壓鑄技術(shù)基礎(chǔ)（一）

壓鑄的幾個基本問題

 

 

鑄件的收縮

 

根據(jù)壓鑄的特點，鑄件的收縮規(guī)律大致如下：

 

1.  冷卻凝固時，包緊成型零件，并受這些零件所阻礙，收縮量就比較小

 

2.  薄壁鑄件的收縮量比厚壁鑄件小

 

3.  大鑄件的收縮百分率比小鑄件的收縮百分率小

 

4.  壓鑄成形后，留模時間愈長，收縮量愈小

 

5.  形狀復雜的鑄件比簡單鑄件收縮量小

 

6.  同一鑄件的不同尺寸部位，各處于上不同的情況時，各自的收縮率有可能不相同

 

7.  鑄件的收縮是在實體上產(chǎn)生的，故在空檔部位上，有時它的實際收縮可能使該部位的尺寸變大

 

此外，鑄件的收縮可能與工藝因素，操作方面（如分型面的清理、涂料涂層的厚?。┯嘘P(guān)。

 

上述的收縮規(guī)律性只是針對一些特定條件而言，生產(chǎn)中，常常應根據(jù)實際情況加以綜合的考慮。

 

 

內(nèi)澆口速度

 

    為便于生產(chǎn)中對內(nèi)澆口速度的選定，將鑄件的壁厚與內(nèi)澆口速度的關(guān)系列于表中。

 

在選取用內(nèi)澆口速度時，可以考慮下列情況

 

1.   鑄件形狀復雜時，內(nèi)澆口速度可高些

 

2.   合金澆入溫度低時，內(nèi)澆口速度可高些

 

3.   合金和模具材料的導熱性能好時，內(nèi)澆口速度應高些

 

4.   內(nèi)澆口厚度較厚時，內(nèi)澆口速度應高些

 

鑄件平均壁厚 （毫米）
 內(nèi)澆口速度

  （米/秒）
 鑄件平均壁厚

（毫米）
 內(nèi)澆口速度

  （米/秒）
 
1
 46~55
 5
 32~40
 
1.5
 44~53
 6
 30~37
 
2
 42~50
 7
 28~34
 
2.5
 40~48
 8
 26~32
 
3
 38~46
 9
 24~29
 
3.5
 36~44
 10
 22~27
 
4
 34~42
 
 
 

 

 

  速度與壓力的關(guān)系

 

根據(jù)流體力學的論述，伯努利定理適用于理想流體和穩(wěn)定流動，其方程式為：

 

       p/ρ+gz+1/2q2=Const

 

它是一維流動問題中最重要的一個關(guān)系，而且在整個流體力學的領(lǐng)域里也具有根本的重要性。它是一個能量守恒的表達式，因為每一項都代表單位質(zhì)量的能量：第一項是壓力所做的功，每二項是由于重力而引起的勢能，而第三項是動能。

 

于是，按照壓鑄過程的金屬流動來看，壓室內(nèi)熔融金屬從沖頭速度加速到內(nèi)澆口的過程，便可根據(jù)伯努利方程式列出如下的表示式，即

 

p n/ρ+gh n+1/2v2 n=p b/ρ+gh s+1/2v2 c

 

    式中p n —內(nèi)澆口處通過金屬流之前的壓力（公斤/厘米2 ）

 

     ρ—熔融金屬的密度（公斤/厘米3 ）

 

     g —重力加速度（981厘米/秒2 ）

 

     h n —內(nèi)澆口壓力頭高度（厘米）

 

     v n —內(nèi)澆口速度（厘米/秒）

 

     p b —壓室內(nèi)作用于金屬上的壓力（公斤/厘米2 ），此處實為填充比壓，符號應為pb c，但為敘述方便，直接用p b列出

 

     h s —壓室的壓力頭高度（厘米）

 

     v c —沖頭速度（厘米/秒）

 

但是，對于壓鑄過程來說，對上述表示式可作如下的分析：

 

    內(nèi)澆口處通過金屬流之前的壓力p n，在模具上開有足夠的排氣道的情況下，相當于大氣壓力，而壓室內(nèi)作用于金屬上地壓力p b（實為填充比壓）則甚大于大氣壓力，故移項后，p b-p n的差值與p b十分接近，所以p n項可忽略不計。

 

  　內(nèi)澆口的壓力頭高度h n和壓室的壓力頭高度相差只有幾厘米，因此，可按相等看待，在等式的兩邊的抵消而消除。

 

