知，影响充填速度的因素有三个，即压射速度、压射压力和内浇口截面积。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。 总之，压力和速度是相辅相成而又相互制约的两个基本参数。为适应各种铸件对压铸工艺不同的要求，压铸压力和压铸速度都应做到无级调整。一般压铸压力高时，铸件质量就较好。为使压力更好地完成“充填”、“成型”和“压实”的任务，在制定压铸工艺时，必须充分考虑各因素之间的影响。压铸工艺及模具设计 压铸过程中金属液充填压铸模型腔的形态，与铸件的质量（致密度、气孔、力学性能、表面粗糙度等）有着很大的关系，长期以来，人们对此进行了广泛的研究。 在压

24、铸过程中，金属液充填压铸模型腔的时间极短，一般为百分之几或千分之几秒，在这一瞬间内，金属液的充填形态是极其复杂的。它与铸件结构、压射速度、压力、压铸模温度、金属液温度、金属液粘度、浇注系统的形状和尺寸大小等都有着密切的关系。因而金属液充填形态对铸件质量起着决定性的作用，为此，必须掌握金属液充填形态的规律，了解充填特性，以便正确地设计浇注系统，获得优质铸件。2.3 金属充填铸型的形态压铸工艺及模具设计 金属液充填压铸模型腔的过程是一个非常复杂的过程，它涉及到流体力学和热力学的一些理论问题。研究充填理论的目的在于运用这些理论更好地指导我们选择合理的工艺方案和工艺参数，从而消除压铸生产中出现的各种缺

25、陷，以获得优质的压铸件。充填过程主要有以下三种现象： (1) 压入 压射系统有必需的能量，对注入压室内的金属液，施加高压力和高速度使熔液经压铸模的浇口流向型腔。 (2) 金属液流动 熔液从内浇口注入型腔，而后熔液流动并充填型腔的各个角落，以获得形状完整轮廓清晰的铸件。 2.3.1 金属充填理论压铸工艺及模具设计 (3) 冷却凝固 熔液充填型腔后，冷却凝固，此现象在充填过程中自始至终地进行着，必须在完全凝固前充满型腔各个角落。 为了探明压铸时液态金属充填型腔的真实情况，压铸工作者们提出了各种充填理论,归纳起来主要有三种：喷射充填理论、全壁厚充填理论、三阶段充填理论。压铸工艺及模具设计 1. 喷射

26、充填理论 这是最早提出的一种金属充填理论，是由弗洛梅尔（LFrommer）于1932年根据锌合金压铸的实际经验并通过大量实验而得出。实验铸型是一个在一端开设浇口的矩形截面型腔。通过研究，认为金属液的充填过程，可以分为两个阶段，即冲击阶段和涡流阶段。在速度、压力均保持不变的条件下，金属液进入内浇口后仍保持内浇口截面的形状冲击到对面的型壁（冲击阶段）。随后，由于对面型壁的阻碍，金属液呈涡流状态，向着内浇口一端反向充填（涡流阶段），这时由于铸型侧壁对此回流金属流的摩擦阻力，以及此金属流动过程中温度降低所形成的粘度迅速增高，因而使此回流金属流的流速减慢。压铸工艺及模具设计与此同时，一部分金属液积聚在型

27、腔中部，导致液流中心部分的速度大于靠近型壁处的速度。 图2-2所示为金属液在型腔内的充填形态示意图。 （a） （b） （c） （d）图2-2 金属液在型腔内的充填形态(a) 冲击型壁 (b) 回流 (c) 积聚在型腔远端 (d) 积聚在型腔中部压铸工艺及模具设计 大量的实验证实，这一充填理论适用于具有缝形浇口的长方形铸件或具有大的充填速度以及薄的内浇口的铸件。 根据这一理论，金属液充填铸型的特性与内浇口截面积g和型腔截面积1的比值有关，压铸过程中应采用g/1(1/41/3)，以控制金属液的进入速度，从而保持平稳充填。在此情况下，应在内浇口附近开设排气槽，使型腔内的气体能顺利排除。压铸工艺及模具

