端盖零件压力铸造工艺设计.docx

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端盖零件压力铸造工艺设计

目录1

一、前言2

二、压铸件工艺性分析及设计3

三、压铸机的选用8

四、压铸型设计11

五、压力铸造常规工艺的确定24

六、熔炼工艺26

总结40

参考文献41

一、前言

1、压铸的基本概念

压铸是将熔融状态或半熔融状态合金浇入压铸机的压室，在高压力的作用下，以极高的速度充填在压铸模（压铸型）的型腔内，并在高压下使熔融合金冷却凝固而形成的高效益、高效率的精密铸造方法。

2、压铸生产的特点及应用范围

（1）压铸有如下的优点：

1）铸件的尺寸精度和表面粗糙度要求很高

2）铸件的强度和表面硬度较高

3）可以压铸形状复杂的薄壁铸件

4）生产率极高

5）可省略装配操作和简化制造工序

（2）压铸的应用范围

压铸是近代金属加工工艺中发展较快的一种高效率、少无切削的金属成形精密铸造方法。

目前，压铸广泛应用于制造非铁合金的压铸件。

由于压铸工艺的特点，故使用的合金是结晶温度范围小、热裂倾向小以及收缩系数小的压铸铝、镁、及部铜的合金。

在非铁合金的压铸中，铝合金所占比例最高（约30%~60%）。

3、铝合金压铸业的发展及现状

压力铸造工艺的诸多特点，使其在提高有色金属合金铸件的精度水平、生产效率、表面质量等方面显示出了巨大优势。

随着汽车、摩托车等工业的发展，以及提高压铸件质量、节省能耗、降低污染等设计要求的实现，有色金属合金压铸件、特别是轻合金（铝及铝合金）压铸件的应用范围在快速扩张。

有资料表明：

工业发达国家用铝合金及铝合金铸件代替钢铁铸件正在成为重要的发展趋势。

目前压铸已成为汽车用铝合金成形过程中应用最广泛的工艺之一，在各种汽车成型工艺方法中占49％。

二、压铸件工艺性分析及设计

压铸件工艺设计是压铸型设计前必须做的工作，此时应大致确定所使用的压铸机、合适的压射压力和压射速度。

与此同时，应精确地设计铸件的分型面、浇注排气系统，因为其对压铸件的生产和质量具有决定性的作用。

1、零件图

图2-1端盖

图2-1为端盖零件图，材料为ZALSi12,合金代号为ZL102。

其作为承载件广泛应用于于大中型汽车配件。

2、工艺性分析

由图2-1知端盖压铸件的最小壁厚为2mm，符合压铸铝合金压铸出的最小壁厚0.7mm。

铸造圆角R4.5均符合工艺要求。

压铸材料为ZL102，为压铸铝合金。

可以用作该零件的材料。

由查表知，其平均收缩率为0.7%。

因此，端盖符合压铸工艺要求。

初步确定选用卧式冷压室压铸机生产该铸件。

3、分型面的选择

该铸件零件较复杂，但形状较规范，没有凸缘之类不便出模的部位，分型面的布置使得铸件成型的型腔部位全部处于定模内。

该铸件只需用单分型面即可，在单分型面上，考虑到零件较复杂，不可能采用简单的直线分型面，只能部分采用直线分型面，部分采用曲线分型面。

该铸件一侧有轴孔，此处采用抽芯机构；外部轮廓较平整，没有不易出模部分；内部结构也较为简单，采取一定的拔模角有利于脱模；铸件冷却时收缩，与内部接触的镶块受到包紧力要大于外部接触镶块，所以分型面的布置要使得铸件成型的型腔部位全部处于定模内，这样才能保证开模时铸件随动模移动方向移出定模。

通过综合考虑压铸模具分型面的设计要点，选用部分直线分型面和部分曲线分型面，考虑到要有利于浇注系统和溢流系统的布置，不影响铸件的精度，开模时保持铸件随动模移动方向脱出定模，决定选择铸件的A面也就是外表面为分型面，可得到符合技术要求的铸件，且操作方便，分型面如图2-2所示。

