壓鑄工藝及模具設計2壓鑄過程原理

2.1壓鑄壓力2.2壓鑄速度2.3金屬充填鑄型的形態

壓鑄工藝及模具設計壓鑄的主要特點是金屬液在高壓、高速下充填壓鑄模型腔，并在高壓下成型、結晶,因此，壓鑄過程中壓力和速度的變化及其作用是至關重要的，它們直接影響金屬充填形態和金屬液在型腔中的運動，從而影響壓鑄件的質量。2壓鑄過程原理2.1壓鑄壓力壓鑄壓力是壓鑄工藝中主要的參數之一。壓鑄過程中的壓力是由壓鑄機的壓射機構產生的，壓射機構通過工作液體將壓力傳遞給壓射活塞，然后由壓射活塞經壓射沖頭施加于壓室內的金屬液上。

壓鑄工藝及模具設計作用于金屬液上的壓力是獲得組織致密和輪廓清晰的鑄件的主要因素，所以，必須了解并掌握壓鑄過程中作用在金屬液上的壓力的變化情況，以便正確利用壓鑄過程中各階段的壓力，并合理選擇壓力的數值。壓鑄過程中的壓力可以用壓射力和壓射壓力兩種形式來表示。壓鑄機壓射缸內的工作液作用于壓射沖頭，使其推動金屬液充填模具型腔的力，稱為壓射力。其大小反映了壓鑄機功率的大小。壓射壓力是指壓射過程中，壓室內單位面積上金屬液所受到的靜壓力。壓射力和壓射壓力的關系如下：(2-1)壓鑄工藝及模具設計式中p——壓射壓力（Pa）；F——壓射力（N）；A——壓射沖頭截面積（近似等于壓室截面積）（m2）；D——壓射缸直徑（m）。由式(2-1)可知，壓射壓力與壓射力成正比，而與壓射沖頭的截面積成反比。所以，壓射壓力可以通過調整壓射力和更換不同直徑的壓射沖頭來實現。既考慮壓射力又考慮壓射壓力，會把問題復雜化，而且壓射壓力更能反映壓鑄過程中金屬液在充填時的各個階段以及金屬液流經各個不同截面時的力的概念，因此，壓鑄壓力通常指的是壓射壓力。

在壓鑄過程中，作用在金屬液上的壓射壓力并不是一個常數，而是隨著壓射階段的變化而改變。金屬液在壓室與壓鑄模型腔中的運動可分解為四個階段，圖2-1表示在不同階段，壓射沖頭的運動速度與金屬液所受的壓力（壓射壓力）曲線。壓鑄工藝及模具設計圖2-1壓鑄不同階段，壓射沖頭運動速度與金屬液所受壓力的變化情況τ－壓鑄的各個階段v－壓射沖頭的運動速度p－壓射壓力壓鑄工藝及模具設計第一階段τ1

壓射沖頭以慢速v1前進，封住澆口，金屬液被推動，其所受壓力p1也較低，此時p1僅用于克服壓室與液壓缸對運動活塞的摩擦阻力。第二階段τ2

本階段在壓射沖頭作用下，金屬液將完全充滿壓室至澆口處的空間，壓射沖頭的速度達到v2，壓力p2也由于壓室中金屬液的反作用而超過p1。第三階段τ3

金屬液充填澆注系統和壓鑄模型腔，因為內澆口面積急劇縮小，故使金屬液流動速度v3下降，但壓力則上升至p3，在第三階段結束前，金屬液因壓射機構的慣性關系，而發生水錘作用，使壓力增高，并發生波動，待波動消失之后，即開始壓鑄的第四階段。壓鑄工藝及模具設計第四階段τ4

