【文章內(nèi)容簡介】 于生產(chǎn)低熔點(diǎn)的鉛、錫合金鑄字，到 19 世紀(jì) 60 年代用于鋅合金壓鑄零件生產(chǎn)。壓鑄廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)還只是上世紀(jì)初，用于現(xiàn)金出納機(jī)、留聲機(jī)和自行車的產(chǎn)品生產(chǎn)。 1904 年英國的法蘭克林（ H. H. Franklin）公司開始用壓鑄方法生產(chǎn)汽車的連桿軸承，開創(chuàng)了壓鑄零件在汽車 工業(yè)中應(yīng)用的先例。 1905 年多勒（ H. H. Doehler）研制成功用于工業(yè)生產(chǎn)的壓鑄機(jī)、壓鑄鋅、錫、銅合金鑄件。隨后瓦格納（ Wagner）設(shè)計了鵝頸式氣壓壓鑄機(jī)，用于生產(chǎn)鋁合金鑄件。這種壓鑄機(jī)是利用壓縮空氣推送鋁沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 3 合 金經(jīng)過一個鵝頸式通道壓入模具內(nèi)，但由于密封、鵝頸通道的粘咬等問題 , 這種機(jī)器沒有得到推廣應(yīng)用。但這種設(shè)計是生產(chǎn)鋁合金鑄件的第一次嘗試。 20 世紀(jì) 20 年代美國的 Kipp 公司制造出機(jī)械化的熱室壓鑄機(jī)，但鋁合金液有浸蝕壓鑄機(jī)上鋼鐵零部件的傾向，鋁合金在熱室壓鑄機(jī)上生產(chǎn)受到限制。 1927 年捷克工程師約瑟 夫波拉克（ Jesef Pfolak）設(shè)計了冷壓室壓鑄機(jī)，由于貯存熔融合金的坩鍋與壓射室分離，可顯著地提高壓射力，使之更適合工業(yè)生產(chǎn)的要求，克服了氣壓熱壓室壓鑄機(jī)的不足之處，從而使壓鑄技術(shù)向前邁出重要一步 [3]。 20世紀(jì) 50 年代大型壓鑄機(jī)誕生，為壓鑄業(yè)開拓了許多新的領(lǐng)域。隨著壓鑄機(jī)、壓鑄工藝、壓鑄型及潤滑劑的發(fā)展，壓鑄合金也從鉛 合金 發(fā)展到鋅、鋁、鎂和銅合金 ，最后發(fā)展到鐵合金，隨著壓鑄合金熔點(diǎn)的不斷增高而使壓鑄件應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大 [4]。 我國壓鑄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 我國壓鑄工業(yè)在近半個世紀(jì)的發(fā)展中有了長足 的進(jìn)步。作為一個新興產(chǎn)業(yè)，其每年都以 8%～ 12%的良好勢頭快速發(fā)展。目前，我國擁有壓鑄廠點(diǎn)及相關(guān)企業(yè) 2600 余家，壓鑄機(jī)近萬臺，年產(chǎn)壓鑄件 50 余萬噸。其中鋁壓鑄件占 %、鋅壓鑄件 %、銅壓鑄件 %、鎂壓鑄件 %。我國的壓鑄廠點(diǎn)及相關(guān)企業(yè)中，壓鑄廠點(diǎn) 2020 余家，占企業(yè)總數(shù)的 80%以上，壓鑄機(jī)及輔助設(shè)備企業(yè)、模具企業(yè)、原輔材料企業(yè)近 398 家，占 %，科研、大專院校、學(xué)會等其他單位合計 112 個，占總數(shù)的 %[5]。壓鑄機(jī)生產(chǎn)方面，我國約有壓鑄機(jī)生產(chǎn)企業(yè) 20多個，年生產(chǎn)能力超過 1000 臺，壓鑄機(jī)的供應(yīng)能力很強(qiáng)。其中的中小型壓鑄機(jī)的質(zhì)量較好，大型壓鑄機(jī)、實(shí)時控制的高性能的壓鑄機(jī)仍需進(jìn)口， 2020 噸以上的壓鑄機(jī)正在研制中 [5]。