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1、4.3 压铸件设计,4.3.1 压铸件分型面的选择,铸型多分为两半，即定型和动型。其选择原则大多与金属型铸件相同。区别之处有：1、分型面最好通过铸件的最大截面；2、应使铸件在开型后留在动型内，以便在动型移动过程中利用顶出机构取出铸件；3、铸件相互尺寸精度要求高的部位应放在同一半型内；4、铸件分型面应尽可能不通过铸件外表面，以免在铸件外表面上留下分型痕迹；5、把分型面选择在铸件爱女需机加工的面上，有利于控制铸件精度，去除铸件飞边，并改善外观；6、分型面应有利于浇注系统和排气系统的布置（可作为排气通道）；7、尽可能避免形成过深的型腔。,4.3.2 压铸件浇注系统的设计,（1）不同类型压铸机上的浇注
2、系统结构 类型不同的压铸机上有压射系统的不同布置方案，因此引起了浇注系统的不同。,（2）直浇道的设计A 典型的立式冷压室压铸机上的直浇道喷嘴+浇口套+定型上的相应孔洞B 卧式冷压室压铸机上的压铸件上的浇注系统的直浇道与压射余料合二为一。在定型上作为压室的延长段用专门的浇口套形成。所以直浇道的直径与压室的直径相同。C 热压室压铸机用的直浇道其中心孔由分流锥形成，较长。,（3）内浇口的设计 设计压铸件浇注系统时很重要的一点是选择内浇口的设置点，即选择铸件上金属液的流入处。一般在大多数压铸型中，内浇口都设置在分型面上。,4.4 压铸型设计,压铸型是实现压铸的主要工艺装备，它的设计质量和制造质量与铸件
3、的形状精度、表面质量和内部质量以及生产操作的顺利程度有直接的关系，更为重要的是，压铸型制造好以后，在修改的可能性已不大了，其价格很高，制造周期长，所以在压铸型设计时必须细致分析铸件的结构和工作性能的要求，充分考虑生产现场的操作过程和工艺参数可实施的程度，才能设计出结构合理、切合实际并能满足生产要求的压铸型。,4.4.1 压铸型的总体结构,型架部分成形部分浇注系统抽芯机构是阻碍铸件冲压铸型内取出的成型部分,都必须作成活动的型芯或型块,在开型前或开型后自铸件中取出.抽出活动型芯的机构称为抽芯机构顶出铸件机构顶出机构的作用是开型过程中将铸件顶出铸型,以便取出铸件排溢系统导向零件包括导柱和导套,在其闭
4、合后构成型腔(有时还要和型芯一起构成型腔)铸型冷却加热系统,4.4.2 型架部分设计,设计型架部分时，主要根据动型压板和装镶块的套版工作时受力情况设计它们的厚度，而其他部分的尺寸和形状结构则由它们上面设置的其他零件而定。,4.4.3 成形部分设计,压铸件的形状主要由型腔和型芯决定。型芯有固定型芯和活动型芯两种。固定型芯垂直于分型面，它不妨碍铸件自型中取出，其工作表面应有铸造斜度，装在动型上型芯表面的斜度可作得比固定在定型上的小，使得开型是铸件易于停留在动型上。,4.4.4 抽芯机构设计,当压铸型上有活动型芯时，型芯在合型后的就位和开型后自铸件中的抽出都需要由抽芯机构执行。根据驱动抽芯机构的动力
5、，可把抽芯机构分为利用压铸机的开合型力的机动机构和利用专门液压缸的液动机构两种。少数场合，当铸件生产批量较小，只能应用简易的压铸型生产小铸件时，也有采用手动抽芯机构的。,4.4.5 顶出铸件机构设计,由于铸件与铸型间的接触较为紧密，为了从铸型中取出铸件时防止因用力的不均匀而引起的铸件变形，以及提高压铸操作的生产率，所以在压铸型上一般都有顶出铸件的机构。自压铸型中顶出铸件的元件为顶杆、顶管和顶板三种，它们与导柱、复位杆用顶杆压板和顶杆固定板固定在一起。,4.4.6 排溢系统设计,压力铸造金属液充型时要求型腔中的气体和混有较多气泡和氧化碎渣的金属浆液派出型腔之外，以保证铸件的内部质量，故需要在压铸
