特种铸造及模具设计

   2020-09-01 中国铸造网王浩68740
核心提示:  1、压铸是压力铸造的简称,其实质是在高压作用下,使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸模型腔,并

  1、压铸是压力铸造的简称,其实质是在高压作用下,使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸模型腔,并在压力下形成和凝固而获得铸件的方法。高压力和高速度是压铸时熔融合金充填成形过程的两大特点,也是压铸和其他铸造方法最根本的区别。合金材料、压铸机及压铸模是压铸生产工艺过程的三个基本要素。

  工艺过程:产品图-工艺设计-模具设计-模具制造-模具安装-模具预热-喷刷涂料-合模-浇注-压铸成形-开模取件-外观检验及清理-质量检查-铸件成品入库。

  2、压铸的特点:优点1)压铸件的尺寸精度高,表面粗糙度值低。2)材料利用率高。3)可以制造形状复杂、轮廓清晰、薄壁深腔的金属零件。4)在压铸件上可以直接嵌铸其他材料的零件,以节省贵重材料可加工工时。5)压铸件表面组织致密,具有较高的强度和硬度。6)生产率极高。缺点1)压铸件常有气孔及氧化钾杂物存在,不宜进行热处理。2)不适合小批量生产。3)压铸件尺寸受到限制。4)压铸合金种类受到限制。

  3、压铸的应用范围:广泛地应用在国民经济的各行各业中,压铸件除了用于汽车和摩托车、仪表、工业电器外,还广泛运用于家用电器、农机、无线电、通信、机床、运输、造船、照相机、钟表、计算机、防止器械等行业。目前压铸方法可以生产铝、锌、镁和铜等合金。

  4、压铸压力:压铸压力在压铸工艺中是最主要的参数之一,压铸力可以用压射力和压射比压两种形式来表示。

  5、何为压射力和压射比压?通过哪些途径来改变压射比压?压射力来源于高压泵,它是压铸机压射机构中推动压射活塞的力,其大小随压铸机的规格而定。压射比压是压室内金属液在单位面积上所受的压力。压射比压与压铸机的压射力成正比,而与压射冲头的截面积成反比,所以压射比压可以通过调整压射力和压室内径来实现。

  6、何为压射速度和填充速度(压铸速度)?充填速度的高低对铸件质量有何影响?在压铸中,压铸速度有压射速度和充填速度两个不同概念。压射速度是指压铸机压射缸内的液压推动压射冲头前进的速度;充填速度是指液体金属在压力作用下,通过内浇道进入型腔的线速度。充填速度是根据合金的特性和铸件的结构来确定的。充填速度不能过高或偏低,过低会使铸件轮廓不清,甚至不能成型;过高则会引起铸件粘型和铸件内空洞增多等问题。影响充填速度有三个因素,即压射速度、比压和内浇道截面积。

  7、液态金属充填铸型的特点:(三大经典理论)喷射充填理论、全壁厚充填理论、三阶段充填理论。

  8、喷射充填理论:认为液体金属的充填过程是遵循流体力学定理,并且有摩擦和涡流现象。液体金属充填矩形型腔室的运动特性和内浇道截面于型腔截面积之比值有关。当以低的充填速度及(A内/A)>1/3时,除液体金属积聚取得前沿部分稍有扰动之外,其余部分则相当稳定,而且随着聚集区增长,充填速度越来越平稳。反之,当(A内/A)<1/3时,在高的充填速度下,整个充填过程中,聚集区发生激烈扰动。

  9、全壁厚充填理论:液体金属压入型腔后,随即扩散至型壁,然后沿着整个型腔截面向前流动,直至型腔全部被液体金属充填为满为止。这种充填理论还认为,无论内浇道截面积于型腔截面积之比值大小如何,流动形态不受影响。由于液体金属是以“全壁厚”形态向前推进,犹如“液态活塞”,充填时不仅不产生涡流现象,而且型腔中的气体很容易得到充分的排出。

  10、三阶段充填理论:第一阶段:液体金属以接近内浇道的形状进入型腔,首先冲击对面的型壁,并在该处沿型壁向型腔四周扩展流向内浇道。第二阶段:随后进入的液体金属沉积在薄壳层内的空间进行充填,直至充满。第三阶段:在型腔完全充满的同时,压力通过处于尚未凝固的中心部分作用在铸件上,型腔内的金属得到压实。

