压铸成形工艺及模具设计-文献综述

压铸成形工艺及模具摘要：本文简要的介绍了压铸的历史简要、压力铸造的基本理论、压铸工艺成型原理及特点、压铸件设计的形状结构要求、压铸件设计的壁厚要求、压铸件的加强筋/肋的设计要求、压铸件的圆角设计要求、压铸件设计的铸造斜度要求、压铸件的常用材料、压铸模具的常用材料以及常用压铸合金的性能和压铸合金的选取用要求。

关键字：压铸，模具，压铸件，压铸材料压铸的历史简要压力铸造是近代金属加工工艺中发展较快的一种少无切削的特种铸造方法。

最原始的压铸机于1856年问世，迄今已有近150年历史，从最早的手工压铸，到现在的全自动化计算机控制压铸，从最早的冷室压铸方法到现在的镁合金hot runner法，现代压铸已渗透到现代制造业的各个行业。

熔融金属是在高压、高速下充填铸型。

并在高压下结晶凝固形成铸件。

高压、高速是压力铸造的主要特征。

由于它具有生产效率高，工序简单。

铸件公差等级较高（常用锌合金为IT10-13，铝合金为IT11-13），表面粗糙度好（锌合金为Ra1.6-3.2,铝合金Ra3.2-6.3），机械强度大，可以省去大量的机械加工工序和设备，节约原材料等优点，现已成为世界铸造业中一个重要组成部分。

锌合金压铸开始于1890年，铝合金压铸开始于1910年，铜合金压铸开始于1911年，镁合金压铸开始于1925年。

压力铸造的基本理论一、典型的填充理论国外在30年代初期已有一些著名专家对压铸过程中金属的流转作了系统的试验研究，比较公认的有三种。

1.喷射填充理论（第一种填充理论）。

它是由德国人学者L.Ffommel于1932年根据流体力学的定律，以理想流体为基础通过实验得出，在速度、压力均保持不变的前提下，金属液进入内浇口，冲击到正对面型壁处——冲击阶段，经撞击后，金属聚集呈涡流状态，向着内浇口一端反向填充——涡流阶段。

最终填充成形。

2.全壁厚填充理论（第二种填充理论）这种理论认为：金属液通过内浇口进入型腔后，即扩张到型壁，然后沿着整个型腔截面向前填充，直到整个型腔充满为止。

3.三阶段填充理论（第三种填充理论）第一阶段：液态金属射入型腔后，沿着型腔各方向扩展，在正常的传热条件下，与型腔壁面相接触的部位形成一层凝固层，亦即铸件的表面层。

第二阶段：铸件表面成壳后，型腔继续受到液体金属的填充，凝固层逐渐增厚，此时合金的粘度亦增，而处于中心部位的液体金属，在第二阶段结束时，尚处于液态，除了继续得到液体金属的补充外，仍可承受来自压室的压射压力。

第三阶段：金属液全部充满型腔，连同浇注系统及压室形成一个封闭的水力系统，在这个系统中各处的压力均等。

压射力仍可通过尚未凝固的内浇口作用于铸件，达到进一步增压的目的。

三阶段填充理论比较全面地考虑了填充的全过程中的传热条件及金属的流动特性。

二．当前国内外典型压力——时间变化的分析1.压射冲头从起始位置到金属进入内浇口之前这段时间。

由于冲头与压室之间的磨擦及水锤等作用，出现较低的压力，磨擦力越大则压力越大。

此阶段称为慢速封口阶段。

2.金属液到达内浇口前沿，内浇口为整个浇注系统中截面积最小，压射压力因而升高，出现一个峰值K，此阶段称为金属液积聚阶段。

3.金属液越过内浇口，变速填充型腔，通过内浇口的速度，称为浇口速度，此过程称为填充阶段。

4.型腔填充完毕，按照压射缸所调整的压力，使铸件在凝固阶段进一步致密的最终加压，其最终压力的大小，取决于压铸机压射系统的性能。

此过程称为增压阶段。

压铸工艺成型原理及特点压铸，即压力铸造，是将液态金属或半液态金属，在高压作用下，以高的速度填充到压铸模的型腔中，并在压力下快速凝固而获得铸件的一种方法。

压铸时常用压力是从几兆帕至几十兆帕，填充起始速度在0.5-70m/s；压铸时的熔料温度，铝合金一般是610-670℃，锌合金一般是400-450℃，模具温度一般为合金温度的三分之一。