6、型上设置排溢系统。（1）压铸型排气 压铸型的排气可利用分型面间隙、格零件间的配合间隙（如顶杆、型芯与镶块上相应孔洞间的配合间隙）排气，但这些间隙太小，不能满足快速压射时的型腔排气要求，一般都必须在一个半型（动型或定型）的分型面上设置排气槽。排气槽的深度比金属型铸型上的要小得多。（2）压铸型的溢流槽 溢流槽是压铸型排溢系统中的溢流元件，它设置在铸型一个半型（动型或定型）的分型面上，沿型腔的边缘，与型腔之间有溢流口相连，一般在溢流槽的外侧还有排气槽。,5.挤压铸造,定义：挤压铸造(又称液态模锻),作为一种实现锻铸相结合,净成形的先进工艺技术，是指液态或半液态金属在压力作用下以合理的速度充填模腔并在
7、高压下快速凝固成型的方法.Squeeze Casting/Squeeze-casting/Extrusion Casting液态模锻(Liquid Forging)是介于铸、锻之间的一种少无切削工艺技术。其基本原理是：浇入到模具内的液态或半固态金属在较高的压力下成型、凝固并伴有微量的塑性变形组织。,挤压铸造工艺是1937 年由前苏联发明的,它在二次大战期间为军品有色金属件的紧急生产曾发挥重要作用,并已形成较大产业规模。在20 世纪五六十年代,先后传入我国和世界各地 20 世纪80年代,日本宇部公司开发成功HVSC 和VSC 系列挤压铸造机。目前,宇部挤压铸造机已销售307 台,最大设备合模力3
8、 500 t,日本丰田公司的轮毂生产厂拥有14 VSC1500-VSC1800 挤压铸造设备,已形成年产400 多万只高档汽车铝轮的生产能力。该公司还拥有年产120 万只复合材料活塞的生产厂,并已在23 种车辆得到使用。此外,日本的日产汽车、马自达、Art、U-mold 和Tosei 等公司及美国SPX、Amcast 等大公司也拥有挤压铸造生产厂或车间。,在中国,挤压铸造是从20 世纪六七十年代开始发展的。首先是在部分军工产品,气密性仪表铝件、铝活塞、阀体、铜轴瓦等得到应用。20 世纪九十年代,随我国摩托车行业发展,使挤压铸造产业得到了一个飞跃。仅摩托车铝轮毂已形成年产300 万只的能力。当前
9、,国内有100 多台设备在工作。目前国内外生产的大型受力零件有:重25-50kg 的坦克铝合金负重轮,外廓尺寸为1 200 mm 400 mm 300 mm 的汽车底盘铝横梁。以及大型载重汽车铝轮毂等。,5.1 挤压铸造成形特点,改变合金状态图和某些热物理参数 结晶时体积收缩的纯金属和共晶合金,如铝、镁、锌、钢、铁及Al2Si 等,压力下结晶会使其熔点升高,即增加其过冷度,这有利于合金显微组织的细化。反之,结晶时体积膨胀的金属与共晶合金则会有相反的结果。实际上,压力的变化会导致整个状态图变化,如改变相变点位置、相区范围,甚至相的性质等。以Al2Si 状态图为例,随压力升高,纯铝熔点升高;Al2
10、Si 共晶点向高温和富硅的方向移动,硅在铝中的固溶体即相区扩大,也向高温富硅方向移动。这将对初晶硅的形成,相的强化产生一定的影响。,5.1.1 合金压力下结晶的强化机理,影响合金的宏观晶粒度,细化其显微组织 压力对合金结晶的宏观晶粒度的影响是复杂的,要视其他工艺条件而定。由于压力结晶会改善合金与铸型壁的热交换条件,使生长中的枝晶破碎,以形成新晶核,因此,在工艺选配得当的情况下,压力结晶是可以使合金宏观晶粒细化的。但是工艺不当时,在某些条件下,压力会促进发达柱状晶的形成。由于合金的显微组织(即枝晶间距或胞晶尺寸)与其合金成分及凝固速度有关,因此绝大多数情况下,压力会细化合金的显微组织,对改善合金
