压铸技术基础（一）

压铸的几个基本问题

铸件的收缩

根据压铸的特点，铸件的收缩规律大致如下：

1.  冷却凝固时，包紧成型零件，并受这些零件所阻碍，收缩量就比较小

2.  薄壁铸件的收缩量比厚壁铸件小

3.  大铸件的收缩百分率比小铸件的收缩百分率小

4.  压铸成形后，留模时间愈长，收缩量愈小

5.  形状复杂的铸件比简单铸件收缩量小

6.  同一铸件的不同尺寸部位，各处于上不同的情况时，各自的收缩率有可能不相同

7.  铸件的收缩是在实体上产生的，故在空档部位上，有时它的实际收缩可能使该部位的尺寸变大

此外，铸件的收缩可能与工艺因素，操作方面（如分型面的清理、涂料涂层的厚薄）有关。

上述的收缩规律性只是针对一些特定条件而言，生产中，常常应根据实际情况加以综合的考虑。

内浇口速度

    为便于生产中对内浇口速度的选定，将铸件的壁厚与内浇口速度的关系列于表中。

在选取用内浇口速度时，可以考虑下列情况

1.   铸件形状复杂时，内浇口速度可高些

2.   合金浇入温度低时，内浇口速度可高些

3.   合金和模具材料的导热性能好时，内浇口速度应高些

4.   内浇口厚度较厚时，内浇口速度应高些

铸件平均壁厚 （毫米）
 内浇口速度

  （米/秒）
 铸件平均壁厚

（毫米）
 内浇口速度

  （米/秒）
 
1
 46~55
 5
 32~40
 
1.5
 44~53
 6
 30~37
 
2
 42~50
 7
 28~34
 
2.5
 40~48
 8
 26~32
 
3
 38~46
 9
 24~29
 
3.5
 36~44
 10
 22~27
 
4
 34~42
 
 
 

  速度与压力的关系

根据流体力学的论述，伯努利定理适用于理想流体和稳定流动，其方程式为：

       p/ρ+gz+1/2q2=Const

它是一维流动问题中最重要的一个关系，而且在整个流体力学的领域里也具有根本的重要性。它是一个能量守恒的表达式，因为每一项都代表单位质量的能量：第一项是压力所做的功，每二项是由于重力而引起的势能，而第三项是动能。

于是，按照压铸过程的金属流动来看，压室内熔融金属从冲头速度加速到内浇口的过程，便可根据伯努利方程式列出如下的表示式，即

p n/ρ+gh n+1/2v2 n=p b/ρ+gh s+1/2v2 c

    式中p n —内浇口处通过金属流之前的压力（公斤/厘米2 ）

     ρ—熔融金属的密度（公斤/厘米3 ）

     g —重力加速度（981厘米/秒2 ）

     h n —内浇口压力头高度（厘米）

     v n —内浇口速度（厘米/秒）

     p b —压室内作用于金属上的压力（公斤/厘米2 ），此处实为填充比压，符号应为pb c，但为叙述方便，直接用p b列出

     h s —压室的压力头高度（厘米）

     v c —冲头速度（厘米/秒）

但是，对于压铸过程来说，对上述表示式可作如下的分析：

    内浇口处通过金属流之前的压力p n，在模具上开有足够的排气道的情况下，相当于大气压力，而压室内作用于金属上地压力p b（实为填充比压）则甚大于大气压力，故移项后，p b-p n的差值与p b十分接近，所以p n项可忽略不计。

  　内浇口的压力头高度h n和压室的压力头高度相差只有几厘米，因此，可按相等看待，在等式的两边的抵消而消除。

冲头速度v c与内浇口速度v n相比，由于面积F S和F n相差十几倍甚至几十倍，故冲头速度总是比内浇口速度小十几倍或几十倍，况且在伯努利方程式中还是一个平方数，因此，v c也不予计入。

于是，表示式可简化为

       1/2v2 n = p b /ρ

即

       v n=(2p b/ρ)1/2   

当密度ρ用比重r来表示，即

ρ=r/g

所以，内浇口速度 v n与压力（填充比压）的关系式便可写成

       V n=(2gpb/r)1/2   

但是，熔融金属毕竟不同于理想流体，熔融金属本身的物理特性（粘性、表面张力、内磨擦等）造成的速度损失必须加以考虑，同时，金属的流动还与浇道几何形状、流动规律（撞击、转向、气体阻碍等）有关，这些都是使速度损失的因素。 因此，设η为流动时受到各种影响而使速度降低的总的系数。并称之为阻力系数。这个阻力系数可大致地定为0.358。于是内浇口速度与比压的关系在计入阻力系数后的计算式为：

v n=0.358(2gpb/r)1/2  

当内浇口速度已经选定，则比压p b（实为填充比压pb c）可由下式求得

p b=v2 nr/(2g*0.3582 )

生产中，由于机器的驱动系统、传动机构中的压力均有损失，阀门的开闭可能滞后，机器运动零部件惯性、运动时的各种摩擦阻力以及压力液的泄露等等因素的存在，使填充比压和冲头速度都有所损失，而损失的程度，则是以机器的效能而定，这种效能可以通过仪器测定。调节机器时，预定的压力（比压）和冲头速度便根据损失的程度，按计算出的压力适当加大，从而冲头速度也随之得到补偿。

