压铸成型工艺与模具设计
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项目一 抽屉拉手锌合金热压室压铸机压铸模设计

任务一 抽屉拉手压铸材料选择及其熔炼

任务引入

图1-1-1和图1-1-2分别为家具用抽屉拉手压铸件实体图和平面图,要求选择抽屉拉手合金材料,确定合金熔炼工艺。

图1-1-1 抽屉拉手实体图

图1-1-2 抽屉拉手平面图

任务操作流程

1.根据铸件受力状态及工作环境、工作条件和生产条件,选择合金种类。

2.根据所选合金,确定熔炼设备和压铸设备种类。

3.确定熔炼工艺。

教学目标

※能力目标

1.能够根据压铸件使用性能选用材料。

2.能够确定压铸合金熔炼设备类型。

3.能够根据压铸合金材料,确定压铸成型设备类型及成型工艺。

※知识目标

1.熟悉锌合金材料性能及其应用。

2.掌握锌合金材料熔炼工艺。

3.了解锌合金材料成型设备及工艺过程。

4.掌握压铸锌合金的选择步骤和方法。

5.掌握热压室压铸机的压铸特点、原理及工艺过程。

相关知识

一、压铸定义、本质、生产要素及工艺过程

1.压铸定义

压铸是压力铸造的简称,是在高压作用下,使液态或半液态合金以较高的速度充填铸模型腔,并在压力下成型和凝固,获得铸件。

2.压铸本质

高压力和高速度,也是压铸与其他铸造方法最根本的区别所在。

3.压铸生产要素

合金材料、压铸机和压铸模。

4.压铸工艺过程

压铸工艺过程如图1-1-3所示。

图1-1-3 压铸工艺过程

二、压铸成型的优、缺点

1.优点

(1)压铸件的尺寸精度高,表面粗糙度值低。

(2)材料利用率高达60%~80%,毛坯利用率达90%。

(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。

(5)压铸件组织致密,具有较高的强度和硬度。

(6)生产率极高。

(7)压铸件质量及尺寸:质量最小的只有零点几克,最大的铝合金铸件质量达60kg;尺寸最大的直径可达2m。

2.缺点

(1)压铸件常有气孔及氧化夹杂物存在。

(2)不适合小批量生产(成型模具昂贵)。

(3)压铸件尺寸和结构受到限制。

(4)压铸合金材料受到限制(仅限于锌、铝、镁、铜),压铸黑色金属时,压铸模具使用寿命很低。

(5)设备投资大,生产准备周期长。

三、压铸成型的应用范围

压铸成型主要用于汽车及摩托车制造业,还有工业电器、仪器仪表、家用电器、通信、照相机、计算机、钟表等。以铝合金铸件居多(占60%~80%),锌合金次之(占10%~20%),镁合金被誉为“21世纪绿色工程材料”,用于计算机、通信器材、消费类电子、航空航天等。