  11、对压铸合金的要求:1)高温下有足够的强度和可塑性,无热脆性。2)尽可能小的线收缩率和裂纹倾向,以免压铸件产生裂纹,使压铸件有较高的尺寸精度。3)结晶温度范围小,防止压铸件产生过多的缩孔和疏松。4)在过热温度不高时有足够的流动性,便于填充复杂型腔,以获得表面质量良好的压铸件。5)与型壁产生的物理-化学作用倾向小,以减小粘模和相互合金化。

  12、压铸机的分类:压铸机分为热压室压铸机和冷压室压铸机两大类,冷压室压铸机按其压室结构和布置方式又分卧式、立式两种形式,以卧式压铸机应用最多。

  13、比较液压合模机构与机械合模机构的优缺点。

  优点:结构简单,操作方便,在安装不同厚度的压铸模时,不用调整合模液压缸座的位置,从而省去了移动合模液压缸座用的机械调整装置,在生产过程中,在液压不变的情况下锁模能力可以保持不变。缺点:首先是合模的刚性和可靠性不够,压射时胀型力稍大于琐模力时压力油就会被压缩,动模会即发生退让,使金属液从分型面喷出,既降低了压铸件的尺寸精度,又极不安全,其次是对大型压铸机而言,合模液压缸直径和液压泵较大,生产率低,第三是开合模速度较慢,并且液压密封元件容易磨损。机械合模机构的优点:1.可以将合模缸的推力放大,因此与液压合模机构相比,其合模直径可大大减小,同时压力油的蚝油量也显著减少;2.机构运动性能良好,在曲肘高压点越近时,动摸移动速度越低,两半模可缓慢闭合;3.合模机构开合速度快,合摸时刚度大,而且可靠,控制系统简单,使用维修方便。

  缺点:不同厚度的模具要调整行程,比较困难;曲肘机构在使用过程中,由于受热膨胀的影响,合模框架的预应力是变化的,这样,容易引起压铸机拉杆过载,肘杠精度要求高,使用时,其铰链内会出现高的表面压力,有时因油模产生强烈的摩擦。

  14、压铸机的选用:1)确定压铸机的锁模力:锁模力的作用主要是为了克服反压力,以锁紧模具的分型面,防止金属液飞溅,保证铸件的尺寸精度,一举锁模力选用压铸机时一种广泛采用的方法;2)压室容量的计算:3)开模行程的核算4)铸件结构5)合金种类6)批量大小。

  15、选用压铸机的需要计算或校核哪些因素?

        锁模力:是选用压铸机时首先要确定的参数,其作用是主要是为了克服反压力,以锁紧模具的分型面,防止金属液飞溅,保证铸件的尺寸精度。压射比压:是确定铸件致密性的重要参数之一,应根据铸件的壁厚、复杂程度来选取。分胀型力:压铸时金属液充满型腔后所产生的反压力,作用于侧向活动型芯的成形端面上,会促使型芯后退,故常与活动型芯相连接的滑块端面采用楔紧块,此时在楔紧块斜面上产生法向力。

  压容容量:压铸机初步选定后,压射比压和压室直径的尺寸相应的得到确定,压室可容纳的金属液质量也为定值,但是能否容纳每次浇注的金属液质量,必须按公式进行核算。开模行程:每台压铸机都具有最小合模距离和最大开模距离两个尺寸,根据铸件形状、浇注系统和模具结构来核算是否满足取出铸件的要求。

  16、选用压射比压要考虑哪些因素?