　　填充时间

熔融金属自开始进入型腔到充满的过程所需的时间称为填充时间。

填充时间是压力、速度、温度、浇口、排气、金属性质以及铸件结构（壁厚）等多种因素结合以后造成的结果，因而也是填充过和中各种因素相互协调的综合反映。

前面已经提前提到，填充结束时，型腔内不同部位的金属的凝固不是同时完成的，亦即局部的金属早凝固是不可避免的。但是，在决定填充时间时，仍然把填充结束前金属不产生凝固这一理想情况为条件的。可此，最佳填充时间应是压铸的金属尚未凝固而允许最长的填充型腔的时间。

根据铸件凝固温度的理论，再将有关方面综述如下：

1.  金属的凝固温度范围是在液相线与固相线温度之间；

2.  为了使熔融在填充过程中保持必要的填充性（流动性），金属应处于过热温度；

3.  金属凝固时释放的热量通过型壁进行传导；

4.  过热的金属液到完全凝固前释放的热量应等于模具在该段时间内吸收的热量。这一过程与合金的比热和模具的热传导系数有关。

在上述的基础上，再根据逆流式换热器的原理加以推导，便得到如下的方程式：

t=(Tn-Ty)CG/(Tn-Tm)HmF

式中  t——填充时间（秒）

Tn——内浇口处熔融金属的温度（℃）

Ty——熔融金属的液相线温度（℃）

Tm——模具温度（℃）

Ｃ－熔融金属（合金）的比热（卡/克）

G—铸件的重量（克）

Hm—模具热传导系数（卡/厘米2·秒·℃）（与凝固时间的计算中的Hm相同）

F—铸件表面面积(厘米2)

其中，G/F可看成一个比率，并用铸件壁厚b的一半b/2代替。

根据有关资料，以这一方程式为基础，得到如下的计算式

           t=0.034b(Tn-Ty+64)/(Tn-Tm)

       t——填充时间（秒）

       Tn——内浇口处熔融金属的温度（℃）

       Ty——熔融金属的液相线温度（℃）

       Tm——模具温度（℃））

       b——铸件的平均壁厚（毫米）

计算时，平均壁厚b可大致地按如下原则确定，即：一般取铸件上同一壁厚最多的数值为平均壁厚。

必要时，平均壁厚也可按下式计算：

b=(b1F1+b2F2+b3F3+…)/(F1+F2+F3)

式中，b1,b2,b3——铸件某个部位的壁厚：

F1,F2,F3——壁厚为b1,b2,b3部位的面积

表中列出了供直接选用的按壁厚确定的填充时间值，表内数值是综合了确定填充时间的各种计算方法和试验数值，结合生产中许多种压铸实际情况，做了一定的计算和验证工作后提出的，列出的数值是以铝合金为基础的，但适用于其他合金。

铸件的平均壁厚（厘米）
 填充时间    （秒）
 铸件的平均壁厚（厘米）
 填充时间 （秒）
 
1
 0.010~0.014
 5
 0.048~0.072
 
1.5
 0.014~0.020
 6
 0.056~0.084
 
2
 0.018~0.026
 7
 0.066~0.100
 
2.5
 0.022~0.032
 8
 0.076~0.116
 
3
 0.028~0.040
 9
 0.088~0.138
 
3.5
 0.034~0.050
 10
 0.100~0.160
 
4
 0.040~0.060
 
 
 

在表中范围内，填充时间还可以考虑下列情况来选用：

1.   合金的入温度高时，填充时间可选长些

2.   模具温度高时，填充时间可选长些

3.   铸件厚壁部分远离内浇口远时，填充时间可选长些

4.   熔化潜热和比热高的合金，填充时间可选长些

以上的计算或查表选用，都只是压铸生产前的预选工作，还应通过试模或试生产的过程，采取测定实际的冲头速度方法，对预选的填充时间加以验证。

    增压建压时间和压力升高时间

增压建压时间是指在增压阶段的起始点上能够把升高的压力建立起来的时间，在这个起始点上的压力的大小即为填充阶段填充比压的大小。从压铸工艺上来说，所需的增压建压时间愈短愈好，但是机器压射系统的增压装置所能提供的增压建压时间是有限度的，性能较好的机器的最短建时间也不短于0.01秒。

压力升高时间指从增压压力建立起，直到压力升高到预定的数值所需的时间，从压铸上来说，压力升高时间的长短，主要是由型腔中金属的凝固时间所决定，因而与下列因素有关：

１）不同的合金有不同的凝固时间，凝固时间长的，压力升高时间亦稍长。

２）厚壁铸件的凝固时间较长，压力升高时间亦稍长。

３）型腔中金属的凝固在不同的部位上各自为往往不是同时完成是，尤其是复杂的和大型的铸件，模具热平衡状态更为复杂，这时取决于与内浇口相连的部位上的金属凝固时间。

由此可见，增压压力的建成，应与金属的凝固形成这样的关系：即：金属凝固的过程中，随着致密度的逐渐增加，所需的压力逐渐要大。因此，在理想的条件下，仅就时间而言，压力升高时间的长短可以与凝固时间同样的看待。在这种情况下，增压的作用也达到了理想的预期效果，

实际上，应使压力升高时间比金属的凝固时间稍短才是合理的，因为时间的绝对值极其短促，若增压压力的建成稍迟，也会失去作用。当然，如果压力升高时间过短，金属尚未完全凝固，增压压力早已建成并作用于其上，则将增大胀型力的液压冲击作用，在位移——压力曲线上形成过高的压力峰值，从而引起胀型力超过极限值，发生机器锁模力不足的现象。

因此，机器压射系统的增压装置上，压力升高时间的可调性十分重要。根据凝固时间来看，其调整范围在0.015～0.3秒内比较适宜。实际生产中，应根据铸件的大小（或压铸机的大小）再划分出小的范围。 

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