Thin-Wall Aluminum Die-Casting Technology for Development of Notebook Computer Housing

Thin-Wall Aluminum Die-Casting Technology for Development of

Notebook Computer Housing

薄壁铝件压铸技术对笔记本外壳发展的影响

摘要

铝硅合金被认为是应用最广泛的合金系，这主要是由于它们拥有优良的铸造性能和独一无二的机械性能和物理性能的结合。但是，普遍认为小于1mm的薄壁压铸铝件的制造，要达到铸造铝合金的高流动性，是非常困难的。因此在这项研究中，通过使用两个不同的浇注系统、切线拼合式以及透气设计的实验，将检验出生产297 mm x 210 mm x 0．7 mm薄壁铝铸件的最佳条件。此外，计算上的凝固模型也被实施。结果表明，从铸件的稳固性和凝固后的扭曲变形程度来说，拼合式浇注系统是比切向浇注系统更加合理的浇注设计。另外也发现，合适的透气性设计也是生产薄壁铝铸件最重要的因素之一，因为它对于薄壁铝件型腔的充满以及将凝固后的铸件扭曲变形减到最小都很重要。

关键词：铝合金；薄壁压铸件；笔记本外壳；冷室压铸机

Abstract

Silicon—based aluminum casting alloys are known to be one of the most widely used alloy systems mainly due to thei r superior castlng characteristics and unique combination of mechanicaI and physicaI properties．However．manufacturing of thin—walled aluminum die—casting components，Iess than I．0 mm in thickness．Is generally known to be very difficult task to achieve aIuminum casting alloys with high fluidity．Therefore．in this study．the optimal die—casting conditions for producing 297 mm x 210 mm x 0．7 mm thin—walled aluminum component was examined experimentally by using 2 different gating systems，tangential and split type．And vent design．Fu rthermore，computational solidification simulation was also conducted．The results showed that split type gating system was preferable gating design than tangential type gat ang system at the pomt of view of soundness of casting and distortion generated after solidification．It was also found that proper vent design was one of the most important factors for producing thin—waI|casting components because it was important for the fu?llment of the thin—wall cavity and the minimization of the casting distortion．

KEY WORDS：Aluminum;Thin--wall die-casting;Notebook computer housing;

Cold chamber;die-casting machine

1．介绍

在铸造铝合金中，以A1－Si为基的合金系是应用最广泛的合金系之一，这都是出于它们独特的性能，比如低密度，比较高的强度和优良的铸造性能[1-3]。最近，在电子产品外壳和汽车覆盖件方面对轻质含铝合金的需求已经大大增加了，这主要是由于它与塑料相比的轻质高阻尼以及抵制损伤的能力。

然而，普遍认为，由于铝的流动性差，通过高压压铸生产壁厚小于1mm的薄壁铝铸件是非常困难的。这导致了铝合金在电子部件，如笔记本电脑，手机的外壳生产领域的应用受到了限制。因此，这项研究将涉及基于包括浇道、浇注系统和铸造条件在内的最佳压铸设计的生产薄壁铝部件的压铸技术。更多地，对浇注设计的实验性检测将被应用于壁厚小于0.8mm的完好的薄壁铝制笔记本外壳的构建过程。

2．实验

在实施压铸实验之前，将进行压铸模拟以确定压铸和熔化条件。为这个实验，将会设计和构建由H13工具钢制造的大小为210 mm×297 mm×0．7 mm的薄壁笔记本外壳压铸模具。如图表1中所示，两种不同的浇注系统：切向浇注系统和拼合式浇注系统将被用于这项研究。

在压铸之前，一种商用的ALDCl2压铸铝合金A1－(9．6－12)％Si－(1.5 －3.5)％Cu，Table 1)将被熔化到780℃，并且压铸模将被预热到230。C.这项研究将要用到的冷室压铸机(图.2)的主要技术参数如表2所示。熔融铝合金将被压射到压铸模的型腔中，

条件是0。35 m／s的压射速度直到短套筒中的活塞上升到370 mm。然后按比例地把压射速度加到2.0 m/s，2.5 m/s，3.0 m/s，3.5 m/s，4.0 m/s和4.5 m/s，在短套筒中，活塞从370 mm 上升到 390 mm。表3显示了这次研究中压铸条件的概要。

