真空壓鑄模具設計方案探討

tags: 壓鑄模具 壓鑄模具設計    時間:2014-03-07 17:46:15
真空壓鑄模具設計方案探討簡介
真空壓鑄模具設計方案探討 葛曉宏      秦    耘    &……
真空壓鑄模具設計方案探討正文

真空壓鑄模具設計方案探討

葛曉宏      秦    耘      閻 • 愛米尼哥

摘要:在當今的工業產品中,越來越多的有色金屬零件採用了壓鑄工藝,使得壓鑄工業呈現出更加廣闊的發展前途;同時產品結構更複雜,成品率也要求更高,這無疑對傳統的壓鑄工藝提出了更為嚴峻的挑戰。其中,影響鑄件的機械性能,表面質量和氣密性等最重要的因素——與氣孔有關的缺陷,是最難解決的。

採用真空壓鑄工藝后,問題轉化為壓鑄模具澆道及排氣方案的設計。結合生產示例,探討交流真空壓鑄模具設計過程及關鍵點。

關鍵詞:真空壓鑄    模具    排氣方案    實例驗證

引言

與砂型和重力鑄造相比,傳統壓鑄件的微觀結構不盡人意,主要原因是高速金屬流在澆口處的噴射,要比金屬緩慢喂入砂型或金屬模腔更容易接觸型腔內的空氣和煙氣。真空壓鑄工藝的重點是盡量減少這種氣液接觸,因此將型腔內氣體有效的排出是真空壓鑄模具設計的關鍵。

對於壓鑄模具,傳統排氣設計與真空排氣設計並無本質區別。只是排氣的方式上前者為被動排氣,利用金屬流動將氣體排出,即所謂的正壓壓射;後者為主動排氣,即由採用真空裝置,隨壓射的進行將型腔內的氣體抽出,也稱為負壓壓射。就排氣效果而言,相差甚遠,正確的真空排氣應用將會極大降低型腔內的氣體含量,從而有效地提高產品的質量。本文將就真空模具方案設計所涉及的一些內容展開討論,重點是排氣方案設計。

1  真空壓鑄模具設計基礎

了解和掌握產品和鑄件方面的知識越多,真空模具設計方案越準確。首先要進行的是模具型腔布置,包括確定分型面、模穴數量和布置方式;其次要考慮的是可能的充型位置和方向等。其中最重要是澆口設計。為了確定正確的澆口面積,以下因素必須要先行考慮:

-     鑄件大小

-     幾何形狀,包括壁厚,流動路徑,最後充型點,排氣點等等

-     優化的模具溫度

-     去邊操作可行性

-     鑄件質量要求,包括整體性和局部性的安全性,氣密性,表面處理和機加要求等

-     充型時間

-     澆口速度

其中鑄件凈重,充型時間,澆口速度是模具設計的最基本計算數據。鋅和鋁鑄件的充型時間請分別參考表一及表二。

表一:鋅合金充型時間選擇經驗數據

鑄件凈重

壁厚

短流動路徑

中流動路徑

長流動路徑

5克

小於1毫米

5

3

1

大於3毫米

8

4

3

15克

小於1.1毫米

7

5

2

大於3毫米

9

7

5

50克

小於1.2毫米

10

7

4

大於3.5毫米

14

10

7

150克

小於1.2毫米

14

11

8

大於4毫米

17

14

11

500克

小於1.3毫米

18

16

12

大於5毫米

26

21

16

1000克

小於1.5毫米

22

20

15

大於6毫米

32

26

20

 

表二:鋁合金充型時間選擇經驗數據

鑄件凈重

壁厚

短流動路徑

中流動路徑

長流動路徑

30克

小於1.1毫米

6

4

2

大於3毫米

10

8

5

100克

小於1.2毫米

10

8

6

大於3.5毫米

17

13

9

500克

小於1.4毫米

24

19

12

大於4毫米

38

28

21

1000克

小於1.6毫米

34

29

22

大於4.5毫米

50

37

30

3000克

小於2毫米

58

50

38

大於5毫米

75

65

53

9000克

小於2.5毫米

94

85

65

大於7毫米

150

110

92

 

