壓鑄成型工藝論文

壓鑄成型工藝摘要壓力鑄造簡(jiǎn)稱(chēng)壓鑄，是一種將熔融合金液倒入壓室內(nèi)，以高速充填鋼制模具的型腔，并使合金液在壓力下凝固而形成鑄件的鑄造方法。壓力鑄造是目前成型有色金屬鑄件的重要成型工藝方法。壓鑄的工藝特點(diǎn)是鑄件的強(qiáng)度和硬度較高，形狀較為復(fù)雜且鑄件壁較薄，而且生產(chǎn)率極高。壓鑄模具是壓力鑄造生產(chǎn)的關(guān)鍵，壓鑄模具的質(zhì)量決定著壓鑄件的質(zhì)量和精度，而模具設(shè)計(jì)直接影響著壓鑄模具的質(zhì)量和壽命。因此，模具設(shè)計(jì)是模具技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵，也是模具發(fā)展的重要因素。關(guān)鍵詞：壓力鑄造；壓鑄模具（一）壓力鑄造的特點(diǎn)高壓力和高速度是壓鑄中熔融合金充填成型過(guò)程的兩大特點(diǎn)。壓鑄中常用的壓射比壓在幾兆帕至幾十兆帕范圍內(nèi)，有時(shí)甚至高達(dá)500MPa。其充填速度一般在0.5～120m/s范圍內(nèi)，它的充填時(shí)間很短，一般為0.01～0.2s，最短的僅為千分之幾秒。因此，利用這種方法生產(chǎn)的產(chǎn)品有著其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)?？梢缘玫奖”凇⑿螤顝?fù)雜但輪廓清晰的鑄件。其壓鑄出的最小壁厚：鋅合金為0.3mm；鋁合金為0.5mm。鑄出孔最小直徑為0.7mm。鑄出螺紋最小螺距0.75mm。對(duì)于形狀復(fù)雜，難以或不能用切削加工制造的零件，即使產(chǎn)量小，通常也采用壓鑄生產(chǎn)，尤其當(dāng)采用其他鑄造方法或其他金屬成型工藝難以制造時(shí)，采用壓鑄生產(chǎn)最為適宜。鑄件的尺寸精度和表面粗糙度要求很高。鑄件的尺寸精度為IT12～I(xiàn)T11面粗糙度一般為3.2～0.8μm，最低可達(dá)0.4μm。因此，個(gè)別壓鑄件可以不經(jīng)過(guò)機(jī)械加工或僅是個(gè)別部位加工即可使用[1]。壓鑄的主要優(yōu)點(diǎn)是：(1)鑄件的強(qiáng)度和表面硬度較高。由于壓鑄模的激冷作用，又在壓力下結(jié)晶，因此，壓鑄件表面層晶粒極細(xì)，組織致密，所以表面層的硬度和強(qiáng)度都比較高。壓鑄件的抗拉強(qiáng)度一般比砂型鑄件高25%～30%，但收縮率較低。(2)生產(chǎn)率較高。壓力鑄造的生產(chǎn)周期短,一次操作的循環(huán)時(shí)間約5s～3min這種方法適于大批量生產(chǎn)。雖然壓鑄生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)十分突出，但是，它也有一些明顯的缺點(diǎn)：(1)壓鑄件表層常存在氣孔。這是由于液態(tài)合金的充型速度極快，型腔中的氣體很難完全排除，常以氣孔形式存留在鑄件中。因此，一般壓鑄件不能進(jìn)行熱處理，也不宜在高溫條件下工作。這是由于加熱溫度高時(shí)，氣孔內(nèi)的氣體膨脹，導(dǎo)致壓鑄件表面鼓包，影響質(zhì)量與外觀。同樣，也不希望進(jìn)行機(jī)械加工，以免鑄件表面顯露氣孔。(2)壓鑄的合金類(lèi)別和牌號(hào)有所限制。目前只適用于鋅、鋁、鎂、銅等合金的壓鑄。而對(duì)于鋼鐵材料，由于其熔點(diǎn)高，壓鑄模具使用壽命短，故鋼鐵材料的壓鑄很難適用于實(shí)際生產(chǎn)。至于某一種合金類(lèi)別，由于壓鑄時(shí)的激冷產(chǎn)生劇烈收縮，因此也僅限于幾種牌號(hào)的壓鑄。(3)壓鑄的生產(chǎn)準(zhǔn)備費(fèi)用較高。由于壓鑄機(jī)成本高，壓鑄模加工周期長(zhǎng)、成本高，因此壓鑄工藝只適用于大批量生產(chǎn)[2]。壓鑄模具設(shè)計(jì)的意義模具是壓鑄件生產(chǎn)的主要工具，因此在設(shè)計(jì)模具時(shí)應(yīng)盡量注意使模具總體結(jié)構(gòu)及模具零件結(jié)構(gòu)合理，安全可靠，便于制造生產(chǎn)，壓鑄模澆排系統(tǒng)需合理設(shè)計(jì)。模具的加工、裝配要到位，配合需適當(dāng)，壓鑄模具的優(yōu)化也是一個(gè)重要方面。壓鑄模具的優(yōu)良程度很大程度上取決澆注系統(tǒng)以及排溢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。