  压射比压的选择应根据铸件的形状,尺寸,复杂程度,壁厚,合金特性温度及排溢系统等确定。压铸机所容许的压射比压p,可按下列计算:p=F射/0.785D2 式中F射是压射力,D压室直径;在大多数压铸机中,压射力的大小可以调节,因此在选定某一压室直径后,通过调节压射力来得到所要求的压射比压。

  17、压铸工艺参数的选择:1)压铸压力的选择:为了提高铸件的致密性,增大压射比压无疑是有效的,但是,过高比压会使压铸模受熔融合金流的强烈冲刷和增加合金粘模的可能性,降低压铸模的使用寿命。在当前压铸生产条件下,压射比压的选择应根据压铸件的形状、尺寸、复杂程度、壁厚、合金的特性、温度及排溢系统等确定,一般在保证压铸件成形和使用要求的前提下选用较低的比压。2)压铸速度的选择:充填速度的高低直接影响压铸件的内部和外观质量。充填速度过小会使铸件的轮廓不清,甚至不能成形。充填速度选择过大,会引起铸件粘型并使铸件内部气孔率增加,使力学性能下降。充填速度的选择,一般应遵循的原则:对于厚壁或内部质量较高的铸件,应选择较低的充填速度和高的增压比压;对于薄壁或表面质量要求高的铸件以及复杂的铸件,应选择较高的比压和高的充填速度。此外,合金的浇注温度较低、合金和模具材料的导热性能好、内浇道厚度较大时,也要选择较高的充填速度。

  18、压铸温度规范包括哪几个主要参数?它们对铸件的质量及压铸模寿命有些什么影响?

  1)温度影响规范包括浇注温度和压铸模温度;2)浇注温度过高。降低压铸模的使用寿命,合金收缩大,使铸件容易产生裂纹,铸件晶粒粗大,还能造成脆性,浇注温度过低,易产生冷隔,表面流纹和浇注不足等缺陷。 压铸模在使用过程前要预热一定的温度,预热的作用有两方面;其一是避免高温液体金属对冷压铸模的热冲击,以延长压铸模使用寿命。其二是避免液体金属在模具中因激冷而很快失去流动性,使铸件不能顺利充型,造成浇不足,冷隔冰冻等缺陷,或使成型也因激冷增大线性收缩,引起铸件产生裂纹或表面粗糙度增加等缺陷。温度过高出产生液体金属粘型外,还可能出现铸件因来不及完全凝固,推出温度过高而导致变形,模具运动部件卡死等问题,同时过高的压铸模温度会使得铸件冷却缓慢造成晶粒粗大而影响力学性能。

  19、压铸模的基本结构:压铸模由定模和动模两大部分组成。定模固定在压铸机的定模安装板上,浇注系统与压室相通。动模固定在压铸机的动模安装板上,随动模定装板而与定模合模、开模。基本结构有:成型零件;浇注系统;溢流、排气系统;模架;抽芯机构;加热与冷却系统。除此之外,压铸模内还有其他如紧固用的螺栓及定位用的销钉等。

  20、分型面的类型:按照分型面的形状,分型面一般可分为平直分型面、倾斜分型面、阶梯分型面和曲面分型面。

  21、分型面:压铸模的动模和定模的结合表面。分型面的选择:分型面的选择对压铸模结构和压铸件尺寸精度具有决定性的影响。分型面的选择对压铸模结构和压铸件质量的影响是多方面的,必须根据具体情况合理选择。基本原则:1)尽可能地使压铸件在开模后留在动模部分2)有利于浇注系统、溢流排气系统的布置3)保证压铸件的尺寸精度和表面质量4)简化模具结构、便于模具加工5)避免压铸机承受临界载荷6)考虑压铸合金的性能。

  22、特种铸造能否取代普通砂型铸造?不能。它仅是砂型铸造的一种补充,从铸件的结构特点来看,大多数特种铸造方法适用于生产量不大的大中小型铸件。例如,金属型铸造不宜用于生产形状复杂的薄壁铸件,而压力铸造则适用;离心铸造原则上只适用于生产空心旋转体铸件。从铸件的种类来看,金属型铸造、压力铸造及金属液体冲压等最适于有色合金铸件,熔模铸造及陶瓷型铸造最适于生产各种钢铸件。从铸件的生产批量来看,除陶瓷铸造外,由于特种铸造方法生产准备周期长,工艺装配成本高,或者是需要采用专用的机械设备,所以通常适用于成批量或大量生产。

