壓鑄工藝及壓鑄模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)

壓鑄工藝及壓鑄模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)1壓鑄機(jī)—模具—合金系統(tǒng)壓鑄機(jī)、模具和合金這三個(gè)因素，在壓鑄件生產(chǎn)過程中，它們構(gòu)成了一個(gè)系統(tǒng)，即壓鑄機(jī)-模具—合金系統(tǒng)，它是以壓鑄件為本，工藝貫穿其中，賦予系統(tǒng)活力與效率，而模具則是工藝進(jìn)入系統(tǒng)的平臺。壓鑄機(jī)、模具與合金三者關(guān)系形象地表示如圖1所示。壓鑄機(jī)-模具-合金系統(tǒng)主要表現(xiàn)為：

(1)內(nèi)澆口的位置影響充填金屬熔體的流動方向及狀態(tài)，和充填型腔的質(zhì)量，對模具結(jié)構(gòu)和工藝產(chǎn)生決定性影響，這是關(guān)鍵所在。

(2)選定最佳充型時(shí)間，這是非常重要的一步，影響到充型時(shí)的金屬熔體的體積流量(Q)，也就是充型功率，并據(jù)此計(jì)算內(nèi)澆口尺寸。

(3)選擇排氣、溢流的位置和尺寸，除正常的排氣、排污和溫度平衡外，還可減少沖擊壓力，避免金屬飛濺和產(chǎn)生毛刺。(4)加熱與冷卻，平衡模具溫度，保持工作溫度。2壓鑄工藝與模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

壓鑄時(shí)內(nèi)澆口的位置影響壓鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、質(zhì)量和壓鑄模具設(shè)計(jì)，通過查詢資料可得到正確設(shè)置內(nèi)澆口位置的提示。由于鑄件結(jié)構(gòu)的多樣性，要選擇內(nèi)澆口的正確位置是很困難的，但也有一些基本要求，如普遍認(rèn)為設(shè)置內(nèi)澆口要使充型時(shí)的金屬射流盡可能地以自由射流在型腔中流過較長距離，也就是正確的內(nèi)澆口位置、形狀、尺寸(流向角)配合壓鑄參數(shù)可獲得金屬射流沿型壁不斷有序擴(kuò)展、轉(zhuǎn)向，并連續(xù)不斷地?cái)U(kuò)展至盡頭。型腔的大部分(即主干型腔)由射流充填完成，只有一小部分型腔(即非主干型腔)由金屬熔體支流補(bǔ)充完成或由金屬熔體股流相碰撞完成充填，并通過排溢系統(tǒng)排除殘余。圖2為內(nèi)澆位置與主干型腔示意圖[1]”。同一個(gè)壓鑄件選擇不同的內(nèi)澆口位置和流向角，可以得到不同的主干型腔、非主干型腔和各自占有的面積百分?jǐn)?shù)，圖2中的殼體壓鑄時(shí)，由于內(nèi)澆口的位置不同，得出不同的主干型腔和非主干型腔。圖2a內(nèi)澆口垂直于一側(cè)壁，由于零件頂部的長方孔把兩側(cè)壁分開，結(jié)果是只有一側(cè)為主干型腔；要充填另一側(cè)壁，必須經(jīng)澆道兩端連接處，最后兩股液流匯聚完成填充，這一部分就是非主干型腔。因主干型腔所占面積百分比不高，因此會產(chǎn)生大量廢品，如圖2a1。在圖2b中，內(nèi)澆口位置不作改變，只是把頂部長方孔用等壁厚的工藝筋連接起來，這樣充填時(shí)金屬熔體轉(zhuǎn)向，沿筋板充填另一側(cè)壁，使兩側(cè)壁都成了主干型腔，增大了主干型腔所占百分比，鑄件質(zhì)量也大幅度提高，如圖2b1。在圖2c中，零件與圖2a相同，頂部方孔不加工藝筋，但將內(nèi)澆口設(shè)置在零件一端，這樣金屬熔體從兩側(cè)壁同時(shí)進(jìn)行充填，從而擴(kuò)大了主干型腔百分比，保證了質(zhì)量，提高了合格率。這是同一零件三種內(nèi)澆口設(shè)置方案，證明內(nèi)澆口位置的關(guān)鍵性。

雖然計(jì)算機(jī)技術(shù)有助于選定內(nèi)澆口位置，但計(jì)算機(jī)技術(shù)僅是一種方法，而內(nèi)澆口位置設(shè)計(jì)仍不失為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。3壓鑄工藝要點(diǎn)3.1

pQ2圖和壓鑄機(jī)的泵功率3.1.1

金屬壓力、速度和流量之間的關(guān)系在原理上壓鑄機(jī)是一臺液態(tài)金屬泵，它在壓力下將金屬熔體輸送到壓鑄模型腔內(nèi)。泵的特性是輸送功率(體積流量)，是壓力的函數(shù)，這方面早在70年代，首先由澳大亞CSIRO做出有價(jià)值的開發(fā)工作，用pQ2圖建立了一個(gè)有用的工具，根據(jù)鑄件亦即模具的要求，決定機(jī)器的調(diào)整值，本來是用于熱室壓鑄機(jī)的鋅合金壓鑄件上，但很快就擴(kuò)展到冷室機(jī)上。在原則上，現(xiàn)在從流體力學(xué)原理所熟知的壓力與體積流量的關(guān)系，轉(zhuǎn)移到壓鑄機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。根據(jù)伯努力方程，按照似穩(wěn)流，金屬流動速度為：(1)

