《模具概論》第一節(jié) 壓鑄成型工藝及模具結(jié)構(gòu)

第四章其他模具第一節(jié)壓鑄成型工藝及模具結(jié)構(gòu)中國古代輝煌鑄造史我國早在三千多年以前就用泥范(泥型)來澆注各種鑄件，公元前六世紀(jì)就發(fā)明了生鐵冶鑄技術(shù)，比歐洲早一千八百多年。隋唐以后，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展鑄造技術(shù)有了很大的進(jìn)步。公元974年鑄造的河北滄州大鐵獅高6.1M，長5.5M，重達(dá)50T。明朝永樂年間鑄造的永樂青銅大鐘重達(dá)40從70年代開始，隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)等現(xiàn)代科技的發(fā)展，數(shù)控壓鑄機、計算機控制壓鑄柔性單元及系統(tǒng)(壓鑄FMC及FMS)和壓鑄工藝與設(shè)備計算機輔助設(shè)計(CAD)的出現(xiàn)，標(biāo)志著壓鑄成型生產(chǎn)開始從經(jīng)驗操作轉(zhuǎn)變到科學(xué)控制新階段，從而使壓鑄件的質(zhì)量、自動化程度及勞動生產(chǎn)率都得到極大的提高。一、壓鑄成型工藝(一)壓鑄概述1.壓鑄成型定義壓鑄是將液態(tài)或半固態(tài)金屬澆入壓鑄機的壓室中，金屬液在運動的壓射沖頭作用下，以極快的速度充填型腔，并在壓力的作用下結(jié)晶凝固而獲得鑄件的一種鑄造方法。2.壓鑄設(shè)備壓鑄過程是由壓鑄機來實現(xiàn)的，如圖4-1所示。壓鑄機分熱壓室壓鑄機和冷壓室壓鑄機兩大類。圖4-1壓鑄機（1）熱壓室壓鑄機工作的基本原理熱壓室壓鑄機的壓室通常浸沒在坩堝的金屬液中，如圖4-2（a）所示。壓鑄過程中，金屬液在壓射沖頭上升時通過進(jìn)口進(jìn)入壓室；壓射沖頭下壓時，金屬液沿著通道經(jīng)噴嘴充填壓鑄模型腔，待金屬液冷卻凝固成型后，壓射沖頭上升，此時開模取出鑄件，完成一個壓鑄循環(huán),如圖4-2（b）所示。圖4-2(a)熱壓室壓鑄機1-動模2-定模3-噴嘴4-坩堝5-壓室6-壓射沖頭7-進(jìn)口8-金屬液圖4-2(b)熱壓室壓鑄機壓鑄原理圖（2）冷壓室壓鑄機工作的基本原理冷壓室壓鑄機的壓室與保溫坩堝是分開的，如圖4-3（a）所示。壓鑄時由人工用料勺從保溫坩堝內(nèi)舀取金屬液澆入壓室后再進(jìn)行壓鑄。根據(jù)壓鑄模與壓室的相對位置不同，冷壓室壓鑄機又可分為立式、臥式、全立式三種。其壓鑄過程分別為立式冷壓室壓鑄機，如圖4-3（b1）所示；臥式冷壓室壓鑄機，如圖4-3（b2）所示；全立式冷壓室壓鑄機，如圖4-3（b3）所示。圖4-3（a）冷壓室壓鑄機（a）合模加料（b）壓鑄（c）推出余料（d）開模1-型腔2-直澆道3-壓射沖頭4-金屬液5-壓射缸6-反料沖頭7-余料8-動模9-壓鑄件10-定模圖4-3（b1）立式冷壓室壓鑄機壓鑄原理圖（a）合模（b）壓鑄（c）開模1-型腔2-加料口3-壓室4-壓射沖頭5-定模6-壓鑄件7-動模8-金屬液圖4-3（b2）臥式冷壓室壓鑄機壓鑄原理圖(a)上壓式(b)下壓式1-壓射沖頭2-金屬液3-型腔圖4-3（b3）全立式冷壓室壓鑄機壓鑄原理圖3.壓鑄工藝特點及其應(yīng)用發(fā)展壓鑄是高壓高速充填成型，所以壓鑄工藝和生產(chǎn)過程、壓鑄件的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量以及有關(guān)性能都有自己的特點。