至於澆口速度,鋅和鋁鑄件請參看錶三和表四。

表三:鋅合金澆口速度選擇經驗數據

鑄件壁厚

短充型路徑

長充型路徑

0.6-3毫米

42-46米/秒

45-56米/秒

2-6毫米

40-44米/秒

40-48米/秒

5-14毫米

36-42米/秒

38-45米/秒

表四:鋁合金澆口速度選擇經驗數據

鑄件壁厚

短充型路徑

長充型路徑

1-5毫米

40-44米/秒

42-52米/秒

4-10毫米

38-42米/秒

40-45米/秒

8-18毫米

32-40米/秒

36-43米/秒

以上經驗數據基於高質量壓鑄件的一個平均值。對於具體的設計,其它諸如壁厚突變,複雜幾何形狀,模溫以及集渣包等因素也要考慮進去。

最困難的決定是將單穴模變成多穴模,模穴越多,變數越多。多穴模的設計要點是要使所有模穴同時充型,同時結束。但計算是從一個模穴開始的。

  2  澆道方案設計

現舉例說明單穴模澆道方案設計過程,見圖1。

鋁鑄件凈重:    2500克

壁厚:                最薄2.4毫米;最厚12毫米

幾何形狀:        複雜

模具溫度:        定模180oC,動模190-210oC

優化充型時間:50毫秒

優化澆口速度:40米/秒

金屬流量:        20.6升/秒

澆口面積:        518毫米2

沖頭直徑:                    90毫米     

 

      100毫米         110毫米

沖頭充型速度:            3.30米/秒       2.70米/秒       2.25米/秒

澆道中間係數:            1.75

圖1 單模穴澆道方案

現在根據鑄件的幾何形狀來分配澆口:確定充型流動方向和流量分配,由此可確定澆口的位置,導流方向,厚度及長度。本例中,澆口分為10段(最左邊兩個合為一個),每段面積都為51.8毫米2,厚度為2.8毫米,寬度為18.5毫米,見圖2。

圖2 澆口分配方案

澆口設置完畢后,進行澆道方案設計。需要考慮以下問題:怎樣使得從澆道進入到澆口的熱金屬流無紊亂?其優化的截面積是多少?其最佳的幾何形狀是什麼?

澆道的設計,其截面積應該是從壓室開始朝著澆口方向逐步遞減,最實用和簡捷的方法是在澆道截面積上使用厚度係數來確定。一般說來,對於厚壁件,係數為1.8至2.2;中等厚度件為1.5至1.8;薄壁件為1.3至1.6。本案例選擇了1.75作為中間優化係數,從壓室至澆口間,以1.9開始,1.5結束。見圖3。

圖3  澆道截面積分佈

從能量損失方面考慮,澆道的最佳幾何形狀應是圓形,考慮到便於加工等原因,常採用其近似的梯形來代替,見圖4。

圖4  圓形和梯形澆道截面

3        排氣方案設計

真空壓鑄模具排氣方案設計,主要包括真空系統選型—即真空機及排氣元件的選擇、排氣元件的安裝、排氣介面及排氣通道的設置。

3.1真空系統選型

首先選擇排氣元件,瑞士方達瑞(FONAREX)公司的排氣元件按結構形式有真空閥或真空冷卻塊,其選擇取決於產品質量要求和經濟性。產品質量要求高的需採用真空閥。按規格和排氣能力分為超小型、小型、中型、大型和超大型。

然後是選擇真空機,其排氣能力要與排氣元件的大小相匹配,這樣才能發揮出所選用的真空排氣元件的特點與能力。真空閥和真空機選擇的原則見表5。冷卻塊的選擇見表6。依本例,根據鋁鑄件凈重,選擇中型單腔真空機和中型冷卻塊,見圖5。

表5 真空閥和真空機選擇的原則

真空閥

鋁合金凈重

鋅合金凈重

鎂合金凈重

壓鑄機

對應的真空機

超小

0.05 – 0.3 kg

0.15 – 0.8 kg

0.03 -0.2 kg

直到250 t

所有型

小型

0.1 – 0.6 kg

0.25 – 1.6 kg

0.06 – 0.35 kg

直到 400 t

所有型

中型

0.6 – 4.0 kg

1.6 – 10 kg

0.3 – 2.4 kg

200 – 800 t

所有型

大型

4 – 8 kg

2.4 – 4.5 kg

600 – 2000 t

大型

超大

8 – 16 kg

4.5 – 9.5 kg

1600 – 4000 t

大型

 

表6  冷卻塊型號

冷卻塊型號

高X寬X厚(毫米)