11、力学性能是有利的。,阻止气体的析出及气孔的形成 这是由于外部的压力能提高气体在合金中溶解度,并阻止气泡在液态合金中的形核及长所致。这无疑对提高挤压铸件内部质量是至关重要的。,压力补缩及塑性变形的作用 压力补缩是挤压铸造的最主要特征。而为了使凝固中的液态合金受压,外加的机械压力必须使已形成的结晶硬壳不断压缩变形才能实现。因此,挤压铸造过程会使铸件有少量塑性变形。当然这种压力补缩及塑性变形的效果是与铸件形状、挤压方式和工艺参数密切相关的,也是决定铸件合金强化效果的关键所在。,压力增大液态合金的流动性,减少铸件收缩及裂纹倾向挤压铸造时,液态合金是靠压力充型的。因此,挤压铸造对合金本身的铸造流动性的要
12、求不高。压力下凝固可减少合金凝固的铸造收缩率,一般情况下,挤压铸造的收缩率为常规金属型铸造的1/21/3,因而挤压铸造可减少合金的铸造裂纹倾向。因此,挤压铸造对合金本身的铸造性能(即上述的流动性、裂纹倾向等)要求不高。使某些铸造性不好的变形合金也适用于挤压铸造工艺生产。,5.1.2 挤压铸造合金,不同的合金在挤压铸造并经淬火时效处理条件下,均能达到较高的力学性能,过共晶Al2Si 合金 过共晶Al2Si 合金中的初晶Si 属块状硬脆相,它的存在虽提高材料耐磨性,但严重影响切削加工性能和力学性能。因此,初晶硅的细化就成为此类合金最主要的问题。压力下结晶对此类合金会产生如下影响。(1)在一定程度上
13、细化初晶硅颗粒,提高其分布的均匀性,达到一定的变质效果。但此种施压的变质效果仍不如磷变质。因此采用挤压铸造和磷变质的复合工艺可得到更好的细化效果。(2)由于压力下的快速冷却作用,加之压力又使原子扩散减慢,硅结晶延迟,共晶体增多,因此施压对共晶硅也有明显的变质作用。(3)压力可有效抑制此类合金大的缩松倾向,制成组织致密的铸件。,Al合金,高强韧A12Cu 合金研究 华南理工大学研究的代号为HGZL201 合金,其化学成分(质量分数)为4.5%6.0%的Cu,0.2%0.8%的Mn,0.2%0.8%的Mg,并添加有Zr、V、Sc、Ti和B 等,在挤压铸造条件下,具有优良的强韧性。其力学性能明显好于
14、金属型重力铸造,且组织更细密,用挤压铸造工艺,可生产出能取代锻件的高性能铸件。,高力学性能的Al2Si 系合金,华南理工大学研制的大型Al-4.5wt%Cu-0.5wt%Mn铝合金轮毂(外径670mm间接挤压铸造成形工艺),轮毂挤压铸造件断面,轮轴,轮缘,与文献中重力铸造Al-Cu合金相比，轮毂挤压铸造组织致密、晶粒细化。此外，由于压力施加在轮轴上，故轮轴上的晶粒比轮缘更细。,主要是研究了压力对Zn2Al 状态图和对ZA421 和ZA423 等常用亚共晶锌合金组织与性能的影响。加压可使Zn2Al 状态图中的+共晶点向高温富锌方向移动;可细化合金组织,提高合金力学性能。,Zn合金,Mg合金,Mg