压铸件设计的形状结构要求压铸件设计的形状结构要求就目前来说是比较重要的，合理的压铸件结构不仅能简化压铸模具的结构，降低制造成本，同时也能改善压铸件的质量。

应注意如下要求：a、避免内部侧凹或盲孔结构；b、避免或减少垂直于分型面的孔或外部盲孔结构；压铸件设计的壁厚要求同样的，压铸件设计的壁厚要求一样很重要。

压铸件壁厚度（通常称壁厚）是压铸工艺中的关键因素，如熔料填充时间的计算、凝固时间的计算、模具温度梯度的分析、压力（最终比压）的作用、留模时间的长短、压铸件顶出温度的高低及操作效率等等，都与壁厚有着直接的联系。

应注意如下要求：a、压铸件壁厚偏厚会使压铸件的力学性能明显下降，薄壁压铸件致密性好，相对提高了铸件强度及耐压性；b、压铸件壁厚不能太薄，太薄会造成铝合金熔液填充不良，成型困难，使铝合金熔液熔接不好，并给压铸工艺带来困难；c、压铸件随壁厚的增加，其内部气孔、缩孔等缺陷也随之增加；d、应尽量保持壁厚截面的厚薄均匀一致。

根据压铸件的表面积大小划分，锌铝合金压铸件的合理壁厚如下表所示：锌铝合金压铸件的合理壁厚压铸件的加强筋/肋的设计要求一般来说，压铸件常会用到加强筋/肋，加强筋/肋的作用是增加压铸件的强度和刚性，减少铸件收缩变形,避免工件从模具内顶出时发生变形，作为熔料填充时的辅助回路（熔料流动的通路）。

应注意如下要求：a.压铸件的加强筋/肋的厚度应小于所在壁的厚度，一般取该处壁厚的2/3~3/4；压铸件的圆角设计要求就一些压铸件而言，设计适当的工艺圆角，有利于压铸成型，避免应力及产生裂纹，并可延长压铸模具的寿命；当压铸件需要进行电镀或涂覆时，圆角处可防止镀（涂）料沉积，获得均匀镀（涂）层。

应注意如下要求：a. 压铸件上凡是壁与壁的连接处（模具分型面的部位除外）都应设计成圆角；b. 压铸件圆角一般取：1/2 壁厚≤R≤壁厚；压铸件设计的铸造斜度要求对于压铸件，我们还会关心它的脱模难易，所以在设计时常常要设计一定的铸造斜度，铸造斜度是在脱模时，减少压铸件与模具型腔的摩擦，使压铸件容易被取出；减少铸件表面被划伤；延长压铸模使用寿命。

锌铝合金压铸件的一般最小铸造斜度如下表所示：锌铝合金压铸件的一般最小铸造斜度压铸件的常用材料当前企业常用压铸铝合金一般有：ADC12、YL113、YL102、A380、A360 等；常用压铸锌合金一般有： 3#Zn；目前，珠江三角洲地区比较普遍的铝合金材料是ADC12，它在压铸成型性、切削性、机械性能等各方面均有较好的表现。

压铸模具的常用材料一般来说，压铸模具型腔材料要求具有较高的冷热疲劳抗力、良好的断裂韧性及热稳定性。

常用压铸模具型腔材料牌号常用压铸合金的性能一、物理性能见下表：目前常用压铸合金的物理性能熔点名称密度（克/厘米3）液相线固相线铝合金 2.5～2.9 575～630 545～579锌合金 6.7 386～387 380～381镁合金 1.8～1.81 607～492 26.4铜合金8.5～8.85 885～900二、机械性能合金的机械性能是指它抵抗外力作用而表现出来的特性，也称为力学性能。

一般以抗拉强度、屈服强度、塑性、延伸率、断面收缩率、硬度来衡量和反映金属和合金的机械性能。

三、工艺性能1．流动性合金的流动性，即指合金液充填型腔的能力，通常流动性好的合金有利于压铸结构复杂的薄壁铸件，获得尺寸精确，轮廓清晰的优质压铸件，在选择材料时，我们需要时常考虑材料流动性。

