模具壓鑄論文

1、壓鑄成型工藝與模具設(shè)計課程論文學 生 姓 名：張勝軍學 號：20114024330所 在 學 院：工程學院專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化中國大慶2014年 06鎂合金壓鑄模具發(fā)展現(xiàn)狀 張勝軍（工程學院 設(shè)計113班）摘要：本文針對鎂合金壓鑄模具發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了作者的觀點。通過對壓鑄鎂合金其高溫、延展以及耐腐蝕的研究，分析其使用性能。設(shè)計壓鑄模具并改造壓鑄方式以及利用新型計算機模擬設(shè)計提高生產(chǎn)效率。關(guān)鍵詞：壓鑄研究；壓鑄方式；壓鑄設(shè)計；應(yīng)用前景。引言鎂合金材料1808年面世， 1886年開始用于工業(yè)生產(chǎn)。鎂合金壓鑄技術(shù)從1916年成功地將鎂合金用于壓鑄件算起，至今也經(jīng)歷了八十余年的發(fā)展。人類在認

2、識和駕馭鎂合金及其制品的生產(chǎn)技術(shù)方面，經(jīng)歷了漫長的探索歷程。從1927年推出高強度MgAl9Zn1開始，鎂合金的工業(yè)應(yīng)用獲得了實質(zhì)性的進展。1936年德國大眾汽車公司開始用壓鑄鎂合金生產(chǎn)“甲殼蟲”汽車的發(fā)動機傳動系統(tǒng)零件，1946年單車使用鎂合金量達18kg左右。美國在19481962年間用熱室壓鑄機生產(chǎn)的汽車用鎂合金壓鑄件達數(shù)百萬件。盡管如此，過去鎂合金作為結(jié)構(gòu)材料主要用于航空領(lǐng)域，在其它領(lǐng)域，世界上鎂的主要用途是生產(chǎn)鋁合金，其次用于鋼的脫硫和球墨鑄鐵生產(chǎn)。1 壓鑄鎂合金的研究鎂合金的密度小于2g/cm3，是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其比強度高于鋁合金和鋼，略低于比強度最高的纖維增強塑料；其比

3、剛度與鋁合金和鋼相當，遠高于纖維增強塑料；其耐腐蝕性比低碳鋼好得多，已超過壓鑄鋁合金A380；其減振性、磁屏蔽性遠優(yōu)于鋁合金；鑒于鎂合金的動力學粘度低，相同流體狀態(tài)下的充型速度遠大于鋁合金，加之鎂合金熔點、比熱容和相變潛熱均比鋁合金低，故其熔化耗能少，凝固速度快，鎂合金實際壓鑄周期可比鋁合金短50%。此外，鎂合金與鐵的親和力小，固溶鐵的能力低，因而不容易粘連模具表面，其所用模具壽命比鋁合金高23倍。常用的壓鑄鎂合金大多是美國牌號AZ91，AM60，AM50，AM20，AS41和AE42，分別屬于Mg-Al-Zn，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Si和Mg-Al-RE四大系列。對于壓鑄鎂合金，目前

4、主要有以下幾個方面的研究：（1） 高溫使用性能：目前AZ及AM兩個系列的鎂合金壓鑄件占汽車用鎂合金壓鑄件的90%，這兩個系列的鎂合金在150以上強度均明顯下降。現(xiàn)已開發(fā)出150以上抗蠕變能力的AS系列壓鑄鎂合金，如AS41A合金，其175蠕變強度優(yōu)于AZ91D和AM60B，且有較高伸長率、屈服強度和抗拉強度。某些微量元素如稀土元素Y、Nd、Sr等，對壓鑄鎂合金具有明顯的晶粒細化作用，可提高壓鑄鎂合金的強度和抗蠕變能力，加之稀土元素成本高，使生產(chǎn)和應(yīng)用受到一定限制。（2） 延展性：目前，鎂合金壓鑄件在需要安全及高斷裂韌性的用途上增長非常迅速。在工作情況下要提高吸收能量的能力，就應(yīng)提高材料的斷裂韌

