特种铸造之压力铸造课件.ppt
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1、4.压力铸造定义定义:压力铸造(Pressure Casting/Die Casting/High Pressure Die Casting)是液态或半固态金属在活塞的高压作用下以较高的速度充填铸型型腔,并在压力作用下凝固而获得铸件的方法。p 半固态半固态semisolid;semi solid state 半固态是指合金内既存在球团状固相又存在流体液相的两相状态.半固态铸造是合金在凝固过程中,进行剧烈搅拌或控制固-液温度区间,得到半固态组织,然后浇注成形的方法。20世纪70年代初美国麻省理工学院的学者开始半固态研究。p 高压高压作用在金属上的压力可为几个到几十个MPa,有时甚至达200MPa
2、。p 充填速度充填速度充型线速度约为0.575m/s,有时可高达120m/s。相应的充型时间则很短,一般为0.010.2s。p Die模具;冲模;压模引申为:一种硬模铸造一种硬模铸造p 1838年美国人G.布鲁斯首次用压力铸造法生产印报的铅字,次年出现压力铸造专利。p 19世纪60年代以后,压力铸造法得到很大的发展,不仅能生产锡铅合金压铸件、锌合金压铸件,也能生产铝合金、铜合金和镁合金压铸件。p 20世纪30年代后又进行了钢铁压力铸造法的试验。用压力铸造可制造形状复杂的铸件,压铸件的表面粗糙度为表面粗糙度为Ra50.32微米微米,尺寸精度可达尺寸精度可达 47级级,锌合金压铸件的最小壁厚为0.
3、4毫米。压铸件的尺寸和重量,取决于压铸机的功率。由于压铸机的功率不断增大,铸件形尺寸可以从几毫米到12m;重量可以从几克到数十公斤。国外可压铸直径为 2m,重量为50kg的铝铸件。徐州科比特开发生产的管道型轴流通风机,徐州科比特开发生产的管道型轴流通风机,叶轮采用铝合金压力铸造叶轮采用铝合金压力铸造 压铸是最先进的金属成型方法之一,是实现少切屑,无切屑少切屑,无切屑的有效途径,应用很广,发展很快。目前压铸合金不再局限于有色金属的锌、铝、镁和铜,而且也逐渐扩大用来压铸铸铁和铸钢件。压力铸造法适用于大批量大批量生产的铸件,生产效率高生产效率高,生产过程容易实现机械化和自动化机械化和自动化。压铸件也
4、不再局限于汽车工业和仪表工业,逐步扩大到其它各个工逐步扩大到其它各个工业部门业部门,如农业机械、机床工业、电子工业、国防工业、计算 机、医疗器械、钟表、照相机和日用五金等几十个行业。在压铸技术方面又出现了真空压铸、加氧压铸、精速密压铸以及可溶型芯的应用真空压铸、加氧压铸、精速密压铸以及可溶型芯的应用等新工艺。真空压铸铝件真空压铸铝件真空压铸镁合金真空压铸镁合金4.1 铸造在压力下成形特征 压铸的成形原理是将熔凝型较好的金属,如铝、镁、铜等熔融合金,以快速高压机械性质注入金属模具(耐高热钢)内,利用钢模较低的温度急速凝固成形的铸造方式。4.1.1 压铸机的工作原理 压铸机有热压室和冷压室热压室和
5、冷压室之分,热压室是指压铸机上给铸件金属施加压力的空间浸泡在熔融的金属液中,而冷压室的周围则没有特殊的加热措施。冷压室压铸机根据压室在空间位置的不同又可分为立式、卧式和全立式立式、卧式和全立式三种。不同类型压铸机上的铸件压铸过程是不一样的。(1)热压室压铸机工作过程)热压室压铸机工作过程 热压室压铸机(简称热空压铸机)压室浸在保温溶化坩埚的液态金属中,压射部件不直接与机座连接,而是装在坩埚上面。这种压铸机的优点是生产工序简单,效率 高;金属消耗少,工艺稳定。但压室,压射冲头长期浸在液体金属中,影响使用寿命。并易增加合金的含铁量。热压室压铸机目前大多用于压铸锌合金等低熔点合金 铸件,但也有用于压