種種情況表明，中國的壓鑄產(chǎn)業(yè)已經(jīng)相當(dāng)龐大。 但是，與壓鑄強(qiáng)國相比，中國的壓鑄業(yè)還有著較大的差距。中國壓鑄企業(yè)的規(guī)模較小，企業(yè)素質(zhì)不高，技術(shù)水平落后，生產(chǎn)效率較低。雖然與美國、日本等壓鑄先進(jìn)國家相比，我國壓鑄件的生產(chǎn)占有一定的數(shù)量優(yōu)勢，但我國壓鑄企業(yè)以小型工廠為主，因此在管理水平和工作效率上，較之有很大的差距。另外，雖然我國生產(chǎn)的中小型壓鑄機(jī)質(zhì)量較好，但大型壓鑄機(jī)、實(shí) 時控制的高性能的壓鑄機(jī)仍需進(jìn)口，每年進(jìn)口壓鑄機(jī) 100 臺以上 [6]。由此可見，我國不能算作壓鑄強(qiáng)國，只能是壓鑄大國。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 4 近年來，由于中國工業(yè)的迅速發(fā)展，壓鑄產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸向很多市場邁進(jìn)。以中國的轎車工業(yè)壓鑄市場為支柱，中國的壓鑄業(yè)已經(jīng)向摩托車行業(yè)、農(nóng)用車行業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)市場、玩具市場、家電產(chǎn)業(yè)等多個方向快速拓展，其勢頭方興未艾 [7]。 壓鑄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢 由于整個壓鑄過程都是在壓鑄機(jī)上完成，因此，隨著對壓鑄件的質(zhì)量、產(chǎn)量和擴(kuò)大應(yīng)用的需求，開始對壓鑄設(shè)備提出新的更高的要求，傳統(tǒng)壓鑄機(jī)已經(jīng)不能滿足這些要求 ，因此，新型壓鑄機(jī)以及新工藝、新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。例如，為了消除壓鑄件內(nèi)部的氣孔、縮孔、縮松，改善鑄件的質(zhì)量，出現(xiàn)了雙沖頭（或稱精、速、密）壓鑄；為了壓鑄帶有鑲嵌件的鑄件及實(shí)現(xiàn)真空壓鑄，出現(xiàn)了水平分型的全立式壓鑄機(jī)；為了提高壓射速度和實(shí)現(xiàn)瞬時增加壓射力以便對熔融合金進(jìn)行有效地增壓，以提高鑄件的致密度，而發(fā)展了三級壓射系統(tǒng)的壓鑄機(jī)。又如，在壓鑄生產(chǎn)過程中，除裝備自動澆注、自動取件及自動潤滑機(jī)構(gòu)外，還安裝成套測試儀器，對壓鑄過程中各工藝參數(shù)進(jìn)行檢測和控制。它們是壓射力、壓射速度的顯示監(jiān)控裝置和合型力自動控制裝置以及 電子計算機(jī)的應(yīng)用等 [8]。以下介紹的便是壓鑄行業(yè)中出現(xiàn)的新工藝技術(shù)。 (1)真空壓鑄 真空壓鑄是利用輔助設(shè)備將壓鑄型腔內(nèi)的空氣抽除且形成真空狀態(tài)，并在真空狀態(tài)下將金屬液壓鑄成形的方法。其真空度通常在 380～ 600 毫米汞柱的范圍內(nèi)，可以通過機(jī)械泵獲得。而對于薄壁與復(fù)雜的鑄件，真空度應(yīng)該更高。由于型腔抽氣技術(shù)的圓滿解決，真空壓鑄在 20 世紀(jì) 50 年代曾盛行一時，但后來應(yīng)用不多。