A

3、浇注系统的选择及设计

根据铝、镁合金的浇注系统的特点及应用，通过对比本设计选用底注式浇注系统，其结构见图2-3所示。

其优点为：

合金液自下而上平稳的充填铸型，充型效果好，但不利于自下而上地定向凝固，当铸件较高时，可在冒口部分设置补充浇道或直接在冒口补浇，以提高冒口的补缩作用。

1-直浇道；2-横浇道、3-内浇口

图2-3卧室压铸机用底注式浇注系统结构

（1）直浇道的设计

在卧式冷压室压铸机的浇注系统中没有直浇道，压射余料兼起直浇道的作用。

（2）内浇口的设计

内浇口的设计主要是确定内浇口的位置、形状和尺寸。

由于铸件的形状复杂多样，涉及的因素很多，设计时难以完全满足应遵循的原则，内浇口的截面积目前尚无切实可行的精确计算方法，因此进行内浇口的设计是，经验是很重要的因素。

1）充型速度和充填时间

考虑到该铸件的力学性能，如抗拉强度和致密度要求较高，根据表2-1可以确定该铝合金压铸件充型速度为40m/s。

表2-1充填速度推荐值

合金种类

铝合金

锌合金

铝合金

黄铜

充填速度／（m/s）

20～60

30～50

40～90

20～50

表2-2充填时间推荐值

铸件平均壁厚b/m

型腔充填时间／s

铸件平均壁厚b/m

型腔充填时间／s

1.5

1.8

0.01～0.03

3.0

0.05～0.10

1.8

0.02～0.04

3.8

0.05～0.12

2.0

2．0

0.02～0.06

0．02～0．06

5.0

‘5．0

0.06～0.20

O．06～0．20

2.3

0.03～0.07

6.4

0.08～0.30

2.5

0.04～0.09

2）内浇口截面积的计算

内浇口截面积可通过流量计算法的下列公式得

Ag=G/ρVgt（2-1）

式中Ag——内浇口截面积（mm2）；

G——通过内浇口的金属液质量（g）；

ρ——液态金属的密度（g／cm3），见表2—3；

Vg—充填速度（m／s），见表2—1

t——型腔的充填时间（s），见表2—2。

表2-3液态金属的密度值

合金种类

铅合金

锌合金

铝合金

镁合金

铜合金

ρ／（g／㎝3）

8～10

6.4

2.4

1.65

7.5

Ag=90g/2.4×40×0.05

=18.75（mm2）

内浇口的厚度参照经验数据内浇口厚度选1mm

内浇口宽度的经验数据

0.48×64=30mm

（3）横浇道的设计

横浇道的结构形式，主要取决于铸件的结构形式和尺寸大小，内浇口的位置、方向和流入口的宽度，内浇口的结构以及型腔的分布状况等因素。

本文采用了分叉喇叭形扇形横浇道与闭合喇叭形扇形横浇道进行比较分析。

横浇道的截面形状，根据铸件的结构特点而定，一般以扁梯形为主，特殊情况下，采用双边梯形、长梯形、窄梯形、圆形式半圆形。

本文采用扁梯形。

扁梯形具有金属液热损失少，模具型腔加工方便的特点。

1）横浇道尺寸的选择

本文采用两种不同的喇叭形横浇道，两种横浇道基本尺寸是一样的，比如扇形浇道入口处截面积、与内浇口连接处的截面积等，只是形状上不同。

扇形浇道入口处的面积可如以下经验公式求得：

Ar=（1.2-2.0）Ag（2-2）

式中Ar——扇形浇道入口处截面积（mm2）；

Ag——内浇口面积（mm2）

为了避免金属液在流动过程中产生涡流，一般采用收敛界面的形式，取Ar与Ag的比例系数为1.5，所以Ar＝1.5×Ag＝30mm2。