沖頭速度v c與內(nèi)澆口速度v n相比，由于面積F S和F n相差十幾倍甚至幾十倍，故沖頭速度總是比內(nèi)澆口速度小十幾倍或幾十倍，況且在伯努利方程式中還是一個平方數(shù)，因此，v c也不予計入。

 

于是，表示式可簡化為

 

       1/2v2 n = p b /ρ

 

即

 

       v n=(2p b/ρ)1/2   

 

當密度ρ用比重r來表示，即

 

ρ=r/g

 

所以，內(nèi)澆口速度 v n與壓力（填充比壓）的關(guān)系式便可寫成

 

       V n=(2gpb/r)1/2   

 

但是，熔融金屬畢竟不同于理想流體，熔融金屬本身的物理特性（粘性、表面張力、內(nèi)磨擦等）造成的速度損失必須加以考慮，同時，金屬的流動還與澆道幾何形狀、流動規(guī)律（撞擊、轉(zhuǎn)向、氣體阻礙等）有關(guān)，這些都是使速度損失的因素。 因此，設(shè)η為流動時受到各種影響而使速度降低的總的系數(shù)。并稱之為阻力系數(shù)。這個阻力系數(shù)可大致地定為0.358。于是內(nèi)澆口速度與比壓的關(guān)系在計入阻力系數(shù)后的計算式為：

 

v n=0.358(2gpb/r)1/2  

 

當內(nèi)澆口速度已經(jīng)選定，則比壓p b（實為填充比壓pb c）可由下式求得

 

p b=v2 nr/(2g*0.3582 )

 

生產(chǎn)中，由于機器的驅(qū)動系統(tǒng)、傳動機構(gòu)中的壓力均有損失，閥門的開閉可能滯后，機器運動零部件慣性、運動時的各種摩擦阻力以及壓力液的泄露等等因素的存在，使填充比壓和沖頭速度都有所損失，而損失的程度，則是以機器的效能而定，這種效能可以通過儀器測定。調(diào)節(jié)機器時，預定的壓力（比壓）和沖頭速度便根據(jù)損失的程度，按計算出的壓力適當加大，從而沖頭速度也隨之得到補償。

 

 

　　填充時間

 

熔融金屬自開始進入型腔到充滿的過程所需的時間稱為填充時間。

 

填充時間是壓力、速度、溫度、澆口、排氣、金屬性質(zhì)以及鑄件結(jié)構(gòu)（壁厚）等多種因素結(jié)合以后造成的結(jié)果，因而也是填充過和中各種因素相互協(xié)調(diào)的綜合反映。

 

前面已經(jīng)提前提到，填充結(jié)束時，型腔內(nèi)不同部位的金屬的凝固不是同時完成的，亦即局部的金屬早凝固是不可避免的。但是，在決定填充時間時，仍然把填充結(jié)束前金屬不產(chǎn)生凝固這一理想情況為條件的?？纱?，最佳填充時間應是壓鑄的金屬尚未凝固而允許最長的填充型腔的時間。

 

根據(jù)鑄件凝固溫度的理論，再將有關(guān)方面綜述如下：

 

1.  金屬的凝固溫度范圍是在液相線與固相線溫度之間；

 

2.  為了使熔融在填充過程中保持必要的填充性（流動性），金屬應處于過熱溫度；

 

3.  金屬凝固時釋放的熱量通過型壁進行傳導；

 

4.  過熱的金屬液到完全凝固前釋放的熱量應等于模具在該段時間內(nèi)吸收的熱量。這一過程與合金的比熱和模具的熱傳導系數(shù)有關(guān)。

 

在上述的基礎(chǔ)上，再根據(jù)逆流式換熱器的原理加以推導，便得到如下的方程式：

 

t=(Tn-Ty)CG/(Tn-Tm)HmF

 

式中  t——填充時間（秒）

 

Tn——內(nèi)澆口處熔融金屬的溫度（℃）

 

Ty——熔融金屬的液相線溫度（℃）

 

Tm——模具溫度（℃）

 

Ｃ－熔融金屬（合金）的比熱（卡/克）

 

G—鑄件的重量（克）

 

Hm—模具熱傳導系數(shù)（卡/厘米2·秒·℃）（與凝固時間的計算中的Hm相同）

 

F—鑄件表面面積(厘米2)

 

其中，G/F可看成一個比率，并用鑄件壁厚b的一半b/2代替。

 

根據(jù)有關(guān)資料，以這一方程式為基礎(chǔ)，得到如下的計算式

 

           t=0.034b(Tn-Ty+64)/(Tn-Tm)

 

       t——填充時間（秒）

 

       Tn——內(nèi)澆口處熔融金屬的溫度（℃）

 