四、压铸生产对压铸合金的要求

1.基本要求

(1)过热温度不高时,具有较好的流动性。

(2)线收缩率和裂纹倾向小。

(3)结晶温度范围小。

(4)具有一定的高温强度。

(5)在常温下有较高的强度。

(6)与型腔壁间产生物理-化学作用的倾向性小。

(7)具有良好的加工性能和一定的抗蚀性。

2.压铸生产对压铸合金性能的要求

压铸生产对压铸合金性能要求包括使用性能和工艺性能,见表1-1-1。

表1-1-1 压铸合金使用性能和工艺性能

五、压铸锌合金特点和用途

1.压铸锌合金优点

(1)压铸性能好,填充型腔容易。可以压铸形状复杂、薄壁的精密件,铸件表面光滑,尺寸精度高。

(2)结晶温度范围小,不易产生疏松。

(3)在385℃熔化,浇注温度较低,模具使用寿命长。

(4)熔化与压铸时不吸铁,不腐蚀压型,不黏模。

(5)有很好的常温力学性能、机械性能和耐磨性。

(6)锌合金铸件能够进行表面处理,如电镀、喷涂、喷漆等。

2.压铸锌合金缺点

(1)老化现象:温度低于0℃时,冲击韧性急剧降低;温度升高时,力学性能下降,且易发生蠕变,使其应用范围受到限制。

(2)尺寸变化:铸件成型后会发生尺寸收缩,开始收缩速度比较快,3~5天后,大约完成了2/3后收缩速度减慢,尺寸逐渐趋于稳定。

(3)密度大(液态6.4g/cm3,固态6.7g/cm3),铸件重。

3.常用压铸锌合金特点及用途

常用压铸锌合金特点及用途,见表1-1-2。

表1-1-2 压铸锌合金特点及用途

六、压铸锌合金应用实例

在电子、五金、工艺品、玩具等行业压铸锌合金具有广泛的应用市场,如图1-1-4~图1-1-8所示。

图1-1-4 压铸锌合金标牌

图1-1-5 压铸锌合金装饰品

图1-1-6 压铸锌合金工艺品

图1-1-7 压铸锌合金五金件

图1-1-8 压铸锌合金家具拉手

七、压铸锌合金的熔炼

1.熔炼目的

为得到符合化学成分规定、结晶组织好及气体、夹杂物少的熔融金属液。

2.熔炼过程中的物理、化学现象

(1)金属与气体的相互作用:在熔炼过程中,与氢(H2)、氧(O2)、水汽(H2O)、氮(N2)、CO2、CO作用,这些气体或是溶于金属液中,或是与其发生化学作用。

(2)气体来源:气体可从炉气、炉衬、原材料、熔剂、工具等途径进入合金液中。

(3)熔融的合金液与坩埚的相互作用:熔炼温度过高时,铁质坩埚与锌液反应加快,坩埚表面发生铁的氧化反应生成Fe2O3 等氧化物。此外铁元素还会与锌液反应生成FeZn13化合物(锌渣),溶解在锌液中;铁质坩埚壁厚不断减薄直至报废。

3.压铸锌合金熔炼过程

压铸锌合金熔炼过程如图1-1-9所示。

图1-1-9 压铸锌合金熔炼过程

4.熔炼锌合金用设备

熔炼锌合金用设备选用铸铁或石墨坩埚炉,金属坩埚。

5.锌合金熔炼工艺特点

(1)熔炼前炉料成分的控制:分析并去除回炉料中Fe、Sn、Pd、Cd等有害杂质,选用高纯度的锌合金锭,严格控制熔炼过程,防止锌合金“老化”。

(2)熔炼过程中的温度控制。

① 采用中央熔炼炉,压铸机熔炉作保温炉。温度过高,铝、镁元素易烧损,锌渣增加,坩埚中的铁元素与锌反应加快,形成铁锌金属间化合物,使锤头、鹅颈壶过度烧损;温度过低,合金流动性差,不利于成型,影响压铸件表面质量。

中央熔炼炉内金属液温度为430~450℃。

热压室压铸机坩埚内金属液温度为415~430℃,薄壁件、复杂件压铸温度取上限,厚壁件、简单件取下限。进入鹅颈管的金属液温度与坩埚内的温度基本一样。

② 采用先进的金属液自动送料系统能够保持稳定的供料速度、合金液的温度及坩埚液面高度。

(3)熔炼生产步骤:先加入熔点较高的铝锭和铝铜中间合金,再加入回炉料和锌锭,再撒上一层20mm厚的覆盖剂,当炉料熔化后,用钟罩压入镁锭,去除覆盖层,用占料重0.25%~0.3%的精炼剂脱水氯化锌精炼,除渣运往保温炉中待用。

6.熔炼锌合金用工具

熔炼锌合金工具选用多孔(ϕ6mm)盘形扒渣耙、搅拌器。

7.锌合金熔炼操作注意事项

(1)坩埚:使用前必须进行清理,去除表面的油污、铁锈、熔渣和氧化物等。为防止铸铁坩埚中铁元素溶解于合金中,坩埚应预热到150~200℃,在工作表面喷一层涂料,再加热到200~300℃,彻底去除涂料中水分。

(2)工具:熔炼工具在使用前应清除表面脏物,与金属接触的部分,必须预热并刷上涂料。工具不能沾有水分,否则会引起熔液飞溅及爆炸。

(3)合金材料:熔炼前要清理干净并预热,去除表面吸附的水分。为了控制合金成分,建议采用2/3的新料与1/3的回炉料搭配使用。

(4)熔炼温度:≤450℃。

(5)及时清理坩埚中液面上的浮渣,及时补充锌料,保持熔液面正常的高度(不低于坩埚面30mm)。因为过多的浮渣和过低的液面都容易造成料渣进入鹅颈通道,拉伤、冲头和司筒,导致卡死冲头、鹅颈和冲头报废。