横浇道与内浇口接触处的宽度就是内浇口的宽度Wg＝30mm。

横浇道的长度L要求大于内浇口的宽度Wg＝30mm，取L与Wg的比例系数为1.34，所以

L＝1.34×Wg＝40mm

横浇道的深度可按以下经验公式求得：

D=（5-8）T（卧室冷压室压铸机）（2-3）

式中D—横浇道深度（mm）

T—内浇口厚度（mm）

带入数据D=8×1=8mm

横浇道的宽度可按一下经验公式求得：

W=Dtanα+Ar/D（2-4）

式中W—横浇道的宽度（mm）

D—横浇道的深度（mm）

α—脱模斜度（°）

带入数据有W=30mm

2）横浇道与内浇浇口和铸件之间的连接方式

横浇道与内浇口和铸件之间的连接方式采用铸件横浇道和内浇口均设置在同一模面。

横浇道的截面形状及尺寸见图2-4

图2-4横浇道截面形状及尺寸

三、压铸机的选用

根据压铸件的结构、材质、技术要求及验收条件等采用合理的压铸工艺，设计、制造优良的压铸模并合理选用压铸机，是生产合乎要求的优质压铸件的前提。

压铸机通常按压室的受热条件不同，分为冷压室压铸机和热压室压铸机两大类,又分卧式、立式两种形式。

卧式应用最多。

根据该铸件的结构及对压铸机的对比，本设计选用卧式冷室压铸机，其常用于压铸铝、镁、铜合金。

1、确定比压

比压是确保压铸件质量的重要参数，根据合金种类并按铸件特征及要求选择，如表3-1所示

表3-1压实压力推荐值（单位:

MPa）

锌合金

铝合金

镁合金

铜合金

一般件

13～20

30～50

30～50

40～50

承载件

20～30

50～80

50～80

50～80

耐气密性件或大平面薄壁件

25～40

80～120

80～100

60～100

电镀件

20～30

该铸件为承载件，所以压实压力选60。

2、确定压铸机的锁模力

根据铸件结构特点、合金及技术要求选用合适的比压，结合模具结构的考虑，估算的投影面积，按公式（3-1）求得胀型力后乘以安全系数K，便得到压铸该压铸件所需压铸机的锁模力：

F锁＞k（F主+F分）（3-1）

式中F锁——压铸机的锁模力（kN）；

F主——主胀型力（kN）；

F分——分胀型力（kN）；

K——安全系数（一般取k＝1.25）

主胀型力的确定：

F主＝Ap/10（3-2）

＝475kN

式中F主——主胀型力（kN）；

A——铸件在分型面上的投影面积，多腔模则为各腔投影面之和，一般另加30％作为浇注系统与溢流排气系统的面积（cm2）；

p——压实压力（MPa）。

3、确定压铸机型号

为简化选用压铸机时的计算，在已知模具分型面上压铸件总投影面积和所选比压后，可以从图3-1中直接查到所选用的压铸机的型号和压室直径。

图3-1国产压铸机比压投影面积对照图

考虑到实际模具的尺寸，所以选用比计算求得的压铸机型号稍大一些的压铸机，这样对实现压铸件的生产有较高的通用性。

再由图中可知选用J116E型卧式冷式压铸机合适。

考虑到铸件体积较小，选用压室直径为40mm。

4、压铸机部分性能指标校核

（1）最大金属浇注量校核

J116E型压铸机的最大铝金属浇注量为0.5kg，J116E型卧式冷室压铸机的最大铝合金浇注量远远大于压铸件的质量90g，故满足要求。

（2）压铸机最大投影面积校核

压铸机的铸件投影面积为67～110cm2，大于压铸件的投影面积79cm2.