15、2Al 系合金材料研究,5.2 挤压铸造工艺,备料、预热,浇注,挤压,出模,5.2.1 主要工艺参数,1、压力 铸型垂直合型挤压铸造时所采用的冲头加压压力值是保证铸件质量的重要参数，一般铸件壁越薄，所需施加的压力越大；铸钢比有色合金铸造时需要的压力大；铸造半固态合金时比铸造液态合金所需要的压力大。有色金属铸型垂直合型挤压铸造时所采用的压力一般应大于50MPa；而挤压铸造钢件时，采用的压力应大于250MPa。,2、浇注后开始加压时间的间隔不应超过15s。,3、挤压时冲头的下压移动速度 挤压充型时冲头下压移动的速度不能太低，以免出现金属液未充满型腔时金属已经不能流动的情况；也不能太快，以防止金属液
16、充型时流动太快，在金属液中产生涡流，卷入气体。一般冲头下压移动速度应使得铸型中金属液的流速小于0.8m/s。铸件壁较厚时，冲头下压速度可慢些，控制在0.1m/s左右；铸件壁较薄时，冲头下压速度可高些，取0.20.4m/s。,4、保压时间 挤压充型后压力的保持时间应坚持到铸件完全凝固为止。一般按铸件的最大壁厚推算保压时间。当壁厚50mm时，铝合金铸件、铸铁件、铸钢件的保压时间可按每mm铸件壁厚需时0.5s推算，而铜合金件则按1.5s/mm推算；当铸件最大壁厚为50100mm时，铜合金铸件仍按1.5s/mm估算，铸铁和铸钢件的保压时间仍按0.5s/mm估算，而铝合金铸件的保压时间则按11.5s/m
17、m估算保压时间。,5、铸型工作温度 铸型在浇注前应先预热，以避免金属进入铸型后，在挤压充型之前，铸型中的金属会由于散热太快，已在型壁上形成较厚的硬壳，而后再挤压过程中被皱折、破碎和卷入铸件中，降低铸件质量。当铸造铝合金时，铸型的预热温度为200 左右；铜合金为250 左右；铸钢时可达400。铸型在工作时的温度不能升得太高，以免铸型寿命被降低，一般不应大于700。,6、金属浇注温度 铸型垂直合型挤压铸造时的金属浇注温度偏低有利（有利于提高铸件内部质量和铸型的工作寿命），常比砂型铸造和金属型铸造低，一般挤压铸造时金属浇注温度比该金属的液相线高50100，但也有采用半固态金属挤压铸造的情况。,7、金
18、属浇注量 铸型垂直合型挤压铸造时，应注意浇入凹型中金属数量正确。如果浇注金属量不准确，将会使铸件出现浇不足（严重不足时），或引起铸件尺寸出现偏差。,8、铸型的润滑 铸件凝固后，冲头应能够顺利自铸件中抽出，铸件与凹型的脱离也同样顺利。为了降低进行上述操作时铸件与型壁之间的摩擦阻力，在浇注和进行挤压成型之前，须对铸型和冲头的工作表面刷涂润滑剂。对润滑剂的要求与对压力铸造用涂料的要求相同。,5.2.2 主要设计要素,5.2.3 挤压铸件的热处理技术,一般情况下,只要工艺、工装设置合理,挤压铸件是可以进行固溶热处理(T6)的,但在实际生产中,尤其是间接挤压铸件在固溶处理时往往会出现“起泡”缺陷,使热处
19、理无法进行,20世纪90年代中后期造成我国挤压铸造摩托车铝轮产量急剧下滑,与当时热处理技术未过关也是重要原因之一。,为控制热处理“起泡”缺陷,即尽量减少气体及夹渣卷入液态金属中,要采取如下措施。,(1)须严格控制液态金属的充型速度(浇口速度),一般情况下,要控制在0.8 m/s以下。对直接挤压铸造,此由挤压冲头速度来控制,一般在0.10.4 m/s之间,间接挤压铸造由浇口速度,或铸件最窄处速度来测算,一般控制在0.51.0 m/s之间。,(2)应使用水剂涂料,要禁止用油剂或腊基涂料,而且浇注前,一定要将料缸,型腔中的水气吹干。,(3)要解决好模具的集渣,排气问题,对挤压铸造模具,一般是采用模具