28、设计 2. 全壁厚充填理论 该理论是由布兰特（WGBrandt）于1937年用铝合金压入试验性的压铸型中得出的。实验铸型具有不同厚度0.52 mm的内浇口和不同厚度的矩形截面型腔。内浇口截面积与型腔截面积之比g/1 在0.10.6的范围内，用短路接触器测定金属液在型腔内的充填轨迹。 该理论的结论如下： (1) 金属液通过内浇口进入型腔后，即扩展至型壁，然后沿整个型腔截面向前充填，直到整个型腔充满金属液为止。其充填形态如图2-3所示。压铸工艺及模具设计 （a） （d） （b） （e） （c） （f）图2-3 全壁厚充填理论的充填形态(a) 进入型腔 (b) 开始扩展 (c) 扩展至型壁 (d)

29、向前充填 (e) 充至型壁 (f) 充满型腔压铸工艺及模具设计 (2) 在整个充填过程中不出现涡流状态，在实验中没有发现金属堆积在型腔远端的任一实例，凡是远端有欠铸的铸件，在浇口附近反而完全填实。因此认为喷射充填理论是不符合实际情况的，并且推翻了喷射充填理论所提出的将复杂铸件看成若干个矩形型腔连续的说法。同时认为，无论g/1的值大于或小于1/41/3，其结果并无区别。 按这种理论，金属的充填是由后向前的，流动中不产生涡流，型腔中的空气可以得到充分的排除。至于充填到最后，在进口处所形成的“死区”，完全符合于液体由孔流经导管的水力学现象。 压铸工艺及模具设计压铸工艺及模具设计图2-4 三阶段充填理

30、论的充填形态(a) 形成薄壳层 (b) 继续充填 (c) 即将充满 (d) 充满型腔后形成封闭水力学系统 3. 三阶段充填理论 这种充填理论是巴顿（HKBarton）于19441952年提出的。 按三阶段充填理论所做的局部充填试验表明，其充填过程具有三个阶段，如图2-4所示。 第一阶段 金属液射入型腔与型壁相撞后，就相反于内浇口或沿着型腔表面散开，在型腔转角处，由于金属液积聚而产生涡流，在正常均匀热传导下，与型腔接触部分形成一层凝固壳，即为铸件的表层，又称薄壳层。 第二阶段 在铸件表层形成壳后，金属液继续充填铸型，当第二阶段结束时，型腔完全充满，此时，在型腔的截面上，金属液具有不同的粘度，其最

31、外层已接近于固相线温度，而中间部分粘度很小，还处于液态。 第三阶段 金属液完全充满型腔后，型腔、浇注系统和压室是一个封闭的水力学系统，在这一系统中各处压力是相等的，压射力通过铸件中心还处于液态的金属继续作用。 压铸工艺及模具设计 在实际生产中，大多数铸件（型腔）的形状比充填理论试验的型腔要复杂得多。通过对各种不同类型压铸件的缺陷分析或对铸件表面流痕的观察可知，金属在型腔中的充填形态，并不是由单一因素所能决定的。例如，在同一铸件上，由于工艺参数的变动，也会引起充填形态的改变；在同一铸件上，由于其各部位结构形式的差异，亦可能产生不同的充填形态。至于采取哪种形态，则是由金属流经型腔部位的当时条件而定

32、。 上述三种充填理论，在不同的工艺条件下都有其实际存在的可能性，其中全壁厚充填理论所提出的充填形态是最理想的。压铸工艺及模具设计 压铸件的气孔、冷隔、流痕等缺陷都是由于金属充填型腔时产生的涡流和裹气所引起的。涡流和裹气现象的产生又是金属液高速射向型壁或两股金属流相对碰撞的结果。因此，理想充填形态的获得，应保证在金属液充满型腔的条件下，以最低的充填速度及浇注温度，使金属流形成与型腔基本一致的金属液柱，从一端顺利地充满型腔，排出气体。 但这一形态的获得，即使在适宜的浇注系统中使金属液起到较完善的整流和定向作用，若没有其它工艺条件的配合，亦难达到充填过程中各阶段的要求。2.3.2 理想充填形态在三级