（3）压铸机合模力的校核

压铸机的合型力为630kN，大于压铸件所需的锁模力600kN，此项指标满足要求。

四、压铸型设计

压铸型主要由型架部分、成形部分、抽芯机构、顶出铸件机构、排溢系统、导向零件组成，本设计生产该铸件的压铸型结构总图见4-1。

模架设计首先根据成型零件的尺寸，直接从标准模架库中调用，再根据具体的要求尺寸对每个模架中的零件进行进一步的设计，设计后的零件还是继承原零件的装配特征。

辅助结构设计主要包括抽芯机构和推出机构。

压铸模具的每个部分都相互关联，设计合理的配合是保证加工合格模具的关键。

图4-1压铸型结构总图

该铸型的压铸过程为：

在铸型合拢锁紧后，用浇勺经注口把合金液倒入横卧的压室中。

压室的左端部分设在定型之中。

压室活塞向左移动，把金属液压入压铸型。

动型左移，打开铸型，形成的铸件连同余料一起随动型左移，完成一个压铸循环。

1、成型零件的设计

成型零件主要是指型芯和镶块。

成型零件部分要承受高温、高速金属液的冲击，要求成型零件具有较高的耐蚀、耐热、抗疲劳断裂能力，所以成型零件材质选用3Cr2W8V。

（1）镶块的设计

镶块的是型腔的基体。

在一般情况下凡金属液冲刷或流经的部位均采用热作模具钢制成，以提高模具的使用寿命。

在成型加工结束经热处理后镶入套板中。

成型零件的结构形式分为整体式和镶拼式。

镶块装入模具的套板中加以固定，构成动、定模型腔，其安装形式可分为不通孔和通孔两种。

本设计中采用通孔式。

对通孔的套板，用台阶固定，在动、定模上镶块的安装孔尺寸和大小都应该一致，容易保证同轴度。

定模镶块的结构和尺寸如图4-2所示。

动模镶块的结构及尺寸见图4-3所示

（2）型芯的设计

型芯的形状取决于零件和镶块的结构。

根据零件和镶块的结构，参考文献[4]中的表6-25推荐尺寸。

该模具的侧型芯见图4-4所示。

图4-4侧型芯

2、模架的设计及具体尺寸的确定

模架设计是根据成型零件的尺寸，直接从标准模架库中调用，再根据具体的尺寸进行结构的设计。

首先确定各个零件的主要尺寸。

（1）套板的设计

套板一般受到拉伸、弯曲、压缩三种应力，变形后会影响型腔的尺寸精度。

因此，在考虑套板尺寸时，应兼顾模具结构与压铸生产中的工艺因素。

套板的边框厚度可由下式（4-1）计算得出：

（4-1）

式中h——套板边框厚度（mm）；

H、H1、L1、L2——按铸件大小确定；

P1、P2——边框侧面承受的总压力（N）；

[σ]——钢材的许用弯曲强度（Mpa）；

p——压射比压（Mpa）

根据动、定模镶块的厚度，确定动、定模套板的厚度分别为40mm和40mm，满足上式的条件。

定模和动模套板加工后的边框尺寸根据镶块的尺寸和文献[4]中表6-54推荐尺寸确定。

设计后的动、定模套板长、宽均为200mm。

（2）支撑板的设计

动模支撑板厚度h可按公式（4-2）计算。

h≥

（4-2）

式中P——动模支撑板所受总压力（N）

B——动模支撑板长度（mm）；

L——垫块间距（mm）；

[σ]——钢材的许用弯曲强度（Mpa）

动模支撑板所受总压力等于压铸件在分型面上的投影面积与压射比压的乘积。

结合压铸件的尺寸和动模套板的尺寸求得：

支撑板的厚度为40mm，支撑板的长、宽均为200mm。

（3）座板的设计

1）定模座板的设计定模座板一般不作强度计算，设计时主要考虑两点：

一是定模座板上要留出紧固螺钉或安装压板的位置，借此使定模固定在压铸机定模安装板上；二是浇口安装孔的位置与尺寸要与所用压铸机精确配合。

根据J116E型卧式冷室压铸机模板的尺寸最大为420×420（mm×mm）,

最小尺寸为200×200（mm×mm）,结合定模座板的推荐尺寸，确定定模座板的长、宽分别为200mm、200mm，厚度为40mm。

2）动模座板的设计动模座板的尺寸与支撑板的投影面相同，厚度不同，有强度的要求。

动模座板的长、宽分别为315mm、200mm，厚度40mm。

（4）导柱与导套的设计

导柱导套应具有一定的刚度，以引导动模按一定的方向移动，保证动定模在安装和合模时的正确位置。

在合模过程中应保持导柱导套首先起定向作用，防止型腔型芯错位。

导柱导套需要有足够的刚性，当导柱为四根，一般都布置在模板的四个角上，保持导柱之间有最大开档尺寸，便于取出铸件。

选取导柱导滑段直径的经

验公式为：

D=K

（4-3）

式中D——导柱导滑段直径（cm）；

F——模具分型面上的表面积（cm2）；