  23、浇注系统:金属液在压力作用下充填型腔的通道称为浇注系统。作用:对金属液流动的方向、溢流排气条件、压力的传递、充填速度、模具的温度分布、充填时间长短等各个方面都起着重要的控制与调节作用。浇注系统不仅决定了金属流动的状态,而且是影响压铸件质量的重要因素。设计时考虑:分析压铸件的结构特点、技术要求、合金种类及其特性,压铸机类型及特点。组成:直浇道、横浇道、内浇道和余料。浇注系统一般可以分为:侧浇道、中心浇道、直接浇道、环形浇道、缝隙浇道、点浇道等浇注系统。

  24、内浇道作用:利用金属液充填型腔时的流动状态,使得压铸件的重要部位尽量减少气孔和疏松,保证压铸件的表面要光洁完整无缺陷。内浇道设计原则:1)有利于压力的传递,内浇道一般设置在压铸件的厚壁处2)有利于型腔的排气,金属液进入型腔后应先充填深腔难以排气的部位,而不应该立即封闭分型面,溢流槽和排气槽3)薄壁复杂的压铸件,宜采用较薄的内浇道,以保证较高的充填速度,一般结构的压铸件,宜采用较厚的内浇道,使金属液流动平稳,有利于传递压力和排气4)金属液进入型腔后不宜正面冲击型芯,以减少动能损耗,防止型芯充蚀5)应使金属液充填型腔时的流程尽可能短,以减少金属液的热量散失6)内浇道的数量以单道为主,以防止多道金属液进入型腔后从几路汇合,相互冲击,产生涡流、褁气和氧化夹杂等缺陷7)压铸件上精度、表面粗糙度要求较高且不加工的部位,不宜设置内浇道8)内浇道的设置应便于切除和清理。

  25、横浇道的作用:是将金属液从直浇道引入内浇道,同时横浇道中的金属液还能改善模具热平衡,在压铸件冷却凝固时起到补缩合与传递静压力的作用。设计要点:1)横浇道街面积应从直浇道起向内浇道方向逐渐缩小2)横浇道杰面积在任何情况下都不应小于内浇道杰面积3)横浇道应具有一定的厚度和长度4)金属液通过横浇道时的热量损失应尽可能的小,以保证横浇道在压铸件和内浇道之后凝固5)根据工艺上的需要可设置盲浇道,以达到改善模具热平衡,容纳冷污金属液、涂料残渣和空气的目的。

  26、常用抽芯机构形式及特点:1)机动抽芯:利用开模时,压铸机的开模力和模具动模、定模之间的相对运动,通过抽芯机构改变运动方向,将侧型芯抽出。特点:机构复杂但抽芯力大,精度较高,生产率较高,易实现自动化操作。2)液压抽芯:以压力作为抽芯动力,在模具上设置专用液压缸,通过活塞的往复运动实现抽芯与复位。特点:该机构传动平稳,抽芯力大,抽芯距长。缺点:增加了操作程序,须设计专门的液压管路。3)其他抽芯机构:①手动抽芯机构:利用人工再开模前或在制件脱模后使用手工工具抽出侧面活动型芯。优点:模具结构简单,制造容易,常用于抽出处于定模或离分型面较远的中小型模具。缺点:操作时劳动强度大,生产效率低,常用于小批量或试样生产。②活动镶块模外抽芯机构:活动镶块模外抽芯机构市场对于比较复杂的成型部分,因其不利于设置机动抽芯机构或液压抽芯机构而采用的方法。常用于生产批量较小的场合,可以大大减化模具结构降低成本,缺点是需具有一定数量的活动镶块,供轮换使用,并且工人劳动强度大。

  27、抽芯机构特点及应用范围:1)斜销式抽芯机构:结构简单,生产效率高,抽芯力小,抽芯距离小,抽芯位置抽芯方向受到限制2)齿轮齿条抽芯机构:结构复杂,抽芯方向不受限制,可抽圆弧型芯3)液压式抽芯机构:从设计到制造方面,结构最简单,抽芯力大,抽芯距离长,抽芯方向不手限制,抽芯时间灵活4)斜滑块抽芯机构:结构比较简单,可使推出机构简化,抽芯距离很小,表面有很多个侧凹及中空且抽芯距离短的铸件。

