压铸工艺与压铸模具设计要点说明

压铸工艺及压铸模具设计要点

摘要：压铸机、模具与合金三者，以压铸件为本，压铸工艺贯穿其中，有机地将它们整合为一个有效的系统，使压铸机与模具得到良好的匹配，起到优化压铸件结构，优选压铸机、优化压铸模设计、提高工艺工作点的灵活性的作用，从而为压铸生产提供可靠保证。所以，压铸工艺寓于模具中之说，涵之深不言而喻。

关键词：压铸机；模具；压铸工艺；模具设计

The Main Points of Die Casting Process and

Die Casting Die Design

PAN Xian-Zeng, LIU Xing-fu

Abstract: The die casting machine, die and alloy, the three on the basis of die castings, running through with the die casting process forms organically a whole and an effective system. Making the machines well to mate with dies, optimization of die casting construction, optimization of selecting die casting machine, optimization of die design and improving the flexibility of die casting process conveys in the die, this has a profound intension.

Key words: die casting machine; die; die casting process; die design

1 压铸机—模具—合金系统

压铸机、模具和合金这三个因素，在压铸件生产过程中，它们构成了一个系统，即压铸机-模具—合金系统，它是以压铸件为本，工艺贯穿其中，赋予系统活力与效率，而模具则是工艺进入系统的平台。压铸机、模具与合金三者关系形象地表示如图1所示。

压铸机-模具-合金系统主要表现为：

(1) 浇口的位置影响充填金属熔体的流动方向及状态，和充填型腔的质量，对模具结构和工艺产生决定性影响，这是关键所在。

(2) 选定最佳充型时间，这是非常重要的一步，影响到充型时的金属熔体的体积流量(Q)，也就是充型功率，并据此计算浇口尺寸。

(3) 选择排气、溢流的位置和尺寸，除正常的排气、排污和温度平衡外，还可减少冲击压力，避免金属飞溅和产生毛刺。

(4) 加热与冷却，平衡模具温度，保持工作温度。

2 压铸工艺与模具设计的关键技术

压铸时浇口的位置影响压铸件的结构设计、质量和压铸模具设计，通过查询资料可得到正确设置浇口位置的提示。由于铸件结构的多样性，要选择浇口的正确位置是很困难的，但也有一些基本要求，如普遍认为设置浇口要使充型时的金属射流尽可能地以自由射流在型腔中流过较长距离，也就是正确的浇口位置、形状、尺寸(流向角)配合压铸参数可获得金属射流沿型壁不断有序扩展、转向，并连续不断地扩展至尽头。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)由金属熔体支流补充完成或由金属熔体股流相碰撞完成充填，并通过排溢系统排除残余。图2为浇位置与主干型腔示意图[1]”。

同一个压铸件选择不同的浇口位置和流向角，可以得到不同的主干型腔、非主干型腔和各自占有的面积百分数，图2中的壳体压铸时，由于浇口的位置不同，得出不同的主干型腔和非

主干型腔。图2a浇口垂直于一侧壁，由于零件顶部的长方孔把两侧壁分开，结果是只有一侧为主干型腔；要充填另一侧壁，必须经浇道两端连接处，最后两股液流汇聚完成填充，这一部分就是非主干型腔。因主干型腔所占面积百分比不高，因此会产生大量废品，如图2a1。在图2b中，浇口位置不作改变，只是把顶部长方孔用等壁厚的工艺筋连接起来，这样充填时金属熔体转向，沿筋板充填另一侧壁，使两侧壁都成了主干型腔，增大了主干型腔所占百分比，铸件质量也大幅度提高，如图2b1。在图2c中，零件与图2a相同，顶部方孔不加工艺筋，但将浇口设置在零件一端，这样金属熔体从两侧壁同时进行充填，从而扩大了主干型腔百分比，保证了质量，提高了合格率。这是同一零件三种浇口设置方案，证明浇口位置的关键性。