本階段的主要任務是建立最后的增壓，使鑄件在壓力p下凝固，而達到使鑄件致密的目的。所需最終壓力p4的大小與合金的種類、狀態（粘度、密度）和對鑄件的質量要求有關。p4一般為50～500MPa。如果在最終壓力達到時，澆注系統中的金屬仍處于液態或半固態，則壓力p4將傳給凝固中的鑄件，縮小鑄件中的縮孔、氣泡，改善鑄件表面質量（特別是在半固態壓鑄時）。上述過程稱為四級壓射。根據工藝要求，壓鑄機均應實現四級壓射。壓鑄工藝及模具設計目前使用的大中型壓鑄機為四級壓射，中小型壓鑄機多為三級壓射，這種機構（參考第四章中壓鑄機的壓射機構部分）是把四級壓射中的二和三階段合為一個階段。從τ1~τ4為一個壓鑄周期，其中p3愈高所得的充填速度愈高，而p4愈大，則愈易獲得外廓清晰、組織致密和表面粗糙度要求高的鑄件。在整個過程中p3和p4是最重要的。壓鑄工藝及模具設計所以，在壓鑄過程中壓力的主要作用在一定程度上是為了獲得速度，保證液態金屬的流動性。但要達到這一目的，必須具備以下條件：(1)鑄件和內澆口應具有適當的厚度。(2)具有相當厚度的余料和足夠的壓射力，否則效果不好。上述的壓力和速度的變化曲線只是理論性的，實際上液態金屬充填型腔時，因鑄件復雜程度不同，金屬充填特性及操作不同等因素，壓射曲線也會出現不同的形式。壓鑄工藝及模具設計壓鑄中，壓鑄速度有壓射速度和充填速度兩個不同的概念。壓射速度是指壓鑄機壓射缸內的壓力油推動壓射沖頭前進的線速度。充填速度是指金屬液在壓力作用下，通過內澆口進入型腔的線速度。充填速度的主要作用是將金屬液在凝固之前迅速輸入型腔，它是獲得輪廓清晰、表面質量高的鑄件的重要因素。速度和壓力是密切相關的兩個工藝參數，因此除有適當的壓射壓力外，還必須正確地選擇速度。充填速度確定的依據是合金的特性和鑄件的結構特點。當充填速度較低時，會使鑄件輪廓不清，甚至不能成型。2.2壓鑄速度壓鑄工藝及模具設計當充填速度較高時，即使采用較低的壓射壓力也可以獲得表面質量高的鑄件。但是過高的充填速度會引起許多工藝上的缺點，造成不利的壓鑄條件，主要有以下幾點：(1)裹住空氣形成氣泡。由于高速金屬液流到空氣的前面，堵塞排氣通道，所以，空氣被裹在型腔內。(2)金屬液呈霧狀進入型腔，粘附于型壁上，隨后進入的金屬液不能與它熔合而形成表面缺陷（冷豆或冷隔），降低鑄件表面質量。(3)高速金屬流產生旋渦，裹住空氣和最先進入型腔的冷金屬，使鑄件產生氣孔和氧化夾雜。(4)高速金屬流沖刷型壁，加速壓鑄模的磨損。壓鑄工藝及模具設計在冷室壓鑄機中，壓室、澆道和壓鑄模型腔相連，成為一個密閉系統，因而它們之間具有連續方程的關系，即式中v——壓射沖頭速度（m/s）；Ａ——壓射沖頭截面積（m2）；D——壓室直徑（m）；vg——充填速度（m/s）；Ａg——內澆口截面積（m2）。壓鑄工藝及模具設計(2-2)

(2-3)

由于壓射速度與充填速度有式(2-2)與式(2-3)的關系，確定了充填速度，就能很方便地求出壓射速度，而且充填速度更能反映壓鑄的工藝特性，因此，壓鑄速度通常指的是充填速度。由式(2-3)可知，金屬液充填壓鑄模型腔的線速度與壓室直徑的平方、沖頭的壓射速度成正比，而與內澆口的截面積成反比。因此，可以通過改變上述三因素的數值，來調整充填速度。其中壓室直徑的變化，可以較顯著地改變充填速度，與此同時，壓射壓力的數值也會隨同變化。通過變化內澆口的截面積所能調整充填速度調整的范圍很小對金屬液充填速度影響不顯著。壓鑄工藝及模具設計壓射速度的調節可通過調整壓鑄機上的壓力控制閥來實現。在生產中，應根據具體條件去確定調整因素。此外，充填速度和壓射壓力有關，根據水力學原理，壓射壓力與充填速度間的關系可用下式來表示，即式中vg——充填速度（m/s）；p——壓射壓力（Pa）；——金屬液密度（kg/m3）。壓鑄工藝及模具設計(2-4)

