01 第1章 压铸原理及工艺参数选择.pptx

第1页：第1章压铸原理及工艺参数选择封面

第1章 压铸原理及工艺参数选择

第2页：本章要点与学习目标

【本章要点与提示】

• 熟悉压铸过程的基本原理：通过课件图片介绍及动画演示，获得对压铸过程的初步认识
• 掌握液态金属充填理论及金属液流动特性：对三种典型的液态金属充填理论加深理解，熟悉充填时金属流的种类及特性应用，认识影响压铸金属流的因素以及金属流与压铸件质量的关系
• 重点掌握压铸工艺参数及其选择要求：区分不同工艺参数的含义及选择规范，熟悉其对压铸件成形质量的影响
• 知道压铸涂料：理解压铸涂料的作用及对涂料的要求，了解常用压铸涂料的种类、配制方法及适用范围
• 了解其他特殊压铸工艺：建议课外阅读相关文献资料加以扩充

第3页：本章主要内容

主要内容

1. 压铸过程的基本原理
2. 液态金属充填理论概述
3. 液态金属的流动状态及其特性
4. 压力参数及其选择
5. 速度参数及其选择
6. 温度参数及其选择
7. 时间参数及其选择
8. 压铸用涂料
9. 特殊压铸工艺简介

第4页：热室压铸过程的基本原理

热室压铸过程的基本原理：压室浸在熔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。

1. 压射冲头上升时，坩埚中的金属液通过进液口进入压室内
2. 合模后，在压射冲头作用下，金属液由压室经鹅颈管、喷嘴和浇注系统进入模具型腔
3. 冷却凝固成压铸件，动模移动与定模分离而开模
4. 通过推出机构推出压铸件而脱模，取出压铸件即完成一个压铸循环

第5页：卧式冷室压铸

卧式冷室压铸：（a）合模；（b）压铸成形；（c）开模取件。

• 1-压室
• 2-浇口套
• 3-定模
• 4-浇道凝料及余料
• 5-动模
• 6-压射冲头
• 7-金属液浇注口
• 8-金属液
• 9-浇道
• 10-型芯
• 11-推杆

第6页：立式冷室压铸

立式冷室压铸：（a）合模；（b）压铸成形；（c）开模取件。

• 1-压射冲头
• 2-金属液
• 3-压室
• 4-余料
• 5-反料冲头
• 6-动模
• 7-定模
• 8-喷嘴

第7页：全立式冷室压铸

全立式冷室压铸

• （a）冲头下压式
• （b）冲头上压式

第8页：喷射充填理论

喷射充填的理论：由弗罗梅尔（Frommer）于1932年提出。液态金属的充填过程遵循流体力学定律，并且有摩擦和涡流现象。

通过实验，熔融金属从内浇口进入型腔时，以内浇口截面的形状射向远离浇口的对面型壁，撞击后部分金属聚积并产生涡流，另一部分金属则向所有方向喷溅，并沿型壁返回流动；金属积聚所产生的反压力使喷溅的金属紊乱地与后来的主流汇合，由于型壁的摩擦，沿型壁流动的金属逐渐被积聚的金属赶上而合在一起，其后便向浇口方向流回。

第9页：全壁厚充填理论

“全壁厚”充填的理论：由勃兰特（Brandt）于1937年提出，是与当时流传的费罗梅尔理论完全不同的金属充填型腔形态理论。

勃兰特认为，熔融金属通过内浇口进入型腔时，自浇口处开始，由后向前充满型腔厚度地流动，流动时不产生涡流，型腔中的气可以得到充分的排除；并且无论内浇口截面积与型腔截面积之比大小如何，填充形态仍然是“全壁厚”的。

第10页：三阶段充填理论

“三阶段”充填的理论：（a）形成薄壳层；（b）继续充填；（c）即将充满；（d）充满型腔。

三阶段填充理论由巴顿（Barton）于1944年提出。巴顿认为，压铸过程是一个包含着热力学、力学和流体动力学因素的复合问题，充填过程大致分为三个阶段，且三个阶段对压铸件质量所起的作用也不相同。

第11页：三阶段充填的各个阶段作用

“三阶段”充填的各阶段作用

• 第一阶段：金属流射入型腔后首先冲击对面型壁，沿型腔表面扩展并生成薄壳层，即压铸件外壳，影响压铸件的表面质量
• 第二阶段：随后进入的液态金属继续沉积在薄壳层内的空间里充填直至填满，影响压铸件的硬度
• 第三阶段：型腔完全充满的同时，压力通过尚未凝固的中心部分作用在压铸件上，金属得到压实，影响压铸件的强度

