《模具概论》第一节 压铸成型工艺及模具结构

第四章其他模具第一节压铸成型工艺及模具结构中国古代辉煌铸造史我国早在三千多年以前就用泥范(泥型)来浇注各种铸件，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6.1M，长5.5M，重达50T。明朝永乐年间铸造的永乐青铜大钟重达40从70年代开始，随着电子技术和计算机技术等现代科技的发展，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，标志着压铸成型生产开始从经验操作转变到科学控制新阶段，从而使压铸件的质量、自动化程度及劳动生产率都得到极大的提高。一、压铸成型工艺(一)压铸概述1.压铸成型定义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。2.压铸设备压铸过程是由压铸机来实现的，如图4-1所示。压铸机分热压室压铸机和冷压室压铸机两大类。图4-1压铸机（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4-2（a）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,如图4-2（b）所示。图4-2(a)热压室压铸机1-动模2-定模3-喷嘴4-坩埚5-压室6-压射冲头7-进口8-金属液图4-2(b)热压室压铸机压铸原理图（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，如图4-3（a）所示。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。其压铸过程分别为立式冷压室压铸机，如图4-3（b1）所示；卧式冷压室压铸机，如图4-3（b2）所示；全立式冷压室压铸机，如图4-3（b3）所示。图4-3（a）冷压室压铸机（a）合模加料（b）压铸（c）推出余料（d）开模1-型腔2-直浇道3-压射冲头4-金属液5-压射缸6-反料冲头7-余料8-动模9-压铸件10-定模图4-3（b1）立式冷压室压铸机压铸原理图（a）合模（b）压铸（c）开模1-型腔2-加料口3-压室4-压射冲头5-定模6-压铸件7-动模8-金属液图4-3（b2）卧式冷压室压铸机压铸原理图(a)上压式(b)下压式1-压射冲头2-金属液3-型腔图4-3（b3）全立式冷压室压铸机压铸原理图3.压铸工艺特点及其应用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）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600～700次，热压室压铸机每八小时可压铸3000～7000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IT11～IT13级，有时可达IT9级。表面粗糙度值一般为Ra0.8～3.2，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0.3～0.8mm)，该层的金属晶粒细小，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0.3mm，铝合金约为0.5mm。最小铸出孔径为0.7mm，可铸螺纹的最小螺距为0.75mm。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。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。（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、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。4.典型压铸产品应用如图4-4典型压铸产品所示(1)圆盖、圆盘类——表盖、机盖、底盘等。(2)圆环类——接插件、轴承保持器、方向盘等。(3)筒体类——凸缘外套、导管、壳体形状的罩壳、仪表盖、上盖、深腔仪表罩、照相机壳与盖、化油器等。(4)多孔缸体、壳体类——气缸体、气缸盖及油泵体等多腔的复杂壳体。(5)特殊形状类——叶轮、喇叭、字体由筋条组成的装饰性压铸件等。图4-4典型压铸产品5.压铸合金材料及特点压铸合金、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。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。（1）锌合金压铸特点及性能1）优良的压铸特性。锌合金具有良好的压铸性能，容易压铸形状复杂，薄壁，尺寸精度高的产品。2）良好的机械和加工性能。锌合金有较高的抗拉强度，屈服强度，冲击韧性和硬度，较好的伸长率。锌合金压铸件表面非常光滑，比较容易做各种表面处理。3）高效的生产。采用热室压铸机生产，生产效率高，压铸时金属液温度在420度左右，可实现全自动生产，产品生产成本底。4）产品应用。结构用途：如汽车化油器、锁具、齿轮、框架；作为结构零件：要求对机械强度、尺寸精度、铸件内部质量等要求高。装饰用途：如日用品、玩具、装饰品、灯饰、手表外壳、手机外壳、金属扣、卫浴配件等。