表1 ALDC12 合金的化学组成

表.2 压铸机性能参数

表.3 压铸实验数据

图.1 笔记本电脑外壳（210mmx297mmx0.8mm）示意插图和两种不同的浇注设计。（a）切向式浇注

系统（b）拼合式浇注系统

图.2 高速压铸机

图.3 两种不同浇注设计的模拟结果（a）切向式（b）拼合式

图.4 各种不同压射速度的压射结果（a）切向式（b）拼合式

图.5 去除浇注系统后切向式和拼全式浇注的变形量

图.6 带倾斜面的浇口套示意插图

图.7 0.7mm厚的薄壁笔记本电脑外壳

图.8 薄壁笔记本电脑外壳的厚度

3．结果与讨论

在压铸实验之前，对两种不同的浇注设计：切向式和拼合式进行凝固模拟。表.3所示的是铝液填充相应浇注设计的流动模型和温度分布。结果是，在填充型腔的过程中，两种浇注设计显示的是完全一样的熔体流动。然而，切向浇注系统在填充的最后阶段会产生熔化温度降低的区域（图.3(a)中圆圈圈出) 而拼合式浇注系统能使金属液在整个填充过程中温度始终保持在液相线温度以上。

像前面提到的一样，实际的压铸实验将对大小为210 mm×297mm×0.7 mm的笔记本电脑外壳进行。图.4所示的是高速压射和低速压射时的铸件，其中高速为2.0 到4.5 m/s，低速被设置为0.35 m/s。如图中所示，两种浇注设计都允许充型速度大于3.0 m/s。但是，低于3.0 m/s的高速压射遇到薄壁型腔则充型失败。另外还发现，切向式浇注系统就算在本次研究中用到的在高速压射条件下也不能充满溢流槽。此外，切向式浇注设计在去除浇注系统以后会导致更大的铸件变形。在图.5中，展示了去除浇注系统后的变形量。结果清楚地显示出切向式浇注系统会比拼合式浇注系统产生更严重的变形。由于本次研究中假定笔记本电脑外壳的厚度只有0.7 mm，所以由凝固结束后的铸造收缩引起的应力集中是大规模生产笔记本电脑外壳所要考虑的一个重要因素。因此，由以上几点原因，可以得出结论，拼合式浇注系统比切向式浇注系统更好。

然而，就算使用拼合式浇注系统，在压铸中也会出现诸如冷隔和浇不足等缺陷。因此，引进两种改进措施。一是增大溢流槽和排气槽的尺寸。溢流槽被加大70%（从4400mm3到7500 mm3)，并且把溢流槽的入口总长从13.5mm增加到30mm以使压铸模能更好的排气。此外，如图.6中所示，浇口套的上部被加工成一个斜面，以使压射过程中空气进入浇口套时的涡流降至最低。由于浇口套被铝液填充度小于30%（专业上通常推荐压铸过程中浇口套的最小填充度为40%）导致压射时卷入大量的空气和产生高的涡流[4]。

如图.6中所示，在压射过程中，机加工的斜面将帮助浇口套中的空气更容易地流出，因而进入金属液的空气将被降到最低。通过前面提到的两个改进，可靠的、缺陷较少的笔记本外壳压铸件被成功地制造出来了（图.7）。可以看到冷隔、裂纹和浇不足等缺陷在铸件中减少了。铸件的厚度也被测量出来（图.8）。在左图中显示了厚度测量的位置，在右图中显示了铸件厚度测量的结果。可以看到，厚度非常的均匀而且达到了0.67mm 的平均厚度。

由于铸件是如此之薄，小于0.7mm，使凝固后的脱模变得十分困难。薄壁铸件在脱模过程中可能会被弯曲甚至撕裂；因此，推杆的数量和位置在压铸模设计中是至关重要的。此外，在薄壁压铸中，为了使充型更好，压铸模温度控制器的使用也是一个重要因素。如果没有压铸模温度控制器，模具甚至在压射20次后也不会被明显加热。当压铸模没有被加热到合适的温度时，金属液被压射到冷的模具型腔中后就会被迅速冷却。因此，没有压铸模温度控制，严重的铸造缺陷包括浇不足和裂纹就会出现。

4．结论

（1）在切向式和拼合式浇注系统中，拼合式浇注系统被发现更适合薄壁压铸，因为金属液在它的型腔中的流动更加的均匀。

（2）当金属液到达内浇口时，为了得到可靠的薄壁压铸笔记本外壳，要使高速压射的速度大3.0m/s，最好能达到4.5m/s。

（3）整个铸件的厚度均匀并且厚度达到0.67mm。

（4）对于薄壁铝件的压铸，排气槽的位置和尺寸以及溢流槽都是减少冷隔和浇不足缺陷的重要因素。

（5）在压射中，带斜面的浇口套设计对浇口套中空气的引导和排除大有帮助。

（6）由于压铸体积十分小，将模具温度控制在尽量高就十分重要。

鸣谢

本研究由Korea Institute of Industrial Technology和Cwangju Metropolitan City通过“先进原材料和零部件工业发展工程”赞助。

参考文献：

[1] Microstructure and Properties of Aluminum Alloys, The Japan Inst．of Light Metals,1991,233．

[2] G. K. Sigworth: AFS TranS.1983,91.7．

[3] J. E. Gruzleski and Bernard M.Closset:AFS.1990.13.

[4] W. G. Ⅵhlkington: Die Casting Defects,NADCA,1997.