式中：υ為流速，m/s；p為流動壓力，N/m3（1bas=105N/m2=0.1MPa）；ρ為液態(tài)金屬密度，kg/m3。由式（1）可得到

（2）壓鑄機(jī)壓射單元有兩個(gè)液壓系統(tǒng)：一個(gè)是壓射蓄能器-壓射驅(qū)動缸構(gòu)成的液壓系統(tǒng)；另一個(gè)是跟著這個(gè)系統(tǒng)隨動的沖頭-壓室-噴嘴（熱室機(jī)）-直澆道-橫澆道-內(nèi)澆口組成的金屬液壓系統(tǒng)（metal-hydraulicsystem,metallhydraulischesSystem）。對于金屬液壓系統(tǒng)，內(nèi)澆口速度是υa，則式（2）變?yōu)椋海?）金屬壓力愈高，在噴嘴及內(nèi)澆口處的金屬熔體的流動速度也愈快，但也必須考慮克服由于流動截面變化、方向改變和型壁粗糙度存在而產(chǎn)生的流動阻力，用阻力系數(shù)ξ來表示這些阻力之和。因此，金屬壓力可寫成下式：（4）如果已知無量鋼系數(shù)ξ，就可以計(jì)算出一定內(nèi)澆口速度所需的金屬壓力，根據(jù)壓鑄合金和鑄件要求，內(nèi)澆口速度有一經(jīng)驗(yàn)值，應(yīng)該遵守，見表1[2]，因此需要壓鑄機(jī)提供相應(yīng)的速度。表1內(nèi)澆口速度的選取Table1Choiceofvelocityatingate項(xiàng)目A1MgCuZnυa(m.s-1)25-6040-9030-4530-50低值用于相對厚的鑄件，高值用于相對薄的鑄件，一般鎂合金鑄件的內(nèi)澆口速度比鋁的高25%，真空壓鑄時(shí)的內(nèi)澆口速度為15-30m/s。金屬熔體的體積流量Q是速度υa和出流面積Sa的乘積，出流面積是指澆注裝置的噴嘴面積或壓鑄模的內(nèi)澆口面積，其關(guān)系為Q=υaSa

（5）式中：Sa為出流面積，m2。將式（5）代入式（4）得到：（6）公式（6）指出了金屬壓力和金屬流量的關(guān)系；充型時(shí)，如果體積流量Q不足或液流速度υa達(dá)不到要求，就必須提高金屬壓力，p升高，Q、υa就會升高，即可達(dá)到充型要求。提高壓力可通過提高壓射閥前蓄能器壓力，也可通過調(diào)節(jié)壓射系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)閥（即節(jié)流閥）的開度實(shí)現(xiàn)。由式（6）可知，在金屬密度ρ、出流面積Sa一定時(shí)，所需金屬壓力p與體積流量Q的平方成正比。為了描繪壓力是體積流量的函數(shù)，在縱座標(biāo)上p采用線性分度，Q在橫座標(biāo)上采用平方分度，從座標(biāo)原點(diǎn)引出一條直線，表示相應(yīng)的阻力系數(shù)ξ，并代表了相應(yīng)出流面積Sa時(shí)的壓力的體積流量的關(guān)系，這是通常在pQ2圖中的阻力線或模具線（DL），見圖3[2]。在理想狀態(tài)下，無流動阻力，則ξ=1，阻力線對橫座標(biāo)比較平坦即夾角小，阻力愈大，ξ值越小，阻力線對橫座越徒，夾角也愈大，見圖4[2]。3.1.2壓鑄機(jī)的泵功率和機(jī)器特性線（pQ2圖）一臺已知壓鑄機(jī)它可供使用的金屬壓力是多高？對此存在兩個(gè)簡單的極限條件：（1）如果活塞（沖頭）速度為零（活塞停止），也就是充型結(jié)束時(shí)，能達(dá)到的最大金屬壓力（不接通增壓器）；（2）如果壓室中無金屬壓射時(shí)（所謂空壓射）沖頭所能達(dá)到最高的速度，此時(shí)可得到最大體積流量，金屬壓力等于零。兩個(gè)極根條件是可確定的，參照圖5[2]壓鑄機(jī)的壓射裝置示意圖和下面的公式（7）式中：p1為壓射（驅(qū)動）缸中的壓力，bar；ps為蓄能器壓力，bar；υ0為活塞速度，m/s；υotmax為最大活塞速度（空壓射速度），m/s。由圖5和式（7）可以看出：如果υ0=0（活塞停止），則p0=ps，就是說壓射后在壓射缸中建立起全蓄能器壓力；如果相反，υ0=υotmax（空壓射速度），則p1=0，也就是壓射活塞上無壓力。如果蓄能器壓力和壓射活塞面積已知，可以計(jì)算靜金屬壓力pstat，它是壓射終了沖頭施加在金屬上的壓力。（8）式中：pstar為靜金屬壓力，bar；pa為蓄能器壓力，bar；A1為壓射（驅(qū)動）活塞面積，m2；A0為沖頭面積。第二個(gè)極限條件（最大體積流量）可由空壓射時(shí)活塞速度求得，見公式（9）。活塞速度和隨動的沖頭速度可由測量速度的傳感器（常用位置傳感器）測得，見圖6[3]。（9）式中：Qmax為空射時(shí)最大體積流量，m3/s；υotmax為最大活塞（沖頭）空壓射速度，m/s；A0為沖頭面積，m2。