第12页：喷射与喷射流的特性

1）喷射及喷射流特性：在很大的运动能量的作用下能够直线前进。

• 应用：可以先充填那些阻力较大的部位及没有排气槽的部位
• 图示：（a）（b）；1-喷射；2-喷射流

第13页：压力流的形成过程

2）压力流及其应用：由喷射、喷射流转变为压力流的四个阶段。

• （a）喷射的前端开始转变为喷射流阶段
• （b）金属液由喷射流进入型腔约有型腔容积一半的阶段
• （c）压力流的阶段
• （d）完成充填的阶段

图中：1—喷射；2—喷射流；3—压力流。

第14页：压力流的特点与应用

压力流的特点

• 压力流发生在偏离喷射及喷射流的通路部分（如铸件上的凸台）和远离内浇口的部位
• 压力流在阻力少的通道上前进的特性很强
• 压力流没有喷射流那样大的运动能量，但能接受后续金属液供给的压力能，使金属液沿型腔内壁前进
• 应设置排气槽排气

第15页：再喷射与补缩金属流

3）再喷射：发生再喷射的部位易产生气孔和缩孔，应将内浇口设在靠近铸件厚壁的部位。

4）补缩金属流：在内浇口部位的金属流尚未凝固之前，立即增高压室内的压力，向型腔内补充金属液。

第16页：影响压铸金属流的因素

影响压铸金属流的因素：压铸过程中金属液的充填形态与铸件结构、压射条件、模温、金属液的温度和粘度以及浇注系统的形状尺寸等都有着密切的关系，这些因素的改变也会导致金属液充填形态的改变。

第17页：压射条件对金属流的影响

1）金属液随压射条件的改变而改变

• 高速压射（a）—（d）：（a）金属液压入前的准备状态；（b）完全喷射状态；（c）-（d）喷射流—压力流，卷入空气
• 低速压射（e）—（h）：（e）金属液压入前的准备状态；（f）型腔的1/3转换为高速压射；（g）、（h）喷射流（不发生喷射）

第18页：内浇口形状对金属液的影响

2）内浇口的形状对压铸金属液的影响：图示分型面、定模、动模等位置的基本内浇口形状与金属液的喷射方向。

第19页：金属流与压铸件表面质量

金属流与压铸件的质量——1）表面质量

• 金属流的流速越快，压铸件的表面质量越好，越光滑
• 流速相同时，通过的金属液越多，压铸件的表面质量越好
• 由喷射流充填的部位要比压力流充填部位的表面质量好
• 在薄壁部位设置内浇口易获得光亮的表面（但此时内部缺陷增多）

第20页：金属流与压铸件内部质量

金属流与压铸件的质量——2）内部质量

• 在金属液充填终了到增压压力完全上升止而金属液尚未开始凝固的条件下，金属液流速越缓慢，内部缺陷越少
• 相同时间内充填完毕时，压力流成型的铸件比喷射流成型的铸件内部缺陷少
• 采用压力流的压铸件形状易把气体封闭在里边，产生局部面积较大的内部缺陷，应在易封闭气体的部位改用喷射流充填以减少内部缺陷

第21页：金属流与强度及气密性

金属流与压铸件的质量——3）强度及气密性

• 引起压铸件强度降低的原因主要有气孔、缩孔、冷隔等，须综合考虑压铸模的设计、压铸机的性能、压铸条件
• 保持合适的金属液温度和模温，并在金属液开始凝固前即行充填加压，以消除冷隔等缺陷
• 有效地排出气体，以获得气孔少、强度及气密性质量高的压铸件

第22页：压铸压力的两种表示形式

1）压铸压力：压铸压力在压铸工艺中是主要的参数之一，其表示形式有：

压射力

来源于高压泵，是压铸机压射机构中推动压射活塞的力，其大小随压铸机的规格不同而异。

压射比压

压室内金属液在单位面积上所受的压力。

第23页：压射力与压射比压的计算公式

压射力的计算公式

• Fγ——压射力（N）
• Pg——液压系统的管路工作压力（Pa）
• AD——压铸机压射缸活塞的截面积（m2）

压射比压的计算公式

• Pb——压射比压（Pa）
• Fγ——压射力（N）
• Ad——压射冲头（近似压室）截面积（m2）

第24页：压铸过程中压射比压的变化

2）压铸过程压射比压的变化

• 熔融合金在流动过程中的流体动压力，完成充填和成形过程
• 充填结束后以流体静压力形式出现的最终压力（其值明显大于动压力），对凝固过程中的合金进行“压实”