冷卻塊間隙 (毫米)

排氣面積

(毫米)

排氣能力

(升/秒)

對應真空閥

標準型:

         

SCS30小型

150x63x50

0.65

30

1.5

小型閥

SCS60中型

250x100x50

0.8

64

3.5

中型閥

SCS100大型

300x140x60

0.9

108

6.5

大型閥

圖5 中型真空機及冷卻塊

3.2. 排氣元件安裝

排氣元件最佳安裝位置是在模框內,如果安裝在模框外,其背面與模板之間需增加支撐塊,以防止壓射時排氣元件漲開;同時盡量靠近鑄件排氣介面。至於放在上面還是側面,不影響排氣效果。本例中圖6,排氣冷卻塊設計在上模框內。

3.3 排氣介面的設置原則

鑄件金屬液最後充型處和重要控制點都應設置排氣介面,介面的截面積總和至少要等於相應的排氣元件的面積和。本例中中型冷卻塊的排氣面積為64平方毫米,而排氣介面面積總和為72平方毫米。

3.4 排氣通道的設置

設排氣元件的介面處為100%,以下的分支總和至少按1.1倍遞增。見圖6。排氣通道的脫模斜度為12-15度。如果按15度考慮,採用中型真空冷卻塊SCS60,其尺寸分配為:

1)12×6;2)9×6.6;3)7.6×5;4)7×4;5)6×3.6;6)5×3;7)4×3

圖6 排氣通道介面及尺寸設計

本例的真空排氣設計方案見圖7。有關排氣元件的詳細安裝尺寸,請參見瑞士方達瑞公司提供的相關型號設計手冊。

圖7 真空排氣方案設計

4        應用示例

圖8展示的是平板鑄件真空壓鑄模具澆注系統及排

 

氣方案的設計要點。左半部展示的是標準的真空壓鑄排氣介面及通道的設計圖,右半部展示的是帶集渣包的真空壓鑄排氣通道的設計圖。

圖8 平板鑄件真空壓鑄模具澆注系統及排氣方案

圖9展示的是一鑄件真空壓鑄設計錯誤的澆注系統和排氣通道設計,應按細線條標明的位置及要求做修改,才能保證真空壓鑄的效果。

圖9 真空壓鑄設計錯誤的澆注系統和排氣通道設計

圖10和圖11展示的是典型的圓筒形壓鑄件,採用雙冷卻塊的澆注系統及排氣方案設計。

圖10 雙冷卻塊排氣筒形模具

圖11 雙冷卻塊排氣筒形鑄件

5         結論

真空壓鑄模具的設計取決於產品結構、質量等要求,需考慮的因素與傳統被動排氣模具是一致的。真空壓鑄模具的型腔抽真空時,模具分型面不需要增加密封圈,但要求模具表面平整,無飛料!所有內部排氣通道都要求匯合於排氣元件介面處,除了與排氣元件相連的介面外,不容許出現任何其它排氣口。同時,真空元件的排氣點一定要設置在定模塊上,否則會造成排氣膠管拖動而過早損壞!如對傳統排氣模具進行真空模具的改造,除以上要求外,一定要將通往模具外的其它排氣槽全部封死。

一般來講,採用與鑄件重量匹配的單個排氣元件最經濟;但由於受到鑄件形狀的限制,或排氣通道過長的影響,換成兩個低一級的排氣元件,效果更佳!嚴格來說,即使在排氣面積一樣的情況下,設計合理的冷卻塊排氣,其效率僅為機械式真空閥的60%左右。但從一次性投資成本以及維護成本上考量,冷卻塊比機械閥佔優。

瑞士方達瑞真空系統設計應用範圍較寬:可用於設計新模,或舊模改造;可用於鋁,鋅,鎂合金等有色金屬生產;可用於冷室和熱室壓鑄機;可用於有自動化數據控制要求的壓鑄工藝中。對於特殊的應用,如低壓、低速壓鑄等,作適當的調整后也可採用。

總之,真空壓鑄生產是一個影響因素眾多,彼此干涉交錯而非常複雜的工藝。真空壓鑄模具的設計,既有一定規律可循,也要具體問題具體分析,靈活掌握。要做到基本數據、信息收集全面,分析透徹,儘可能充分考慮所有的外部條件。確保設計優質的模具,才能生產高質量壓鑄件

 

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