一般来说，合金的物理性质及结晶特点是决定流动性好坏的内因，合金的结晶潜热及热容量小而导热率大，且保持液态时间短，合金的凝固温度范围大，则使合金液的流动阻力大；这都会降低其流动性。

从压铸工艺特点来讲，铸型的导热能力俞差，合金液在型腔中的流动阻力俞小，则合金液充填铸型的能力就俞强。

反之，型腔导热系数俞大合金液冷却俞快，充型性能就下降，采用模具（铸型）温控装置及导热系数小的涂料，相对来说，均能提高合金的流动性。

从浇注条件来讲，提高浇注温度可使合金液的热容量增大，延长了保持液态合金的时间，粘度减小，充型能力增强。

但浇注温度过高，合金液吸气增多，氧化严重，铸件的一次结晶组织粗大，容易产生缩孔、缩松、粘模等缺陷。

第二，采用较高的压射速度，可以改善合金液的充型能力。

但是，应该防止因速度过高而造成涡流包气，影响铸件质量。

第三，提高压射压力，也可使合金液的充型能力得到增强。

提高充型能力，改善流动性的措施如下：a 、适当调整合金的成分，严格控制合金液熔炼工艺，净化合金液，减少合金液中的非金属杂物和气体，加入微量元素，细化晶粒。

b 、增加铸型的溢流排气系统，提高除渣排气能力，采用导热率低的涂料。

c 、合理设置浇注系统,适当提高浇注温度及压射速度。

d 、慎重改进铸件结构，改善铸件的压铸工艺性。

2．收缩在铸造合金从液态到凝固完毕，以及此后继续冷却至常温的过程中，都将产生体积和尺寸的变化，这种体积和尺寸的变化总称为收缩。

a 、体收缩式中：V0-- 被测试合金的试样在高温to 时的体积（cm 3）。

V-- 被测试合金的试样至温度t 时的体积（cm 3）。

缩孔与缩松：%10000⨯=-V VV Ea由于合金在液态及凝固期间产生体收缩的结果，使铸件在最后凝固的区域产生宏观或显微孔洞，统称缩孔。

集中性缩孔，容积大而集中，多分布在铸件断面较厚（热节）且最后凝固的地方，分散性缩孔又称缩松，孔洞细小而分散，常与模具温度、压力传递有关。

缩孔与缩松产生的基本条件是合金的液态收缩及凝固收缩远大于固态收缩。

一般的规律是，合金的凝固温度范围愈小，则易形成集中缩孔；反之易形成缩松。

同一种合金，过热度大时缩孔就大，过热度小时缩孔就小。

b 、线收缩式中：L0--被测试合金的试样在高温t 0时的长度（毫米）L —被测试金属的试样降低至温度t 时的长度（毫米）压铸件在铸型内收缩时，往往由于受到摩擦阻碍（铸件表面与铸型表面之间的摩擦力），热阻碍（铸件各部分冷却速度不一致而产生）,机械阻碍(铸型的突出部分或型芯的阻碍)等作用而不能自由收缩，故通常将铸件在这些阻力作用下实际产生的收缩，称为受阻收缩。

也称阻碍收缩，阻碍收缩总小于自由收缩。

设计模具时采用缩比，即将铸造收缩率E 铸，计入名义尺寸，用下式表示：L 型-L 件E 铸= ×100%L 件式中：L 型——铸型尺寸（毫米）L 件——压铸件尺寸（毫米）常用合金的综合计算收缩率为：锌合金：0.3～0.5%，铝合金：0.3～0.6%，镁合金：0.4～0.8%，铜合金：0.6～1.0%。

%100线00⨯=-L L L E铸件的热裂，是指合金在高温状态形成的裂纹。

铸件在凝固期间，因受铸型阻而不能自由的收缩时，在铸件内产生的收缩应力超过合金在该温度下的强度时，即产生热裂。

热裂的外形曲折而不规则，裂口表面被强烈氧化。

热裂按其在铸件的位置分为内裂和外裂，外裂常从铸件表面不规则处、尖角处、截面厚度有突变处开始，逐渐延伸至铸件内部，表面较宽内部较窄，有时会贯穿整个铸件断面。