K——比例系数，一般取0.07～0.09

（5）基本模架的确定

根据已经确定模架中的各个零件，从而在标准模架库中选用模架，模架在总装图中的形状见图4-1。

模架中的各个零件和确定零件是对应，零件的主要尺寸参照表4-5设计而定。

表4-1压铸模模架尺寸参考系列

主要尺寸

W

200

L

200

315

定模座板

A

25

定模套板

B

25-160

动模套板

C

25-160

支撑板

D

35

动模座板

F

25

垫块

W1

32

E

63-100

推板

W2

125

G

20

推杆固定板

W3

125

H

12

复位杆直径

Φ12

导柱导套

导向段直径

Φ20

固定段直径

Φ28

推板导柱

导向段直径

Φ12

定模套板螺钉

6XM10

动模套板螺钉

6XM10

推板螺钉

M8

（6）模架具体尺寸的确定

模架设计主要是对已选用的基础模架,根据抽芯机构和推出机构的具体尺寸以及对模架各个零件上孔类尺寸的要求，确定模具零件最终的尺寸。

定模座板根据所选压铸机的型号，确定U型槽和浇口安装孔的位置和尺寸。

螺栓孔的数量、位置及尺寸根据计算得出；动模座板根据压铸机型号确U型槽、顶出杆孔的位置和尺寸螺栓孔的数量、位置及尺寸根据计算得出。

定、动模套板的导套孔和螺栓孔的尺寸、位置由计算得出，同时根据抽芯机构的尺寸确定动、定模套板结构及尺寸如图4-11、4-12所示。

支撑板的导柱孔的尺寸由计算得出，位置根据推出机构确定；推杆孔根据压铸件的

形状来定；螺栓孔的位置、尺寸与动模套板相对应。

套板导柱、套板导套的尺寸由计算和动、定模套板的尺寸共同确定。

图4-12定模套板

3、抽芯机构的设计

抽芯机构的设计根据该铸件的结构特点，模具应设有抽芯机构，本文采用斜销式抽芯机构。

（1）抽芯力

压铸时，金属液充填型腔，冷凝收缩后，对被金属包围的型芯产生包紧力抽芯机构运动时有各种阻力即抽芯阻力，两者的和即为抽芯开始瞬时所需的抽芯力。

继续抽时，只需克服抽芯阻力。

抽芯力的查用图

按公式取挤压应力和摩擦系数的较大值作出锌、铝、铜合金压铸时的抽芯力查用图（见图4-6），以简化设计时的计算。

图4-6抽芯力查用图

1）按图4-6，型芯直径为10mm，查得型芯长度为10mm时，铝合金压铸时的抽芯力为

0.8KN即800N

2）以查得数乘以成形长度得出：

F=（800×500）N=2000N=2KN

（2）确定抽芯距离

1）计算抽芯距离

抽芯后活动型芯应完全脱离铸件的成形表面,并便铸件能顺利推出型腔。

抽芯距离的计算如下：

S抽=S移十K（4-4）

式中S抽─抽芯距离（mm）；

S移─滑块型芯完全脱出成形处的移动距离（mm）；

K─安全值。

安全值K按抽芯距离长短及抽芯机构选定（表4-2）.

各种侧向成形孔，侧凹抽芯距离S抽按下式

S抽=h+K（4-5）

式中h─抽芯处铸件壁厚或成形深度（mm）；

K─安全值（查表4-2）。

对于同一滑块上抽出多个型芯时，应取最大成形深度h

表4-2常用抽芯距离的安全值K（单位mm）

S移

抽芯机构

斜销、弯销、手动

齿轴齿条

斜滑块

液压

<10

3~5

5~10（取整齿）

2~3

─

10~30

3~5

30~80

5~8

80~l80

─

8~l0

180~360

8~l2

10~l5

>15

注：

1.所抽拔的型芯直径大于成型深度时，安全值K应接直径尺寸查取。

2.同一抽芯滑块上有许多型芯时，安全值K应按型芯最大间距查取。

由于该铸件为侧向成形孔，侧抽芯距离S抽按式（4-5）计算

对于同一滑块上抽出多个型芯时，应取最大成形深度h

（4）斜销的设计

斜销的形状及尺寸如图4-7所示

图4-7斜销

1）斜销直径的估算

抽芯机构选用T型滑块结构。

斜销所受的力，主要取决于抽芯时作用于斜销上的弯曲力，斜销直径d的估算由公式（4-6）得到。

d≥

（4-6）

式中d——斜销直径；

F弯——斜销承受的最大弯曲力（10N）。

许用抗弯强度取300MPa；

h——滑块端面至受力点的垂直距离（cm）；

α——斜销斜角

根据公式和推荐尺寸斜销直径取d＝12mm

4、推出机构的设计

考虑到推杆推出方式的优点，本文设计中推出机构选用推杆推出方式推出机构一般由推出元件（如推杆、推管、卸料板、成型推块、斜滑块等）、复位元件、限位元件、导向元件和结构元件等组成。