33、压射中的获得 压铸工艺及模具设计 三级压射速度的定点压射是改善充填形态的有效方法。所谓三级压射速度定点压射是指压射缸在压射过程中，按充填各阶段的要求，分为三级压射速度，每一级压射的始终位置，均有严格的控制。 在第一级压射时，压射冲头以较慢的速度推进，以利于将压室中的气体挤出，直至金属液即将充满压室为止。 第二级压射则是按铸件的结构、壁厚选择适当的流速，以在充满型腔过程中金属液不凝固为原则，将糊状金属把型腔基本充满。 第三级压射是在金属液充满型腔的瞬间以高速高压施加于金属液上，增压后使铸件在压力的作用下凝固，以获得轮廓清晰、表面质量高、内部组织致密的优质铸件。压铸工艺及模具设计 由上述充填过程可

34、知，三级压射可避免一般充填中所发生的裹气和涡流现象。在第二级压射中，金属液流进内浇口后，温度有所下降，粘度相应提高；同时，金属液在流入型腔后因容积突然增大，向外扩张，当金属液接触到型壁后，金属液流随型腔而改变形状，此时由于金属液对型壁有粘附性，更使它的流动性降低。这样，在型腔表面形成一层极薄的表皮，随后按金属流向逐步充填铸型。因此，在适当的铸型温度及金属液温度下，第二级压射形成了金属流端部的金属柱后，即使再增加压射速度，亦不致有产生涡流的危害。所以，第二种充填形态的获得有利于避免气孔，特别对厚壁铸件功效更大。压铸工艺及模具设计 图2-5所示为在某一压力下金属的充填形态。当改变内浇口截面积与铸件

35、截面积之比时，充填所需的时间也不同，当g/1=1/3时，充填所需时间最短。 2.3.3 金属液在型腔中的几种充填形态图2-5 不同内浇口截面积厚度的充填形态(a) g/11/41/3 (b) g/1=1/3 (c) g/11/3压铸工艺及模具设计 图2-6所示为在一般压力下，内浇口在型腔一侧时的充填形态。 （a） （b） （c） （d）图2-6 内浇口在型腔一侧时的充填形态 (a) 进入型腔 (b) 回流 (c) 继续充填 (d) 全壁厚充填压铸工艺及模具设计 图2-7所示为型腔特别薄时（锌合金可薄到0.4mm）的充填形态。金属流厚度接近于型腔，故金属流入型腔后，即与型腔的一侧或两侧接触（见图

36、2-7a、b）。与型腔接触的金属因冷却而温度降低，中间的金属从冷凝金属层1上面滑过去，又与前方的型腔壁接触，而新的金属液2从两侧逐渐冷却凝固的金属层中通过（见图2-7c、d）。 （a） （b） （c） （d）图2-7 薄壁型腔充填形态一侧接触 (b) 两侧接触 (c) 从冷凝金属层上滑过 (d) 新金属从冷凝金属层中通过1冷凝金属层2金属液压铸工艺及模具设计 图2-8所示为金属流在型腔转角处的充填形态。金属液流入型腔转角处会产生涡流（见图2-8b），基本上没有向前流动的速度，在型腔垂直部分充满以前向左移动甚慢（见图2-8c），在垂直部分充满以后，后面的金属推动前面的金属向左流动（见图2-8d）