把兩個(gè)最大值pstat和Qmaxt在pQ2圖的座標(biāo)中用一直線相連，就得到所謂的機(jī)器特性線（ML），見圖7[2]；適于相應(yīng)的壓射活塞、沖頭面積，及測量時(shí)所選調(diào)的蓄能器壓力和壓射閥開度。此特性線確定了為得到所需金屬體積流量，可提供的金屬壓力。為了檢驗(yàn)，在充型階段測量壓力和活塞（沖頭）速度以及充型時(shí)間，沖頭速度乘以沖頭面積求得體積流量Q，Q在充型階段用所測得的金屬壓力（即所描繪的壓力曲線）也可讀取。體積流量Q也可由鑄件體積和充型時(shí)間之商（或由鑄件重量除以金屬熔體密度和充型時(shí)間之積）求得，這個(gè)與p和Q有關(guān)的工作點(diǎn)必須位于機(jī)器特性線上，機(jī)器特性線也可在不知道Qmax時(shí)，從pstat經(jīng)過用金屬壓射時(shí)的工作點(diǎn)連接直線，并延長至橫座標(biāo)，其交點(diǎn)就是Qmax。工作點(diǎn)也是阻力線與機(jī)器特性線的交點(diǎn)，流動阻力愈大，工作點(diǎn)的位置愈高，金屬壓力也愈高，相應(yīng)的體積流量就愈小，隨著內(nèi)澆口截面積變小，增加了流動阻力，阻力線走勢更陡，因?yàn)閷ν孺i模力的機(jī)器，存在明顯的壓射功率的區(qū)別，對相同的壓鑄模也產(chǎn)生泵功率（也就是可供的體積流量）相應(yīng)的區(qū)別（見圖8[2]）。相同鎖模力的機(jī)器有很不同的泵功率，隨著鎖模力升高，泵功率不一定要跟著同樣增大，鎖模力對已知鑄件投影面積是否足夠，機(jī)器是否夠大，必須檢驗(yàn)，可藉助于pQ2圖使已知的機(jī)器所能提供的需要的金屬輸達(dá)能力得到保證。因?yàn)閴鸿T機(jī)特性上的工作點(diǎn)位置是通過機(jī)器的輸出特性和已知的流動阻力確定的，為了創(chuàng)造生產(chǎn)鑄件的最佳壓鑄條件，對此應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，這種優(yōu)化是基于提供沖頭最大的壓射功率。如G.L.Wilson所指，要滿足用金屬壓鑄的壓射功率最大，則體積流量是：（10）也就是：（11）從這一點(diǎn)出發(fā)的機(jī)器特性與縱座相交于靜壓pstat。機(jī)器特性線上工作點(diǎn)，已知Q值，相對應(yīng)金屬壓力p約為金屬靜壓的2/3；如果選擇式（10）（11）的條件，如圖9所示[2]，則（12）這是對已知鑄件所需流量Q優(yōu)化的原則，如何才能使機(jī)器特性與鑄件所需相匹配，以此有三種可能：可選調(diào)的壓射閥、可調(diào)的蓄能器壓力、選擇相配的沖頭直徑。表2是這三種調(diào)節(jié)對機(jī)器特性線的影響。在pQ2圖中機(jī)器特性線是很有內(nèi)涵的，如表2所述那樣，可進(jìn)行相應(yīng)的變化、調(diào)節(jié)。如果將阻力線加入其中，那就更具指導(dǎo)意義。

3.2鑄件壓鑄所需的機(jī)器pQ2圖對已知鑄件所需流量Q，根據(jù)公式（10）（11）和（12）的條件進(jìn)行優(yōu)化，而得到鑄件壓鑄所需的機(jī)器特性線（pQ2圖），見圖10，并用來與所選壓鑄機(jī)的特性線進(jìn)行比較。優(yōu)化計(jì)算過程和比較方法如下。（1）已知鑄件重量G（包括溢流槽），液態(tài)合金密度ρ(g/dm3)，并根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)、壁厚和技術(shù)要求選取充型時(shí)間τ；按公式（13）求得金屬流量Q0，并根據(jù)所優(yōu)化原則公式（11）求得最大金屬流量Q0=Gτ/ρ

（13）（2）按下式求得充型時(shí)所需的金屬壓力p0。（14）式中：υa=內(nèi)澆口速度（m/s）根據(jù)鑄件要求（參照表1）選?。沪螢樽枇ο禂?shù)；ρ為液態(tài)金屬密度，g/cm3。根據(jù)優(yōu)化原則，按公式（12）求最大金屬壓力p0’=2/3p0。（3）在圖10中，聯(lián)接p0’與Q0’兩點(diǎn)完成工藝所需的機(jī)器特性線（MLXU），并與所選機(jī)器的特性線（ML）進(jìn)行比較，一般說來，只要工藝所需要的機(jī)器特性線MLXU位于所選機(jī)器的特性線ML的下方，就表明所選機(jī)器能滿足壓鑄該零件的需要，至于供需之間的最佳匹配，則與模具特性（DL）有關(guān)。如果工藝所需要的機(jī)器特性線MLXU不能或不能完全位于機(jī)器的特性線ML的下方，則可以按照表2所述的改變內(nèi)澆口截面積（即改變DL的斜率）等方法，以使供需平衡如圖10、11、12和13所示，否則應(yīng)另選合適的壓鑄機(jī)。

3.3

以鑄件為本，優(yōu)化壓鑄機(jī)—模具—合金系統(tǒng)，提高工藝靈活性

在壓鑄機(jī)—模具—合金系統(tǒng)中，通過調(diào)整工藝參數(shù)，可以改善壓鑄件的質(zhì)量和性能。這些工藝參數(shù)用一個(gè)工作窗口(OW)加以限定。這說明OW是這些工藝參數(shù)的極限圖。在壓鑄工藝中，充型時(shí)間、內(nèi)澆口速度和最終金屬靜壓用以限定OW，這些參數(shù)與充型現(xiàn)象有關(guān)，依賴于模具設(shè)計(jì)和壓鑄機(jī)性能。在模具設(shè)計(jì)時(shí)，OW內(nèi)的所有點(diǎn)被認(rèn)為都是相等的，并無優(yōu)先權(quán)，可以認(rèn)為最佳工作點(diǎn)存在于OW內(nèi)的未知點(diǎn)上，在壓鑄模裝在壓鑄機(jī)上試模之前是無法找到它的。在模具設(shè)計(jì)階段保證易于找到良好工作點(diǎn)是基于靈活性的考慮，靈活性是在OW內(nèi)通過調(diào)節(jié)獲得的。

為此，將工藝參數(shù)分成軟參數(shù)和硬參數(shù)兩種，軟參數(shù)是指通過操作或一個(gè)控制裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)的參數(shù)，如功率水平、金屬壓力、熔體溫度、模具溫度和循環(huán)時(shí)間等參數(shù)。硬參數(shù)是指一種需修正的模具或同時(shí)需修正的壓鑄機(jī)，如沖頭直徑、內(nèi)澆口面積、排氣槽等。軟參數(shù)在試模時(shí)容易更改并獲得成功，硬參數(shù)更改起來則既困難又費(fèi)錢、費(fèi)時(shí)，常常需要拆卸模具以便重新修正。因此，優(yōu)化手段是基于軟參數(shù)并擴(kuò)大OW內(nèi)調(diào)整點(diǎn)的靈活性，從而為模具試驗(yàn)提供較大的范圍，避免費(fèi)時(shí)費(fèi)錢的模具更改。3.3.1

