摘要 壓力鑄造簡稱壓鑄,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。壓鑄的工藝特點是鑄件的強度和硬 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)計直接影 響著壓鑄模具的質(zhì)量和壽命。因此,模具設(shè)計是模具技術(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; 關(guān)鍵詞:壓力鑄造;壓鑄模具
(一)壓力鑄造的特點
高壓力和高速度是壓鑄中熔融合金充填成型過程的兩大特點。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)品有著其獨特的優(yōu)點??梢缘玫?薄壁、形狀復(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 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,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~
IT11 面粗糙度一般為 3.2~0.8μm,最低可達(dá) 0.4μm。因此,個別壓鑄 件可以不經(jīng)過機械加工或僅是個別部位加工即可使用。壓鑄的主要優(yōu)點是: (1)鑄件的強度和表面硬
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度都比較高。 壓鑄件的抗拉強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)時間約 5 s~3min 這種 方法適于大批量生產(chǎn)。雖然壓鑄生產(chǎn)的優(yōu)勢十分突出,但是,它也有一些
明顯 的缺點: (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,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)行機械加工,以免 鑄件表面顯露氣孔。 (2)
壓鑄的合金類別和牌號有所限制。目前只適用于鋅、鋁、鎂、銅等合金的壓 鑄。而對于鋼鐵材料,由于其熔點高,壓鑄模具使用壽命短,故鋼鐵材料的壓 鑄很難適用于實際生產(chǎn)
。至于某一種合金類別,由于壓鑄時的激冷產(chǎn)生劇烈收 縮,因此也僅限于幾種牌號的壓鑄。 (3)壓鑄的生產(chǎn)準(zhǔn)備費用較高。由于壓鑄機成本高, 壓鑄模加工周期長、成本高, 因
此壓鑄工藝只適用于大批量生產(chǎn)。 壓鑄模具設(shè)計的意義 模具是壓鑄件生產(chǎn)的主要工具,因此在設(shè)計模具時應(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。 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。壓鑄生產(chǎn) 中,因為模具澆道形狀、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)。而對澆道和排溢口的形
狀、大小、位置以及壓鑄機壓射工藝參數(shù)經(jīng)過優(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)計對于生產(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 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· (Willam 喬奇 Church)博士曾制造一臺日產(chǎn) 1.2~2 萬鉛字的鑄造
機,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)計并制造成第一臺手動活塞式 熱室壓鑄機,并在美國獲得了專利權(quán)。1885 年默根瑟(Mersen-
thaler)研究了 以前的專利,發(fā)明了印字壓鑄機,開始只用于生產(chǎn)低熔點的鉛、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、留聲機和自行車的產(chǎn)品生產(chǎn)。1904 年英國的法蘭 克林(H. H. Franklin)公司開始用壓鑄方法生產(chǎn)汽車的連桿軸承,開創(chuàng)了壓鑄 零件在汽車工業(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、壓鑄鋅、錫、銅合金鑄件。隨后瓦格納(Wagner)設(shè)計了鵝 頸式氣壓壓鑄機,用于生產(chǎn)鋁合金鑄件
。這種壓鑄機是利用壓縮空氣推送鋁合 金經(jīng)過一個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題, 這 種機器沒有得到推廣應(yīng)用。但這種設(shè)計是生產(chǎn)鋁合金鑄件的
第一次嘗試。20 世 紀(jì) 20 年代美國的 Kipp 公司制造出機械化的熱室壓鑄機,但鋁合金液有浸蝕壓 鑄機上鋼鐵零部件的傾向,鋁合金在熱室壓鑄機上生產(chǎn)受到限制。1927 年捷
克 工程師約瑟夫·波拉克(Jesef Pfolak)設(shè)計了冷壓室壓鑄機,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 年代大型壓鑄機誕生,為壓鑄業(yè)開拓了許多新的領(lǐng)域。隨著壓鑄機、 壓鑄工藝、壓鑄型及潤滑劑的發(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,隨著壓鑄合金熔點的不斷增高而使壓鑄件應(yīng)用范 圍也不斷擴(kuò)大。
(二)我國壓鑄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 我國壓鑄工業(yè)在近半個世紀(jì)的發(fā)展中有了長足的進(jìn)步。作為一個新興產(chǎn)業(yè),其 每年都以 8%~12%的良好勢頭快速發(fā)展。目前,我國擁有壓鑄廠點及相關(guān)企業(yè) 2600 余家,壓鑄機近萬臺,年產(chǎn)壓鑄件 50 余萬噸。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%。我國的壓鑄廠點及相關(guān)企業(yè) 中,壓鑄廠點 2000 余家,占企業(yè)總數(shù)的 80%以上,壓鑄機及輔助設(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、大專院校、學(xué)會等其他 單位合計 112 個,占總數(shù)的 3.8%[5]。壓鑄機生產(chǎn)方面,我國約有壓鑄機生產(chǎn)企 業(yè) 20 多個,年生產(chǎn)能力超過 1000 臺,壓鑄機的供應(yīng)能力很強。其中的中小型 壓鑄機的質(zhì)量較好,大型壓鑄機、實時控制的高性能的壓鑄機仍需進(jìn)口,2000 噸以上的壓鑄機正在研制中。種種情況表明,中國的壓鑄產(chǎn)業(yè)已經(jīng)相當(dāng)龐大。 但是,與壓鑄強國相比,中國的壓鑄業(yè)還有著較大的差距。中國壓鑄企業(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、日本等 壓鑄先進(jìn)國家相比,我國壓鑄件的生產(chǎn)占有一定的數(shù)量優(yōu)勢,但我國壓鑄企業(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, 雖然我國生產(chǎn)的中小型壓鑄機質(zhì)量較好,但大型壓鑄機、實時控制的高性能的 壓鑄機仍需進(jìn)口,每年進(jìn)口壓鑄機 100 臺以上。由此可見,我國不能算作壓 鑄強國,只能是壓鑄大國。 近年來,由于中國工業(yè)的迅速發(fā)展,壓鑄產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸向很多市場邁進(jìn)。以中 國的轎車工業(yè)壓鑄市場為支柱, 中國的壓鑄業(yè)已經(jīng)向摩托車行業(yè)、 農(nóng)用車行業(yè)、 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)市場、玩具市場、家電產(chǎn)業(yè)等多個方向快速拓展,其勢頭方興未艾。
(三)壓鑄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢 由于整個壓鑄過程都是在壓鑄機上完成,因此,隨著對壓鑄件的質(zhì)量、產(chǎn)量和 擴(kuò)大應(yīng)用的需求,開始對壓鑄設(shè)備提出新的更高的要求,傳統(tǒng)壓鑄機已經(jīng)不能 滿足這些要求,因此,新型壓鑄機以及新工藝、新技術(shù)應(yīng)運而生。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 精、速、密)壓鑄;為了壓鑄帶有鑲嵌件的鑄件及實現(xiàn)真空壓鑄,出現(xiàn)了水平 分型的全立式壓鑄機;為了提高壓射速度和實現(xiàn)瞬時增加壓射力以便對熔融合 金進(jìn)行有效地增壓,以提高鑄件的致密度,而發(fā)展了三級壓射系統(tǒng)的壓鑄機。 又如,在壓鑄生產(chǎn)過程中,除裝備自動澆注、自動取件及自動潤滑機構(gòu)外,還 安裝成套測試儀器, 對壓鑄過程中各工藝參數(shù)進(jìn)行檢測和控制。 它們是壓射力、 壓射速度的顯示監(jiān)控裝置和合型力自動控制裝置以及電子計算機的應(yīng)用等。