《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(guó)古代輝煌鑄造史我國(guó)早在三千多年以前就用泥范(泥型)來(lái)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(huì)經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)5.5M，重達(dá)50T。明朝永樂(lè)年間鑄造的永樂(lè)青銅大鐘重達(dá)40從70年代開(kāi)始，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等現(xiàn)代科技的發(fā)展，數(shù)控壓鑄機(jī)、計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的出現(xiàn)，標(biāo)志著壓鑄成型生產(chǎn)開(kāi)始從經(jīng)驗(yàn)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(dòng)化程度及勞動(dòng)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(jī)的壓室中，金屬液在運(yùn)動(dòng)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(guò)程是由壓鑄機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖4-1所示。壓鑄機(jī)分熱壓室壓鑄機(jī)和冷壓室壓鑄機(jī)兩大類(lèi)。圖4-1壓鑄機(jī)（1）熱壓室壓鑄機(jī)工作的基本原理熱壓室壓鑄機(jī)的壓室通常浸沒(méi)在坩堝的金屬液中，如圖4-2（a）所示。壓鑄過(guò)程中，金屬液在壓射沖頭上升時(shí)通過(guò)進(jìn)口進(jìn)入壓室；壓射沖頭下壓時(shí)，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(shí)開(kāi)模取出鑄件，完成一個(gè)壓鑄循環(huán),如圖4-2（b）所示。圖4-2(a)熱壓室壓鑄機(jī)1-動(dòng)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(jī)壓鑄原理圖（2）冷壓室壓鑄機(jī)工作的基本原理冷壓室壓鑄機(jī)的壓室與保溫坩堝是分開(kāi)的，如圖4-3（a）所示。壓鑄時(shí)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(duì)位置不同，冷壓室壓鑄機(jī)又可分為立式、臥式、全立式三種。其壓鑄過(guò)程分別為立式冷壓室壓鑄機(jī)，如圖4-3（b1）所示；臥式冷壓室壓鑄機(jī)，如圖4-3（b2）所示；全立式冷壓室壓鑄機(jī)，如圖4-3（b3）所示。圖4-3（a）冷壓室壓鑄機(jī)（a）合模加料（b）壓鑄（c）推出余料（d）開(kāi)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(dòng)模9-壓鑄件10-定模圖4-3（b1）立式冷壓室壓鑄機(jī)壓鑄原理圖（a）合模（b）壓鑄（c）開(kāi)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(dòng)模8-金屬液圖4-3（b2）臥式冷壓室壓鑄機(jī)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(jī)壓鑄原理圖3.壓鑄工藝特點(diǎn)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(guò)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(diǎn)。（1）壓鑄工藝特點(diǎn)與其他金屬成型工藝相比，壓鑄的特點(diǎn)為：1)生產(chǎn)率極高，生產(chǎn)過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。一般冷壓室壓鑄機(jī)每八小時(shí)可壓鑄600～700次，熱壓室壓鑄機(jī)每八小時(shí)可壓鑄3000～7000次。而且一幅壓鑄模中的型腔往往不止一個(gè)，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(jí)，有時(shí)可達(dá)IT9級(jí)。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(duì)少數(shù)幾個(gè)尺寸部位進(jìn)行機(jī)械加工，有的零件甚至于不需機(jī)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(qiáng)度和硬度。由于壓鑄時(shí)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(qiáng)度和硬度較高，堅(jiān)實(shí)耐磨。當(dāng)壓鑄件壁厚適當(dāng)且均勻時(shí)，其強(qiáng)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?yàn)榻饘僖涸诟邏合履鼙３指叩牧鲃?dòng)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(jiǎn)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(jiǎn)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(shí)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(jī)械加工，以免鑄件表層下的氣孔露出來(lái)。7)壓鑄機(jī)的壓室和壓鑄模型腔的材料限制了壓鑄合金的種類(lèi)。高熔點(diǎn)的黑色金屬因其壓鑄模使用壽命短而目前難以在實(shí)際生產(chǎn)中壓鑄。在同一種合金中，又有牌號(hào)限制，這是因?yàn)閴鸿T過(guò)程的特點(diǎn)，如激冷、收縮應(yīng)力、成型時(shí)的充填條件等造成的。8)壓鑄件的尺寸受壓鑄機(jī)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(jī)有所發(fā)展，大型零件的壓鑄問(wèn)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(jī)價(jià)格高，壓鑄模制造費(fèi)用高、工時(shí)長(zhǎng)、維修費(fèi)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(guó)外，鋅合金鑄件大部分為壓鑄件，銅合金(黃銅)鑄件僅占?jí)鸿T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(diǎn)零幾平方厘米到數(shù)千平方厘米?，F(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)部門(mén)如汽車(chē)、摩托車(chē)、拖拉機(jī)、航空、農(nóng)業(yè)機(jī)械、儀器、儀表、日常用品等方面無(wú)不用到壓鑄件。發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、日本、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)的壓鑄件生產(chǎn)主要是在汽車(chē)制造業(yè)的促進(jìn)下發(fā)展起來(lái)的。目前，我國(guó)壓鑄生產(chǎn)從壓鑄機(jī)質(zhì)量和先進(jìn)技術(shù)的綜合水平以及生產(chǎn)效率來(lái)看，與壓鑄生產(chǎn)先進(jìn)國(guó)家相比還有一定的距離，不過(guò)隨著汽車(chē)、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(gè)大發(fā)展。今后發(fā)展的主要趨勢(shì)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(wèn)題。2)鎂合金是近幾年國(guó)際比較關(guān)注的合金材料。對(duì)鎂合金研究開(kāi)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(jì)算機(jī)在壓鑄中的應(yīng)用是提高壓鑄技術(shù)水平的重要途徑。計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)模擬研究由高壓鑄造轉(zhuǎn)向半固態(tài)壓鑄過(guò)程；低壓鑄造過(guò)程的充型模擬研究；利用CAD進(jìn)行壓鑄模具設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)精度；開(kāi)發(fā)具有壓鑄模澆注系統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)軟件等。