20、的配合间隙,排气槽,集渣包,顶杆等进行排气,对于形状复杂又要求严格的铸件,有的还需使用排气块、排气阀,甚至真空等方法排气。,(4)在模具的进料系统及内浇道设计时,要尽量减少液态金属流对型态和模腔壁的正面冲击,使液态金属的浮渣和已凝固的硬壳尽量挡在料缸内,形成料饼或进入渣包中,并使型腔中气体能顺利排出。,5.3 挤压铸造设备,早期的挤压铸造多用直接挤压铸造形式,所使用设备为磨擦压力机,后改用通用油压机,并在此基础上调整性能参数增加双动、侧压功能,发展成普通型的挤压铸造机,到上世纪80年代后,随着下顶式间接挤压铸造方式应用的增多,日本宇部公司逐渐开发成功VSC和HVSC系列挤压铸造设备(见图4、图
21、5)以后,使挤压铸造机水平有一个大的飞跃,使国际挤压铸造产业也有一个大的发展。,日本宇部VSC立式挤压铸造机,日本宇部HVSC卧式挤压铸造机,20世纪90年代以后,挤压铸造机呈现多方向发展的趋势。其一,随着计算机控制系统及铝液自动输送等技术的发展,出现了更新型的挤压铸造机,东芝公司DXV立式机和DHXV卧式机(见图6)即为其中代表。其二,随着实时控制系统的开发成功,使传统的卧式压铸机也可以实现挤压铸造生产,率先开发此项技术的是瑞士布勒公司。随后美国、欧洲等多家公司也在压铸机上实现了挤压铸造。其三,随着半固态铸造技术日趋产业化,一些适应半固态挤压铸造的设备相应发展起来。其中,宇部公司开发的NRC
22、半固态铸造设备系列,即为一种适于铝合金、镁合金半固态挤压铸造设备。,日本东芝DHXV350CL2T型卧式挤压铸造机,6.离心铸造,定义：离心铸造是将液体金属浇入旋转的铸型中，使液体金属在离心力的作用下充填铸型和凝固形成的一种铸造方法。Centrifugal Casting,离心铸造的第一个专利是1809年由英国人艾尔恰尔特（Erchardt）获得的，当时他不仅获得卧式离心铸造，还有立式离心铸造的专利。人们最初主要把精力集中于用离心铸造方法生产当时城镇建设所需的铁管。我国在20世纪的30年代也开始用离心铸造法生产铁管。现在离心铸造已成为被广泛应用的铸造法，尤其在套、管、筒铸件的大量、成批生产中，
23、几乎都采用离心铸造法。,离心铸造既是传统、又是一种现代的铸造方法。我国铸件的年产量在1500万t左右，而其中约有220万t是用离心铸造方法生产的，占15。其中球墨铸铁管125万t，灰铸铁管50万t，内燃机缸套35万t，各种轧辊5万t。随着人民生活水平的提高，国家在城镇化建设、西气东输、南水北调等项目上的大力投资，以及汽车作为支柱产业的兴起，预计到2010年，用离心铸造生产的铸件，每年可达到320万t以上。不言而喻，在生产铸件的各种方法中离心铸造方法将仅次于砂型的铸造方法，具有举足轻重的地位。,离心铸件的最小内经可达8mm，最大直径3m，铸件最大长度达8m，铸件质量从几克到10多吨。适用合金主要
24、是钢铁合金。,离心铸造的特点是金属液在离心力作用下充型和凝固，金属补缩效果好，铸件组织致密，机械性能好；铸造空心铸件不需浇冒口，金属利用率可大大提高。因此对某些特定形状的铸件来说，离心铸造是一种节省材料、节省能耗、高效益的工艺，但须特别注意采取有效的安全措施。,离心力(Centrifugal force)就是物体作圆周运动而产生向心力的反作用力，比如洗衣机的脱水桶就是使用离心运动的原理。F=ma=m 2r 这里a是向心加速度，a=2r，是角速度，r是半径；m是物体质量。离心力是在两种条件下产生的，是由物体的惯性运动力和中心束缚力交织在一起产生的，摆脱中心束缚力的物质便离心而去。,6.1 离心铸