（1）壓鑄工藝特點與其他金屬成型工藝相比，壓鑄的特點為：1)生產(chǎn)率極高，生產(chǎn)過程容易實現(xiàn)機械化和自動化。一般冷壓室壓鑄機每八小時可壓鑄600～700次，熱壓室壓鑄機每八小時可壓鑄3000～7000次。而且一幅壓鑄模中的型腔往往不止一個，這樣生產(chǎn)的壓鑄件數(shù)也就成倍地增加了。2)鑄件的尺寸精度高，其尺寸穩(wěn)定、一致性好、加工余量少而且有很好的裝配性。壓鑄件的精度可達(dá)IT11～I(xiàn)T13級，有時可達(dá)IT9級。表面粗糙度值一般為Ra0.8～3.2，最低達(dá)Ra0.4。一般壓鑄件只需對少數(shù)幾個尺寸部位進(jìn)行機械加工，有的零件甚至于不需機械加工就可直接裝配使用。這樣材料利用率高，可達(dá)60%～80%，毛坯利用率達(dá)90%。3)鑄件組織致密，具有較高的強度和硬度。由于壓鑄時金屬液是在壓力下凝固的，又因高速充填，冷卻速度極快，使鑄件表面生成一層冷硬層(約0.3～0.8mm)，該層的金屬晶粒細(xì)小，組織致密。所以壓鑄件強度和硬度較高，堅實耐磨。當(dāng)壓鑄件壁厚適當(dāng)且均勻時，其強度更高。4)可以壓鑄形狀復(fù)雜、輪廓清晰的薄壁深腔鑄件，因為金屬液在高壓下能保持高的流動性。壓鑄件最小壁厚鋅合金可達(dá)到0.3mm，鋁合金約為0.5mm。最小鑄出孔徑為0.7mm，可鑄螺紋的最小螺距為0.75mm。5)鑲鑄法可省去裝配工序，簡化制造工藝。在壓鑄件的特定部位上可以直接嵌入所需的其他材料的制件，例如磁鐵、銅套、絕緣材料等嵌件以滿足特殊要求，既省去了裝配工序，又簡化了制造工藝。6)鑄件內(nèi)部有氣孔存在，但一般仍能滿足使用要求。由于金屬液充填速度極快，充填時卷入型腔中的氣體很難完全排除，致使壓鑄件內(nèi)常有氣孔及氧化夾雜物存在，從而降低了壓鑄件的質(zhì)量。因此，一般壓鑄件不能進(jìn)行熱處理，也不宜在高溫下工作。同樣，也不希望進(jìn)行機械加工，以免鑄件表層下的氣孔露出來。7)壓鑄機的壓室和壓鑄模型腔的材料限制了壓鑄合金的種類。高熔點的黑色金屬因其壓鑄模使用壽命短而目前難以在實際生產(chǎn)中壓鑄。在同一種合金中，又有牌號限制，這是因為壓鑄過程的特點，如激冷、收縮應(yīng)力、成型時的充填條件等造成的。8)壓鑄件的尺寸受壓鑄機鎖模力及裝模尺寸的制約，故大型壓鑄件的生產(chǎn)受到限制。目前大型壓鑄機有所發(fā)展，大型零件的壓鑄問題正逐漸得到解決。9)壓鑄工藝只適用于大批量生產(chǎn)。由于壓鑄機價格高，壓鑄模制造費用高、工時長、維修費用也高，故生產(chǎn)總成本高，不宜小批量生產(chǎn)。（2）壓鑄工藝的應(yīng)用及發(fā)展壓力鑄造的應(yīng)用范圍很廣。在有色合金中，以鋁合金壓鑄件比例最高(約30%～35%)，鋅合金次之。在國外，鋅合金鑄件大部分為壓鑄件，銅合金(黃銅)鑄件僅占壓鑄件總量的1%～2%，鎂合金壓鑄件易產(chǎn)生裂紋，且工藝復(fù)雜，故少用。目前用壓鑄工藝生產(chǎn)的鑄件重量可以從幾克到數(shù)十千克。其投影面積可以從零點零幾平方厘米到數(shù)千平方厘米?，F(xiàn)代工業(yè)的各個部門如汽車、摩托車、拖拉機、航空、農(nóng)業(yè)機械、儀器、儀表、日常用品等方面無不用到壓鑄件。