《金属压铸工艺与模具设计》第1章：概述.ppt

第1章 概 述,（时间：1次课，2学时）,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,1.2.1 压铸原理 1.2.2 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，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，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,1.2.2 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,1.3.1 压铸工艺特点 1.3.2 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。,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、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。,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？,Q&A?Thanks!,