压铸件结构设计及压铸工艺

第四章压铸件结构设计及压铸工艺§1.压铸件结构设计一、压铸工艺对压铸件结构的要求压铸件结构设计的工艺性能是一个十分重要的因素，其结构的合理性和工艺适应性决定了后序工作能否顺利进行。如分型面的选择，浇道的设计，推出机构的布置，收缩规律的掌握、精度的保证，缺陷的种类等都与压铸件本身的压铸工艺性的优劣相关。压铸件的结构设计直接影响压铸模的结构设计和制造的难易程度、生产率和模具的使用寿命等。（一）从简化模具结构、延长模具使用寿命考虑铸件的分型面上应尽量避免圆角；如图4-1a中的圆角不仅增加了模具的加工难度,而且使圆角处的模具强度和寿命有所下降。若动模与定模稍有错位,压铸圆角部分易形成台阶,影响外观（一）从简化模具结构、延长模具使用寿命考虑铸件的分型面上应尽量避免圆角；如果将结构改为如图4-1b所示的结构,则分型面平整,加工简便,避免了上述缺点。（一）从简化模具结构、延长模具使用寿命考虑避免模具局部过薄；如下图a所示的压铸件,因孔边离凸缘距离过小,易使模具镶块在a处断裂。若将压铸件改为如下图b所示的a≥3mm的结构,则使镶快具有足够的强度,延长了模具的使用寿命。（一）从简化模具结构、延长模具使用寿命考虑避免压铸件上互相交叉的不通孔；交叉的盲孔必须使用公差配合较高的互相交叉的型芯（如图4-3a）,这既增加了模具的加工的量,又要求严格控制抽芯的次序。一旦金属液窜入型芯交叉的间隙中,便会使抽芯发生困难。若将交叉的盲孔改为图中b所示的结构,即可避免型芯的交叉,消除了上述的缺点。（一）从简化模具结构、延长模具使用寿命考虑避免压铸件上互相交叉的不通孔；1)又如下图所示,左图为抽芯C的型芯与型芯G交叉,右图将型芯G分为相对的两部分,在抽芯C的轴线处结合,避免了型芯交叉。避免压铸件上互相交叉的不通孔2)抽、拔的型芯C1和C2交叉,可将C2半圆部分改由C1构成,避免C1插到C2内,零件左端的端部形状亦做相应更新（见下图b)。避免压铸件上互相交叉的不通孔3)将型芯B分为两部分,从两侧抽出（见下图c)。（一）从简化模具结构、延长模具使用寿命考虑避免内侧凹针对要求采取的措施有:

1)外形不加大，内部形状凸出至底部（见下图a)。

2)局部加厚,内形加至底部,外形加至分型面处,从而消除侧凹（见下图b)。3)原凸台形状不改变,在零件底部开出通孔,模型成型镶件可以从通孔处插入形成台阶（见下图c)。4)外形适当加大,保护内部尺寸和形状（见图d)。5)内部形状改成便于脱型,外部加凹窝,使壁厚趋于均匀（见下图e)。避免内侧凹下图a所示的压铸件内法兰和轴承孔改为内侧凹,抽芯困难,或需设置复杂的抽芯机构,或需设置可溶型芯,这既增加了模具的加工量,有降低了生产率。若将压铸件改为图b所示结构,既可简化模具,又克服了图a所示压铸件带来的缺点。（二）改进模具结构,减少抽芯部位减少不与分型面垂直的抽芯部位，可以降低模具的复杂程度，容易保证压铸件的精度。避免或减少抽芯部位主要注意以下两个问题:1)当斜度较小时，侧孔采用抽芯的方法。当斜度加大后，侧孔端与能够在动型与定型的形成部分构成，侧孔便可以不用抽芯方法也能压铸出。（二）改进模具结构,减少抽芯部位2)对非配合的孔,为了避免采用抽芯C的方法(见右图),可采用底部通槽,侧面增加幅板B连接成构架形。（二）改进模具结构,减少抽芯部位下图中a所示压铸件,中心方孔深度深,抽芯距离长,需设专用抽芯机构,模具复杂；加上悬臂式型芯伸入型腔,易变形,难以控制侧壁壁厚均匀。而采用下图中b所示的H形断面结构就不需抽芯,简化了模具结构。（三）方便压铸件脱模和抽芯下图中a所示压铸件,因K处的的型芯受凸台阻碍,无法抽芯。若将压铸件的形状作一定的修改,变为下图中b所示的结构,K处的的型芯即可顺利抽出。二、压铸件基本结构的设计1.壁厚压铸件设计的特点之一是壁厚设计。◆厚壁:厚壁会使压铸件的力学性能明显下降，下图表示出锌合金、铝合金、镁合金的强度增减百分比与铸件壁厚的关系。二、压铸件基本结构的设计压铸件随壁厚的增加,其内部气孔、缩孔等缺陷增加,故在保证铸件有足够强度和刚度的前提下,应尽量减小厚度并保持截面的厚薄均匀一致。为了避免缩松等缺陷,对铸件的厚壁处应减厚,增加加强筋。二、压铸件基本结构的设计◆薄壁:薄壁铸件致密性好，相对提高了铸件强度及耐压性。但壁不能太薄，太薄使合金熔接不好，易产生缺陷，并给工艺带来困难。还会会发生填充不良，成形困难。不同壁厚的铝合金压铸件的密度和强度见下表。二、压铸件基本结构的设计压铸件壁的厚度(壁厚)，是压铸工艺中一个具有特殊意义的因素。壁厚与整个工艺规范有着密切关系，如:填充时间的计算、内浇口速度的选择、凝固时间的计算、模型温度梯度的分析、压力(最终比压)的作用、留型时间的长短、铸件顶出温度的高低及操作效率。压铸件壁厚的极限范围:压铸件壁厚的极限范围很难加以限制。通常可按铸件各个壁厚表面积的总和来选择适宜的壁厚。在零件的工艺性能好以及压铸生产中又具备良好的工艺条件时，还可以压铸出更薄的壁。这时，锌合金铸件最小壁厚度为0.5mm，铝合金铸件最小厚度为0.7mm，镁合金铸件最小厚度为0.8mm，铜合金铸件最小厚度为1mm。二、压铸件基本结构的设计1.壁厚及肋二、压铸件基本结构的设计对于大面积的平板类厚壁铸件,设置筋以减少壁厚。下图为设置筋以减少壁厚的示例。改进铸件上壁过厚的部位的示例肋的作用是:壁厚改薄后，用以提高零件的强度和刚性，防止或减少铸件收缩变形，避免工件从模型内顶出时发生变形，填充时用以作辅助回路(金属流动的通路)。肋的厚度应小于所在壁的厚度，一般取该处壁的厚度的2/3～3/4。肋的设置原则:下图为利用肋改变壁厚的示例:二、压铸件基本结构的设计2.铸造圆角压铸零件上壁面与壁面连接处，不论是直角、还是锐角或钝角，都应设计成圆角。