虽然计算机技术有助于选定浇口位置，但计算机技术仅是一种方法，而浇口位置设计仍不失为一项关键技术。

3 压铸工艺要点

3.1 pQ2图和压铸机的泵功率

3.1.1 金属压力、速度和流量之间的关系

在原理上压铸机是一台液态金属泵，它在压力下将金属熔体输送到压铸模型腔。泵的特性是输送功率(体积流量)，是压力的函数，这方面早在70年代，首先由澳大亚CSIRO做出有价值的开发工作，用pQ2图建立了一个有用的工具，根据铸件亦即模具的要求，决定机器的调整值，本来是用于热室压铸机的锌合金压铸件上，但很快就扩展到冷室机上。在原则上，现在从流体力学原理所熟知的压力与体积流量的关系，转移到压铸机的实际应用。

根据伯努力方程，按照似稳流，金属流动速度为：

式中：υ为流速，m/s；p为流动压力，N/m3（1 bas=105 N/m2=0.1 MPa）；ρ为液态金属密度，kg/m3。

由式（1）可得到

压铸机压射单元有两个液压系统：一个是压射蓄能器-压射驱动缸构成的液压系统；另一个是跟着这个系统随动的冲头-压室-喷嘴（热室机）-直浇道-横浇道-浇口组成的金属液压系统（metal-hydraulic system, metallhydraulisches System）。对于金属液压系统，浇口速度是υa，则式（2）变为：

金属压力愈高，在喷嘴及浇口处的金属熔体的流动速度也愈快，但也必须考虑克服由于流动截面变化、方向改变和型壁粗糙度存在而产生的流动阻力，用阻力系数ξ来表示这些阻力之和。因此，金属压力可写成下式：

如果已知无量钢系数ξ，就可以计算出一定浇口速度所需的金属压力，根据压铸合金和铸件要求，浇口速度有一经验值，应该遵守，见表1[2]，因此需要压铸机提供相应的速度。

表1 浇口速度的选取

Table 1 Choice of velocity at ingate

项目 A1 Mg Cu Zn

υa(m.s-1) 25-60 40-90 30-45 30-50

低值用于相对厚的铸件，高值用于相对薄的铸件，一般镁合金铸件的浇口速度比铝的高25%，真空压铸时的浇口速度为15-30m/s。

金属熔体的体积流量Q是速度υa和出流面积Sa的乘积，出流面积是指浇注装置的喷嘴面

积或压铸模的浇口面积，其关系为

Q=υaSa

式中：Sa为出流面积，m2。将式（5）代入式（4）得到：

公式（6）指出了金属压力和金属流量的关系；充型时，如果体积流量Q不足或液流速度υa 达不到要求，就必须提高金属压力，p升高，Q、υa就会升高，即可达到充型要求。提高压力可通过提高压射阀前蓄能器压力，也可通过调节压射系统压力调节阀（即节流阀）的开度实现。

由式（6）可知，在金属密度ρ、出流面积Sa一定时，所需金属压力p与体积流量Q的平方成正比。为了描绘压力是体积流量的函数，在纵座标上p采用线性分度，Q在横座标上采用平方分度，从座标原点引出一条直线，表示相应的阻力系数ξ，并代表了相应出流面积Sa 时的压力的体积流量的关系，这是通常在pQ2图中的阻力线或模具线（DL），见图3[2]。在理想状态下，无流动阻力，则ξ=1，阻力线对横座标比较平坦即夹角小，阻力愈大，ξ值越小，阻力线对横座越徒，夹角也愈大，见图4[2]。

3.1.2 压铸机的泵功率和机器特性线（pQ2图）

一台已知压铸机它可供使用的金属压力是多高？对此存在两个简单的极限条件：

（1）如果活塞（冲头）速度为零（活塞停止），也就是充型结束时，能达到的最大金属压力（不接通增压器）；

（2）如果压室中无金属压射时（所谓空压射）冲头所能达到最高的速度，此时可得到最大体积流量，金属压力等于零。

两个极根条件是可确实的，参照图5[2]压铸机的压射装置示意图和下面的公式

式中：p1为压射（驱动）缸中的压力，bar；ps为蓄能器压力，bar；υ0为活塞速度，m/s；υ ot max为最大活塞速度（空压射速度），m/s。

由图5和式（7）可以看出：如果υ0=0（活塞停止），则p0=ps，就是说压射后在压射缸中建立起全蓄能器压力；如果相反，υ0=υ ot max（空压射速度），则p1=0，也就是压射活塞上无压力。