發(fā)達(dá)國家如美國、日本、英國、德國等國的壓鑄件生產(chǎn)主要是在汽車制造業(yè)的促進(jìn)下發(fā)展起來的。目前，我國壓鑄生產(chǎn)從壓鑄機質(zhì)量和先進(jìn)技術(shù)的綜合水平以及生產(chǎn)效率來看，與壓鑄生產(chǎn)先進(jìn)國家相比還有一定的距離，不過隨著汽車、航空、儀表等制造業(yè)的發(fā)展，壓鑄生產(chǎn)技術(shù)將隨之有一個大發(fā)展。今后發(fā)展的主要趨勢應(yīng)該是：1)進(jìn)一步提高壓鑄模壽命，降低成本，以解決黑色金屬壓鑄問題。2)鎂合金是近幾年國際比較關(guān)注的合金材料。對鎂合金研究開發(fā)特別是鎂合金壓鑄、擠壓鑄造、半固態(tài)加工等技術(shù)將得到進(jìn)一步的研究和應(yīng)用。3)計算機在壓鑄中的應(yīng)用是提高壓鑄技術(shù)水平的重要途徑。計算機技術(shù)將在壓鑄中得到多方面的應(yīng)用，例如金屬液充型的計算機模擬研究由高壓鑄造轉(zhuǎn)向半固態(tài)壓鑄過程；低壓鑄造過程的充型模擬研究；利用CAD進(jìn)行壓鑄模具設(shè)計，提高設(shè)計速度和設(shè)計精度；開發(fā)具有壓鑄模澆注系統(tǒng)的CAD設(shè)計軟件等。4)研究開發(fā)新型壓鑄機，生產(chǎn)更大的壓鑄件。4.典型壓鑄產(chǎn)品應(yīng)用如圖4-4典型壓鑄產(chǎn)品所示(1)圓蓋、圓盤類——表蓋、機蓋、底盤等。(2)圓環(huán)類——接插件、軸承保持器、方向盤等。(3)筒體類——凸緣外套、導(dǎo)管、殼體形狀的罩殼、儀表蓋、上蓋、深腔儀表罩、照相機殼與蓋、化油器等。(4)多孔缸體、殼體類——氣缸體、氣缸蓋及油泵體等多腔的復(fù)雜殼體。(5)特殊形狀類——葉輪、喇叭、字體由筋條組成的裝飾性壓鑄件等。圖4-4典型壓鑄產(chǎn)品5.壓鑄合金材料及特點壓鑄合金、壓鑄模、壓鑄機是壓鑄生產(chǎn)的三要素。要獲得優(yōu)質(zhì)的壓鑄件除了要求壓鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性合理，壓鑄模設(shè)計合理、制造精確，壓鑄機性能優(yōu)良之外，還要有壓鑄工藝性良好的合金。常用的壓鑄合金有鋅合金、鋁合金、鎂合金和銅合金。鉛、錫合金僅用于少數(shù)場合。（1）鋅合金壓鑄特點及性能1）優(yōu)良的壓鑄特性。鋅合金具有良好的壓鑄性能，容易壓鑄形狀復(fù)雜，薄壁，尺寸精度高的產(chǎn)品。2）良好的機械和加工性能。鋅合金有較高的抗拉強度，屈服強度，沖擊韌性和硬度，較好的伸長率。鋅合金壓鑄件表面非常光滑，比較容易做各種表面處理。3）高效的生產(chǎn)。采用熱室壓鑄機生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，壓鑄時金屬液溫度在420度左右，可實現(xiàn)全自動生產(chǎn)，產(chǎn)品生產(chǎn)成本底。4）產(chǎn)品應(yīng)用。結(jié)構(gòu)用途：如汽車化油器、鎖具、齒輪、框架；作為結(jié)構(gòu)零件：要求對機械強度、尺寸精度、鑄件內(nèi)部質(zhì)量等要求高。裝飾用途：如日用品、玩具、裝飾品、燈飾、手表外殼、手機外殼、金屬扣、衛(wèi)浴配件等。對壓鑄件表面質(zhì)量要求比較高、要求表面光潔、造型美觀。