4)研究開(kāi)發(fā)新型壓鑄機(jī)，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(pán)類(lèi)——表蓋、機(jī)蓋、底盤(pán)等。(2)圓環(huán)類(lèi)——接插件、軸承保持器、方向盤(pán)等。(3)筒體類(lèi)——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(jī)殼與蓋、化油器等。(4)多孔缸體、殼體類(lèi)——?dú)飧左w、氣缸蓋及油泵體等多腔的復(fù)雜殼體。(5)特殊形狀類(lèi)——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(diǎn)壓鑄合金、壓鑄模、壓鑄機(jī)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(jì)合理、制造精確，壓鑄機(jī)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(chǎng)合。（1）鋅合金壓鑄特點(diǎn)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(jī)械和加工性能。鋅合金有較高的抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，沖擊韌性和硬度，較好的伸長(zhǎng)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(jī)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，壓鑄時(shí)金屬液溫度在420度左右，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)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(chē)化油器、鎖具、齒輪、框架；作為結(jié)構(gòu)零件：要求對(duì)機(jī)械強(qiáng)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(jī)外殼、金屬扣、衛(wèi)浴配件等。對(duì)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(diǎn)及性能1）鋁是很輕的金屬，可以用來(lái)制造各種要求減輕質(zhì)量的零部件，如汽車(chē)、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(qiáng)度和良好的塑性，可以加工成各形狀。5）產(chǎn)品應(yīng)用。汽車(chē)、摩托車(chē)配件領(lǐng)域。重量輕、導(dǎo)熱性能好、高強(qiáng)度、良好的塑性；汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、化油器殼體、齒輪泵、汽車(chē)底盤(pán)、剎車(chē)踏板等；電鉆外殼、電機(jī)轉(zhuǎn)子、保護(hù)罩；電子，電器配件：手機(jī)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(jī)這三個(gè)壓鑄生產(chǎn)要素有機(jī)組合和運(yùn)用的過(guò)程。壓鑄時(shí)，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(shí)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(gè)因素會(huì)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(guò)程中，速度受壓力的直接影響，又與壓力共同對(duì)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(guò)程中，溫度規(guī)范對(duì)充填成型、凝固過(guò)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(shí)間壓鑄工藝中的時(shí)間是指充填時(shí)間、增壓建壓時(shí)間、持壓時(shí)間和留模時(shí)間。5.壓室充滿度澆入壓室的金屬液量占?jí)菏铱側(cè)萘康某潭确Q(chēng)為壓室的充滿度，通常以百分率計(jì)。壓室充滿度過(guò)小，上部空間過(guò)大，金屬液包卷氣體嚴(yán)重，使鑄件氣孔增加，還會(huì)使合金液在壓室內(nèi)被激冷，對(duì)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(guò)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(yùn)動(dòng)零件的摩擦部位噴涂潤(rùn)滑材料與稀釋劑的混合物，此混合物統(tǒng)稱(chēng)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(wú)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(jì)時(shí)必須對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)工藝性進(jìn)行分析，了解所選用的壓鑄機(jī)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(jì)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(guò)程合模時(shí)，動(dòng)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(guò)模具澆注系統(tǒng)充填型腔；開(kāi)模時(shí)，動(dòng)模與定模分開(kāi)，壓鑄機(jī)上的頂出機(jī)構(gòu)帶動(dòng)模具上的推出機(jī)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(xiāo)；12圓柱銷(xiāo)；13—?jiǎng)幽ｈ倝K；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—?jiǎng)幽Ｌ装澹?4—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—?jiǎng)幽Ｗ鍒D4-5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(dòng)模套板墊塊定模鑲塊動(dòng)模鑲塊斜銷(xiāo)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(jī)壓射機(jī)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(dòng)模：直澆道與壓鑄機(jī)的噴嘴或壓室相連接，固定在壓鑄機(jī)的移動(dòng)模板上，并隨移動(dòng)模板作開(kāi)合模移動(dòng)，如1231-定模2-動(dòng)模3-成型部分圖4-7定模動(dòng)模成型部分（3）成型工作零件：定模鑲塊和動(dòng)模鑲塊合攏后，構(gòu)成型腔的零件稱(chēng)為成型工作零件。包括固定的和活動(dòng)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(kāi)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(jī)構(gòu):是將壓鑄件從模具中推出的機(jī)構(gòu)，如圖4-10所示。圖4-10推出機(jī)構(gòu)（7）側(cè)抽芯機(jī)構(gòu):是抽動(dòng)與開(kāi)合模方向運(yùn)動(dòng)不一致的成形零件的機(jī)構(gòu)在壓鑄件推出前完成抽芯動(dòng)作，如圖4-11所示。圖4-11側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)（8）導(dǎo)向零件:是引導(dǎo)定模和動(dòng)模在開(kāi)模與合模時(shí)可靠地按照一定方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(jī)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(lèi)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(lèi)型2.分型面的選擇原則（1）盡可能使壓鑄機(jī)開(kāi)模后留在動(dòng)模；（2）分型面應(yīng)盡量設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)型芯能順利抽出。（二）壓鑄模設(shè)計(jì)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