25、造成型特点,由于离心铸造时液体金属是在旋转情况下充填铸型并凝固的，因而离心铸造便具有如下特点：（1）液体金属能在铸型中形成中空的圆柱形自由表面，这样便可不用型芯就能铸出中空铸件，大大简化了套筒、管类铸件的生产过程；（2）由于旋转式液体金属所产生的离心力作用，离心铸造工艺可提高金属冲填铸型的能力，因此一些流动性较差的合金和薄壁铸件都可用离心铸造生产；（3）由于离心力的作用，改善了补缩条件，气体和非金属夹杂也易于自液体金属中排出，因此离心铸件的组织较致密，缩孔（缩松）、气孔、夹杂等缺陷较少；（4）消除或大大节省浇注系统和冒口方面的金属消耗；（5）铸件易产生偏析，铸件内表面较粗糙。内表面尺寸不易控制
26、。,6.2 离心铸造工艺特征,1)离心铸型转速的选择 选择离心铸型的转速时，主要应考虑两个问题：(1)离心铸型的转速起码应保证液体金属在进入铸型后立刻能形成圆筒彩，绕轴线旋转；(2)充分利用离心力的作用，保证得到良好的铸件内部质量，避免铸件内产生缩孔、缩松、夹杂和气孔。采用砂型离心铸造时，也要注意忽使液体金属对型壁具有太大的离心压力而引起铸件粘砂胀砂等的缺陷。,2)离心铸造用铸型离心铸造时使用的铸型有两大类，即金属型和非金属型。非金属型可为砂型、壳型、熔模壳型等。由于金属型在大量生产、成批生产时具有一系列的优点，所以在离心铸造时广泛地采用金属型。卧式悬臂离心铸造机上的金属型按其主体的结构特点可
27、分为单层金属型和双层金属型两种。在单层金属型中，型壁由一层组成，单层金属型结构简单，操作方便，但它损坏后需要制作新的铸型才能开始生产，在此铸型中只能浇注单一外径尺寸的铸件。而在双层金属型中，型壁由两层组成，铸件在内型表面成形。双层金属型结构虽复杂性，但只要改变内型的工作表面尺寸就可浇注多种外径尺寸的离心铸件。长期工作后，只需更换结构较简单的内型就可把旧铸型当作新的铸型使用。,3)涂料金属型离心铸造时，常需在金属型的工作表面喷刷涂料。对离心铸造金属型用涂料的要求与一般金属型铸造时相同。为防止铸件与金属型粘合和铸铁件产生白口，在离心金属型上的涂料层有时较厚。离心铸造用涂料大多用水作载体。有时也用于
28、态涂料，如石墨粉，以使铸件能较易地自型中取出。喷刷涂料时应注意控制金属型的温度。在生产大型铸件时，如果铸型本身的热量不足以把涂料洪干，可以把铸型放在加热炉中加热，并保持铸型的工作温度，等待浇注。生产小型铸件时，尤其是采用悬臂离心铸造机生产时，希望尽可能利用铸型本身的热量洪干涂料，等待浇注。,4)浇注离心铸造时，浇注工艺有其本身的特点，首先由于铸件的内表面是自由表面，而铸件厚度的控制全由所浇注液体金属的数量决定，故离心铸造浇注时，对所浇注金属的定量要求较高。此外由于浇注是在铸型旋转情况下进行的为了尽可能地消除金属飞溅的现象，要很好控制金属进入铸型时的方向。液体金属的定量有重量法、容积法和定自由表面高度(液体金属厚度)法等。容积法用一定体积的浇包控制所浇注液体金属的数量，此法较简便，但受金属的温度，熔渣等影响，定量不太准确，在生产中用的较多。为尽可能地消除浇注时金属的飞溅现象，要控制好液体金属进入铸型时的流动方向。,6.3 离心铸造机,根据铸型旋转轴在空间位置的不同，常用的有立式离心铸造机和卧式离心铸造机两种类型。,卧式离心铸造机的铸型是绕水平轴旋转的，它主要用来生产长度大于直径的套类和管类铸件。,立式离心铸造机上的铸型是绕垂直轴旋转的，它主要用来生产高度小于直径的圆环类铸件，有时也可用此种离心铸造机浇注异形铸件。,