如果蓄能器压力和压射活塞面积已知，可以计算静金属压力pstat，它是压射终了冲头施加在金属上的压力。

（8）

式中：pstar为静金属压力，bar；pa为蓄能器压力，bar；A1为压射（驱动）活塞面积，m2；A0为冲头面积。

第二个极限条件（最大体积流量）可由空压射时活塞速度求得，见公式（9）。活塞速度和随动的冲头速度可由测量速度的传感哭（常用位置传感器）测得，见图6[3]。

式中：Qmax为空射时最大体积流量，m3/s；υ ot max为最大活塞（冲头）空压射速度，m/s；A0为冲头面积，m2。

把两个最大值pstat和Qmaxt在pQ2图的座标中用一直线相连，就得到所谓的机器特性线（ML），见图7[2]；适于相应的压射活塞、冲头面积，及测量时所选调的蓄能器压力和压射阀开度。此特性线确定了为得到所需金属体积流量，可提供的金属压力。

为了检验，在充型阶段测量压力和活塞（冲头）速度以及充型时间，冲头速度乘以冲头面积求得体积流量Q，Q在充型阶段用所测得的金属压力（即所描绘的压力曲线）也可读取。

体积流量Q也可由铸件体积和充型时间之商（或由铸件重量除以金属熔体密度和充型时间之积）求得，这个与p和Q有关的工作点必须位于机器特性线上，机器特性线也可在不知道

Qmax时，从pstat经过用金属压射时的工作点连接直线，并延长至横座标，其交点就是Qmax。工作点也是阻力线与机器特性线的交点，流动阻力愈大，工作点的位置愈高，金属压力也愈高，相应的体积流量就愈小，随着浇口截面积变小，增加了流动阻力，阻力线走势更陡，因为对同等锁模力的机器，存在明显的压射功率的区别，对相同的压铸模也产生泵功率（也就是可供的体积流量）相应的区别（见图8[2]）。相同锁模力的机器有很不同的泵功率，随着锁模力升高，泵功率不一定要跟着同样增大，锁模力对已知铸件投影面积是否足够，机器是否够大，必须检验，可藉助于pQ2图使已知的机器所能提供的需要的金属输达能力得到保证。因为压铸机特性上的工作点位置是通过机器的输出特性和已知的流动阻力确定的，为了创造生产铸件的最佳压铸条件，对此应进行优化，这种优化是基于提供冲头最大的压射功率。如G. L. Wilson所指，要满足用金属压铸的压射功率最大，则体积流量是：

也就是：

从这一点出发的机器特性与纵座相交于静压pstat。机器特性线上工作点，已知Q值，相对应金属压力p约为金属静压的2/3；如果选择式（10）（11）的条件，如图9所示[2]，则

这是对已知铸件所需流量Q优化的原则，如何才能使机器特性与铸件所需相匹配，以此有三种可能：可选调的压射阀、可调的蓄能器压力、选择相配的冲头直径。表2是这三种调节对机器特性线的影响。

在pQ2图中机器特性线是很有涵的，如表2所述那样，可进行相应的变化、调节。如果将阻力线加入其中，那就更具指导意义。

3.2 铸件压铸所需的机器pQ2图

对已知铸件所需流量Q，根据公式（10）（11）和（12）的条件进行优化，而得到铸件压铸所需的机器特性线（pQ2图），见图10，并用来与所选压铸机的特性线进行比较。

优化计算过程和比较方法如下。

（1）已知铸件重量G（包括溢流槽），液态合金密度ρ(g/dm3)，并根据铸件结构、壁厚和技术要求选取充型时间τ；按公式（13）求得金属流量Q0，并根据所优化原则公式（11）求得最大金属流Q0=Gτ/ρ

（2）按下式求得充型时所需的金属压力p0。

式中：υa=浇口速度（m/s）根据铸件要求（参照表1）选取；ξ为阻力系数；ρ为液态金属密度，g/cm3。根据优化原则，按公式（12）求最大金属压力p0’=2/3p0。

（3）在图10中，联接p0’与Q0’两点完成工艺所需的机器特性线（MLXU），并与所选机器的特性线（ML）进行比较，一般说来，只要工艺所需要的机器特性线MLXU位于所选机器的特性线ML的下方，就表明所选机器能满足压铸该零件的需要，至于供需之间的最佳匹配，则与模具特性（DL）有关。如果工艺所需要的机器特性线MLXU不能或不能完全位于机器的特性线ML的下方，则可以按照表2所述的改变浇口截面积（即改变DL的斜率）等方法，以使供需平衡如图10、11、12和13所示，否则应另选合适的压铸机。