壓鑄生產(chǎn)中，因?yàn)槟＞邼驳佬螤?、澆口與排溢口位置及壓鑄力等控制參數(shù)選擇不合理導(dǎo)致壓鑄件縮孔、冷隔或者氣孔等缺陷的情況常有出現(xiàn)。而對(duì)澆道和排溢口的形狀、大小、位置以及壓鑄機(jī)壓射工藝參數(shù)經(jīng)過(guò)優(yōu)化后可以大大減少這些缺陷[3]。綜上所述，壓鑄模具的合理設(shè)計(jì)對(duì)于生產(chǎn)出高質(zhì)量的鑄件具有重要意義。1.2壓鑄發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及趨勢(shì)1.2.1壓鑄的發(fā)展歷史壓鑄始于19世紀(jì)，其最初被用于壓鑄鉛字。早在1822年，威廉姆·喬奇（WillamChurch）博士曾制造一臺(tái)日產(chǎn)1.2～2萬(wàn)鉛字的鑄造機(jī)，已顯示出這種工藝方法的生產(chǎn)潛力。1849年斯圖吉斯（J.J.Sturgiss）設(shè)計(jì)并制造成第一臺(tái)手動(dòng)活塞式熱室壓鑄機(jī)，并在美國(guó)獲得了專(zhuān)利權(quán)。1885年默根瑟（Mersen-thaler）研究了以前的專(zhuān)利，發(fā)明了印字壓鑄機(jī)，開(kāi)始只用于生產(chǎn)低熔點(diǎn)的鉛、錫合金鑄字，到19世紀(jì)60年代用于鋅合金壓鑄零件生產(chǎn)。壓鑄廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)還只是上世紀(jì)初，用于現(xiàn)金出納機(jī)、留聲機(jī)和自行車(chē)的產(chǎn)品生產(chǎn)。1904年英國(guó)的法蘭克林（H.H.Franklin）公司開(kāi)始用壓鑄方法生產(chǎn)汽車(chē)的連桿軸承，開(kāi)創(chuàng)了壓鑄零件在汽車(chē)工業(yè)中應(yīng)用的先例。1905年多勒（H.H.Doehler）研制成功用于工業(yè)生產(chǎn)的壓鑄機(jī)、壓鑄鋅、錫、銅合金鑄件。隨后瓦格納（Wagner）設(shè)計(jì)了鵝頸式氣壓壓鑄機(jī)，用于生產(chǎn)鋁合金鑄件。這種壓鑄機(jī)是利用壓縮空氣推送鋁合金經(jīng)過(guò)一個(gè)鵝頸式通道壓入模具內(nèi)，但由于密封、鵝頸通道的粘咬等問(wèn)題,這種機(jī)器沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。但這種設(shè)計(jì)是生產(chǎn)鋁合金鑄件的第一次嘗試。20世紀(jì)20年代美國(guó)的Kipp公司制造出機(jī)械化的熱室壓鑄機(jī)，但鋁合金液有浸蝕壓鑄機(jī)上鋼鐵零部件的傾向，鋁合金在熱室壓鑄機(jī)上生產(chǎn)受到限制。1927年捷克工程師約瑟夫·波拉克（JesefPfolak）設(shè)計(jì)了冷壓室壓鑄機(jī)，由于貯存熔融合金的坩鍋與壓射室分離，可顯著地提高壓射力，使之更適合工業(yè)生產(chǎn)的要求，克服了氣壓熱壓室壓鑄機(jī)的不足之處，從而使壓鑄技術(shù)向前邁出重要一步[3]。20世紀(jì)50年代大型壓鑄機(jī)誕生，為壓鑄業(yè)開(kāi)拓了許多新的領(lǐng)域。隨著壓鑄機(jī)、壓鑄工藝、壓鑄型及潤(rùn)滑劑的發(fā)展，壓鑄合金也從鉛合金發(fā)展到鋅、鋁、鎂和銅合金，最后發(fā)展到鐵合金，隨著壓鑄合金熔點(diǎn)的不斷增高而使壓鑄件應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大[4]。（二）我國(guó)壓鑄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展我國(guó)壓鑄工業(yè)在近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展中有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。作為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，其每年都以8%～12%的良好勢(shì)頭快速發(fā)展。目前，我國(guó)擁有壓鑄廠點(diǎn)及相關(guān)企業(yè)2600余家，壓鑄機(jī)近萬(wàn)臺(tái)，年產(chǎn)壓鑄件50余萬(wàn)噸。