5、性。通過在合金中減少鋁，可以做到這點。另外，斷裂延伸率與溫度關(guān)系也是相當密切的，尤其是在約50以上時，隨溫度的增加而增加。（3） 鎂合金的耐蝕性：耐蝕性也曾是鎂合金擴大應(yīng)用的一大障礙。鎂的化學活性高，以鎂為基的合金和復(fù)合材料易發(fā)生微電池腐蝕，一般低純度壓鑄鎂合金的耐蝕性差。調(diào)整化學成分、表面處理和控制微觀組織等均可改善其耐蝕性。盡管提高鎂合金件耐蝕性的方法眾多，但若不從材質(zhì)本身解決問題，耐蝕性始終是鎂合金件獲得大量應(yīng)用的一個技術(shù)障礙。（4） 阻燃鎂合金：在鎂合金中添加Al、Be合金或含Ca合金，也可有效地防止鎂合金液的氧化。目前，一些研究者正在從事具有阻燃性能鎂合金的研究，這一研究一旦獲得成功

6、，則鎂合金就像鋁合金一樣熔煉和鑄造，獲得更為廣泛的應(yīng)用前景。（5） 鎂合金基復(fù)合材料：用碳化硅等顆粒增強的鎂合金基復(fù)合材料已進行了多年的研究開發(fā)，目前雖尚未達到在壓鑄領(lǐng)域商業(yè)應(yīng)用的階段，但已用砂型鑄造、精密鑄造等方法制成了葉輪、自行車曲柄、汽車缸套等鑄件，并有將這種復(fù)合材料與半固態(tài)鑄造相結(jié)合，應(yīng)用于壓鑄和擠壓鑄造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。2 鎂合金壓鑄方式鎂合金可用冷室或熱室壓鑄機壓鑄。目前對熱室壓鑄機的改進主要包括：采用儲能器增壓，壓射柱塞的壓射速度可達6m/s；感應(yīng)加熱鵝頸管和噴嘴，使之保持最適宜溫度；采用雙爐熔化保溫，并采用絕熱裝置和再循環(huán)管道，精確保持熔池溫度。當用普通冷室壓鑄機壓鑄鎂合金時，必

7、須對壓鑄機的壓射系統(tǒng)和自動給料系統(tǒng)進行必要的改造，使之適用于鎂合金壓鑄的要求。改造的內(nèi)容包括：（1） 將壓射系統(tǒng)的快壓射速度由壓鑄鋁合金時的45m/s提高到610m/s；（2） 縮短增壓過程的建壓時間；（3） 提高壓射力；（4） 采用電磁自動定量給料裝置，防止鎂合金在澆注過程中氧化；（5） 如采用真空壓鑄等特種壓鑄工藝時，配置必要的配套設(shè)備。與其他壓鑄合金一樣，傳統(tǒng)的壓鑄技術(shù)使鎂合金液以高速的紊流和彌散狀態(tài)充填壓鑄型腔，氣體在高壓下或者溶解在壓鑄合金內(nèi)，或者形成許多彌散分布在壓鑄件內(nèi)的高壓微氣孔。因此用傳統(tǒng)壓鑄方法生產(chǎn)的鎂合金壓鑄件不能進行熱處理強化，也不能在較高溫度下使用。為了消除這種缺陷，

8、提高壓鑄件的內(nèi)在質(zhì)量，擴大壓鑄件的應(yīng)用范圍，近20年來研究開發(fā)了一些新的壓鑄方法，其中包括充氧壓鑄，半固態(tài)金屬流變或觸變壓鑄和擠壓鑄造，以及幾經(jīng)起伏的真空壓鑄等。真空壓鑄通過在壓鑄過程中抽除型腔內(nèi)的氣體而消除或顯著減少壓鑄件內(nèi)的氣孔和溶解氣體，提高壓鑄件的力學性能和表面質(zhì)量。目前已成功地在冷室壓鑄機上用真空壓鑄法生產(chǎn)出AM60B鎂合金汽車輪轂，在鎖型力為2940kN的熱室壓鑄機上生產(chǎn)出AM60B鎂合金汽車方向盤零件，鑄件伸長率由8%提高至16%。充氧壓鑄又稱無氣孔壓鑄（即PF法）。該法在金屬液充型前，將氧氣或其他活性氣體充入型腔，置換型腔內(nèi)的空氣，金屬液充型時，活性氣體與充型金屬液反應(yīng)生成金屬