6、铸小型铝、镁合金压铸件。A 活塞式热压室压铸机 喷嘴左端和压铸型上的直浇道口相接,坩埚和压室(压力容器)一般都用铸铁铸成一体,在坩埚外面用燃气或电阻丝加热。压铸时,活塞式热压室压铸机上的活塞上提,金属液从坩埚流入压室,活塞下压,把压室内金属液经鹅颈、喷嘴压入铸型。铸件铸件B 气压式热压室压铸机 压铸开始时,用金属流入阀把鹅颈上的孔洞堵死,向压力容器通入一定压力的压缩空气,把压力容器中金属经鹅颈、喷嘴压入铸型。活塞上升或撤去压缩空气,喷嘴和鹅颈肿未凝固的金属液又返回压室或压力容器中,在活塞上升的同时,打开压室上的进液门(金属流入阀),坩埚中的金属液自动流入压室,补充已经进入铸型形成铸件的金属液。
7、活塞式热压室压铸机可根据金属液充型的要求分级加压,则作用压力可达3.545MPa,铸件质量得到保证。气压式热压室压铸机压力不能达到很高,只能生产不重要的铸件。生产效率较低生产效率较高,当压力容器内的金属液可供几次压铸需要时,则不必每压铸一次就开启一次金属流入阀。(2)立式冷压室压铸机工作过程)立式冷压室压铸机工作过程 下图为立式冷压室压铸机的压射机构简图,表明了一个压铸过程的三个阶段:p 浇入一次压铸所需合金至压室,而反活塞封住金属进入型腔的通道;p 压射活塞下压,反活塞下移,打开金属进入型腔的通道,金属在活塞压力下进入压铸型;p 铸件成形后反活塞上升,从直浇道上切断浇注余料,送出压室,动型向
8、左移动,带出铸件和浇道,由顶杆把铸件顶离动型。p 30300MPa工作压力压射活塞压射活塞浇勺浇勺压室压室反活塞反活塞动型动型定型定型顶顶杆杆p 但压射机构复杂;p 活塞加压方向与压室中金属流动方向成直角,故压力损失大;p 直浇道长,消耗金属量达。目前新制造的立式冷压室压铸机越来越少。特点:p 在立式冷室压铸机上即可浇注液态合金,又可浇注粥状半固态合金;p 并且压射金属时不会把压室内空气卷入金属一起进入型腔;p 便于把浇道设置在铸件的中心部位,缩短金属在型腔中的流程。(3)卧式冷压室压铸机工作过程)卧式冷压室压铸机工作过程 下图为卧式冷压室压铸机的压射机构简图,表明了一个压铸过程的三个阶段:p
9、 在铸型合拢锁紧后,浇入一次压铸所需合金至压室,压室左端部分设在定型中;p 压射活塞左移,金属在活塞压力下进入压铸型;p 动型左移,打开铸型,带出铸件和浇道、余料一起左移,由顶杆把铸件顶离动型。p 30300MPa工作压力压射活塞压射活塞浇勺浇勺压室压室动型动型定型定型顶顶杆杆Cold Chamber Diecasting M/C HorizontalIP Cold-chamber die casting machine卧式冷压室压铸机的应用较广泛p 在此种压铸机上既可浇注液态合金,也可浇注呈半固体状态的半固态合金(触变铸造),但较难浇注粥状的半固态合金(无法在压室中流动);p 浇道短,拐弯少
10、,金属充型时的压力和热量损失都少,可较好提高铸件的致密度;p 开型时直接把浇注余料带出定型,可省却顶走余料的操作时间p 压射机构简单,使用中故障少,易维护。压室内合金与空气接触面积达,压铸时压室中合金会卷进气体进入型腔,而且压室中金属表面易氧化,氧化渣也可能被送进型腔;在卧式冷压室压铸机上必须使用专门切断浇注余料的机构或复杂的压铸型,才能把浇口设置在铸件的中心部位。(3)全立式冷压室压铸机工作过程)全立式冷压室压铸机工作过程下图表示了全立式冷压室压铸机上的铸件压铸过程:下图表示了全立式冷压室压铸机上的铸件压铸过程:水平分型的压铸型,下半型为定型,压室设在定型中央;上半型为动型,由压铸机顶部的液
11、压缸带动上下移动。铸型打开铸型打开向压室中向压室中浇注金属液浇注金属液上半型下降,上半型下降,合上铸型合上铸型压射活塞上移压射活塞上移把金属液压入把金属液压入型腔型腔铸件凝固后,上半型上移,铸件随上半型脱离下铸件凝固后,上半型上移,铸件随上半型脱离下半型,上移到一定高度后,由顶杆机构顶下铸件半型,上移到一定高度后,由顶杆机构顶下铸件压射活塞压射活塞顶杆顶杆p 在此机器上,金属液在型内流程短,活塞压力的损失小;p 开型时直接带出余料,工序简单,压射机构店但,机器占地面积小,易于放置镶铸件,特别适用于胃电动机毡子的铁心导线槽压铸铝液,并可同时铸出短路环和风扇叶片。p 还可在此种机器上利用压铸件装配