壓鑄機(jī)包容線(MPE線)壓鑄機(jī)包容線(MPE線)是一條與壓鑄機(jī)所有的特性線相切的雙曲線，如圖14所示。MPE線是壓射用蓄能器壓力pakk、最大空壓射速度υotmax和壓射活塞面積A1的函數(shù)。P=α/Q

（15）

而

（16）式中：α為壓射系統(tǒng)所能提供的壓射功率，kW。顯然，MPE線與沖頭直徑無關(guān)，是壓鑄機(jī)壓射終了的通用特性。它表示儲存于充型蓄能器內(nèi)的能量在壓射階段通過液壓系統(tǒng)施加于金屬熔體上，位于MPE線下面的面積（圖15）包括在機(jī)器的特性之內(nèi)。

3.3.2優(yōu)選內(nèi)澆口面積充型時(shí)間和內(nèi)澆口速度的極限如圖15所示，pQ2圖中的OW區(qū)域用υamax、υamin、tfmax和tfmin加以限定，tfmax為充滿鑄型前只是部分凝固所需要的時(shí)間，tfmin是充滿型腔前能將型型腔內(nèi)的氣體（空氣+涂料蒸氣）充分排出的時(shí)間。在增加模具排氣能力或用真空時(shí)，tfmin可以向更低值移動以增加OW的面積。υamin可以流動模型（霧化，層流）獲得，υamin則考慮模具的侵蝕和磨損。一般地，鋁壓鑄件tfmin≈30ms，（鋁壓鑄件表面鍍層）不鍍時(shí)為60ms，A1合金為25~60ms，鋅壓鑄件tfmin≈20ms，（鋅壓鑄件表面鍍層）不鍍時(shí)為40ms，Zn合金30~50ms；鎂優(yōu)質(zhì)壓鑄件tfmin≈30ms，一般不大于40ms，Mg合金40~90ms；Cu合金tfmin為30~45ms。內(nèi)澆口面積由DL線的斜率來表示，DL線斜率隨內(nèi)澆口面積增大而減少，DL線穿過OW右下角對應(yīng)于最大內(nèi)澆口面積，反之穿過左上角則對應(yīng)于最小內(nèi)澆口面積，如圖15所示。充型時(shí)間與內(nèi)澆口速度之間的關(guān)系是由所選擇的特定的內(nèi)澆口面積所建立的，并描繪成一條DL線。DL線通過OW并由其所截的線段是所有可能的充型的時(shí)間和內(nèi)澆口速度組合的區(qū)域，OW內(nèi)并在MPE線之下DL線的長度是靈活性的圖解，較長的線段表明調(diào)整點(diǎn)有較高的靈活性，DL線下面的三角形面積A（圖15所示）是可選擇范圍，面積大則說明可調(diào)整的余地大。線段和面積兩種方法表示靈活性都是允許的。如圖16所示是最佳調(diào)定的pQ2圖上的表示，DL線是OW的對角線，這樣具有最大的靈活性，為了達(dá)到這一目的就要改變OW的極限并適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)MPE線和ML線。

3.4從壓射曲線說起當(dāng)今壓鑄機(jī)常配以三級壓鑄系統(tǒng)：第一級為沖頭慢速漸進(jìn)，將金屬熔體推至內(nèi)澆口，即所謂慢壓射階段；第二級是沖頭以高速將金屬熔體通過內(nèi)澆口，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)充滿型腔，即充型階段；第三級為尚未完全凝固的鑄件在高壓下(啟動增壓器)進(jìn)行凝固和被壓實(shí)，即壓實(shí)階段。圖17所示為典型的三級壓射曲線示意圖，圖中曲線分成一級慢壓射、二級充型和三級增壓壓實(shí)三個(gè)階段。有些壓射系統(tǒng)將第一級壓射又分成兩個(gè)小部分，第一部分是沖頭先封住澆料口(圖18所示X1線)，第二部分為慢壓射階段，然后再進(jìn)行充型和壓實(shí)，這就成了四級壓射系統(tǒng)，這樣除了可避免熔體濺出澆料口，更可以提高壓室初始充滿度。

圖17壓射曲線3.4.1

慢壓射階段慢壓射階段在工藝上主要是選控慢壓射速度，目的是在金屬熔體涌至內(nèi)澆口時(shí)，壓室中的氣體能完全從澆口進(jìn)入型腔，而不被金屬熔體包裹，避免在鑄件中形成氣孔；為此，需要選擇一個(gè)臨界沖頭速度，可以是等加速度，也可以是恒速，一般說，等加速度效果好。國外壓鑄機(jī)多配以“Parashot'’或“SIMUI”的等加速度的慢壓射的速度選控系統(tǒng)，圖19、圖20[2]可作為選控慢壓射速度之參考。3.4.2

充型階段

此階段在工藝上最應(yīng)關(guān)注的是：充型時(shí)間、壓射速度、內(nèi)澆口速度和空壓射速度的相互關(guān)系，及主要要參數(shù)的選擇。3.4.2.1

最佳充型時(shí)間

充型時(shí)間就是金屬熔體流過內(nèi)澆口，以高的內(nèi)澆口速度，在金屬熔體停止流動前充滿型腔的時(shí)間。這一時(shí)間很短，是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)，是選用壓鑄機(jī)，進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。充型時(shí)間要短，目的是充型時(shí)在鑄件最小的部位或液流遠(yuǎn)端不產(chǎn)生早期凝固，避免鑄件出現(xiàn)缺肉、冷隔等缺陷。充型時(shí)間越短，充型速度就越高，會加大型腔磨損，還可能因脹型而金屬飛濺和產(chǎn)生飛邊；充型速度高，會使型腔中氣體沒有足夠時(shí)間從型腔中逸出。充型時(shí)間的正確選擇只有綜合考慮才能得到，表3給出了選擇充型時(shí)間和內(nèi)澆口速度的相關(guān)因素[4]。

金屬熔體從工作溫度到凝固溫度釋放的熱量決定了其在相同導(dǎo)熱率下保持可鑄性的時(shí)間，因此這種熱量便作為判定其最大可充型時(shí)間的尺度。釋放熱量與充型時(shí)間成正比，根據(jù)熱量比可以得到幾種合金的充型時(shí)間的關(guān)系。Mg合金、Zn合金、A1合金和Cu合金在相同凝固條件下，從工作溫度到凝固溫度釋放的熱量分別為261、329、509、918kCal/dm3，則它們的型時(shí)間比為τMg:τZn:τAI:τCu≈0.51:0.65:1:1.8。也就是說τMg=:0.51τAI，τZn=0.65τAI，τCu=1.8τAI。