9、氧化物微粒彌散分布在壓鑄件內(nèi)，從而消除壓鑄件內(nèi)的氣體，使壓鑄件可熱處理強化。近年來美國、日本和英國等國的公司相繼成功開發(fā)出鎂合金半固態(tài)觸變射壓鑄造機。鎂合金半固態(tài)觸變射壓鑄造機以一定壓力將半固態(tài)鎂合金射入壓鑄型內(nèi)而使之成形，其工作原理類似于注塑機。它將預(yù)制的非枝晶態(tài)鎂粒送入螺旋給料機構(gòu)，在螺旋給料機構(gòu)中將鎂粒加熱到半固態(tài)，并通過螺旋給料機構(gòu)另一端的鎂合金漿料收集室將半固態(tài)鎂合金漿料送入壓射室進行射壓成形。這種鑄造成形方法代表了鎂合金鑄件生產(chǎn)的一個發(fā)展方向。3 鎂合金熔煉作業(yè)與安全生產(chǎn) 由于鎂合金液很容易氧化，而且表面生成的氧化膜是疏松的，其致密系數(shù)值僅為079，不能防止合金繼續(xù)氧化。鎂合金液與

10、大氣中氧、水蒸氣、氮反應(yīng)生成不熔于鎂熔液的難熔的MgO、Mg3N2等化合物，混入鑄型后即形成“氧化夾渣”。因此，熔煉合金時防氧化至關(guān)重要。鎂合金的熔體保護主要有兩種方法，即熔劑保護和氣體保護。用保護熔劑熔煉通常會帶來以下問題：（1） 氯鹽和氟鹽高溫下易揮發(fā)產(chǎn)生有毒氣體，如HCl，Cl2，HF等；（2） 由于熔劑的密度較大，部分熔劑會隨同鎂熔液混入鑄型造成“熔劑夾渣”；（3）熔劑揮發(fā)產(chǎn)生的氣體有可能滲入合金液中，成為材料使用過程中的腐蝕源，加速材料腐蝕，降低使用壽命。4 壓鑄型設(shè)計由于鎂合金的化學、物理參數(shù)及壓鑄特性與鋁合金有很大差異，因此鑄型設(shè)計則不能完全套用鋁合金壓鑄型設(shè)計原則8。鎂合金液易

11、氧化燃燒，鑄造時熱裂傾向比鋁合金大，在熔化、澆注及壓鑄型溫控制等方面都比鋁合金壓鑄復(fù)雜。鎂合金充型時間短，排氣問題尤為突出，鎂合金的比熱容和相變潛熱均比鋁合金低，因而壓鑄過程中容易發(fā)生局部（薄截面部位）提前結(jié)晶現(xiàn)象，導(dǎo)致補縮通道堵塞，產(chǎn)生澆不足的缺陷。鎂合金壓鑄型設(shè)計主要考慮以下幾個方面：（1） 壓鑄機選擇。采用何種形式的壓鑄機進行生產(chǎn)主要取決于鑄件的壁厚。Roland Fink在對“鎂合金壓鑄工藝的優(yōu)化”問題進行研究的過程中，通過對鎂合金壓鑄經(jīng)濟性、冷室壓鑄和熱室壓鑄過程分析提出，一般情況下小于1kg的鑄件需要采用熱室壓鑄機，以保證薄壁件的充滿，大件則推薦采用冷室壓鑄機。（2） 工藝參數(shù)。在

12、壓鑄生產(chǎn)過程中，選擇合適的工藝參數(shù)是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件發(fā)揮壓鑄機最大生產(chǎn)率的先決條件，是正確設(shè)計壓鑄模的依據(jù)。壓鑄時，影響合金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等。由于壓鑄件壁厚和復(fù)雜程度的不同，工藝參數(shù)選擇的變化范圍很大。鎂合金同鋁、鋅合金相比，流動性更好，因此二級壓射速度可以更大，鎂合金的沖頭速度比鋁合金快約30%，最大甚至超過10m/s。由于鎂合金鑄造性能如流動性對型溫和澆注溫度相當敏感，在充型過程中鎂合金液極易凝固，必須精確控制型溫和澆注溫度，否則就易出廢品。（3） 澆注系統(tǒng)設(shè)計。澆注系統(tǒng)對金屬液流動的方向、排氣溢流條件、模具的溫度分布、壓力的傳遞、充

13、填時間的長短及金屬液通過澆道處的速度和流動狀態(tài)等各個方面，起著重要的控制與調(diào)節(jié)作用。澆注系統(tǒng)設(shè)計總結(jié)如下：內(nèi)澆道位置：由于鎂合金在型腔中比鋁、鋅等合金凝固都要快，并且一般鎂合金壓鑄件為薄壁零件，因此內(nèi)澆道位置的選擇必須盡量避免直接沖擊型腔表面，保證金屬液在型腔中的流動路徑最短，以防止出現(xiàn)澆不足和冷隔現(xiàn)象。充型速度：一般說來，由于鎂合金的熱力學特性，合金向模具的熱傳遞速度很快，而且凝固區(qū)間大，流動性較差，因此為避免澆道鎂液過早凝固，應(yīng)使鎂液高速平穩(wěn)地充入型腔9。一般內(nèi)澆道流速為90100m/s，對于有些薄壁鎂合金壓鑄件來說，內(nèi)澆道速度甚至高達20m/s。內(nèi)澆道尺寸：在許多情況下，內(nèi)澆道通過機加工