（2）鋁合金壓鑄特點及性能1）鋁是很輕的金屬，可以用來制造各種要求減輕質(zhì)量的零部件，如汽車、航空、航天零件。2）有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。3）抗氧化腐蝕性能好。在空氣中，鋁的表面容易生成一層致密的三氧化二硫氧化膜，能阻止進(jìn)一步被氧化。但鋁在堿性介質(zhì)和鹽水中是不耐腐蝕的。4）鋁具有高強度和良好的塑性，可以加工成各形狀。5）產(chǎn)品應(yīng)用。汽車、摩托車配件領(lǐng)域。重量輕、導(dǎo)熱性能好、高強度、良好的塑性；汽車發(fā)動機缸體、缸蓋、化油器殼體、齒輪泵、汽車底盤、剎車踏板等；電鉆外殼、電機轉(zhuǎn)子、保護(hù)罩；電子，電器配件：手機外殼，電腦外殼電視接線盒等。（二）壓鑄工藝壓鑄工藝是把壓鑄合金、壓鑄模和壓鑄機這三個壓鑄生產(chǎn)要素有機組合和運用的過程。壓鑄時，影響金屬液充填成型的因素很多，其中主要有壓射壓力、壓射速度、充填時間和壓鑄模溫度等。這些因素是相互影響和相互制約的，調(diào)整一個因素會引起相應(yīng)的工藝因素變化，因此，正確選擇與控制工藝參數(shù)至關(guān)重要。1.壓力壓力是使壓鑄件獲得致密組織和清晰輪廓的重要因素，壓鑄壓力有壓射力和壓射比壓兩種形式。2.速度壓鑄過程中，速度受壓力的直接影響，又與壓力共同對內(nèi)部質(zhì)量、表面輪廓清晰度等起著重要作用。速度有壓射速度和內(nèi)澆口速度兩種形式。3.溫度壓鑄過程中，溫度規(guī)范對充填成型、凝固過程以及壓鑄模壽命和穩(wěn)定生產(chǎn)等方面都有很大影響。壓鑄的溫度規(guī)范主要是指合金的澆注溫度和模具溫度。4.時間壓鑄工藝中的時間是指充填時間、增壓建壓時間、持壓時間和留模時間。5.壓室充滿度澆入壓室的金屬液量占壓室總?cè)萘康某潭确Q為壓室的充滿度，通常以百分率計。壓室充滿度過小，上部空間過大，金屬液包卷氣體嚴(yán)重，使鑄件氣孔增加，還會使合金液在壓室內(nèi)被激冷，對填充不利。故一般充滿度應(yīng)控制在40％～80％范圍內(nèi)，而以75％左右為最適宜。6.壓鑄用涂料壓鑄過程中，需要在模具型腔、型芯、沖頭和壓室等工作表面，以及滑塊、推出元件等運動零件的摩擦部位噴涂潤滑材料與稀釋劑的混合物，此混合物統(tǒng)稱為壓鑄涂料。7.壓鑄件的整修和處理與其他鑄造方法相比，壓鑄件所需清理工作量雖小，但幾乎所有壓鑄件都還是要進(jìn)行一定的清理，有些還要進(jìn)行整形或后處理。二、壓鑄模具基本結(jié)構(gòu)壓鑄模是進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)的主要工藝設(shè)備。壓鑄生產(chǎn)能否順利進(jìn)行，壓鑄件質(zhì)量有無保證都與壓鑄模結(jié)構(gòu)的合理性和先進(jìn)性有關(guān)。設(shè)計時必須對鑄件結(jié)構(gòu)工藝性進(jìn)行分析，了解所選用的壓鑄機的工作特性和技術(shù)參數(shù)，掌握不同情況下金屬液的充填特性以及考慮加工制造條件和經(jīng)濟效果。（一）壓鑄模的基本結(jié)構(gòu)及功能1.壓鑄模結(jié)構(gòu)組成與壓鑄過程合模時，動模與定模閉合構(gòu)成形腔和澆注系統(tǒng)，金屬液在高壓下通過模具澆注系統(tǒng)充填型腔；開模時，動模與定模分開，壓鑄機上的頂出機構(gòu)帶動模具上的推出機構(gòu)將壓鑄件推出模外，如圖4-5所示。