表4給出了充型時(shí)間與壁厚有關(guān)的推薦值，更確切地說與凝固模數(shù)有關(guān)。一些世界著名的公司如瑞士Buehler也以此作為選擇充型時(shí)間的依據(jù)。早先的資料中是按鑄件平均壁厚計(jì)算的，而后來資料也有按最小壁厚計(jì)算的。注：最大值用于鋁合金，中間值用于鋅合金，最小值用于鎂合金。B.Nogowizin基于材料的熱性質(zhì)和他人經(jīng)驗(yàn)，從試驗(yàn)出發(fā)，得到最佳充型時(shí)間關(guān)系式[3]：（17）式中：τ為充型時(shí)間，s為鑄件平均壁厚；ρ為固、液相間合金密度平均值；HSW為合金熔化熱；C為固、液相間合金平均化熱容；tL為合金液相線溫度；n為固相率；?t為液相線溫度與固相率為f時(shí)溫度之間隔；tF為模具溫度；λF為模具材料的導(dǎo)熱率；CF為模具材料的比熱容；ρF為模具材料的密度。此時(shí)，澆注溫度tg=tL+(60~120)(℃)壓鑄時(shí)顯然金屬液在型腔中無過熱，人們觀察到熔體流中具有一定數(shù)量的固相，當(dāng)固相率達(dá)到30%~80%時(shí)，在型腔中熔體運(yùn)動只能通過高的流入速度，當(dāng)最佳充型時(shí)間按式（17）計(jì)算時(shí)，相當(dāng)于n值為70%~80%。圖21中可以確定液相線溫度和形式70%~80固相時(shí)的溫度間隔，即?t=38℃，表5[3]和表6中列舉模具鋼1.2344(X40CrMoV51)和壓鑄合金的物理性質(zhì)，也可用于1.2343(X38CrM051)、1.2365(X32CrMoV33)和1.2367(X38CrMov53)[3]。鋁合金和銅合金的熔化熱的經(jīng)驗(yàn)值不詳，所以用理論值。試驗(yàn)指出，鎂合金的熔化熱等于純鎂的熔化熱。表7[3]是按式（17）和按f=70%計(jì)算的最佳充型時(shí)間，如f=80%時(shí)，則表中數(shù)據(jù)要擴(kuò)大1.3倍。由表5可知A1-Si和AISiCu合金最佳充型時(shí)間要比Al-Mg合金長1.2~1.6倍，這歸因于Si高溶化熱，使含硅的合金保持較長時(shí)間液態(tài)，利于在型腔中流過[3]。最佳充型時(shí)間對各種鎂合金而言在壓射時(shí)至少要比鋁合金快2倍，銅合金最佳充型時(shí)間與合金組成元素有關(guān)，鉛黃銅（CuZn37Pb）與鎂合金相近，硅黃銅（CuZnl5Si4）與鋁合金相近。

經(jīng)驗(yàn)表時(shí)，較短的充型時(shí)間對薄壁長流程的鑄件是成功的，已用于NADCA推薦計(jì)算澆注系統(tǒng)的公式中[2,6]：τ=0.0346[Tm－Tf＋0.25S/（Tf－Td）]Sm（18）式中：τ為充型時(shí)間，ms；Tm為金屬熔體澆注溫度，℃；Tf為金屬流動最小溫度，℃；Td為壓鑄模溫度，℃；s為金屬熔體失去流動性前的最大固相率；sm為壓鑄件平均壁厚，mm。以某鎂合金壓鑄件為例，壁厚sm=2mm，金屬熔體澆注溫度Tm=670℃，模具溫度Td=200℃，最小流動溫度Tt=610℃，最大固相率f=30%。則按式(18)計(jì)算充型時(shí)間τ=0.0346×[(6780-610+0.25×30)／(610-200)]×2=20ms。鑄件表面品質(zhì)量隨充型時(shí)間增加而變化，充型時(shí)間短，壓射功率大，充型快，但因內(nèi)澆口厚度的限制，過短的充型時(shí)間使鑄件的孔隙率增加。圖22是充型時(shí)間對鋁壓鑄件品質(zhì)的影響[7]。圖23[3,8]是近年提出的一種對鋁、鎂壓鑄件壁厚與充型時(shí)間關(guān)系的關(guān)系圖。表面品質(zhì)要求高的就選較短的充型時(shí)間。

圖22充型時(shí)間鋁壓鑄件質(zhì)量的影響（5）3.4.2.2

壓射速度、充型速度和空壓射速度。(1)壓射速度(沖頭速度)壓射速度(沖頭速度)是充型階段單位時(shí)間內(nèi)的沖頭位移。在行程曲線充型階段任選兩個(gè)點(diǎn)，測量行程的距離和充型時(shí)間(圖24)，即可求得壓射速度=測量的距離(mm)／壓射時(shí)間(ms)。(2)充型速度（內(nèi)澆口速度）充型速度即內(nèi)澆口速度，與沖頭速度和沖頭面積有關(guān)。在壓室——模具這個(gè)封閉系統(tǒng)里，以充型時(shí)金屬通過內(nèi)澆口的體積流量Q為基礎(chǔ)，有以下關(guān)系：υa×Sa=υa×A0(19)式中：υa為內(nèi)澆口速度（充型速度），m/s；Sa為內(nèi)澆口面積，mm2；υa為沖頭速度（壓射速度），m/s；A0為沖頭面積，mm2。