37、。 （a） （b） （c） （d）(a) 进入型腔 (b) 在转角处产生涡流 (c) 充填垂直部分 (d) 向左充填图2-8 金属流在型腔转角处的充填形态图压铸工艺及模具设计 图2-9所示为型腔表面是一圆弧面时的金属充填形态。金属液有靠近外壁流动的趋势，因此，靠近内壁处的空气无法排出，易产生缺陷。 （a） （b） （c）图2-9 金属液在圆弧面处的充填形态(a) 进入型腔 (b) 流向外型壁 (c) 靠近外型壁流动压铸工艺及模具设计 2.1 何谓压射力和压射压力？可以通过哪些途径来改变压射压力？ 2.2 何谓压射速度和充填速度？充填速度的高低对压铸件质量有何影响？ 2.3 压铸过程中作用在液体

38、金属上的压力是如何变化的？它对铸件成型过程有何影响? 2.4 典型的金属充填理论有哪几种?其基本内容及发生的条件是什么？研究金属充填理论有何实际意义？ 思考题压铸工艺及模具设计压铸工艺及模具设计 3压铸工艺及压铸新技术3.1 压铸合金3.2 压铸件的结构设计3.3 压铸工艺参数的选择3.4 压铸涂料.3.5 压铸合金的熔炼与压铸件的后处理3.6 压铸新技术3压铸工艺及压铸新技术 3.1 压铸合金 要生产优质的压铸件，除了要有合理的铸件结构、设计和制造完善的压铸模以及工艺性能优越的压铸机外，还需要有性能良好的压铸材料。除了制造电动机转子是用纯铝环绕叠片进行压铸外，其它压铸件都是用合金制成的。与纯

39、金属（单金属）相比，合金的强度要高一些。压铸工艺及模具设计 3.1.1 对压铸合金的要求 为了满足压铸件的使用要求，保证压铸件的质量，压铸合金应符合如下要求： (1) 密度小，导电和导热性好。 (2) 强度和硬度高，塑性好。 (3) 性能稳定，耐磨和抗腐蚀性好。 (4) 熔点低，不易吸气和氧化。 (5) 收缩率小，产生热裂、冷裂和变形的倾向小。 (6)流动性好，结晶温度范围小，产生气孔、缩松倾向小。 一种合金是否适合于压铸，取决于它的熔点和流动性。对任何合金系列而言，都是以共晶合金或者结晶温度范围小的合金具有最好的流动性，而结晶温度范围大的合金压铸性能差。熔点高的合金都难于压铸。压铸工艺及模具

40、设计3.1.2 常用压铸合金及其主要特性 压铸用合金的分类见表3-1。表3-1 压铸用合金分类压 铸 用 合 金 种 类说 明压铸铁合金铸铁1. 铸铁类主要有灰铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁等2. 铸钢类主要有碳钢、不锈钢和各种合金钢等3. 由于合金熔点高、易氧化和开裂，且模具寿命低，故铁合金铸件的压铸生产虽已试验成功，但在国内还不普遍，仅有很少量应用铸钢压铸非铁合金低熔点合金1. 低熔点合金主要有铅合金、锡合金和锌合金等2. 高熔点合金主要有铝合金、镁合金和铜合金等3. 低熔点合金适于压铸复杂而精密的小铸件。由于铅和锡的强度很低，锡的价格昂贵且不易取得，所以在机器制造中用得很少4. 结晶温度范围宽

41、的非铁合金虽已成功地进行了压铸试验，但国内用于压铸生产的尚少高熔点合金压铸复合材料复合材料的压铸是近年来研究的热点，目前还在试验中，要实现工业化的生产，还有待进一步的研究和开发压铸工艺及模具设计 目前最常用的压铸合金有铝合金、锌合金、镁合金、铜合金。其主要特性见表3-2。 我国常用压铸合金的化学成分、力学性能及应用范围见表3-3表3-10。表3-2 常用压铸合金的主要特性合金类别 主 要 特 性 铝合金 1. 铝合金有良好的压铸、导电和导热性能，其密度较小，比强度和比刚度高，高温和低温的力学性能好，2. 铝合金熔铸工艺简单，成型及切削性能良好，有较高的力学性能及抗蚀性，是代替钢铁铸件的最具潜力