作用:有利于金属液流动和压铸件的成型，避免压铸件产生应力集中和裂纹，延长模具的寿命。s1/s2≤2时:R=(0.2~0.25)(S1+S2).s1/s2>2时:作用:有利于金属液流动和压铸件的成型，避免压铸件产生应力集中和裂纹，延长模具的寿命。L≥4(s1-s2).两壁连接时的圆角当s1=s2时:Ra=2s,Rf=s.当s1≠s2时:Ra=0~(Rf+s2),Rf=0.6(s1+s2).两壁连接时的圆角两壁连接时的圆角3.脱模斜度（铸造斜度）作用:减少铸件与模型的摩擦，容易取出铸件；保证铸件表面不被拉伤；延长模型使用寿命。压铸件上各部分所需要的斜度值是不相同的，应按金属收缩的方向来确定。当金属的收缩受到的阻力大时，斜度应大些，反之则取小些。一般规定:脱模深度浅的大于深的；高熔点合金大于低熔点合金；形状复杂的大于形状简单的；厚壁大于薄壁；内侧大于外侧。压铸件的脱模斜度见表4-3。4.压铸孔、槽设计压铸工艺的特点之一,是能直接铸出比较深的小孔。零件设计时,压铸出的孔的直径不应过小,并且还应考虑孔径与其深度符合一个适宜的比例关系,同时,孔的斜度也应稍大些。小孔直径、孔径与深度的关系见下表。由于孔距大小、孔所在壁的壁厚以及型芯成形根部的圆角(或斜角)都对型芯的受力有很大的影响,所以,孔距愈大,孔所在的壁的厚度愈厚,型芯成形根部的圆角愈小,孔的深度亦应愈浅。这一点,对于厚壁铸件和大的铸件更应注意。4.压铸孔、槽设计5.肋（加强筋）作用:在薄壁的情况下，提高压铸件的强度和刚度，防止变形和裂纹；填充时作为金属液流动的辅助通道。肋的厚度应均匀,且布置要对称；肋的交接形式尽量不要采用交叉形式。肋的厚度应小于所在壁的厚度,一般取该处壁的厚度的2/3～3/4。肋的设置原则:下图为利用肋改变壁厚的示例:6.压铸齿与螺纹铜合金只能压铸外螺纹和螺纹的预制孔,其他合金均可压铸出内、外螺纹。压铸的螺纹也不应过长。压铸的螺纹与机加工的相比,其表层的耐磨性和耐压性较好,但尺寸精度、形状的完整性、表面粗糙度等要差些。7.凸纹、凸台、文字和图案压铸件上一般将这些结构单元做成凸体的形式。主要原因是在模具上加工凹体比较方便。这些单元应避免尖角,图形和笔划尽量简单。8.压铸镶嵌件压铸时可以将金属或非金属制件铸入压铸零件上,从而使压铸件的某—部位能够具有持殊的性质或用途。●铸入的嵌件形状很多,一般为螺杆、螺母、轴、套、管状、片状制件等。●镶嵌件材料多为铜、钢、纯铁和非金属材料。也有用性能高于铸件本体金属的,或者用具有特殊性质(如耐磨、导电、导磁、绝缘等)的材料。8.压铸嵌件镶铸件的作用有如下几个方面：1、加强压铸件某些部位的强度、耐磨性、导电性、成绝缘性等。如：铝中铸人钢件提高强度，铸入蓝宝石提高耐磨性，铸入绝缘材料降低成本及提高绝缘性，铸入铁心赋予导磁性等；2、清除压铸件过于复杂的型腔以及内侧凹形无法压铸的型腔；3、消除热节，避免疏松；4、利用低熔点金属压铸代替贵金属，如用高硅铝代替青铜；5.可将许多小铸件合铸起来代替部分装配。在设计的零件有铸入镶件时，应符合下列要求:1)铸件铸入后，被基体金属所包紧，不应松动；2)件周围的铸件基体金属不应小于1.5mm，大铸件上应增厚；3)镶件与铸件金属基体之间不应产生电化腐蚀，这时，镶件的表面可加保护层；4)镶件上被包围的部分不应有清角、棱边，以免铸件开裂；5)有镶件的铸件应避免热处理，以免两种金属相变的不同而产生体积变化的不同，导致镶件在铸件内松动；6)镶件应能满足放入模型内的定位要求和各种公差配合的要求；7)镶件的形状和在铸件上所处的位置应使压铸生产时放置方便。三、压铸件的精度、表面粗糙度及加工余量（一）压铸件的精度、表面粗糙度及加工余量