一般只有選定壓鑄機(jī)后，才能確定沖頭面積，內(nèi)澆口速度可按表1選取。內(nèi)澆口速度是重要的參數(shù)，對鑄件質(zhì)量和模具壽命有重要影響。內(nèi)澆口速度過高會增大型腔表面由于侵蝕、粘模而受損傷的幾率；較低的內(nèi)澆口速度雖有利于氣體從型體內(nèi)排出，但也能使鑄件力學(xué)性能和表面質(zhì)量變壞。鑄件的體積缺陷常以均勻分布的顯微孔隙或以較大的孔洞出現(xiàn)在鑄件中，高內(nèi)澆口速度的壓鑄強(qiáng)度比低內(nèi)澆口速度的低，有助于在鑄件中形成顯微孔隙，使鑄件表面更光潔，組織更致密。內(nèi)澆口速度與鑄件壁厚有關(guān)，可用下式計(jì)算：（20）式中：s為鑄件壁厚（單位：mm），適于壁厚1~6mm；參數(shù)46~57中，低值用于鋅合金，中值用于鋁合金，高值用于鎂合金。將最大內(nèi)澆口速度限制在50~60m/s，而最小內(nèi)澆口速度為鋅12m/s、鋁18m/s、鎂27m/s。內(nèi)澆口速度與鑄件壁厚有關(guān)，但由內(nèi)澆口厚度來決定，實(shí)際中相同壁厚的鑄件，可能有不同厚度的內(nèi)澆口，由此也會用不同的的內(nèi)澆口速度來壓鑄。還有一種與內(nèi)澆口厚度有關(guān)的計(jì)算內(nèi)澆口的方法，見下式：（21）式中：da為內(nèi)澆口厚度，m；Kw為系數(shù)，鎂合金為45，鋁合金為40，銅合金為27。da值應(yīng)較鑄件平均壁厚s小，同時(shí)也小于內(nèi)澆口設(shè)置處的鑄件厚度；通常壁厚為1~6mm時(shí)，da為0.8~2mm；當(dāng)1mm≤s≤3mm，最小內(nèi)澆口厚度dam=0.5+0.185s；當(dāng)3.3mm≤s≤6mm，damin=0.33s；平均內(nèi)澆口厚度dam=0.52+0.28s。內(nèi)澆口厚度首先影響金屬液滴的形成，G.Lieby和L.Frommer研究指出，較薄的金屬流從內(nèi)澆口射出，并迅速變厚，在極短的時(shí)間后形成延續(xù)伸展的“結(jié)”，這個(gè)“結(jié)”隨射流向前運(yùn)動并最終霧化，金屬射流從內(nèi)澆口流出時(shí)最小內(nèi)澆口速度[13]為：（22）式中：Vm為金屬熔體的動力粘度，m/s；σm為表面張力，N/m；ρm為密度，kg/m3；da為內(nèi)澆口厚度，m。為了保證霧化要求，由式(22)計(jì)算出的值，必須擴(kuò)大到1.3~1.5倍，內(nèi)澆口厚度da與內(nèi)澆口速度υa的關(guān)系如圖25所示[3]，圖中。是按υamin×1.5計(jì)算而得到的。內(nèi)澆口幾乎都是長方形，知道其厚度后，其寬度ba必須符合下列條件：（23）式中：υ0為沖頭速度，υa為內(nèi)澆口速度，d0為沖頭直徑，da為內(nèi)澆口厚度。但有對內(nèi)澆口結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)線圖[2]，證實(shí)了內(nèi)澆口結(jié)構(gòu)（內(nèi)澆口參數(shù)D如圖26中公式）和內(nèi)澆口速度，對鑄件質(zhì)量的影響，推薦優(yōu)良鑄件的工作點(diǎn)的區(qū)域薄壁鑄件時(shí)，選擇鄰近圖中網(wǎng)格區(qū)。可見，在很薄的內(nèi)澆口時(shí)，因內(nèi)澆口參數(shù)為低值，需要更高的內(nèi)澆口速度。鑄件的實(shí)際比較，在圖25中用點(diǎn)加以標(biāo)志，一個(gè)壁厚3.43mm的銅壓鑄件，內(nèi)澆口厚度1.4mm，采用內(nèi)澆口速度24m/s，在此速度下，形成細(xì)微的金屬-空氣混合體；從圖25可知，當(dāng)da=1.4mm時(shí)，內(nèi)澆口速度υa=23m/s，這與實(shí)際是吻合的。圖25中曲線表明，當(dāng)da=0.8~2mm時(shí)，A1合金的內(nèi)澆口速度υa=45~26m/s，Mg合金的內(nèi)澆口速度da=50~29m/s，Cu合金的內(nèi)澆口速度。υa=31~17m/s。根據(jù)式(20)，當(dāng)s=l~6mm時(shí)，內(nèi)澆口速度。υa=51~32（A1合金)，υa=57~36m/s(Mg合金)，比圖25所示要高一點(diǎn)。通常在30~45m/s選擇Cu合金的內(nèi)澆口速度。內(nèi)澆口速度較低適合于壁厚相對較厚的鑄件，反之則反。在正常情況下(壁厚2~2.5mm，最大3mm)，計(jì)算時(shí)采用υa=35~40m/s。這些壁厚的鑄件，內(nèi)澆口厚度為1～1.5mm時(shí)，則由圖25可以確定內(nèi)澆口速度υa=21~27m/s。如果內(nèi)澆口速度大于如圖25如示值，可增強(qiáng)熔體的霧化效應(yīng)。必須指出，在壓鑄Al合金和Cu合金時(shí)，內(nèi)澆口速度過高易導(dǎo)致金屬粘焊，粘附在型芯和型腔表面，而Mg合金幾乎不會出現(xiàn)粘焊問題。如圖25所示，可用于厚壁鑄件選擇內(nèi)澆口速度(s>6mm)，而式(20)只適用于s小于6mm的情形。內(nèi)澆口速度可以由鑄件厚度決定，按圖25和式(20)來確定，如果采用最高值，則充型是在金屬射流霧化時(shí)進(jìn)行，并有助于在鑄件中形成顯微孔隙。生產(chǎn)很薄的鑄件需要很高的內(nèi)澆口速度，壓鑄機(jī)必須滿足這一要求?？捎孟率接?jì)算壓鑄機(jī)能達(dá)到的最大內(nèi)澆口速度。（24）式中：pgs=ps×(D/d0)2，Ps為蓄能器壓力；ξ為出流系數(shù)(阻尼系數(shù))；D為壓射活塞直徑；υotmax為機(jī)器所能達(dá)到的最大空壓速度；d0為沖頭直徑；υ0為充型時(shí)沖頭速度；ρ為金屬熔體密度。出流系數(shù)ξ(阻尼系數(shù))為沖頭和內(nèi)澆口系統(tǒng)中的液壓損失，金屬熔體從壓室通過澆道、內(nèi)澆口進(jìn)入型腔的過程中，一般ξ=0.59。AJDavis提出ξ0.5-0.8。由式(24)看出，υotmax愈大，υotmax也就愈大，從而可滿足用較短的充型時(shí)間充填大容量型腔的要求。充型時(shí)沖頭速度υo過高，除了對模具壽命和鑄件質(zhì)量有影響外，還會由于充型終了時(shí)的沖頭沖擊作用，使動、定模被擠開，當(dāng)被擠開之縫隙超過0.05-0.15mm，還會產(chǎn)生金屬液從模具中飛濺出來的現(xiàn)象。充型時(shí)內(nèi)澆口速度υa與鑄件壁厚和金屬熔體在型腔中的流程長度有關(guān)，如圖27所示。(3)最大空壓射速度最大空壓射速度υotmax是壓室內(nèi)無金屬且調(diào)速閥全開的情況下，單位時(shí)間內(nèi)沖頭的位移。它是冷室壓鑄機(jī)的重要技術(shù)參數(shù)，對有金屬充型時(shí)的沖頭速度υ0（即三級壓射系統(tǒng)中第二級壓射速度）、內(nèi)澆道速度υa和壓鑄件品質(zhì)有重要影響。(a)壓鑄機(jī)壓射系統(tǒng)所能提供的功率壓鑄機(jī)壓射系統(tǒng)所能提供的功率[9]見公式（16），即