目前，真空壓鑄只用于生產(chǎn)要求耐壓、機(jī)械強(qiáng)度高或要求熱處理的高質(zhì)量零件，其今后的發(fā)展趨向是解決厚壁鑄件和消除熱節(jié)部位的縮孔，從而更有效地應(yīng)用于 可熱處理和可焊接的零件。 真空壓鑄的特點(diǎn)是：顯著減少了鑄件中的氣孔，增大了鑄件的致密度，提高了鑄件的力學(xué)性能，并使其可以進(jìn)行熱處理。消除了氣孔造成的表面缺陷，改善了鑄件的表面質(zhì)量?？蓽p小澆注系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)尺寸。由于現(xiàn)代壓鑄機(jī)可以在幾分之一秒內(nèi)抽成需要的真空度，并且隨著鑄型中反壓力的減小，增大了鑄件的結(jié)晶速度，縮短了鑄件在鑄型中的停留時間。因此，采用真空壓鑄法可沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 5 提高生產(chǎn)率 10%～ 20%.采用真空壓鑄時，鎂合金減少了形成裂紋的可能性（裂紋時鎂合金壓鑄時很難克服的缺陷之一，經(jīng)常發(fā)生在型腔通氣困難的部位 ） ，提高了它 的力學(xué)性能，特別是可塑性。 （ 2） 充氧壓鑄 國外在分析鋁合金壓鑄件的氣泡時發(fā)現(xiàn)，其中氣體體積分?jǐn)?shù)的 90%為氮?dú)?，而空氣中的氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)應(yīng)為 80%，氧氣的體積分?jǐn)?shù)為 20%。這說明氣泡中部分氧氣與鋁液發(fā)生了氧化反應(yīng)。因此出現(xiàn)了充氧壓鑄的新工藝 [9]。 充氧壓鑄是消除鋁合金壓鑄件氣孔，提高鑄件質(zhì)量的一個有效途徑。所謂充氧壓鑄是在鋁液充填型腔，用氧氣充填壓室和型腔，以置換其中的空氣和其他氣體，當(dāng)鋁金屬液充填時，一方面通過排氣槽排出氧氣，另一方面噴散的鋁液與沒有排除的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生三氧化二鋁質(zhì)點(diǎn)，分散在壓鑄件 內(nèi)部，從而消除不加氧時鑄件內(nèi)部形成的氣孔。這種三氧化二鋁質(zhì)點(diǎn)顆粒細(xì)小，約在 1μ m 以下，其重量占鑄件總重量的 %～ %,不影響力學(xué)性能，并可使鑄件進(jìn)行熱處理 [10]。 （ 3） 精速密壓 鑄 精速密壓 鑄是一種精確地、快速的和密實(shí)的壓鑄方法，又稱套筒雙沖頭壓鑄法。國外在 20 世紀(jì) 60 年代中期開始在壓鑄生產(chǎn)中應(yīng)用這一方法。精密速壓鑄法在很大程度上消除了氣孔和縮松這兩種壓鑄件的基本缺陷，從而提高了壓鑄件的使用性能，擴(kuò)大了壓鑄件的應(yīng)用范圍。 （ 4）半固態(tài)壓鑄 半固態(tài)壓鑄是當(dāng)金屬液在凝固時，進(jìn)行強(qiáng)烈的攪拌，并在一定的冷 卻速率下獲得 50%左右甚至更高的固體組分漿料，并將這種漿料進(jìn)行壓鑄的方法。 半固態(tài)壓鑄的出現(xiàn)，為解決鋼鐵材料壓鑄模壽命低的問題提供了一個方法，而且對提高鑄件質(zhì)量、改善壓鑄機(jī)鴨舌系統(tǒng)的工作條件，都有一定的作用，所以是用途的一種新工藝 [11]。 畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容 本課題設(shè)計內(nèi)容是鋅合金底盤座鑄件壓鑄模具設(shè)計，主要包括澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)，成形零件，抽芯機(jī)構(gòu)，推出機(jī)構(gòu)以及模體結(jié)構(gòu)等， 其設(shè)計步驟如下： （ 1）設(shè)計壓鑄模具總體結(jié)構(gòu) ； 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 6 （ 2）設(shè)計澆注系統(tǒng) ； （ 3）設(shè)計成型零件系統(tǒng) ； （ 4）設(shè)計抽芯系統(tǒng)機(jī)構(gòu) ； （ 5）設(shè)計 模體、頂出及復(fù)位機(jī)構(gòu) 。 主要設(shè)計方法為：運(yùn)用 UG 繪制整個模具的裝配圖 、立體圖 和具體 的 零件圖 、立體圖 。 然后對整個模具的工作過程進(jìn)行模擬以保證其動作過程靈活 。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 7 第 2 章 壓鑄模具的整體設(shè)計 鑄件工藝性分析 鑄件立體圖及工程圖 所用零件為 鋅合金底盤座，材料 YX041，鑄造 精度 CT5，鑄件中心 是一個較深的型腔，側(cè)壁 有凸臺，凸臺上有直徑為 80mm 的通孔。殼體的底端有 4 個直徑為 30mm的小孔，鑄件平均壁厚 ，其立體圖如圖 21，工程圖如圖 22。 圖 21 鑄件立體圖 圖 22 鑄件工程圖 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 8 鑄件分型面確定 壓鑄模的定模與動模表面通常稱為分型面，分型面是由壓鑄件的分型線決定的。而模具上垂直于鎖模力方向上的接合面，即為基本分型面。此殼體鑄件的分型面選擇現(xiàn)有三種方案如圖 23 所示 。 選擇 Ｉ 面，使鑄件整體放在定模中，保證了鑄件的同軸度，有 利于氣體的排 出，同時 II面也是鑄件的最大投影面。 選擇Ⅱ面，鑄件的同軸度不易保證。 選擇Ⅲ面，由于合模不嚴(yán)會使分型面處產(chǎn)生飛邊，不易清除痕跡，也不利于澆注系統(tǒng)的放置。 綜上分析決定選取 II 面為該鑄件的分型面。 圖 23 鑄件分型面選擇 澆注位置的確定 鑄件中心有型芯，所以不宜采用中心澆注，因此采用底端澆注，澆注位置選在平臺的端面。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 9 壓鑄成型過程及壓鑄機(jī)選用 臥式冷室壓鑄機(jī)結(jié)構(gòu) 臥式冷室壓鑄機(jī)基本組成如圖 24 所示。 圖 24 臥式冷室壓鑄機(jī) 1— 增壓器； 2— 蓄能器； 3— 壓射缸； 4— 壓射沖頭； 5— 壓室； 6— 定座板；7— 拉桿； 8— 動座板； 9— 頂出缸； 10— 曲肘機(jī)構(gòu)； 11— 支承座板； 12— 模具高度； 13— 合模缸； 14— 機(jī)體； 15— 控制柜； 16— 電機(jī)及泵 此類壓鑄 機(jī)的基本結(jié)構(gòu)分為 5 部分： (1)壓射機(jī)構(gòu) 主要作用是在高壓力下將熔融的金屬液壓入型腔的壓射機(jī)構(gòu)。壓射壓力、壓射速度等主要工藝參數(shù)都是通過它來控制的，其中包括壓室、壓射沖頭、壓射缸、增壓器和蓄能器。 (2)合模機(jī)構(gòu) 其作用是實(shí)現(xiàn)壓鑄模的開啟和閉合動作，并在壓射成型過程中具有足夠而可靠的鎖模力，以防止在高壓壓射時，模具被推開或發(fā)生偏移。 (3)頂出機(jī)構(gòu) 在壓鑄件冷卻固化成型并開啟模具后，頂出缸驅(qū)動壓鑄模的推出機(jī)構(gòu)，將成型壓鑄件及澆注余料從模具中頂出，并脫出模體，其中包括頂出缸和頂桿。 (4)傳動系統(tǒng) 通 過液壓傳動或機(jī)械傳動完成壓鑄過程中所需要的各種動作。包括電機(jī)、各種液壓泵及機(jī)械傳動裝置。 (5)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)控制柜指令液壓系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的傳動元件，按壓鑄機(jī)壓射過程預(yù)定的工藝路線和運(yùn)行程序動作，將液壓動作和機(jī)械動作有機(jī)的沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 10 結(jié)合起來，完成準(zhǔn)確可靠、協(xié)調(diào)安全的運(yùn)行規(guī)則 [12]。 壓鑄成型過程 臥式冷室壓鑄機(jī)的壓住成型過程主要分為 4 個步驟，如圖 24 所示 。 (a)合模過程 (b)壓射過程 (c)開模 過程 (d)鑄件推出過程 圖 25 壓鑄成型過程 (a)合模過程 壓鑄模閉合后，壓射沖頭 1 復(fù)位至壓室 2 的端口處， 將足量的液態(tài)金屬 3 注 入壓室 2 內(nèi)。 (b)壓射過程 壓射沖頭 1 在壓射缸中壓射活塞高壓作用下，推 動液態(tài)金屬 3通過壓鑄模 4 的橫澆道 內(nèi)澆口 5 進(jìn)入壓鑄模的型腔。 金屬液充滿型腔后，壓射沖頭 1 仍然作用在澆注系統(tǒng)，使液態(tài)金屬在高壓狀態(tài)下冷卻、結(jié)晶、固化成型。 (c)開模過程 壓鑄成型后，開啟模具，使壓鑄件脫離型腔，同時壓射沖頭 1將澆注余料頂出壓室。 (d)推出鑄件過程 在壓鑄機(jī)頂 出機(jī)構(gòu)作用下，將壓鑄件及其澆注余料頂出，沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 11 并脫離模體， 壓射沖頭同時復(fù)位 [13]。 壓鑄機(jī)型號的選用及其主要參數(shù) 本課題設(shè)計的壓鑄件在分型面的投影面積為 729cm2,壓鑄件的重量為 ,鋅合金一般件的推薦壓射比壓為 13～ 20MPa， 動模板最小行程為 108mm,采用常用的臥式冷室壓鑄機(jī)，其型號為 J1163E。 壓鑄機(jī)主要參數(shù)如下：壓射力為 368～ 600kN；壓室直徑為 70～ 100mm；最大澆注量（鋁）為 9kg；澆注投影面積為 403～ 1649；動模板行程為 600mm；拉缸內(nèi)空間水平 ? 垂直為 750mm? 750mm。 澆注系統(tǒng)設(shè)計 壓鑄模 澆注系統(tǒng)是將壓鑄機(jī)壓室內(nèi)熔融的金屬液在高溫高壓高速狀態(tài)下填充入壓鑄模型腔的通道。它包括直澆道、橫澆道、內(nèi)澆口、以及溢流排氣系統(tǒng)等。它能調(diào)節(jié)充填速度、充填時間、型腔溫度，因此它決定著壓鑄件表面質(zhì)量以及內(nèi)部顯微組織狀態(tài)，同時也影響壓鑄生產(chǎn)的效率和模具的壽命 [14]。 帶澆注系統(tǒng)鑄件立體圖 鑄件立體圖如圖 26 所示 ，溢流槽設(shè)于分型面四個對角處， 用于 有序的排除型腔中的氣體和排除并容納冷 污的金屬液以及其他氧化物。 圖 26 帶澆注系統(tǒng)鑄件 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 12 內(nèi)澆口設(shè)計 （ 1）內(nèi)澆口速度 由參考文獻(xiàn) [15]查得，鋅合金鑄件內(nèi)澆口充填速度 的推薦值為 30～50m/s，選取為 40m/s。 （ 2）充填時間 經(jīng)計算，壓鑄