14、去掉。內(nèi)澆道寬度應(yīng)該小于壁厚的50%，以避免修邊過程中對鑄件造成損傷。為了獲得最小的內(nèi)澆道厚度，同時保證鎂壓鑄件薄壁的要求，內(nèi)澆道寬度應(yīng)該盡量取大以保證合適的內(nèi)澆道截面積。充填時間：它與內(nèi)澆道速度緊密相關(guān)，對于表面質(zhì)量要求高的薄壁鑄件影響很大。充填時間較鋁合金少0%，通常取為10100ms。溢流槽設(shè)計對于薄壁鎂合金壓鑄件，最佳的溢流槽入口面積約為內(nèi)澆道截面積的20%25%。5 充型過程的研究計算機模擬隨著鎂合金鑄件的應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣大，對壓鑄鎂合金的充型性能提出了更高的要求。而目前對壓鑄鎂合金的充型規(guī)律、充型性能與壓鑄工藝參數(shù)的關(guān)系、充型臨界壁厚等了解甚少，因此，亟需進行系統(tǒng)研究。為此，應(yīng)大力開

15、展鎂合金充型及凝固過程的計算機模擬研究，并在此基礎(chǔ)上形成專家系統(tǒng)，以指導(dǎo)壓鑄工藝的制定、壓鑄型設(shè)計、壓鑄件質(zhì)量控制，提高鎂合金壓鑄件的合格率及壓鑄型的使用壽命。數(shù)值模擬軟件在汽車鎂壓鑄件中應(yīng)用最為普遍，德國的一些汽車行業(yè)已經(jīng)成功地模擬了座椅架、觸變成型燃油泵、奧迪5倍速變速箱、車輪、4缸發(fā)動機缸體等汽車用鎂合金壓鑄件，有效地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，極大增強了企業(yè)市場競爭能力。6 在汽車工業(yè)中的應(yīng)用前景據(jù)文獻報道，現(xiàn)在世界工程構(gòu)件鎂合金需求的98%來自于壓鑄行業(yè)，而其中的70%以上又用于汽車工業(yè)，因此鎂合金的壓鑄工藝性能對其在工業(yè)中應(yīng)用的發(fā)展起著決定性的作用。近年來，人類對汽車提出了進一步減輕重量、

16、降低燃耗和排放、提高駕駛安全性和舒適性的要求，由于鎂比鋼材輕75%，用鎂合金壓鑄件取代鋼件可使轎車單重減少10%，而車體重量每減少100kg則百公里油耗可減少0.7，因此汽車用鎂合金壓鑄件產(chǎn)量在工業(yè)發(fā)達國家出現(xiàn)了持續(xù)快速增長的勢頭。福特汽車公司的目標是力爭幾年后中型車百公里油耗少到3升。目前，轎車上采用鎂合金的部件有座椅上一些部件、膝墊、轉(zhuǎn)向柱部件、轉(zhuǎn)向盤、制動與離合器踏板托架、安全氣囊限制裝置、踏板托架、轎車音響小的散熱器框架、鏡托架以及可開式車頂?shù)囊恍┎考?；轎車發(fā)動機中的發(fā)動機機體、氣缸蓋、進氣管、油泵殼體、輔助裝置的支架以及電器接線裝置；還有變速箱、離合器殼體、轉(zhuǎn)向盤柱、閥蓋、閥板、車窗、馬達殼體、油濾接頭、進氣歧管、鏡罩、大燈保持架、制動防抱死系統(tǒng)的托架、車輪、油箱門。未來的發(fā)展中，在一些大型壓鑄件上，也將拓展它的應(yīng)用，如車頂、發(fā)動機蓋、后艙蓋、內(nèi)門板框架、儀表板等。其它的如需要安全及高斷裂韌性的零部件，也將是鎂合金拓展應(yīng)用的領(lǐng)域，如座椅框架、轉(zhuǎn)向柱、車身保護板、發(fā)動機前的散熱器格柵加強板及一些車身結(jié)構(gòu)支撐件。目前，我國汽車上使用鎂合金壓鑄件只有桑塔納轎