3.3 以铸件为本，优化压铸机—模具—合金系统，提高工艺灵活性

在压铸机—模具—合金系统中，通过调整工艺参数，可以改善压铸件的质量和性能。这些工艺参数用一个工作窗口(OW)加以限定。这说明OW是这些工艺参数的极限图。在压铸工艺中，充型时间、浇口速度和最终金属静压用以限定OW，这些参数与充型现象有关，依赖于模具设计和压铸机性能。在模具设计时，OW的所有点被认为都是相等的，并无优先权，可以认为最佳工作点存在于OW的未知点上，在压铸模装在压铸机上试模之前是无法找到它

的。在模具设计阶段保证易于找到良好工作点是基于灵活性的考虑，灵活性是在OW通过调节获得的。

为此，将工艺参数分成软参数和硬参数两种，软参数是指通过操作或一个控制装置进行调节的参数，如功率水平、金属压力、熔体温度、模具温度和循环时间等参数。硬参数是指一种需修正的模具或同时需修正的压铸机，如冲头直径、浇口面积、排气槽等。软参数在试模时容易更改并获得成功，硬参数更改起来则既困难又费钱、费时，常常需要拆卸模具以便重新修正。因此，优化手段是基于软参数并扩大OW调整点的灵活性，从而为模具试验提供较大的围，避免费时费钱的模具更改。

3.3.1 压铸机包容线(MPE线)

压铸机包容线(MPE线)是一条与压铸机所有的特性线相切的双曲线，如图14所示。MPE线是压射用蓄能器压力pakk、最大空压射速度υot max和压射活塞面积A1的函数。

P=α/Q而式中：α为压射系统所能提供的压射功率，kW。

显然，MPE线与冲头直径无关，是压铸机压射终了的通用特性。它表示储存于充型蓄能器的能量在压射阶段通过液压系统施加于金属熔体上，位于MPE线下面的面积（图15）包括在机器的特性之。

3.3.2 优选浇口面积

充型时间和浇口速度的极限如图15所示，pQ2图中的OW区域用υa max、υa min、tf max 和tf min加以限定，tf max为充满铸型前只是部分凝固所需要的时间，tf min是充满型腔前能将型型腔的气体（空气+涂料蒸气）充分排出的时间。在增加模具排气能力或用真空时，tf min可以向更低值移动以增加OW的面积。υa min可以流动模型（雾化，层流）获得，υa min则考虑模具的侵蚀和磨损。

一般地，铝压铸件tf min≈30 ms，（铝压铸件表面镀层）不镀时为60 ms，A1合金为25~60 ms，锌压铸件tf min≈20 ms，（锌压铸件表面镀层）不镀时为40 ms，Zn合金30~50ms；镁优质压铸件tf min≈30 ms，一般不大于40ms，Mg合金40~90ms；Cu合金tf min为30~45ms。浇口面积由DL线的斜率来表示，DL线斜率随浇口面积增大而减少，DL线穿过OW右下角对应于最大浇口面积，反之穿过左上角则对应于最小浇口面积，如图15所示。

充型时间与浇口速度之间的关系是由所选择的特定的浇口面积所建立的，并描绘成一条DL 线。DL线通过OW并由其所截的线段是所有可能的充型的时间和浇口速度组合的区域，OW 并在MPE线之下DL线的长度是灵活性的图解，较长的线段表明调整点有较高的灵活性，DL 线下面的三角形面积A（图15所示）是可选择围，面积大则说明可调整的余地大。线段和面积两种方法表示灵活性都是允许的。如图16所示是最佳调定的pQ2图上的表示，DL线是OW的对角线，这样具有最大的灵活性，为了达到这一目的就要改变OW的极限并适当地调节MPE线和ML线。

3.4 从压射曲线说起

当今压铸机常配以三级压铸系统：第一级为冲头慢速渐进，将金属熔体推至浇口，即所谓慢压射阶段；第二级是冲头以高速将金属熔体通过浇口，在规定的时间充满型腔，即充型阶段；第三级为尚未完全凝固的铸件在高压下(启动增压器)进行凝固和被压实，即压实阶段。图17所示为典型的三级压射曲线示意图，图中曲线分成一级慢压射、二级充型和三级增压压实三个阶段。有些压射系统将第一级压射又分成两个小部分，第一部分是冲头先封住浇料口(图18所示X1线)，第二部分为慢压射阶段，然后再进行光型和压实，这就成了四级压射系统，这样除了可避免熔体溅出浇料口，更可以提高压室初始充满度。