（1）、推板及推杆固定板的设计推板的厚度按下式计算：

（4-8）

式中H——推板厚度（cm）；

P——推板负荷（N）；

C——推杆孔在推板上分布的最大跨距（cm）；

B——推板宽度（cm）；

K——系数

推板与推杆固定板的标准尺寸参考文献[4]中表（6-50），推板与推杆固定板的厚度参考表（6-51）中的推荐尺寸。

推板的长、宽、厚分别为200mm、150mm、20mm；推杆固定板

的长、宽、厚分别为240mm、180mm、16mm。

（2）、推杆的设计

若每根推杆上的推出力超出压铸件被推出部位所能承受的许用应力，推杆就会顶入压铸件内部，顶坏压铸件。

推杆尺寸及形状见图6-8所示，推杆的截面积可按公式（6-9）计算。

又因为推杆均为细长的杆件，因此还必须校核推杆的稳定性。

选择推杆的规格（直径）和数量，主要依据是压铸件对模具的包紧力，从而确定其作用在推杆端面的推力大小。

推杆截面积计算如下：

A=

（4-9）

式中A——推杆推出段端部截面积（mm2）；

F推——推杆承受的总推力（10N）；

n——推杆数量；

[σ]——压铸件的许用强度（105Pa）

（3）、推板导柱与导套的设计

引导推板带动推出元件作往复运动的导柱通常称作推板导柱以区别定模套板上的导柱。

推板导柱和推板导套配合使用，以减少滑动摩擦。

将推板导柱安装在动模套板上与动

模支撑板采用间隙配合。

或不伸入到支撑板内，可以避免或减少因支撑板与推板温度差造

成热膨胀不一致的影响。

推出机构由推出元件、复位元件、限为元件等构成。

图4-9推板导柱

5、排溢系统的设计

压力铸造金属液充型时要求型腔中的气体和混有较多气泡和氧化碎渣的金属液排出型腔之外，以保证铸件的内部质量，故需在压型上设置排溢系统。

（1）压铸型的排气

压铸型的排气可利用分型面的间隙、各零件间的配合间隙排气，由于该铸件体积较小，结构相对简单，所以该铸型利用型芯与镶块的配合间隙、顶杆与动模镶块的配合间隙排气。

6、压铸模具的校核

为了机器合模时能锁紧模具分型面，开模后能方便地从分型面间取出铸

件，需要对模具厚度和动模座板行程进行核算。

（1）模具厚度校核

根据分型面在合模时必须贴紧的要求，所设计的模具厚度，不得小于机器说明书所给定的最小模具厚度，也不得大于所给定的最大模具厚度。

据此，设计模具时，按公式（4-10）核算所设计的模具厚度

Hmin+10≤H设≤Hmax-10（4-10）

式中H设——设计模具厚度（mm）；

Hmin——说明书中所给定的模具最小厚度（mm）；

Hmax——说明书中所给定的模具最大厚度（mm）

（2）动模座板行程核算

动模座板行程实际上就是压铸机开模后，模具分型面之间的最大距离，即压铸机型号所规定的动模座板行程。

设计模具时，根据

压铸件的形状、浇注系统和模具结构来核算是否满足取出铸件的要求，具体见公式（4-11）

L取≤L行（4-11）

式中L取——开模后分型面之间能取出铸件的最小距离（mm）；

L行——动模座板行程（mm），L行＝350mm

五、压力铸造常规工艺的确定

正常生产过程中，技术人员必须确定压铸时所采用的压铸压力，金属经过内浇口进入型腔时的压铸线速度，压铸时被压射金属的温度，压射时压铸型的工作温度，压射后铸件在型中的停留时间和为顺利自铸型中取出铸件所使用的压铸型涂料，这些工艺因素是压铸每个铸件时都必须考虑的，因此把它们称为常规工艺因素。

1、压力

压力是使压铸件获得组织致密和轮廓清晰的重要因素，又是压铸区别于其他铸造方法的主要特征，其大小取决于压铸机的结构及功率。

在压铸中，