       Ty——熔融金屬的液相線溫度（℃）

 

       Tm——模具溫度（℃））

 

       b——鑄件的平均壁厚（毫米）

 

計算時，平均壁厚b可大致地按如下原則確定，即：一般取鑄件上同一壁厚最多的數(shù)值為平均壁厚。

 

必要時，平均壁厚也可按下式計算：

 

b=(b1F1+b2F2+b3F3+…)/(F1+F2+F3)

 

式中，b1,b2,b3——鑄件某個部位的壁厚：

 

F1,F2,F3——壁厚為b1,b2,b3部位的面積

 

表中列出了供直接選用的按壁厚確定的填充時間值，表內(nèi)數(shù)值是綜合了確定填充時間的各種計算方法和試驗數(shù)值，結(jié)合生產(chǎn)中許多種壓鑄實際情況，做了一定的計算和驗證工作后提出的，列出的數(shù)值是以鋁合金為基礎(chǔ)的，但適用于其他合金。

 

鑄件的平均壁厚（厘米）
 填充時間    （秒）
 鑄件的平均壁厚（厘米）
 填充時間 （秒）
 
1
 0.010~0.014
 5
 0.048~0.072
 
1.5
 0.014~0.020
 6
 0.056~0.084
 
2
 0.018~0.026
 7
 0.066~0.100
 
2.5
 0.022~0.032
 8
 0.076~0.116
 
3
 0.028~0.040
 9
 0.088~0.138
 
3.5
 0.034~0.050
 10
 0.100~0.160
 
4
 0.040~0.060
 
 
 

 

 

在表中范圍內(nèi)，填充時間還可以考慮下列情況來選用：

 

1.   合金的入溫度高時，填充時間可選長些

 

2.   模具溫度高時，填充時間可選長些

 

3.   鑄件厚壁部分遠離內(nèi)澆口遠時，填充時間可選長些

 

4.   熔化潛熱和比熱高的合金，填充時間可選長些

 

以上的計算或查表選用，都只是壓鑄生產(chǎn)前的預選工作，還應通過試?；蛟嚿a(chǎn)的過程，采取測定實際的沖頭速度方法，對預選的填充時間加以驗證。

 

 

    增壓建壓時間和壓力升高時間

 

增壓建壓時間是指在增壓階段的起始點上能夠把升高的壓力建立起來的時間，在這個起始點上的壓力的大小即為填充階段填充比壓的大小。從壓鑄工藝上來說，所需的增壓建壓時間愈短愈好，但是機器壓射系統(tǒng)的增壓裝置所能提供的增壓建壓時間是有限度的，性能較好的機器的最短建時間也不短于0.01秒。

 

壓力升高時間指從增壓壓力建立起，直到壓力升高到預定的數(shù)值所需的時間，從壓鑄上來說，壓力升高時間的長短，主要是由型腔中金屬的凝固時間所決定，因而與下列因素有關(guān)：

 

１）不同的合金有不同的凝固時間，凝固時間長的，壓力升高時間亦稍長。

 

２）厚壁鑄件的凝固時間較長，壓力升高時間亦稍長。

 

３）型腔中金屬的凝固在不同的部位上各自為往往不是同時完成是，尤其是復雜的和大型的鑄件，模具熱平衡狀態(tài)更為復雜，這時取決于與內(nèi)澆口相連的部位上的金屬凝固時間。

 

由此可見，增壓壓力的建成，應與金屬的凝固形成這樣的關(guān)系：即：金屬凝固的過程中，隨著致密度的逐漸增加，所需的壓力逐漸要大。因此，在理想的條件下，僅就時間而言，壓力升高時間的長短可以與凝固時間同樣的看待。在這種情況下，增壓的作用也達到了理想的預期效果，

 

實際上，應使壓力升高時間比金屬的凝固時間稍短才是合理的，因為時間的絕對值極其短促，若增壓壓力的建成稍遲，也會失去作用。當然，如果壓力升高時間過短，金屬尚未完全凝固，增壓壓力早已建成并作用于其上，則將增大脹型力的液壓沖擊作用，在位移——壓力曲線上形成過高的壓力峰值，從而引起脹型力超過極限值，發(fā)生機器鎖模力不足的現(xiàn)象。

 

因此，機器壓射系統(tǒng)的增壓裝置上，壓力升高時間的可調(diào)性十分重要。根據(jù)凝固時間來看，其調(diào)整范圍在0.015～0.3秒內(nèi)比較適宜。實際生產(chǎn)中，應根據(jù)鑄件的大?。ɑ驂鸿T機的大?。┰賱澐殖鲂〉姆秶?。