42、的合金3. 铝的表面易形成一层与基体结合牢固的致密的氧化膜，故大部分铝合金在淡水、海水、浓硝酸、硝酸盐、汽油及各种有机物中均有良好的耐蚀性。氧化铝膜的化学稳定性及熔点都很高，故在高温工作时，仍有良好的抗腐蚀和抗氧化性能4. 铝有较大的比热和凝固潜热，大部分的铸铝合金均有较小的结晶温度范围，组织中亦常含有相当数量的共晶体，其线收缩较小，故具有良好的充填性能、较小的热裂倾向。但铸铝合金仍有相当大的体收缩，易在最后凝固处生成大的集中缩孔5. 铝合金和铁有很强的亲和力，易粘模，应在冷室压铸机上压铸 压铸工艺及模具设计表3-2 常用压铸合金的主要特性（续1）合金类别 主 要 特 性 锌合金 1. 锌合金

43、的压铸性能很好，具有结晶温度范围小、不易产生疏松；充填成型容易；浇注温度较低，模具的使用寿命较长；不易粘附模具型壁；铸件精度较高；电磁屏蔽性能优越等特点。同时，力学性能也较高，特别是抗压和耐磨性能很好2. 锌合金铸件能够很好地接受各种表面处理，尤其是电镀，故在压铸发展史中，锌合金压铸占有相当重要的地位。压铸锌合金虽经多年的发展并取得了显著成效，但仍倍受人们的关注，显示出巨大的应用和发展潜力，在电子、五金、玩具等行业具有广泛的应用市场。在一些无高温强度要求的情况下，锌合金压铸件是铜合金压铸件的有力竞争者。对锌合金压铸件通过氧化处理获得古铜色外观，是锌合金艺术品铸件的一大突破，它们可以和铜艺术铸件

44、媲美3. 锌合金最严重的缺点是老化现象，它是锌合金的应用范围受到限制的主要原因。同时，锌合金的工作温度范围较窄，温度低于-10时，其冲击韧性急剧下降；温度升高时，力学性能下降，且易发生蠕变。因此，零件的工作温度一般不能超过100。严格控制锌合金原材料的纯度和熔炼工艺过程，在合金中添加少量的Mg和适量的Cu，可以减轻或消除老化现象及改善切削加工性能 压铸工艺及模具设计表3-2 常用压铸合金的主要特性（续2）合金类别 主 要 特 性 镁合金 1. 在各种压铸用的合金中，镁合金的最大优势是密度最小，镁合金的强度接近铝合金，其比强度明显高于铝合金和钢，比刚度则与铝合金和钢相当。与工程塑料相比，虽然工程

45、塑料尤其是纤维增强塑料的比强度最高，但其弹性模量很小，比刚度远小于镁合金，且工程塑料难以回用。因此，承受弯曲载荷的结构件的轻量化，以采用镁合金压铸件更合适2.镁合金熔点低，使得低温变形小；尺寸精度高，有利于一次开模成型；与铁的亲和力小，对模具的粘附现象小，有利于提高生产率和模具寿命；具有良好的流动性，有利于复杂件和细小件的生产；对声音和振动具有良好的消减性能，有利于提高汽车行驶的稳定性，被广泛应用于汽车行业3. 采用镁合金压铸件是汽车、摩托车等交通工具减少本体质量、节省能耗、降低污染的主要措施，加上近年来适用于镁合金压铸的热室压铸机性能的日趋完善，镁合金熔铸采用气体保护（SO2或SF6及阻燃技