因為金屬液是粘性液體，它在流經澆注系統時，會因為摩擦而引起動能損失，故上式應改寫為式中vg——充填速度（m/s）；

μ——阻力系數（μ=0.358）；p——壓射壓力（Pa）；——金屬液密度（kg/m3）。壓鑄工藝及模具設計(2-5)

由此可見，充填速度與壓射壓力的平方根成正比，而與金屬液密度的平方根成反比。因此，壓射壓力大，充填速度就高；金屬液密度大，充填速度就低。由上面的分析得知，影響充填速度的因素有三個，即壓射速度、壓射壓力和內澆口截面積。因此，生產中通常采用的調整充填速度的方法是：調整壓射速度、改變壓射壓力、調整內澆口的截面積。總之，壓力和速度是相輔相成而又相互制約的兩個基本參數。為適應各種鑄件對壓鑄工藝不同的要求，壓鑄壓力和壓鑄速度都應做到無級調整。一般壓鑄壓力高時，鑄件質量就較好。為使壓力更好地完成“充填”、“成型”和“壓實”的任務，在制定壓鑄工藝時，必須充分考慮各因素之間的影響。壓鑄工藝及模具設計壓鑄過程中金屬液充填壓鑄模型腔的形態，與鑄件的質量（致密度、氣孔、力學性能、表面粗糙度等）有著很大的關系，長期以來，人們對此進行了廣泛的研究。在壓鑄過程中，金屬液充填壓鑄模型腔的時間極短，一般為百分之幾或千分之幾秒，在這一瞬間內，金屬液的充填形態是極其復雜的。它與鑄件結構、壓射速度、壓力、壓鑄模溫度、金屬液溫度、金屬液粘度、澆注系統的形狀和尺寸大小等都有著密切的關系。因而金屬液充填形態對鑄件質量起著決定性的作用，為此，必須掌握金屬液充填形態的規律，了解充填特性，以便正確地設計澆注系統，獲得優質鑄件。2.3金屬充填鑄型的形態壓鑄工藝及模具設計金屬液充填壓鑄模型腔的過程是一個非常復雜的過程，它涉及到流體力學和熱力學的一些理論問題。研究充填理論的目的在于運用這些理論更好地指導我們選擇合理的工藝方案和工藝參數，從而消除壓鑄生產中出現的各種缺陷，以獲得優質的壓鑄件。充填過程主要有以下三種現象：(1)壓入壓射系統有必需的能量，對注入壓室內的金屬液，施加高壓力和高速度使熔液經壓鑄模的澆口流向型腔。(2)金屬液流動熔液從內澆口注入型腔，而后熔液流動并充填型腔的各個角落，以獲得形狀完整輪廓清晰的鑄件。

2.3.1金屬充填理論壓鑄工藝及模具設計(3)冷卻凝固熔液充填型腔后，冷卻凝固，此現象在充填過程中自始至終地進行著，必須在完全凝固前充滿型腔各個角落。為了探明壓鑄時液態金屬充填型腔的真實情況，壓鑄工作者們提出了各種充填理論,歸納起來主要有三種：噴射充填理論、全壁厚充填理論、三階段充填理論。壓鑄工藝及模具設計1.噴射充填理論

這是最早提出的一種金屬充填理論，是由弗洛梅爾（L·Frommer）于1932年根據鋅合金壓鑄的實際經驗并通過大量實驗而得出。實驗鑄型是一個在一端開設澆口的矩形截面型腔。通過研究，認為金屬液的充填過程，可以分為兩個階段，即沖擊階段和渦流階段。在速度、壓力均保持不變的條件下，金屬液進入內澆口后仍保持內澆口截面的形狀沖擊到對面的型壁（沖擊階段）。隨后，由于對面型壁的阻礙，金屬液呈渦流狀態，向著內澆口一端反向充填（渦流階段），這時由于鑄型側壁對此回流金屬流的摩擦阻力，以及此金屬流動過程中溫度降低所形成的粘度迅速增高，因而使此回流金屬流的流速減慢。壓鑄工藝及模具設計與此同時，一部分金屬液積聚在型腔中部，導致液流中心部分的速度大于靠近型壁處的速度。圖2-2所示為金屬液在型腔內的充填形態示意圖。

