中國壓鑄雜志
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一肖中特大公开金:壓鑄模具系統澆道參數PQ2設計技術

作者:admin 來源:原創 發表時間:2019-02-14
 
 
文:浙江工程學院機控學院  李湘生
 
     摘要:壓鑄技術中,澆道參數的確定是一項最復雜的工作,也是一項最重要的工作。本文在 PQ2圖的基礎上提出了確定澆道參數的一個新方法,該方法不僅考慮了所成形零件的有關因素,而且考慮了壓鑄機的有關參數,從而可以更科學,更實用,該方法在生產實際應用后取得了良好的效果。
 
    關鍵詞:壓鑄;模具;澆道
 
   壓鑄技術在發展的過程中,澆道系統常常比壓鑄的其他課題更容易引起人們的爭議和論述,說明澆道系統包含了許多學科的知識。壓力鑄造自問世以來,較長時期內,澆道系統的設計一直是建立在經驗的基礎上。具體做法是根據鑄件品質對澆道的設計做出評估,然后反復修改澆道,直到所得鑄件滿足要求為止。只是到了最近的20多年來,  PQ2圖這一新技術產生以后,澆道設計才將理論設計、科學計算和參數測定結合在一起,  PQ2圖標志著壓鑄技術的重大進步。
 
1、澆道計算模型
    金屬液在型腔內的填充,是一個高壓、高速流動過程。填充過程中,填充條件由壓力、速度、溫度、時間和排氣等因素組成。澆道系統與壓力傳遞、填充速度、填充時間、凝固時間、型腔溫度、金屬溫度以及排氣條件等方面有密切關系。在有些研究中,  PQ2圖主要應用于核查已設計的澆道系統和壓鑄機所提供的能量。但是根據本研究,  PQ2圖還有一個重要的用途,就是直接根據 PQ2圖設計澆道的關鍵參數。
 
    壓鑄機的壓鑄過程是二個液壓系統:一個液壓系統是壓鑄機的液壓系統;另一個液壓系統是金屬液從坩堝到型腔的液體傳遞系統。為了表述的方便,先對本文所用的一些符號進行說明。
 
 p s,作用于壓室內金屬液的壓射比壓;
 y,金屬液的密度;
v  n,澆道處金屬液的流動速度;
 v 0,沖頭的空壓射速度;
 v s,沖頭的實際壓射速度;
c d,澆道阻力系數,一般為0.4~ 0.8;
p g,壓射缸內的比壓;
p 0,蓄能器的比壓;
D g,壓射缸直徑;
D s,壓室直徑;
Fn,澆道截面積;
Fs,壓室截面積;
    應用伯努利定律的一個簡化形式〔3〕,可以得出金屬液的流動系統中內澆道處的壓射壓力:
    

 
    此式揭示了壓射壓力與流量的函數關系。如果用線圖表示就是模具的澆道系統應有的壓力與流量關系線。壓鑄機壓射過程的液體流動系統如圖1所示,當壓射沖頭移動時,蓄能器的部分壓力用于提供壓射缸的液體流動所需能量,剩余的能量則作為推動沖頭的效壓力,液體流動所需的壓力則與壓射速度的平方成正比。根據伯努利定律有: 



 
式(5)表明了壓鑄機能夠提供的壓射比壓與流量的關系,即壓射比壓與流量的平方冪呈一次線性關系。
 
式(2)是金屬壓鑄所需的能量,式(5)是機床能夠提供的能量。一般來說總是要求壓鑄機能夠提供的能量大于模具所要求的能量。那么在實際工作過程中的工作狀態則是由這兩種關系決定的。聯立方程(1)和方程(4)則有:
 


 
  這個公式說明了確定澆道面積的依據,澆道面積主要根據壓鑄機的有關技術參數和零件充填速度確定,當要求零件充填速度高時,澆道面積就要減小,同時如果壓鑄機所能提供的能量較高,那么澆道面積可以增加。另一方面,澆道面積還受到澆道流動效率、合金密度的影響,當澆道流動效率高時,澆道面積可以減小,相反,如果所設計澆道不能滿足要求,也可以通過修改澆道參數提高流動效率。對于輕合金,必須采用較大的澆道面積才能滿足要求。這些與現有的壓鑄模具設計手冊〔4〕里的結論不同。
 
2、極限澆道速度
    式(8)說明當澆道速度增加,那么澆道的面積就必須減小,但是極限澆道面積最小是0,所以澆道速度存在一個上限,這個上限大致可以按下式估計:
 

 
    最大澆道速度可以提供一個設計參考:如果模具系統和壓鑄機系統的參數設計不匹配,那么這個最大速度值可能小于壓鑄高質量零件所需要的壓鑄速度。那么就無論怎么修改模具都不能得到合格品,這是成品率低下的一個根本原因。而薄壁鋅合金壓鑄件所需要的澆道速度一般為(根據研究的結果) 40~ 50m/s.
    對于拉鏈壓鑄件一般采用150kN壓鑄機,壓鑄合金采用鋅合金,有如下的一些基本參數: Ds=38mm, Dg= 38 mm× 2.4= 91.2mm

 
則得到最大澆道速度為55.84m/s。
 
3、澆道速度校核公式
    從另一個角度考慮,從實際的澆道截面積可以得到實際的澆道速度:


 
    對于150kN壓鑄機,澆道截面積為24mm2的情況(公司很多模具的澆道截面積都是24mm2)時,計算得 n = 52m/s。這個速度超過了一般壓鑄的要求速度,這樣有可能引起壓鑄件中出現漩渦現象。對此可以通過調整澆道大小來改變壓鑄速度。
 
4、填充時間
    上面的討論主要是關于從澆道的設計來保證零件的表面質量和內部質量,但是還有一個問題必須注意,就是體積較大的零件采用小面積澆道時,將導致填充時間太長,不能完全填充或者填充不滿。這就要求實際填充時間必須小于該零件所要求的填充時間。零件所要求的填充時間與零件的材料、溫度和零件最小壁厚有關,在過去的研究中已經針對不同的材料提出了計算模型,這方面已經有許多可用的資料。但是,對于一種特定的零件、特定的壓鑄模具和特定壓鑄機,實際填充時間是很難計算準確的,這里可以根據上面的研究給出一個大概的估計,這個估計可以作為設計師的一個參考:
 
    只有當實際壓鑄時間小于零件所需要的壓鑄時間時,零件才能充滿。例如,對于壓鑄金屬液的總體積為6000mm3,澆道面積為24mm2,計算所需的實際填充時間為0.005s,而一般薄壁鋅合金的要求填充時間為0.01s,所以能滿足要求。如果不能滿足要求,那么主要通過調整壓鑄件金屬液的體積來縮短填充時間,也可以采用大的壓鑄機來生產,通過修改澆道是不能達到高質量填充目的的。
 
5、結論
(1)確定壓鑄模具澆道面積應該主要依據壓鑄機的技術參數、零件所要求的壓鑄速度,而不能根據壓鑄件的重量來確定。
(2)壓鑄模具極限澆道速度是與壓鑄機所提供的能量和模具澆道系統效率有關的,提高澆道系統的效率對提高壓鑄生產效率、提高壓鑄質量是重要的。
(3)壓鑄填充時間是由壓鑄件的重量確定的,如果填充時間不能滿足要求可以采用大的壓鑄機,對于一型多件也可以通過調整壓鑄件的重量來滿足需要。
 
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