3.4.1 慢压射阶段

慢压射阶段在工艺上主要是选控慢压射速度，目的是在金属熔体涌至浇口时，压室中的气体能完全从浇口进入型腔，而不被金属熔体包裹，避免在铸件中形成气孔；为此，需要选择一个临界冲头速度，可以是等加速度，也可以是恒速，一般说，等加速度效果好。国外压铸机多配以“Parashot'’或“SIMUI”的等加速度的慢压射的速度选控系统，图19、图20[2]可作为选控慢压射速度之参考。

3.4.2 充型阶段

此阶段在工艺上最应关注的是：充型时间、压射速度、浇口速度和空压射速度的相互关系，及主要要参数的选择。

3.4.2.1 最佳充型时间

充型时间就是金属熔体流过浇口，以高的浇口速度，在金属熔体停止流动前充满型腔的时间。这一时间很短，是一个非常关键的参数，是选用压铸机，进行工艺设计和模具设计的基础。

充型时间要短，目的是充型时在铸件最小的部位或液流远端不产生早期凝固，避免铸件出现缺肉、冷隔等缺陷。充型时间越短，充型速度就越高，会加大型腔磨损，还可能因胀型而金属飞溅和产生飞边；充型速度高，会使型腔中气体没有足够时间从型腔中逸出。充型时间的正确选择只有综合考虑才能得到，表3给出了选择充型时间和浇口速度的相关因素[4]。

金属熔体从工作温度到凝固温度释放的热量决定了其在相同导热率下保持可铸性的时间，因此这种热量便作为判定其最大可充型时间的尺度。释放热量与充型时间成正比，根据热量比可以得到几种合金的充型时间的关系。Mg合金、Zn合金、A1合金和Cu合金在相同凝固条件下，从工作温度到凝固温度释放的热量分别为261、329、509、918kCal/dm3，则它们的型时间比为τMg:τZn:τAI:τCu ≈0.51:0.65:1:1.8。也就是说τMg=:0.51τAI，τZn=0.65τAI，τCu=1.8τAI。

表4给出了充型时间与壁厚有关的推荐值，更确切地说与凝固模数有关。一些世界著名的公司如瑞士Buehler也以此作为选择充型时间的依据。早先的资料中是按铸件平均壁厚计算的，而后来资料也有按最小壁厚计算的。

注：最大值用于铝合金，中间值用于锌合金，最小值用于镁合金。

B.Nogowizin基于材料的热性质和他人经验，从试验出发，得到最佳充型时间关系式[3]：

式中：τ为充型时间，s为铸件平均壁厚；ρ为固、液相间合金密度平均值；HSW为合金熔化热；C为固、液相间合金平均化热容；tL为合金液相线温度；f为固相率；?t为液相线温度与固相率为f时温度之间隔；tF为模具温度；λF为模具材料的导热率；CF为模具材料的比热容；ρF为模具材料的密度。

此时，浇注温度tg=tL+ (60~120)(℃)

压铸时显然金属液在型腔中无过热，人们观察到熔体流中具有一定数量的固相，当固相率达到30%~80%时，在型腔中熔体运动只能通过高的流入速度，当最佳充型时间按式（17）计算时，相当于f值为70%~80%。

图21中可以确定液相线温度和形式70%~80固相时的温度间隔，即?t=38℃，表5[3]和表6中列举模具钢1.234 4(X40CrMoV51)和压铸合金的物理性质，也可用于1.234 3(X38CrM051)、1.236 5(X32CrMoV33)和1.236 7(X38CrMov53)[3]。铝合金和铜合金的熔化热的经验值不详，所以用理论值。试验指出，镁合金的熔化热等于纯镁的熔化热。表7[3]是按式（17）和按f=70%计算的最佳充型时间，如f=80%时，则表中数据要扩大1.3倍。由表5可知A1-Si和AISiCu合金最佳充型时间要比Al-Mg合金长1.2~1.6倍，这归因于Si高溶化热，使含硅的