其中鋁壓鑄件占67.0%、鋅壓鑄件31.2%、銅壓鑄件1.0%、鎂壓鑄件0.8%。我國(guó)的壓鑄廠點(diǎn)及相關(guān)企業(yè)中，壓鑄廠點(diǎn)2000余家，占企業(yè)總數(shù)的80%以上，壓鑄機(jī)及輔助設(shè)備企業(yè)、模具企業(yè)、原輔材料企業(yè)近398家，占13.7%，科研、大專(zhuān)院校、學(xué)會(huì)等其他單位合計(jì)112個(gè)，占總數(shù)的3.8%[5]。壓鑄機(jī)生產(chǎn)方面，我國(guó)約有壓鑄機(jī)生產(chǎn)企業(yè)20多個(gè)，年生產(chǎn)能力超過(guò)1000臺(tái)，壓鑄機(jī)的供應(yīng)能力很強(qiáng)。其中的中小型壓鑄機(jī)的質(zhì)量較好，大型壓鑄機(jī)、實(shí)時(shí)控制的高性能的壓鑄機(jī)仍需進(jìn)口，2000噸以上的壓鑄機(jī)正在研制中[5]。種種情況表明，中國(guó)的壓鑄產(chǎn)業(yè)已經(jīng)相當(dāng)龐大。但是，與壓鑄強(qiáng)國(guó)相比，中國(guó)的壓鑄業(yè)還有著較大的差距。中國(guó)壓鑄企業(yè)的規(guī)模較小，企業(yè)素質(zhì)不高，技術(shù)水平落后，生產(chǎn)效率較低。雖然與美國(guó)、日本等壓鑄先進(jìn)國(guó)家相比，我國(guó)壓鑄件的生產(chǎn)占有一定的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)，但我國(guó)壓鑄企業(yè)以小型工廠為主，因此在管理水平和工作效率上，較之有很大的差距。另外，雖然我國(guó)生產(chǎn)的中小型壓鑄機(jī)質(zhì)量較好，但大型壓鑄機(jī)、實(shí)時(shí)控制的高性能的壓鑄機(jī)仍需進(jìn)口，每年進(jìn)口壓鑄機(jī)100臺(tái)以上[6]。由此可見(jiàn)，我國(guó)不能算作壓鑄強(qiáng)國(guó)，只能是壓鑄大國(guó)。近年來(lái)，由于中國(guó)工業(yè)的迅速發(fā)展，壓鑄產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸向很多市場(chǎng)邁進(jìn)。以中國(guó)的轎車(chē)工業(yè)壓鑄市場(chǎng)為支柱，中國(guó)的壓鑄業(yè)已經(jīng)向摩托車(chē)行業(yè)、農(nóng)用車(chē)行業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)市場(chǎng)、玩具市場(chǎng)、家電產(chǎn)業(yè)等多個(gè)方向快速拓展，其勢(shì)頭方興未艾[7]。（三）壓鑄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)由于整個(gè)壓鑄過(guò)程都是在壓鑄機(jī)上完成，因此，隨著對(duì)壓鑄件的質(zhì)量、產(chǎn)量和擴(kuò)大應(yīng)用的需求，開(kāi)始對(duì)壓鑄設(shè)備提出新的更高的要求，傳統(tǒng)壓鑄機(jī)已經(jīng)不能滿(mǎn)足這些要求，因此，新型壓鑄機(jī)以及新工藝、新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。例如，為了消除壓鑄件內(nèi)部的氣孔、縮孔、縮松，改善鑄件的質(zhì)量，出現(xiàn)了雙沖頭（或稱(chēng)精、速、密）壓鑄；為了壓鑄帶有鑲嵌件的鑄件及實(shí)現(xiàn)真空壓鑄，出現(xiàn)了水平分型的全立式壓鑄機(jī)；為了提高壓射速度和實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)增加壓射力以便對(duì)熔融合金進(jìn)行有效地增壓，以提高鑄件的致密度，而發(fā)展了三級(jí)壓射系統(tǒng)的壓鑄機(jī)。又如，在壓鑄生產(chǎn)過(guò)程中，除裝備自動(dòng)澆注、自動(dòng)取件及自動(dòng)潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)外，還安裝成套測(cè)試儀器，對(duì)壓鑄過(guò)程中各工藝參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制。