液体金属在压室与压铸模中的运动可分解为四个阶段。

第25页：压铸周期压射比压变化曲线

压铸周期压射比压的变化曲线

• p1—慢压射压力；p2—快压射压力；p3—系统压力；p200—增压压力稳态值
• t1—慢压射时间；t2—快压射时间；t3—系统升压时间；t4—增压延时时间；t5—增压时间
• a—压射冲头速度与压射时间的关系曲线；b—压射压力与压射时间的关系曲线

第26页：压射比压的选择原则

3）压射比压的选择

压射压力

充模刚结束时压射冲头作用于金属液面上的力。

压射比压

充模刚结束时压射冲头作用于单位面积金属液面上的压力。

压射比压的选择应根据压铸件的形状、尺寸、复杂程度、壁厚、合金的特性、温度及排溢系统等确定。正确选择压射比压的大小对铸件的力学性能、表面质量和模具的使用寿命都有很大的影响。

第27页：比压大小对铸件性能的影响

3）压射比压的选择——比压的影响

• 一般在保证压铸件成形和使用要求的前提下选用较低的比压
• 铸件在较高的比压下凝固，可提高内部组织的致密度，强度提高；但比压进一步增大，塑性指标下降，强度也会下降，力学性能恶化
• 提高压射比压可以提高金属液的充模能力，防止铸件产生冷隔或充填不足，获得轮廓清晰的铸件
• 比压过大，会加剧金属液充模时对型腔的冲击，加速模具磨损，影响模具寿命

第28页：压射速度与充填速度的概念

压铸速度的两个概念

压射速度

压铸机压射缸内的液压推动压射冲头前进的速度。

充填速度

液体金属在压力作用下，通过内浇道进入型腔的线速度。

第29页：压射速度与内浇口截面积对充填速度的影响

1）压射速度和内浇口截面积对充填速度的影响

熔融金属在压射冲头的推动下，经过浇注系统内浇口时的速度可以认为不变化或变化很小，把流动过程看成在一封闭的管道中进行，根据等流量连续方程计算。

• v1——压射速度（m/s），由压铸机的特性决定，一般在0.1—7 m/s范围内变动
• v2——充填速度（m/s）
• Ad——压射冲头（近似压室）截面积（m2）
• d——压室（压射冲头）的直径（m）
• Aj——内浇口截面积（m2）

第30页：充填速度与压射比压的关系

2）充填速度与压射比压的关系：充填速度与压射比压是两个密切相关的物理量，考虑粘度和摩擦阻力的影响可根据伯努利方程计算。

• v2——充填速度（m/s）
• Pb——压射比压（Pa）
• g——重力加速度（m/s2）
• γ——液体金属的重度（N/m3）
• ξ——阻力系数（一般取0.358）

第31页：充填速度的选用

3）充填速度的选用：充填速度也是压铸工艺主要参数之一，充填速度的高低直接影响压铸件的内部和外观质量。

• 充填速度过低，会使铸件的轮廓不清，甚至不能成形
• 充填速度过高，会引起铸件粘型并使铸件内部气孔率上升，使力学性能下降

第32页：充填速度的选择原则

充填速度的选择原则

• 对于厚壁或内部质量要求较高的铸件，应选择较低的充填速度和高的增压比压
• 对于薄壁或表面质量要求高的铸件以及复杂的铸件，应选择较高的比压和高的充填速度
• 合金的浇注温度较低、合金和模具材料的导热性能好、内浇道厚度较大时，也要选择较高的充填速度