1—推板；2—推桿固定板；3—墊塊；4—限位擋塊；5—拉桿；6—墊片；7—螺母；8—彈簧；9—側(cè)滑塊；10—楔緊塊；11—斜銷；12圓柱銷；13—動模鑲塊；14—側(cè)型芯；15—定模鑲塊；16—定模座板；17、26、30—內(nèi)六角螺釘；18—澆口套；19—導(dǎo)柱；20—導(dǎo)套；21—型芯；22—定模套板；23—動模套板；24—支承板；25、28、31—推桿；29—限位釘；32—復(fù)位桿；33—推板導(dǎo)套；34—推板導(dǎo)柱；35—動模座板圖4-5壓鑄模結(jié)構(gòu)組成2.典型壓鑄模結(jié)構(gòu)CAD/CAM，如圖4-6所示。側(cè)型芯側(cè)型芯定模套板動模套板墊塊定模鑲塊動模鑲塊斜銷壓鑄件鑲件推板澆口套楔緊塊壓條支撐塊圖4-6典型壓鑄模結(jié)構(gòu)CAD/CAM3.壓鑄模的基本結(jié)構(gòu)及功能（1）定模：定模與壓鑄機壓射機構(gòu)連接，并固定在定模安裝板上，澆注系統(tǒng)與壓室相通，如圖4-7所示。123（2）動模：直澆道與壓鑄機的噴嘴或壓室相連接，固定在壓鑄機的移動模板上，并隨移動模板作開合模移動，如1231-定模2-動模3-成型部分圖4-7定模動模成型部分（3）成型工作零件：定模鑲塊和動模鑲塊合攏后，構(gòu)成型腔的零件稱為成型工作零件。包括固定的和活動的鑲塊和型芯，如圖4-7所示。（4）澆注系統(tǒng)：連接壓室與模具型腔，引導(dǎo)金屬液進(jìn)入型腔的通道，如圖4-8所示。圖4-8澆注系統(tǒng)（5）溢流與排氣系統(tǒng)：排除壓室、澆道和型腔中的氣體的通道，一般包括排氣槽和溢流槽，一般開設(shè)在成型工作零件上，如圖4-9所示。圖4-9溢流與排氣系統(tǒng)（6）推出機構(gòu):是將壓鑄件從模具中推出的機構(gòu)，如圖4-10所示。圖4-10推出機構(gòu)（7）側(cè)抽芯機構(gòu):是抽動與開合模方向運動不一致的成形零件的機構(gòu)在壓鑄件推出前完成抽芯動作，如圖4-11所示。圖4-11側(cè)抽芯機構(gòu)（8）導(dǎo)向零件:是引導(dǎo)定模和動模在開模與合模時可靠地按照一定方向進(jìn)行運動的零件，如圖4-11所示。圖4-11導(dǎo)向零件（9）支承部分:是模具各部分按一定的規(guī)律和位置組合和固定后，安裝到壓鑄機上的零件，如圖4-12所示。圖4-12支承部分（10）其他:除前述各部分零件外，模具內(nèi)還有其他緊固件、定位件等。4.分型面的選擇1.分型面的類型，如圖4-13所示。(a)平直分型面（b)傾斜分型面（c)階梯分型面（d)曲面分型面圖4-13分型面的類型2.分型面的選擇原則（1）盡可能使壓鑄機開模后留在動模；（2）分型面應(yīng)盡量設(shè)計在壓鑄件端面輪廓最大的地方；（3）分型面應(yīng)盡量設(shè)在金屬流動方向的末端；（4）分型面的選擇應(yīng)有利于保證壓鑄件的質(zhì)量；（5）盡可能選擇平直分型面；（6）分型面的選擇應(yīng)保證側(cè)向活動型芯能順利抽出。（二）壓鑄模設(shè)計應(yīng)該遵循的原則(1)壓鑄模所成型的壓鑄件應(yīng)符合幾何形狀、尺寸精度、力學(xué)性能和表面質(zhì)量等技術(shù)要求。(2)模具應(yīng)適應(yīng)壓鑄生產(chǎn)的工藝要求。(3)在保證壓鑄件質(zhì)量