它們是壓射力、壓射速度的顯示監(jiān)控裝置和合型力自動(dòng)控制裝置以及電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用等[8]。以下介紹的便是壓鑄行業(yè)中出現(xiàn)的新工藝技術(shù)。(1)真空壓鑄真空壓鑄是利用輔助設(shè)備將壓鑄型腔內(nèi)的空氣抽除且形成真空狀態(tài)，并在真空狀態(tài)下將金屬液壓鑄成形的方法。其真空度通常在380～600毫米汞柱的范圍內(nèi)，可以通過(guò)機(jī)械泵獲得。而對(duì)于薄壁與復(fù)雜的鑄件，真空度應(yīng)該更高。由于型腔抽氣技術(shù)的圓滿(mǎn)解決，真空壓鑄在20世紀(jì)50年代曾盛行一時(shí)，但后來(lái)應(yīng)用不多。目前，真空壓鑄只用于生產(chǎn)要求耐壓、機(jī)械強(qiáng)度高或要求熱處理的高質(zhì)量零件，其今后的發(fā)展趨向是解決厚壁鑄件和消除熱節(jié)部位的縮孔，從而更有效地應(yīng)用于可熱處理和可焊接的零件。真空壓鑄的特點(diǎn)是：顯著減少了鑄件中的氣孔，增大了鑄件的致密度，提高了鑄件的力學(xué)性能，并使其可以進(jìn)行熱處理。消除了氣孔造成的表面缺陷，改善了鑄件的表面質(zhì)量。可減小澆注系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)尺寸。由于現(xiàn)代壓鑄機(jī)可以在幾分之一秒內(nèi)抽成需要的真空度，并且隨著鑄型中反壓力的減小，增大了鑄件的結(jié)晶速度，縮短了鑄件在鑄型中的停留時(shí)間。因此，采用真空壓鑄法可提高生產(chǎn)率10%～20%.采用真空壓鑄時(shí)，鎂合金減少了形成裂紋的可能性（裂紋時(shí)鎂合金壓鑄時(shí)很難克服的缺陷之一，經(jīng)常發(fā)生在型腔通氣困難的部位），提高了它的力學(xué)性能，特別是可塑性。（2）充氧壓鑄國(guó)外在分析鋁合金壓鑄件的氣泡時(shí)發(fā)現(xiàn)，其中氣體體積分?jǐn)?shù)的90%為氮?dú)?，而空氣中的氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)應(yīng)為80%，氧氣的體積分?jǐn)?shù)為20%。這說(shuō)明氣泡中部分氧氣與鋁液發(fā)生了氧化反應(yīng)。因此出現(xiàn)了充氧壓鑄的新工藝[9]。充氧壓鑄是消除鋁合金壓鑄件氣孔，提高鑄件質(zhì)量的一個(gè)有效途徑。所謂充氧壓鑄是在鋁液充填型腔，用氧氣充填壓室和型腔，以置換其中的空氣和其他氣體，當(dāng)鋁金屬液充填時(shí)，一方面通過(guò)排氣槽排出氧氣，另一方面噴散的鋁液與沒(méi)有排除的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生三氧化二鋁質(zhì)點(diǎn)，分散在壓鑄件內(nèi)部，從而消除不加氧時(shí)鑄件內(nèi)部形成的氣孔。這種三氧化二鋁質(zhì)點(diǎn)顆粒細(xì)小，約在1μm以下，其重量占鑄件總重量的0.1%～0.2%,不影響力學(xué)性能，并可使鑄件進(jìn)行熱處理[10]。（3）精速密壓鑄精速密壓鑄是一種精確地、快速的和密實(shí)的壓鑄方法，又稱(chēng)套筒雙沖頭壓鑄法。國(guó)外在20世紀(jì)60年代中期開(kāi)始在壓鑄生產(chǎn)中應(yīng)用這一方法。精密速壓鑄法在很大程度上消除了氣孔和縮松這兩種壓鑄件的基本缺陷，從而提高了壓鑄件的使用性能，擴(kuò)大了壓鑄件的應(yīng)用范圍。（4）半固態(tài)壓鑄半固態(tài)壓鑄是當(dāng)金屬液在凝固時(shí)，進(jìn)行強(qiáng)烈的攪拌，并在一定的冷卻速率下獲得50%左右甚至更高的固體組分漿料，并將這種漿料進(jìn)行壓鑄的方法。半固態(tài)壓鑄的出現(xiàn)，為解決鋼鐵材料壓鑄模壽命低的問(wèn)題提供了一個(gè)方法，而且對(duì)提高鑄件質(zhì)量、改善壓鑄機(jī)鴨舌系統(tǒng)的工作條件，都有一定的作用，所以是用途的一種新工藝[11]。參看文獻(xiàn)：1、/question/40051514.html?fr=ala02、模具使用技術(shù)叢書(shū)編委會(huì).壓鑄模設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)