第33页：合金浇注温度的选择

1）合金浇注温度：指金属液从压室进入型腔的平均温度，通常用保温炉内的温度表示，一般高于合金液相线20~30℃。

• 浇注温度过高，合金收缩大，铸件容易产生裂纹，晶粒粗大，还能造成脆性
• 浇注温度过低，易产生冷隔、表面流纹和浇不足等缺陷

第34页：各种压铸合金的浇注温度

第35页：压铸模具的温度与冷却

2）压铸模具的温度：压铸模工作温度一般可按公式计算。

• 压铸模工作温度（℃）
• 液体金属的浇注温度（℃）
• 温度控制公差（一般取25℃）

压铸模工作温度过高的后果：①产生粘模（特别是铝合金）；②铸件来不及凝固、推出温度过高而导致变形；③模具的运动部件卡死；④铸件冷却缓慢，晶粒粗大而影响力学性能。

压铸模冷却措施：压缩空气、水或其他液体。

第36页：压铸模预热的作用与方法

压铸模在压铸生产前应预热到一定温度，在生产过程中要始终保持在一定的温度范围内。

压铸模预热的作用

• 避免液体金属在模具中因激冷而很快失去流动性，造成浇不足、冷隔、“冰冻”等缺陷，或引起裂纹、表面粗糙度增加
• 避免高温液体金属对冷压铸模的“热冲击”而导致过早热疲劳失效，延长压铸模使用寿命
• 压铸模间隙部分的热膨胀间隙应在生产前通过预热加以调整，不然合金液会穿入间隙而影响生产正常进行

压铸模的预热方法：常用喷灯喷烧、煤气喷烧、电阻加热或电感应加热。

第37页：压铸模预热温度及工作温度

第38页：充填时间的定义与影响

1）充填时间：金属液自开始进入模具型腔到充满型腔所需的时间。充填时间的长短取决于铸件的大小、复杂程度、内浇口处的面积和充填速度。

• 充填时间延长，充填速度降低，有利于排气，但铸件表面粗糙度较高
• 充填时间缩短，充填速度提高，可获得表面粗糙度较低的铸件，但致密度较差、内部气孔量较多

第39页：充填时间与平均壁厚的推荐值

原表按两栏分列，本表按平均壁厚升序重新对齐整理，数值未作改动。

对大而简单的铸件，充填时间要相对长些；对复杂和薄壁铸件充填时间要短些。当压铸件体积确定后，充填时间与充填速度和内浇口截面积之乘积成反比。

第40页：持压时间的选择

2）持压时间：从液态金属充满型腔到内浇口完全凝固，在冲头压力作用下所持续的时间。

• 持压时间的作用：使压射冲头有足够的时间将压力传给未凝固的金属，使之在压力下结晶，以获得较致密组织的铸件
• 持压时间长短取决于压铸件的材料和壁厚
• 熔点高、结晶温度范围大的厚壁压铸件，持压时间应长些；熔点低、结晶温度范围小的薄壁压铸件，持压时间可以短些

第41页：留模时间的选择

3）留模时间：指持压时间终了到开模推出压铸件的时间，以推出压铸件不变形、不开裂的最短时间为宜。

• 停留时间过短，铸件强度尚低，可能在顶出和落下时引起变形，强度差的合金还可能因内部气孔膨胀而产生表面气泡
• 停留时间太长，铸件温度过低、收缩大，对抽芯和顶出铸件的阻力亦大，对热脆性合金还能引起开裂，同时降低压铸机效率

第42页：常用持压时间与留模时间

第43页：压铸涂料的定义与种类

压铸用涂料：压铸过程中对模具型腔、型芯表面、滑块、推出元件、压铸机的冲头和压室等所喷涂的润滑材料和稀释剂的混合物，通称为压铸涂料。

压铸用涂料的种类（名称）、配制方法及适用范围详见教材或其他有关设计手册。

第44页：压铸涂料的作用

1）压铸涂料的作用

• 高温时保持良好的润滑性能，减少压铸件与模具成型部分尤其是型芯之间的摩擦，便于推出，延长模具寿命，提高压铸件表面质量
• 预防粘模（对铝、锌合金）
• 为压铸合金和模具之间提供有效的隔离保护层，避免金属液直接冲刷型腔和型芯表面，改善模具工作条件
• 降低模具热导率，保持金属液的流动性，提高金属的成型性

第45页：对压铸涂料的要求

2）对涂料的要求

1. 在高温状态下具有良好的润滑性
2. 挥发点低，在100~150℃稀释剂能很快挥发
3. 涂敷性要好，对压铸模和压铸件无腐蚀作用
4. 性能稳定，在空气中稀释剂不应挥发过快而变稠，存放期长
5. 高温时不分解出有害气体，且不会在压铸模型腔表面产生积垢
6. 配制工艺简单，来源丰富，价格便宜

第46页：涂料的使用注意事项

3）涂料的使用

• 大多数压铸模应每压一次都上一次涂料，上涂料的时间要尽可能短
• 特别注意用量，要避免厚薄不均或者太厚；喷涂时，涂料浓度要加以控制
• 一般对糊状或膏状涂料可用棉丝或硬毛刷涂刷；有压缩气源的地方可用喷枪喷涂（适合油脂类涂料）
• 涂刷时，在刷后应用压缩空气吹匀
• 喷涂或涂刷后，应待涂料中的稀释剂挥发后再合模浇注
• 对于转折、凹角部位应避免涂料沉积
• 喷涂涂料后，应特别注意压铸模排气道的清理