（式中α為壓鑄機(jī)系統(tǒng)所能提供的功率，kW；υotmax為最大壓射速度，m/s；A1為壓射缸面積，m2；pakk為壓射蓄能器壓力，MPa)。由公式（16）可知，減小A1可提高υotmax，但同時(shí)也減小了α和壓射力(A1pakk)，這是不可取的。圖28、圖29所示是Frech公司為提高空壓射速度而設(shè)計(jì)的壓射系統(tǒng)及液壓回路，Ecopress系統(tǒng)壓射速度可達(dá)10m/s，M系列新系統(tǒng)空壓射速度可達(dá)11m/s，建壓時(shí)間5ms。根據(jù)零件壓鑄的需要，如方向盤鑄件用鋁合金壓鑄時(shí)，壓射速度為7.2m/s，用鎂合金壓鑄時(shí)，壓射速度為8.2m/s。

為在較短的充型時(shí)間內(nèi)向型腔內(nèi)充填大容量的金屬熔體，需要高的沖頭速度和內(nèi)澆道速度，這就必須賦予壓鑄機(jī)高的最大空壓射速度。現(xiàn)代歐洲壓鑄機(jī)的最大空壓射速度已達(dá)到11m/s，日本近年也出現(xiàn)10m/s的超高速壓鑄機(jī)。(b)空壓射速度空壓射速度是壓鑄機(jī)可調(diào)的參數(shù)。由于壓室-型腔系統(tǒng)阻力的存在，充型時(shí)的沖頭速度總比空壓射速度小得多。由圖30[4]可知，在一定的內(nèi)澆道面積時(shí)υotmax從4m/s增加至8m/s，而充型時(shí)沖頭速度υo由2.4m/s(I)提高到3.1m/s(II)，并不像υotmax那樣提高1倍。

理論上，當(dāng)壓射輸出功率最大時(shí)υ02/υotmax2=Q2/Qatmax2=1/3，則υ0/υotmax2=Q/Qotmax=0.577，如圖31所示。則υ0=0.577υotmax

（25）充型時(shí)的沖頭速度υ0比空壓射速度υot要小（因?yàn)橥徊捎忙詏tmax，實(shí)際上其關(guān)系為

（26）式中：pgs為ps(D/d0)2；ps為壓射蓄能器壓力；D為壓射缸直徑；d0壓室直徑；υ0為沖頭速度，υa為內(nèi)澆道速度；ξ為出流系數(shù)（阻尼系數(shù)），取ξ=0.59；ρ為金屬熔體密度。

(c)用圖解的方法對量化進(jìn)行補(bǔ)充前面分析的是量化空壓射速度及其相關(guān)的參數(shù)，這里用圖解對其進(jìn)行補(bǔ)充，并描述工藝的靈活性，用如圖32所示的機(jī)器特性曲絢pQ2口以說明。由圖32可知：①機(jī)器特性曲線ML和ML1與橫坐標(biāo)形成夾角β和β1，相應(yīng)的流量為Q和Q1，且β<β1、Q>Q1，說明最大空壓射速度大，夾角小，而流量大；②一條模具線（內(nèi)澆口面積即阻力線）DL穿過ML和ML1，分別相交于p和p1，圖上可見由p對應(yīng)的pa、Qa及p1，對應(yīng)的pa1、Qa1所組成的兩個(gè)代表機(jī)器壓射系統(tǒng)輸出能量的四方形；paQ×QaO×palO×QalO，說明ML-DL組合的輸出能量大于MLl-DL組合的輸出能量；③四邊形CDFE是機(jī)器模具組合的工作窗口OW，OW是由內(nèi)澆道速度υa(在CD段)和充型時(shí)間τ(在DF段)限定的，也就是機(jī)器模具組合的工藝工作點(diǎn)在這個(gè)四邊形之內(nèi)；④DL1與工作窗口相切于F，表示最大的內(nèi)澆道面積Aamax(也就是最小的充型時(shí)間τmin和最大的內(nèi)澆道速度υamax)；⑤模具線DL通過工作窗口OW與CD和ML或ML1的交點(diǎn)，可以做成三角形?PBDl和?P1BlD1，其面積分別為A和A1，顯然A>A1；PD1和P1D1則為DL在工作窗口中與ML和MLl的截線，PD1>P1Dl。面積和線段長度都是工藝靈活性的尺度，據(jù)此，機(jī)器ML及其工藝靈活性遠(yuǎn)大于機(jī)器ML1，也就是空壓射速度高，流量大，會改善工藝的靈活性。工藝工作點(diǎn)必須在一個(gè)范圍內(nèi)可調(diào)，這個(gè)范圍越大，工藝靈活性也就越大，工藝成功率就愈高。如圖35所示，PD是OW的對角線，所以它的靈活性最大；如果工作窗口的位置發(fā)生變化，如圖33、34、35所示[11]其結(jié)果也是一樣。