（a）（b）（c）（d）圖2-2金屬液在型腔內的充填形態(a)沖擊型壁(b)回流(c)積聚在型腔遠端(d)積聚在型腔中部壓鑄工藝及模具設計大量的實驗證實，這一充填理論適用于具有縫形澆口的長方形鑄件或具有大的充填速度以及薄的內澆口的鑄件。根據這一理論，金屬液充填鑄型的特性與內澆口截面積Ａg和型腔截面積Ａ1的比值有關，壓鑄過程中應采用Ａg/Ａ1>(1/4～1/3)，以控制金屬液的進入速度，從而保持平穩充填。在此情況下，應在內澆口附近開設排氣槽，使型腔內的氣體能順利排除。壓鑄工藝及模具設計2.全壁厚充填理論

該理論是由布蘭特（W·G·Brandt）于1937年用鋁合金壓入試驗性的壓鑄型中得出的。實驗鑄型具有不同厚度0.5～2mm的內澆口和不同厚度的矩形截面型腔。內澆口截面積與型腔截面積之比Ａg/Ａ1

在0.1～0.6的范圍內，用短路接觸器測定金屬液在型腔內的充填軌跡。該理論的結論如下：(1)金屬液通過內澆口進入型腔后，即擴展至型壁，然后沿整個型腔截面向前充填，直到整個型腔充滿金屬液為止。其充填形態如圖2-3所示。壓鑄工藝及模具設計（a）（d）（b）（e）（c）（f）圖2-3全壁厚充填理論的充填形態(a)進入型腔(b)開始擴展(c)擴展至型壁(d)向前充填(e)充至型壁(f)充滿型腔壓鑄工藝及模具設計(2)在整個充填過程中不出現渦流狀態，在實驗中沒有發現金屬堆積在型腔遠端的任一實例，凡是遠端有欠鑄的鑄件，在澆口附近反而完全填實。因此認為噴射充填理論是不符合實際情況的，并且推翻了噴射充填理論所提出的將復雜鑄件看成若干個矩形型腔連續的說法。同時認為，無論Ａg/Ａ1的值大于或小于1/4～1/3，其結果并無區別。按這種理論，金屬的充填是由后向前的，流動中不產生渦流，型腔中的空氣可以得到充分的排除。至于充填到最后，在進口處所形成的“死區”，完全符合于液體由孔流經導管的水力學現象。

壓鑄工藝及模具設計壓鑄工藝及模具設計圖2-4三階段充填理論的充填形態(a)形成薄殼層(b)繼續充填(c)即將充滿(d)充滿型腔后形成封閉水力學系統3.三階段充填理論

這種充填理論是巴頓（H·K·Barton）于1944～1952年提出的。按三階段充填理論所做的局部充填試驗表明，其充填過程具有三個階段，如圖2-4所示。第一階段

金屬液射入型腔與型壁相撞后，就相反于內澆口或沿著型腔表面散開，在型腔轉角處，由于金屬液積聚而產生渦流，在正常均勻熱傳導下，與型腔接觸部分形成一層凝固殼，即為鑄件的表層，又稱薄殼層。第二階段

在鑄件表層形成殼后，金屬液繼續充填鑄型，當第二階段結束時，型腔完全充滿，此時，在型腔的截面上，金屬液具有不同的粘度，其最外層已接近于固相線溫度，而中間部分粘度很小，還處于液態。第三階段