第47页：真空压铸

1）真空压铸：用真空泵抽出压铸模型腔内的空气，建立真空后注入金属液的压铸方法。

• 真空度在52~82 kPa（380~600 mmHg）范围内，可以用机械泵获得；薄壁与复杂的压铸件真空度应高些
• 型腔抽气在技术上已圆满解决，20世纪50年代曾被广泛应用
• 目前只用于生产要求耐压、机械强度高或要求热处理的高质量零件，如传动箱体、气缸体等重要而结构复杂的铸件

第48页：充氧压铸

2）充氧压铸：仅适用于铝合金压铸，指将干燥的氧气充入压室和压铸模型腔，以取代其中的空气和其他气体。

• 残留在型腔中的氧与铝液反应形成 Al2O3 质点，从而消除不充氧时压铸件内部形成的气孔
• Al2O3 质点颗粒细小，约在1 µm以下，其质量占压铸件总质量的0.1%~0.2%，不影响力学性能，并可使压铸件进行热处理
• 是消除铝合金压铸件气孔、提高压铸件质量的有效途径

第49页：精速密压铸

3）精速密压铸：精确、快速及密实的压铸方法的简称，采用两个套在一起的内外压射冲头，又称套筒双冲头压铸法。

• 压射开始时内外冲头同时压射，填充结束、外壳凝固且型腔达到一定压力后，限时开关启动，内压射冲头继续前进，推动压室内金属液补充压实压铸件
• 图（d）所示结构为在压铸模上另设补充压射冲头补充压实，也可将其设在压铸件的厚壁处
• （a）开始状态；（b）中间状态；（c）压实状态；（d）补充压射冲头示意图；1-外压射冲头；2-内压射冲头；3-补充压射冲头；4-推杆

第50页：半固态压铸

4）半固态压铸：半固态压铸装置原理示意图。

• （a）流变压铸法；（b）触变压铸法
• 1-压铸合金；2-连续供给合金液；3-感应加热器；4-冷却器；5-流变铸锭；6-坯料；7-软度指示计；8-坯料重新加热装置；9-压室；10-压铸模

第51页：黑色金属压铸

5）黑色金属压铸

• 黑色金属比有色金属熔点高、冷却速度快、凝固范围窄、流动性差，使压室和压铸模工作条件十分恶劣，压铸模寿命低
• 液态下长期保温易于氧化，带来工艺上的困难
• 近年来模具材料的发展使黑色金属压铸进展较快，灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、碳钢、不锈钢和各种合金钢等均可压铸成形
• 高熔点的耐热合金（主要是钼基合金、钨基合金）是常用的压铸模材料，抗热疲劳性能良好；虽价格昂贵但寿命长，综合经济指标合理

第52页：本章小结

本章小结

• 压铸过程基于两种方式：一是热室压铸，二是冷室压铸；正确认识金属液的流动状态及其变化、掌握充填形态规律并充分利用其特性，是合理设计浇注系统、压铸出良好压铸件的决定性因素
• 压铸工艺是将压铸机、压铸模和压铸合金三大要素有机组合而综合运用
• 压铸工艺主要参数涉及压力、速度、温度和时间，互相影响、互相制约；填充型腔的过程是使这些工艺因素达到动态平衡的过程，调整一个参数会引起相应参数变化
• 压铸涂料的谨慎选用与合理喷涂操作是保证压铸件质量、提高压铸模寿命的重要因素
• 本章内容主要包括：压铸过程的基本原理、液态金属充填理论概述、液态金属的流动状态及其流动特性、充填时液态金属的种类及特性应用、影响压铸金属流的因素、金属流与压铸件质量、压力参数、速度参数、温度参数、时间参数、压铸用涂料，并简要介绍其他特殊压铸工艺

第53页：本章关键术语

关键术语

压力铸造

die casting

压铸模

die-casting die

压室

pressure chamber

压射

shot / injection

压射冲头

injecting ram / plunger

充填速度

filling velocity

压射速度

injection speed

压射比压

injection pressure

充填时间

filling time

合金浇注温度

pouring temperature

压铸涂料

coating for die casting / release agent

充氧压铸

pore-free die casting

精速密压铸

Acurad die casting

真空压铸

evacuated die casting / vacuum die casting

半固态压铸

rheocasting / semisolid casting / thixocasting

第54页：第1章结束页

The End !