对压铸件表面质量要求比较高、要求表面光洁、造型美观。（2）铝合金压铸特点及性能1）铝是很轻的金属，可以用来制造各种要求减轻质量的零部件，如汽车、航空、航天零件。2）有良好的导电导热性能。3）抗氧化腐蚀性能好。在空气中，铝的表面容易生成一层致密的三氧化二硫氧化膜，能阻止进一步被氧化。但铝在碱性介质和盐水中是不耐腐蚀的。4）铝具有高强度和良好的塑性，可以加工成各形状。5）产品应用。汽车、摩托车配件领域。重量轻、导热性能好、高强度、良好的塑性；汽车发动机缸体、缸盖、化油器壳体、齿轮泵、汽车底盘、刹车踏板等；电钻外壳、电机转子、保护罩；电子，电器配件：手机外壳，电脑外壳电视接线盒等。（二）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。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。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。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。压铸的温度规范主要是指合金的浇注温度和模具温度。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。5.压室充满度浇入压室的金属液量占压室总容量的程度称为压室的充满度，通常以百分率计。压室充满度过小，上部空间过大，金属液包卷气体严重，使铸件气孔增加，还会使合金液在压室内被激冷，对填充不利。故一般充满度应控制在40％～80％范围内，而以75％左右为最适宜。6.压铸用涂料压铸过程中，需要在模具型腔、型芯、冲头和压室等工作表面，以及滑块、推出元件等运动零件的摩擦部位喷涂润滑材料与稀释剂的混合物，此混合物统称为压铸涂料。7.压铸件的整修和处理与其他铸造方法相比，压铸件所需清理工作量虽小，但几乎所有压铸件都还是要进行一定的清理，有些还要进行整形或后处理。二、压铸模具基本结构压铸模是进行压铸生产的主要工艺设备。压铸生产能否顺利进行，压铸件质量有无保证都与压铸模结构的合理性和先进性有关。设计时必须对铸件结构工艺性进行分析，了解所选用的压铸机的工作特性和技术参数，掌握不同情况下金属液的充填特性以及考虑加工制造条件和经济效果。（一）压铸模的基本结构及功能1.压铸模结构组成与压铸过程合模时，动模与定模闭合构成形腔和浇注系统，金属液在高压下通过模具浇注系统充填型腔；开模时，动模与定模分开，压铸机上的顶出机构带动模具上的推出机构将压铸件推出模外，如图4-5所示。1—推板；2—推杆固定板；3—垫块；4—限位挡块；5—拉杆；6—垫片；7—螺母；8—弹簧；9—侧滑块；10—楔紧块；11—斜销；12圆柱销；13—动模镶块；14—侧型芯；15—定模镶块；16—定模座板；17、26、30—内六角螺钉；18—浇口套；19—导柱；20—导套；21—型芯；22—定模套板；23—动模套板；24—支承板；25、28、31—推杆；29—限位钉；32—复位杆；33—推板导套；34—推板导柱；35—动模座板图4-5压铸模结构组成2.典型压铸模结构CAD/CAM，如图4-6所示。侧型芯侧型芯定模套板动模套板垫块定模镶块动模镶块斜销压铸件镶件推板浇口套楔紧块压条支撑块图4-6典型压铸模结构CAD/CAM3.压铸模的基本结构及功能（1）定模：定模与压铸机压射机构连接，并固定在定模安装板上，浇注系统与压室相通，如图4-7所示。123（2）动模：直浇道与压铸机的喷嘴或压室相连接，固定在压铸机的移动模板上，并随移动模板作开合模移动，如1231-定模2-动模3-成型部分图4-7定模动模成型部分（3）成型工作零件：定模镶块和动模镶块合拢后，构成型腔的零件称为成型工作零件。包括固定的和活动的镶块和型芯，如图4-7所示。（4）浇注系统：连接压室与模具型腔，引导金属液进入型腔的通道，如图4-8所示。图4-8浇注系统（5）溢流与排气系统：排除压室、浇道和型腔中的气体的通道，一般包括排气槽和溢流槽，一般开设在成型工作零件上，如图4-9所示。图4-9溢流与排气系统（6）推出机构:是将压铸件从模具中推出的机构，如图4-10所示。图4-10推出机构（7）侧抽芯机构:是抽动与开合模方向运动不一致的成形零件的机构在压铸件推出前完成抽芯动作，如图4-11所示。图4-11侧抽芯机构（8）导向零件:是引导定模和动模在开模与合模时可靠地按照一定方向进行运动的零件，如图4-11所示。图4-11导向零件（9）支承部分:是模具各部分按一定的规律和位置组合和固定后，安装到压铸机上的零件，如图4-12所示。图4-12支承部分（10）其他:除前述各部分零件外，模具内还有其他紧固件、定位件等。4.分型面的选择1.分型面的类型，如图4-13所示。(a)平直分型面（b)倾斜分型面（c)阶梯分型面（d)曲面分型面图4-13分型面的类型2.分型面的选择原则（1）尽可能使压铸机开模后留在动模；（2）分型面应尽量设计在压铸件端面轮廓最大的地方；（3）分型面应尽量设在金属流动方向的末端；（4）分型面的选择应有利于保证压铸件的质量；（5）尽可能选择平直分型面；（6）分型面的选择应保证侧向活动型芯能顺利抽出。（二）压铸模设计应该遵循的原则(1)压铸模所成型的压铸件应符合几何形状、尺寸精度、力学性能和表面质量等技术要求。(2)模具应适应压铸生产的工艺要求。(3)在保证压铸件质量