冷壓室壓鑄機(jī)必須有高水平的最大空壓射速度，這樣可以改善工藝工作點(diǎn)的靈活性。圖解可以幫助我們選擇壓鑄機(jī)，設(shè)計(jì)壓鑄模具，并提高工藝靈活性，從而提高工藝成功率。3.4.3

壓實(shí)階段(1)從壓力曲線看壓射時(shí)的壓力圖36[2]所示為壓鑄機(jī)壓射缸內(nèi)的壓力曲線。由圖可知，壓鑄過程的壓力大致有充型壓力、最終壓力（二級壓射時(shí)等于蓄能器壓力，三級壓射時(shí)已將增壓力加上），還有就是充型結(jié)束，活塞速度為零時(shí)產(chǎn)生的沖擊壓力（ImpactPressure）。沖擊壓力峰瞬間回復(fù)到蓄能器壓力。壓實(shí)壓力是指壓射（驅(qū)動）缸內(nèi)壓射（驅(qū)動）壓力（蓄能器壓力）與增壓壓力疊加后，乘以壓射活塞面積與沖頭面積之比，或乘以壓射活塞直徑與沖頭直徑之比的平方。增壓器原理如圖37[2]所示。

一個(gè)大面積(Ap)活塞(dp)與一個(gè)小面積(Aa)活塞(ds)相連，大活塞(初級活塞)上承受壓力p1，推動小活塞(次級活塞)產(chǎn)生壓力p2，在封閉系統(tǒng)中有：

(27)

(28)式中：P2為增壓壓力；p1為推動大活塞的壓力；Ap為大活塞面積，dP為大活塞直徑；As為小活塞面積，ds為小活塞直徑。P2與壓射缸的壓力疊加后的壓力被稱為工作壓力pe，乘以壓射活塞面積A1與沖頭面積A0之比(A1/A0)，或者乘以壓射活塞直徑d1和沖頭直徑d0之比的平方(d1/d0)2后稱為壓實(shí)壓力Pk，即（29）如果增壓器小活塞腔中有背壓P3時(shí)，應(yīng)減去，則（30）一般壓鑄機(jī)增壓器壓力變壓比為1:3或1:2。圖38所示為冷壓室壓鑄機(jī)壓射缸的壓力曲線[2]。此機(jī)設(shè)有蓄能器和增壓器，如蓄能器壓力為7MPa，壓鑄循環(huán)開始后，首先壓射活塞與連接的沖頭，借助于液壓泵緩慢前進(jìn)進(jìn)行慢壓射，然后通過打開壓射閥，轉(zhuǎn)接到蓄能器上，沖頭被加速到高的充型速度，此時(shí)金屬熔體通過內(nèi)澆口被壓人型腔，在液流開始進(jìn)入型腔時(shí)，產(chǎn)生小的壓力峰。當(dāng)進(jìn)一步充型時(shí)，幾乎以均勻的壓力進(jìn)行（此處約5.5MPa）。在充型終了時(shí)，沖頭突然制動，由制動能量引起壓力升高，形成小峰瞬即回到蓄能器壓力，此壓力接通增壓器，變壓比在例中為1:3，所以壓射缸內(nèi)的工作壓力pe達(dá)到蓄能器壓力7MPa的3倍即21MPa。若變壓比為1:2則達(dá)到14MPa，此時(shí)沖頭施加凝固鑄件上的壓力為壓實(shí)壓力(Compactionpressure)。壓實(shí)壓力也可按鑄件的要求和合金種類選擇，如表8所示。(2)影響鑄件孔隙率的因素沖頭施加在金屬熔體上的壓力可以進(jìn)行補(bǔ)縮和壓縮氣體孔隙。金屬壓力與孔隙率的關(guān)系如圖39所示[3]。壓力與孔隙率不是線性關(guān)系，所以，得到的高壓力不能完全消除孔隙。雖然孔隙尺寸減小了，但仍然存在于鑄件中，這與合金種類關(guān)系不大，或許凝固范圍寬的合金孔隙容易集聚，但這并不是說，合金和添加元素不重要，它們影響孔隙的形成和分布狀況，并顯著影響性能。

補(bǔ)縮與壓縮孔隙的壓力必須傳遞到正在凝固的金屬，這對冷壓室壓鑄機(jī)與熱室壓鑄機(jī)都是事實(shí)。一旦金屬熔體澆人冷壓室壓鑄機(jī)壓室中，金屬熔體接觸到壓室底部就開始凝固，有些沖頭的力就要用來折疊這些冷皮，壓室中澆進(jìn)的金屬越少，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。當(dāng)料餅薄的時(shí)候，就會增加孔隙。如圖40[7]所示是料餅厚度與孔隙率的關(guān)系。一般料餅厚度約為20mm，圖41[7]說明壓室充滿對型腔內(nèi)金屬壓力的影響，壓室充滿度為35%時(shí)，鑄件是在46~64MPa下凝固的，低壓室充滿度產(chǎn)生大量的預(yù)凝固金屬進(jìn)入型腔，它們會引起堵塞而阻礙壓力有效傳遞，勢必增加非正常組織，是鑄件生產(chǎn)的潛在薄弱環(huán)節(jié)。

在壓實(shí)階段，利用增壓減少鑄件孔隙，依賴于內(nèi)澆道有充分長的時(shí)間保持液態(tài)。公式(31)是用于計(jì)算內(nèi)澆道凝固時(shí)間，實(shí)際上是公式(17)中f=1(即固相分?jǐn)?shù)為100／100)時(shí)的變形。（31）式中：?t=t1-ts；δa為內(nèi)澆道厚度；p為固液態(tài)間合金密度平均值；Hsw為合金熔化熱；c為固凝態(tài)相溫度；tL為合金液相溫度；ts為合金固相溫度；tF為內(nèi)澆道附近模具溫度；λF為模具材料導(dǎo)熱率；CF為模具材料比熱容；PF為模具材料密度。表9是根據(jù)式(31)和表5、表6計(jì)算所得的內(nèi)澆