46、术等）代替传统熔剂保护工艺，使镁合金压铸的一些诸如耐腐蚀性差、蠕变强度低、易氧化燃烧等难题逐一得到解决，为压铸镁合金的进一步发展创造了条件。镁合金压铸件的应用正在逐渐扩大，20世纪80年代以来，镁合金压铸件在计算机、通讯、电子、电动工具、运动器具等领域的应用急剧增长4. 镁合金液易氧化燃烧，铸造时热裂倾向比铝合金大，在熔化、烧注及压铸模温控制等方面都比铝合金压铸复杂5. 镁合金可用冷室或热室压铸机压铸。一般情况下，小铸件采用热室压铸，以保证薄壁件的充满，而且还具有压铸压力低、压铸机体积小、循环时间短和压铸系统空气少等优点；大件则采用冷室压铸工艺 压铸工艺及模具设计表3-2 常用压铸合金的主要特

47、性（续3）合金类别 主 要 特 性 铜合金 1. 压铸件具有节约材料的特点，而铜又是一种价格昂贵的金属材料，因此，铜合金压铸件的应用范围正在不断扩大，目前虽然熔点高，模具使用寿命短，但因为铜合金所具有的许多优越性能，所以，铜合金在压铸生产中仍然十分普遍2. 铜合金的力学性能高，其绝对值超过锌、铝和镁等合金3. 铜合金在大气及海水中都有良好的抗蚀性能，且具有小的摩擦系数，耐磨性也很好，疲劳极限和导热性都很高，线膨胀系数也较小，故多用于制造耐磨、导热或受热时希望尺寸增大不多的零件4. 铜合金的导电性能也很好，并且具有抗磁性能，常用来制造不允许受磁场干扰的仪器上的零件5. 由于熔点较低，凝固范围不太

48、宽，并且在低于凝固点的温度下，具有足够高的强度，能经受住凝固过程中所遇到的应力，所以，压铸用的铜合金主要是含锌量（或锌当量）为35%以上的黄铜6. 压铸铜合金时，压铸温度接近或高于1000，工作条件极为恶劣，压铸模使用寿命短。如何提高铜合金压铸模使用寿命，是铜合金压铸件应用的关键问题。要提高铜合金压铸模使用寿命，就必须大力发展和选用压铸模新钢种并采用新技术 压铸工艺及模具设计 表3-3压铸铝合金化学成分（摘自GB/T151151994）合金牌号合金代号主要元素w/ %杂质元素w/ %()SiCuMnMgAlFeCuMnMgZnPbSn总和YZAlSi12YL10210.013.0其余1.20.

49、60.60.050.32.3YZAlSi10MgYL1048.010.50.20.50.170.301.00.30.30.050.011.5YZAlSi12Cu2Mg1YL10811.03.01.02.00.30.90.41.01.01.00.050.012.0YZAlSi9Cu4YL1127.59.53.04.01.20.50.31.20.10.12.0YZAlSi11Cu3YL1139.612.01.53.51.20.50.31.00.10.12.0YZAlSi17Cu5MgYL11716.018.04.05.00.450.651.20.51.22.0YZAlMg5Si1YL3030.81

50、.30.10.44.55.51.20.11.21.4压铸工艺及模具设计表3-4 压铸铝合金力学性能及应用范围（摘自GB/T151151994）合金代号力学性能（）应用范围抗拉强度b / MPa伸长率/ % (L0=50)硬度HBS (5/250/30)YL102220260各种薄壁铸件YL104220270大中型铸件YL108240190各种铸件YL112240185大中型铸件YL113230180大中型铸件YL1172201大中型铸件YL303220270薄壁铸件及在高强度下工作的铸件压铸工艺及模具设计表3-5 压铸锌合金化学成分（摘自GB/T138181992）合金牌号 合金代号 主要元素

51、w/ % 杂质元素w/ %() Al Cu Mg Zn Fe Pb Sn Cd Cu ZZnAl4Y YX040 3.54.3 0.020.06 其余 0.1 0.005 0.003 0.004 0.25 ZZnAl4Cu1Y YX041 3.54.3 0.751.25 0.030.08 0.1 0.005 0.003 0.004 ZZnAl4Cu3Y YX043 3.54.3 2.53.0 0.020.06 0.1 0.005 0.003 0.004 表3-6压铸锌合金力学性能和应用范围（摘自GB/ T138181992）合金代号 力学性能（） 抗拉强度b / MPa 伸长率/ % (L0=