  28、推出机构:1)推杆推出机构:优点:机构大多采用圆形推杆,形状简单,制造方便,推杆位置可根据铸件对型芯包紧力的大小及推出力是否均匀来确定。机构动作简单,安全可靠,不易发生故障。缺点:推杆直接作用于铸件表面,影响铸件表面质量,推杆截面积小,单位面积承受的力较大,若推杆设置部位不妥,易使铸件变形或局部损坏。2)推管推出机构:推管的精度要求高,间隙控制较严,推管内的型芯的安装固定应方便牢固,且便于加工。适用范围:当铸件的形状具有圆筒形或较深的圆孔时,则在构成这些形状部位的型芯的外围采用推管作为推出元件3)推板推出机构:优点:作用面积大,推出力大,铸件推出平稳,可靠,最基本表面没有推出痕迹。缺点:推板推出机构推出后型芯难以喷涂涂料。适用范围:铸件面积较大的薄壁壳体类零件。

  29、压铸模使用材料要求:1)具有良好的可锻性和切削性2)高温下具有较高的红硬性、高温强度、高温硬度、抗回火稳定性和冲击韧度3)具有良好的导热性和抗疲劳性4)具有足够的高温抗氧化性5)热膨胀系数小6)具有高的耐磨性和耐蚀性7)具有良好的淬透性和较小的热处理变形率。

  30、压铸模设计程序:1)对压铸件进行结构分析2)选择分型面及浇注系统3)选择压铸机型号4)合适的末句结构5)画压铸模装配图6)对相关零件进行刚度或强度校核7)画出压铸模零件图。

  31、熔模铸造:实质是在蜡模表面涂覆多层耐火材料,待硬化干燥后,加热将蜡模熔去,而获得具有与蜡模形状相应空腔的型壳,再焙烧之后进行浇注而获得铸件的一种方法。基本特点:是制壳时采用可熔化的一次模,因无需起模,故型壳为整体而无分型面,且型壳式由高温性能优良的耐火材料制成,因此,用熔模铸造生产的逐渐,其尺寸精度可达HBO-7-67的ZJ3~ZJ2,表面粗糙度为GB1031-83的1.6,所以可减少或无需机械加工。

  32、对模料的性能要求:1)熔点:熔点应适中,一般在60-100度范围内,以便于配制模料,制模和脱模2)流动性:应具有良好的流动性以利于充满型腔,获得形状准确和表面光洁的熔模3)软化点:为了避免熔模发生变性,软化点一般不低于35-40度4)收缩率:为保证熔模达到应有的尺寸精度,要求模料收缩率小而稳定5)强度和表面硬度:要求模料在固态下具有足够的强度和表面硬度6)可焊性:模料应具有良好的焊接性能和焊接强度,便于将熔模组合成模组,并使模组在运输和制壳时焊接处不易发生断裂7)图挂性:模料应能很好的为耐火材料所润湿8)灰分:木料灼烧后的残留物称为灰分。型壳焙烧后,残留在型腔中模料的灰分要尽可能少,以免影响铸件的质量。此外还要求模料的密度小,回收方便,复用性好,无公害及来源丰富,价格低廉等。

  33、模料的分类方法主要有两种:一种是按其熔点高低分为:低熔点(低温)模料,其熔点低于60度;中熔点(中温)模料,其熔点在60-120之间;高熔点(高温)模料,其熔点高于120度;另一种是按其主要组成分为蜡基模料、松香模料和其他模料。

  34、熔模铸件的工艺设计一般包括如下内容:铸件结构工艺性分析,确定合理的工艺方案和有关工艺参数,设计浇冒口系统及模组的结构,绘制工艺图及铸件图。

  35、为便于生产工艺过程的实施,对熔模铸件结构上的要求:1)为便于在纸壳时尚涂料和散砂以及铸件的清理,铸孔(槽)不应太小、太窄、太深。2)铸件内腔和孔应当是平直的,以便由金属型芯直接在熔模上形成相应的内腔和孔。

  36、为避免铸件产生缺陷,对熔模铸件结构上有如下几点要求:1)为防止带有大平面的铸件产生表面缺陷,因此,一般平面不应大于200*200mm,必要时可在平面上设工艺孔或工艺筋,这样就将大平面分割成两个或多个小平面。2)铸件的壁厚应尽可能均匀,以减少热节,便于补缩;避与壁之间的交叉处应做成圆角,壁厚不同的连接处应平缓的逐渐过渡。3)当采用重力浇注时,应防止产生浇不足缺陷。