12、组合其他零件。p 但是在此机器上装斜和维护铸型比较麻烦,生产效率较前两种冷压室压铸机低。4.1.2 压铸时金属流的特征 压力铸造过程的主要特征主要特征就是金属在高压作用下的高速填充型腔金属在高压作用下的高速填充型腔。因此欲掌握压铸件成型实质,主要就应了解压力铸造时金属充型过程中金属充型过程中的所受压力变化,充型时金属的流动形的所受压力变化,充型时金属的流动形态,以便采取合适的技术措施合适的技术措施,充分运用压铸时金属充型特殊现象的有利方面,避免和克服此现象可能带来的负面影响,高效地制造出质量符合要求的压铸件。1、压铸时金属所受压力和活塞移动速度以卧式冷压室压铸机为例 压室全断面充满阶段 一般金
13、属液所占压室体积只占压室整体体积的75%以下,所以活塞开始移动后,首先推动金属液全断面充满压室靠近铸型一端的部分压射活塞的速度从0开始上升,活塞前段金属液面抬高和传布。A 活塞移动的加速过慢 则可能会使液面上波峰的前进传布速度大于活塞的移动速度,当波峰前进传布到达压室的左端面时,在波峰后面的金属液面上还有一个充满空气的空间,最后反流波峰和活塞面上升高的金属液便会在压室中裹进被封死的空气进入压铸型,使铸件中形成气气孔孔。第一级增压 压铸件气体卷入的模拟结果及实验验证压铸件气体卷入的模拟结果及实验验证 B 活塞移动的加速过快 在活塞端面前可能会形成液流的波峰,它也会把空气裹入金属液,在铸件中形成气
14、孔气孔。C 活塞移动速度适当 随着活塞的移动,在活塞端面前形成充满压室整个断面的液面抬高短,随着活塞的继续前进,一次增加抬高段的程度,把压室内空气向左挤,进入型腔,通过排气通道进入大气。瑞士已有技术实现活塞移动的等加速压射系统,可获得理想压室全断面的充满过程。活塞快速压射、型腔充填阶段 金属液在活塞压力作用下经浇道快速充填型腔n一般活塞的移动速度约为10001200mm/s;n型腔填充时间仅为十分之几秒至百分之几秒;活塞施加在金属液上的压力增大,在加上活塞移动的高速度,使得金属液能够克服在浇道和型腔中流动时所遇到的阻力,表现出很好的充型能力。由于金属液本身一部分能量消耗于摩擦和它本身运动的动能
15、,所以金属上的压力比压室中金属液的压力小。在型腔被金属充满的时刻,快速流动的金属液突然速度降低为零,金属液的动能瞬间便为压力:p 这一压力促使金属液更紧密的贴近型腔表面,完成最后的充型;p 同时也更进一步的改善了金属液与型壁间的热传导,促使压铸件晶粒变得很细小;p 还可使金属液中裹进的气泡体积变小,减小了铸件中气孔的危害。第二级增压 增压、保压阶段 先进的压铸机上,在压铸结束的末了都有一个突然增高活塞上压力的空置机构,使得在0.010.02s时间内活塞上的压力可以突然升到某一设定值,一方面抵消充型重点金属液所产生的反压力,同时也争取在压铸性内内浇道凝固前加大压室中金属液上的压力,增大这部分金属
16、的补缩能力,进一步提高铸件的致密度。此一增大的压力值一直保持到型内铸件完全凝固。最终的压力值可为50500MPa。第三级增压2、压铸时金属填充型腔的形态理论假设A 弗洛梅尔(Frommer)理论 Frommer 1932 1 当金属流经浇口进入型腔后,仍保持浇口的断面直向型腔远端的对面型壁射去;2 待到达对面型壁厚,在此处的型腔中聚积,消失了冲击力后,沿型壁在整个型腔断面上反向移动。型腔中的空气和随金属六进入型腔的空气依靠金属液充型时的压力挤出型外:n 如果浇口横截面积较小(浇口截面积f/型腔截面积F(1/31/4))反向流动平稳,金属液以小的旋转涡流形式移动;n 如果浇口截面积较大(f/F1
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