52、50) 硬度HBS (5/250/30) 冲击吸收功 Ak / J 应用范围 YX040 250 180 35尺寸稳定性好，用于高强度压铸件 YX041 270 2 90 39中强度合金，用于各种压铸件 YX043 320 2 9542高强度合金，用于各种镀铬压铸件 压铸工艺及模具设计表3-7 压铸镁合金合金化学成分（摘自JB30701982）合金牌号 合金代号 主要元素w/ % 杂质元素w/ %() Al Zn Mn Mg Fe Cu Si Ni 总和 YZMgAl9Zn YM5 7.59.0 0.20.8 0.150.5 其余 0.08 0.1 0.25 0.01 0.5 世界各国大多采用

53、高纯镁合金，以提高耐蚀性能。质量分数一般为：Fe0.004%、Ni0.001%、Cu251001005005000.51.01.52.01.51.82.22.50.81.21.82.52.02.53.04.00.81.21.82.522.534.00.81.52.02.51.52.02.53.0压铸工艺及模具设计 肋的作用除了增加刚性和强度外，还能使金属流动畅通，消除由于金属过分集中而引起的缩孔、气孔与裂纹等缺陷。肋的厚度一般不应当超过与其相连的壁的厚度，可取设肋处壁厚2/33/4。当铸件壁厚小于2mm时，容易在肋处蹩气，故不宜设肋。如必须设肋，则可使肋与壁相连处加厚。 2. 铸孔的设计 能较

54、好地铸出较深小孔是压铸工艺的一个特点。对精度要求不很高的孔，可以不再进行机械加工就能直接使用，从而节省了金属和机械加工工时。压铸件的孔一般是指构成局部部位的孔（例如穿越壁厚而存在的孔）而言，其中又以装配连接用的圆形孔较多。 零件上压铸出的孔的直径及其深度有一定的关系，较小的孔只能压铸较浅的深度。一般孔径不小于2.0mm，孔深不大于孔径的48倍，孔间距在110mm以上。设计铸孔时可参考表3-15确定。压铸工艺及模具设计表3-15铸孔最小孔径以及孔径与孔深的关系合金种类最小孔径d/mm深度为孔径d的倍数经济上合理技术上可能的不通孔通孔d5d5d5锌合金铝合金镁合金铜合金1.52.52.04.00.

55、82.01.52.56 d4 d5 d3 d4 d3 d4 d2 d12 d8 d10 d5 d8 d6 d8 d3 d 凡是小于表内数值的小孔，一般不宜直接进行压铸，可用机械加工方法加工。 压铸工艺及模具设计 3. 铸造圆角和脱模斜度的设计 在压铸件壁与壁的连接处，不论是直角，还是锐角或钝角，都应设计成圆角。只有当预计选定为分型面的部位上才不采用圆角连接，而是必须为尖角。采用圆角，不仅有利于金属流动，便于成型，减少涡流，而且可以防止在尖角处产生应力集中，有利于保证铸件质量。对模具来说，可以消除尖角处的应力集中而延长寿命。不同连接形式铸造圆角半径的设计计算见表3-16。 压铸工艺及模具设计表3

56、-16铸造圆角半径的计算 两相连壁的厚度图例圆角半径说明相等壁厚r最小=Khr最大=hR=r+h对锌合金铸件K=1/4，铝、镁、铜合金铸件K=1/2不同壁厚r(h+h1)/3R=r+(h+h1)/2压铸工艺及模具设计 为便于压铸件脱出模具的型腔和型芯，防止表面划伤，延长模具寿命，压铸件应有合理的脱模斜度。脱模斜度大小取决于压铸件的壁厚和合金种类。压铸件的壁厚越厚，合金对型芯的包紧力也越大，脱模斜度就越大。合金的收缩率越大，熔点越高，脱模斜度也越大。此外，压铸件内表面或孔比外表面的脱模斜度要大。在允许的范围内，宜采用较大的脱模斜度，以减小所需要的推出力或抽芯力。确定脱模斜度时可参考表3-17。表