  37、浇冒口系统的作用与要求:在熔模铸造时,浇冒口系统不仅起着引导液体金属填充型腔作用,而且在逐渐凝固过程中又起补缩作用。设计时应满足的要求:1)应保证液体金属能平稳的充填型腔,防止产生飞溅、涡流以及因此而引起的卷入气体、夹杂物和合金的二次氧化。2)在逐渐凝固时,能起到良好的补缩作用,以防止逐渐产生缩松缩孔等缺陷。3)模组的结构组合不应影响逐渐冷凝时的自由收缩,以防止发生变形、裂纹。同时又要有足够好的结构强度,以避免制壳及搬运的过程中发生断裂、脱落。4)浇冒口系统又是脱模时液态模料流出的通道,因此其位置及分布应便于液态模料顺利地排出。5)应使制模、组焊、制壳及切取铸件等各个工序操作方便,并尽可能减少金属的消耗。

  38、浇冒口系统的结构形式:1)由浇口杯、直浇口和内浇口组成的浇注系统2)带有横浇口的浇冒口系统3)由直浇口(或冒口)直接引入铸件的浇冒口系统4)带有补缩冒口的浇冒口系统。

  39、压型/熔模:压型是用来制造熔模的工艺装备。压型型腔的尺寸精度和表面粗糙度,直接影响熔模(因而也是铸件)的尺寸精度和表面粗糙度。影响铸件总的线收缩率的因素有:合金的收缩、模料的收缩及型壳的膨胀;铸件的制造公差由压型的制造精度等级来决定。铸件表面粗糙度与熔模表面粗糙度之间是呈抛物线关系,熔模的表面粗糙度应低于铸件的表面粗粗度,而熔模的表面粗糙度又与压型型腔的表面粗糙度有关,一般比型腔表面粗糙度高1~2级。

  40、压型的基本结构:成型部分、压型定位机构、缩紧机构、注蜡系统、排气道、起模机构。

  41、金属型铸造:金属型铸造是指在重力作用下,液体金属充填金属铸型及随后冷凝成型而获得铸件的一种铸造方法。与砂型铸造比较,金属型铸造的优点可归纳为:1)提高了生产率,改善了劳运条件,减轻了对环境的污染2)铸件组织致密,机械性能高3)铸件质量稳定,废品率约可减少50%4)减少铸件加工余量5)容易实现生产过程机械化,自动化。缺点:金属型结构复杂且要求高,加工周期长,成本高;金属型的激冷作用大,且无退让性,本身又没有透气性。应用范围:航空、汽车、拖拉机等工业中,广泛用于生产中,小型铝、镁合金铸件。

  42、金属型铸件成型特点:金属型材料的导热性比砂型材料大;金属型材料没有退让性和没有透气性。

  43、金属型破坏原因:1)热应力叠加:2)热疲劳应力3)铸铁生长4)氧气侵蚀5)金属液冲刷6)铸件的摩擦。

  44、离心铸造:是将液体金属浇入旋转的铸型中,使之在离心力的作用下,完成充填和凝固成型的一种铸造方法。特点:1)铸型中的液体金属能形成中空圆柱形的自由表面,不用型芯就可形成中空的套筒和管类铸件。因而,可简化这类铸件的生产工艺过程2)显著提高液体金属的充填能力,改善充型条件。可用于浇注流动性较差的合金和壁厚较薄的铸件3)有利于铸型内液体金属中的气体和夹杂物的排除,并能改善铸件凝固的补缩条件。因此,铸件的组织致密,缩松及夹杂物等缺陷少,铸件的机械性能好4)可减少甚至不用浇冒口系统,降低了金属消耗5)可生产双金属中空圆柱形铸件6)对于某些合金,容易产生偏析。此外,在浇注中空铸件时,其内表面较粗糙,尺寸难于准确控制。应用范围:常用于生产铸管、铜套、缸套、双金属钢背铜套及双金属轧辊、加热炉滚道、造纸机干燥滚筒及异形铸件。

 
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