金屬液完全充滿型腔后，型腔、澆注系統和壓室是一個封閉的水力學系統，在這一系統中各處壓力是相等的，壓射力通過鑄件中心還處于液態的金屬繼續作用。

壓鑄工藝及模具設計在實際生產中，大多數鑄件（型腔）的形狀比充填理論試驗的型腔要復雜得多。通過對各種不同類型壓鑄件的缺陷分析或對鑄件表面流痕的觀察可知，金屬在型腔中的充填形態，并不是由單一因素所能決定的。例如，在同一鑄件上，由于工藝參數的變動，也會引起充填形態的改變；在同一鑄件上，由于其各部位結構形式的差異，亦可能產生不同的充填形態。至于采取哪種形態，則是由金屬流經型腔部位的當時條件而定。上述三種充填理論，在不同的工藝條件下都有其實際存在的可能性，其中全壁厚充填理論所提出的充填形態是最理想的。壓鑄工藝及模具設計壓鑄件的氣孔、冷隔、流痕等缺陷都是由于金屬充填型腔時產生的渦流和裹氣所引起的。渦流和裹氣現象的產生又是金屬液高速射向型壁或兩股金屬流相對碰撞的結果。因此，理想充填形態的獲得，應保證在金屬液充滿型腔的條件下，以最低的充填速度及澆注溫度，使金屬流形成與型腔基本一致的金屬液柱，從一端順利地充滿型腔，排出氣體。但這一形態的獲得，即使在適宜的澆注系統中使金屬液起到較完善的整流和定向作用，若沒有其它工藝條件的配合，亦難達到充填過程中各階段的要求。2.3.2理想充填形態在三級壓射中的獲得

壓鑄工藝及模具設計三級壓射速度的定點壓射是改善充填形態的有效方法。所謂三級壓射速度定點壓射是指壓射缸在壓射過程中，按充填各階段的要求，分為三級壓射速度，每一級壓射的始終位置，均有嚴格的控制。在第一級壓射時，壓射沖頭以較慢的速度推進，以利于將壓室中的氣體擠出，直至金屬液即將充滿壓室為止。第二級壓射則是按鑄件的結構、壁厚選擇適當的流速，以在充滿型腔過程中金屬液不凝固為原則，將糊狀金屬把型腔基本充滿。第三級壓射是在金屬液充滿型腔的瞬間以高速高壓施加于金屬液上，增壓后使鑄件在壓力的作用下凝固，以獲得輪廓清晰、表面質量高、內部組織致密的優質鑄件。壓鑄工藝及模具設計由上述充填過程可知，三級壓射可避免一般充填中所發生的裹氣和渦流現象。在第二級壓射中，金屬液流進內澆口后，溫度有所下降，粘度相應提高；同時，金屬液在流入型腔后因容積突然增大，向外擴張，當金屬液接觸到型壁后，金屬液流隨型腔而改變形狀，此時由于金屬液對型壁有粘附性，更使它的流動性降低。這樣，在型腔表面形成一層極薄的表皮，隨后按金屬流向逐步充填鑄型。因此，在適當的鑄型溫度及金屬液溫度下，第二級壓射形成了金屬流端部的金屬柱后，即使再增加壓射速度，亦不致有產生渦流的危害。所以，第二種充填形態的獲得有利于避免氣孔，特別對厚壁鑄件功效更大。壓鑄工藝及模具設計圖2-5所示為在某一壓力下金屬的充填形態。當改變內澆口截面積與鑄件截面積之比時，充填所需的時間也不同，當Ａg/Ａ1=1/3時，充填所需時間最短。

2.3.3金屬液在型腔中的幾種充填形態圖2-5不同內澆口截面積厚度的充填形態(a)

Ａg/Ａ1≈1/4～1/3(b)

Ａg/Ａ1=1/3(c)

Ａg/Ａ1>1/3壓鑄工藝及模具設計圖2-6所示為在一般壓力下，內澆口在型腔一側時的充填形態。（a）（b）（c）（d）圖2-6內澆口在型腔一側時的充填形態

(a)進入型腔(b)回流(c)繼續充填(d)全壁厚充填壓鑄工藝及模具設計圖2-7所示為型腔特別薄時（鋅合金可薄到0.4mm）的充填形態。金屬流厚度接近于型腔，故金屬流入型腔后，即與型腔的一側或兩側接觸（見圖2-7a、b）