(6)熔液上面的浮渣用扒渣耙轻轻地搅动,使之集聚以便取出。

8.压铸合金的选择

(1)选择原则:在满足压铸件使用性能的前提下,尽可能选择工艺性能好的压铸合金。

① 铸件使用性能(力学性能、物理及化学性能):用强度、硬度、密度、熔点、热导率、线膨胀系数等作衡量指标。

② 铸件工艺性能:指铸造工艺性能、切削加工性、焊接性、热处理性能、流动性、抗热裂纹性、合金黏附模具的程度。

(2)选择合金需考虑的因素

① 压铸件受力状态(大小、方向、类型等)。

② 压铸件工作环境。温度高低、是否要密封及哪类密封、工作接触介质(海水、酸碱、潮湿空气)。

③ 压铸件在整机或部件中所处的工作条件。

④ 对压铸件尺寸和重量是否有限制。

⑤ 本厂的合金熔炼设备、压铸机和工艺装置及操作水平。

⑥ 合金价格的高低。

任务实施

1.抽屉拉手合金材料的选择

(1)抽屉拉手使用性能分析:抽屉拉手为生活用品,工作温度不超过100℃,受很小的拉力,外观质量要求高,不允许有裂纹、砂孔等铸造缺陷,对工作环境及重量无特殊要求。

(2)工艺性能分析:要求铸件成型性能好。

(3)抽屉拉手合金材料选择:从抽屉拉手使用性能和工艺性能分析得知,采用压铸工艺性好的锌合金——ZZnAl4Y能满足抽屉拉手使用性能。锌合金流动性好,铸件表面光滑,不易产生裂纹、缩松等铸造缺陷。工作环境也适合,虽易老化,但不影响其使用功能。

2.抽屉拉手锌合金熔炼工艺

先加入熔点较高的铝锭和铝铜中间合金,再加入回炉料和锌金属,并撒上一层20mm厚的覆盖剂,当炉料熔化后,用钟罩压入镁锭,去除覆盖层,用占料重0.25%~0.3%的精炼剂脱水氯化锌精炼,除渣运往保温炉中待用。

知识拓展

一、压铸生产前的准备

1.设计和制造压铸模。

2.将压铸模安装到压铸机上。

3.将固态合金在熔炼炉中熔炼成液态合金,保温到坩埚。

二、压铸生产中三要素——压铸合金、压铸机、工艺

1.锌合金+热压室压铸机+锌合金熔炼工艺+锌合金压铸成型工艺。

2.铝合金+冷压室压铸机+铝合金熔炼工艺+铝合金压铸成型工艺。

3.镁合金+冷压室压铸机+镁合金熔炼工艺+镁合金压铸成型工艺。

三、压铸生产后的处理

压铸件清整、表面处理、热处理及浸渗处理和质量检验。

思考题

一、专业术语解释

1.锌合金老化现象

2.压铸特点

二、问答题

1.压铸生产对压铸锌合金有哪些基本要求?

2.压铸锌合金熔炼工艺有哪些?

三、填空题

1.压铸锌合金熔炼设备有____或____和____。2.压铸合金熔炼目的是____。

3.压铸合金熔炼前准备工作有____、____、____等。

4.目前最先进的铸造工艺方法之一是____。

5.压铸是____的简称,其实质是在____作用下,使液态或半液态金属以____充填压铸模型腔,并在____成型和凝固而获得铸件的方法。

四、选择题

1.压铸合金选用应考虑铸件( )及工作环境状态。

A.酸碱

B.压力

C.密闭性

D.受力状态

2.目前高熔点黑色金属难以压铸,原因之一是受到压铸模( )的限制。

A.型腔材料

B.型芯材料

C.模板材料

D.推杆材料

3.压铸用低熔点合金有锌合金、锡合金和( )。

A.钨合金

B.镁合金

C.钛合金

D.铅合金

4.由于锌合金易产生“老化”现象,故不用于( )的制作。

A.装饰扣

B.纪念章

C.抽屉拉手

D.汽车轮毂