57、3-17脱模斜度合金配合面的最小脱模斜度非配合面的最小脱模斜度外表面内表面外表面内表面锌合金铝、镁金铜合金10153015304515301451130压铸工艺及模具设计 4. 螺纹、齿轮、槽隙和铆钉头的设计 在一定的条件下，锌、铝、镁合金的铸件可以直接压铸出螺纹。压铸螺纹耐磨、耐压，故其尺寸精度、形状的完整性及表面光洁方面虽然比机械加工稍差，但对一般用途的螺纹来说并无太大影响，因而被常常采用。对于熔点高的合金（如铜合金），则因其对模具的螺纹型腔和型芯的热损坏十分剧烈，螺牙峰谷热裂、崩损过早，故一般不压铸出螺纹。 对于内螺纹的压铸，由于铸件的收缩，在旋出螺纹型芯时，螺纹牙形上表面摩擦面过多，旋

58、出十分困难，为了减少摩擦面，螺纹型芯只宜较短些，并且在轴向方向上还要带有一定的斜度，从而又使螺纹的工作长度减少。此外，在压铸生产上，还因压铸内螺纹时，旋出螺纹型芯是在高温条件下进行的，操作极为不便。鉴于这些问题的存在，压铸内螺纹只是在十分必要的情况下才加以采用。 压铸工艺及模具设计 外螺纹的压铸常采用两种方式。其一是由可分开的两半螺纹型腔构成，是最常见且较经济的压铸方式。这种外螺纹常出现轴向错扣或圆度不够，精度稍微降低，但可通过机加工修整。故该方式需考虑留有0.20.3mm的加工余量。其二是采用螺纹型环来压铸。这种螺纹不会产生错扣和圆度不够的问题，但压铸生产时，操作工序增加，工作条件（高温）很

59、差，效率也很低。可压铸的螺纹尺寸见表3-18。 表3-18可压铸的螺纹尺寸 合金最小螺距最小螺纹外径最大螺纹长度（螺距的倍数）外螺纹内螺纹外螺纹内螺纹锌合金铝合金镁合金铜合金0.751.01.01.56106121020148666544压铸工艺及模具设计 压铸齿轮的最小模数可按表3-19选取，其脱模斜度按表3-17中内表面值选取。对要求高的齿轮，齿面应留有0.20.3mm的加工余量。表3-19压铸齿轮的最小模数 压铸合金类型锌合金铝、镁合金铜合金最小模数m0.30.51.5 槽宽、槽深原则上可参考铸孔，但不能太大。其尺寸见表3-20。表3-20槽隙尺寸 压铸合金类型锌合金铝合金镁合金铜合金最

60、小宽度b最大深度H厚度h0.812121.210101.012121.5108压铸工艺及模具设计 压铸件与其它零件铆接时，其铆钉头可在压铸时与铸件同时铸出。压铸铆钉头的尺寸见表3-21。表3-21 铆钉头尺寸 尺寸合金铝合金锌、锡合金最小直径d外圆角半径R内圆角半径r最大高度h最小脱模斜度1.50.250.36d11.00.20.28d15压铸工艺及模具设计 5. 凸纹、网纹、文字、标志和图案的设计 在压铸件上可以压铸出各种凸纹、网纹、文字、标志和图案。通常压铸的网纹、文字、标志和图案都是凸体的，因为模具上加工凹形的网纹、文字、标志和图案比较方便。铸件上的凸纹、网纹、文字、标志和图案均应避免尖