压铸件的尺寸精度压铸件的尺寸精度较高，基本上由压铸模的制造精度而定。1.长度尺寸压铸件线性尺寸公差及选用见表4-5。尺寸公差带的位置如下：1、不加工的配合尺寸，孔取正（+），轴取负（-）。2、待加工的尺寸，孔取负（-），轴取正（+）；或孔与轴取双向偏差（±），但其偏差值为CT6级公差的1/2。3.非配合尺寸，根据铸件结构而定。

合金公差等级CT锌合金

4~6铝（镁）合金

5~7铜合金6~8表4-5压铸件基本公差等级计算时,按上表规定在基本尺寸公差上再加附加公差。附加公差是增量还是减量,取决于压铸件线性尺寸本身受上述两种因素影响的变化而定。2.壁厚、肋厚、法兰或凸缘厚度等尺寸。壁厚、肋厚、法兰或凸缘厚度等尺寸公差按表4-7选取。3.圆角半径尺寸圆角半径尺寸公差按表4-8选取

4.锥度尺寸自由角度和自由锥度尺寸公差按表4-9选取。锥度公差按锥体母线长度决定,角度公差按角度短边长度决定。5.孔中心距尺寸孔中心距尺寸公差按表4-10选取。若受模具分型面和活动部分影响,在基本尺寸公差上也应加附加公差。（二）表面形状和位置公差对于压铸件来说，变形是一个不可忽视的问题，其公差值应控制在一定的范围内，整形前后的平面度和直线度公差，平行度、垂直度和倾斜度公差，同轴度和对称度公差分别按表4-11.表4-12和表4-13选取。（三）表面粗糙度在填充条件良好的情况下,压铸件表面粗糙度一般比模具成型表面的粗糙度低两级。如果是新模具压铸件上可衡量的表面粗糙度应达到相当于国标GB131-89的Ra2.5~6.3mm,也可能达Ra0.32mm。随着模具使用次数的增加,通常压铸件的表面粗糙度值会逐渐变大。（四）加工余量压铸件能达到较高的精度，故多数的表面和部件都不必进行机械加工，便可直接装配使用。同时还有以下两个原因也不希望对压铸件进行机械加工:1)压铸件表层坚实耐磨，加工会失去这层好的表皮；2)压铸件有时有内部气孔存在，分散而细小的气孔通常是不影响使用的，但机械加工后却成为外露气孔，反而可能影响使用。（四）加工余量但，在下述情况下，压铸件在对于部分的表面需要进行机械加工。即:1)去除铸造斜度；2)达到更高精度的尺寸部位(包括需要保证而尚未达到的形位公差)；3)铸件上未压出的一些形状；4)去除浇口，排溢系统或因工艺需要而增加的多余部分；5)模型的成型零件因磨损或掉块，造成铸件的表面或形状不符合要求。（四）加工余量机械加工余量见表4-14。机械加工余量一般为0.3mm～0.5mm。壁厚超过5mm的大型铸件的加工余量,不应超过0.8mm～lmm。§2.压铸工艺参数的选择压铸工艺是将压铸生产的三要素,即压铸合金、压铸模和压铸机进行有机组合和运用的过程。主要是对压力、速度、温度、时间及涂料等进行合理的选择和控制。一、压铸压力压铸压力是由泵提供的,通过油液传递给压射活塞,再经压射冲头作用在压室内的金属液上。压射液压缸压射冲头压室金属液模具型腔这个压力是获得组织致密和轮廓清晰的压铸件的重要因素。一、压铸压力的选择二、压铸速度的选择充填速度选择过小会使铸件的轮廓不清，甚至不能成形；充填速度过大，会引起铸件粘模并使铸件内部的气孔率增加，使其力学性能下降。充填速度选择的一般原则:对于厚壁或内部质量要求较高的铸件，应选择较低的充填速度和高的增压比压；对于薄壁或表面质量要求较高的铸件，应选择较高的比压和高的充填速度；合金的浇注温度较低、合金和模具材料的导热性能好、内浇道厚度较大时，要选择较高的充填速度。常用的充填速度见表4-16三、温度参数的选择（一）浇注温度是指从压室进入型腔时金属液的平均温度。一般用保温炉内的温度表示。浇注温度过高,合金收缩大,铸件易产生裂纹,铸件的晶粒粗大,还能造成脆性；浇注温度过低,易产生冷隔、表面出现流纹和浇不足等缺陷。在压力较高时,应降低浇注温度。各种压铸合金的浇注温度见表4-17。（二）压铸模的温度压铸模在使用前要预热到一定的温度。作用:避免高温金属液对冷压铸模的“热冲击”，以延长模具的使用寿命；避免金属液在模具中因激冷而很快失去流动性，使铸件不能顺利充型，造成浇不足、冷隔、“冰冻”等缺陷。预热的方法:煤气喷烧、喷灯、电热器或感应加热。压铸模具的温度过高时，应采取冷却措施。通常用压缩空气、水或其他液体进行冷却。压铸模的工作温度可按下式计算或根据表4-18查得:t型＝1/3t浇±Δt（三）模具的热平衡为保证压铸生产的连续进行,在每一个压铸循环中,金属液传递给模具的热量、模具自然散热以及通过冷却系统传走的热量应保持平衡。模具热平衡的关系式:

四、充填、持压和开模时间（一）充填时间自金属液开始进入型腔起到充满型腔为止，所需要的时间－－－充填时间。充填时间的长短取决于铸件的体积、壁厚的大小及铸件形状的复杂程度:对于大而简单的铸件，充填时间要相对长些；对于复杂和薄壁的铸件，其充填时间要短些。表4-19（二）持压时间和铸件在型中的停留时间持压时间-----从金属液充填型腔到内浇道完全凝固时，继续在压射冲头作用下的持续时间。作用:使压力传递给未凝固的金属，保证铸件在压力下结晶，以获得致密的组织。持压时间的长短取决于铸件的材质和壁厚；对熔点高、结晶范围大和厚壁的铸件，持压时间要长些。若持压时间不足，则易造成铸件疏松；对结晶范围小而壁薄的铸件，其持压时间短些。表4-20。（二）持压时间和铸件在型中的停留时间停留时间----从压射终了到压铸模打开的时间。（三）压室充满度压室充满度----指浇入压室的金属液量占压室容量的百分数。压室充满度一般以70%~80%为宜。充满度过小,则增加压室内的空气量,金属液包卷气体严重,使压铸件的气孔增加,还会使金属液激冷,模具的热平衡难于控制。压室充满度的计算公式为:§3.压铸用涂料一、压铸涂料的作用:高温时保持良好的润滑性能；减少模具的热导率，保持熔融金属的流动性；保护模具；预防粘模；减少铸件与模具成形部分（尤其是型芯）之间的摩擦。§3.压铸用涂料二、对涂料的要求:在高温状态下具有良好的润滑性；挥发性低，不增加型内气体；对模具及铸件无腐蚀作用；性能稳定，在空气中稀释剂挥发慢，存放期长；高温时不会析出有害气体，不会在型腔表面产生积垢；配制工艺简单，材料来源丰富，价廉。§3.压铸用涂料三、压铸涂料的使用1、注意用量，不论是涂刷还是喷涂应避免涂料的厚薄不均匀或者太厚。2、喷涂时模具温度控制在180~200℃。3.喷涂或涂刷后，应待涂料中的稀释剂挥发后才能合模浇注。压铸用涂料及配制方法见表4-22。§4.压铸件的清理、浸渗、后处理和表面处理一、压铸件的清理包括去除浇口、排气槽、溢流槽、飞边、毛刺和修整等。二、压铸件浸渗处理压铸件内部缺陷如气孔、针孔或疏松等,可压入密封剂（浸渗剂）使其具有耐压性（气密性、防水性）,这种方法称为浸渗处理。§4.压铸件的清理、浸渗、后处理和表面处理三、压铸件的后处理和表面处理后处理:压铸件的后处理，主要是指时效退火和负温度处理，目的是消除内应力，稳定压铸件的尺寸，提高其力学性能。压铸件的表面处理，提高其耐蚀性和美观。表面处理锌合金压铸件的表面处理主要是指①铬酸盐钝化处理、镀铬、镀锌；②经磷酸盐和铬酸盐液处理后涂漆；③喷涂环氧树脂封涂层；④喷涂金属膜以模拟出铜、银、黄铜和金的外观，或采用阳极处理。铝合金压铸件表面的氧化膜有耐蚀作用，一般不用表面处理。镁合金压铸件很少在铸态下使用，至少应对其进行形成防蚀性保护膜后才可使用。§5.半固态压铸半固态压铸是一种新工艺。在金属凝固过程中施加强烈搅拌,可使普通铸造成形时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而成为分散的颗粒悬浮在剩余液相中,这种制备的合金称为非枝晶半固态合金。§5.半固态压铸一、半固态压铸的特点:浇注温度低，可提高模具寿命铸件不易出现疏松、缩孔，铸件质量高；充模性能好，可改善铸件的表面质量；可精确计量压射金属的质量，取消通常需要的保温炉，改善工作环境，提高生产率。§5.半固态压铸二、半固态合金的制备方法:1.机械搅拌法2.电磁搅拌法3.应变激活法半固态成形的方法有:1.流变成形；2.触变成形§5.半固态压铸三、半固态压铸成形方法1.流变压铸----将金属液从液相到固相的过程中进行强烈搅拌,在一定固相率下直接将所得到的半固态金属浆料压铸成形的方法。因直接获得的半固态金属浆料的保存和输送很不方便,故实际上应用很少。2.触变压铸将制取的半固态金属浆料凝固成铸锭,再按需要将其切割成一定大小,并使其重新加热（坯料的二次加热）至金属的半固态区,这时的金属铸锭称为半固态合金坯料。利用半固态坯料进行压铸成形的方法,就称为触变压铸。

1.流变成形利用半固态金属制备器,批量制备或连续制备糊状浆料,然后直接进行铸造、挤压、轧制、模锻等成型的方法。2.触变成形利用半固态金属制备器制成半固态浆料,冷却后得到铸锭。再分割铸锭并加热到半固态温度进行成型的方法。§5.半固态压铸四、半固态压铸的应用触变成形法（又称为金属半熔融注射成形法）,是1977年美国Battette研究所与DowChemical公司首先开始研究开发的,1990年进入商业实用阶段。该装置与塑料注射成形机十分相似。四、半固态压铸的应用工作过程:当装入料斗的米粒（2~6mm）镁合金原料流出后由旋转的螺杆推向前方的同时，被急速加热至半熔融糊状（固相率>60%），然后高速注射装置启动，由螺杆前端将停留在储存室内定量的糊状金属经喷嘴压入金属型中，从而获得成形制品。北京高镁科技有限公司也生产“新型镁合金半固态射注成型机