1、挤压铸造模具的设计及工艺研究武汉理工大学0621讲解挤压铸造模具的设计优化及工艺研究摘要随着机械工业的发展，挤压铸造模具技术在国内得到了很大的发展，特别是在汽车、摩托车行业得大很大的应用。同时人们对于挤压铸造模具的准确性与合理性提出了更高的要求。“挤压铸造”国内外也称“液态模锻”是一种介于铸造与锻造之间的优质、高效、节能的工艺方法，它既能接近甚至达到同种合金锻件的内部组织和力学性能，又能实现高效率的大批是生产，与普通压铸件相比，可较大程度的提高力学及使用性能，与普通锻件相比，又可节约能源。然而毕竟挤压铸造工艺的发展时间不是很长，一些已有的挤压铸造工艺模具工艺和结构上有稍微的不合理。找出这写不合
2、理的地方，对其进行修改和研究，便于提高挤压铸造零件的性能，甚至能够提高生产效率。本论文主要是对已有的挤压铸造模具（间接挤压和直接挤压）的工艺参数的研究和结构参数的优化，在分析已有模具结构的基础上，对于不合理的结构提出自己的修改意见，列出简单明了的结构参数表和工艺参数表，准确的表达出模具的工作原理，最后得出自己的结论。关键字：挤压铸造模具 工艺参数 结构参数 直接挤压 间接挤压 优化AbstractWith the development of machinery industry, the squeeze casting mold technology in the country has b
3、een greatly developed, especially in the automotive, motorcycle industry have great application.People put forward higher requirements for the accuracy and rationality of the squeeze casting mold.Squeeze casting at home and abroad also known as liquid forging is a cross between the casting and forgi
4、ng quality, efficient, energy-efficient technologies and methods, it not only close to or even reach the internal microstructure and mechanical properties of the alloy forgings,can achieve high efficiency, a large number is the production, compared with ordinary die-casting, can improve the mechanic
5、s and the use of a greater degree of performance, compared with the ordinary forging, but also save energy.After all, the squeeze casting process development time, however, is not very long, have squeezed a little unreasonable in the casting process mold processes and structures.Find out where this
6、write unreasonable, modify and research, and easy to improve the performance of squeeze casting parts, or even be able to improve production efficiency.In this paper, the existing squeeze casting mold (indirect extrusion and direct extrusion) the optimization of process parameters and structural par
7、ameters, based on analysis of existing mold structure, unreasonable structureamedments, list of simple structural parameter table and the process parameters table, an accurate expression of the working principle of the mold, and finally draw their own conclusions. Keywords: squeeze casting mold, pro
8、cess parameters, structural parameters, direct extrusion , indirect extrusion第一章 绪论1.1研究目的及其意义 挤压铸造（squeeze casting）是对铸型型腔中的液态或半液态的金属施加较高的机械压力，使其成型凝固，从而获得铸件的一种铸造方法，根据挤压铸造时合金液的流动状况及挤压铸造力的形式，挤压铸造可以分为直接挤压铸造（direct squeeze casting）和间接挤压铸造（indirect squeeze casting）两种基本形式。直接挤压铸造是指：在挤压铸造时，浇入挤压铸造模内的合金液在凸模（压
9、头）的压力作用下，迅速流动而充型，接着在较高的压力下凝固并产生少量的塑性变形。间接挤压铸造是指：合金液在压力作用下，通过内浇道压入型腔，充型、凝固而获得产品的挤压铸造方式。然而我的毕业设计题目是挤压铸造模具的设计优化及其工艺研究，在了解挤压铸造工艺的基础上，对已有的挤压铸造模具进行优化模具结构参数和生产工艺参数，绘制模具结构图。挤压铸造工艺是介于铸造和锻造之间的一种新的工艺方法，它兼有铸造和锻造二者的一些优点。 挤压铸造件具有： 组件尺寸精度高，表面质量好；无缩孔缩松气孔等缺陷；能得到有效的补缩；不设浇注冒口系统，减少了液态金属的消耗。1.2与压力铸造相比具有以下特点 压力铸造时，金属在高压作
10、用下以极快的速度充填铸型，卷入气体，型腔里的空气也难全部排出，铸件中气体的含量较多，不能热处理。挤压铸造时金属液直接浇入型腔中而不经过浇注系统，吸气少，铸件可进行热处理。压力铸造时，金属液的流程长，冷却凝固快，而且浇道里的金属液比铸件先凝固，压力不可能维持到铸件结晶凝固终了，铸件得不到补缩，因此，铸件厚壁处的组织难以致密，晶粒也较粗大；挤压铸造时没有浇注系统，金属液在压力作用下充型、结晶凝固，补缩效果好，晶粒较细，组织致密、均匀。压力铸造的模具结构复杂，加工工时多，加工费用高，金属的利用率低；挤压铸造的模具结构较简单，加工费用较低，寿命较长，金属的利用率较高。1.3与锻造相比具有一些特点 锻件
11、的力学性能一般比挤压铸件高，但通常存在各向异性，尤其是塑性指标在纵向与横向之间的差别很大，横向低很多，限制了锻件的应用；挤压铸件的力学性能虽稍低于锻件，但只要工艺正确，其力学性能可接近或达到锻件的水平，且各向性能均匀。挤压铸件的成形是靠压力作用在封闭的型腔里的液态金属，使其结晶凝固而成的，而锻件是压力作用在固态金属上形成的。前者所需的压力比后者小得多，所需设备的功率比锻造小65%75%。挤压铸造为一次成形，生产率高，劳动强度较低，能源消耗低。挤压铸件的尺寸精度比锻件和熔模精密铸件高，表面粗糙度相比之下也最低，加工余量小，一般为0.52mm，因此，所用的金属料少，成本较便宜。锻件要达到上述的尺寸
12、精度和表面粗糙度是相当困难的。挤压铸造适用于多种合金材料，包括铸造铝合金、锌合金、铜合金、铸铁、铸钢以及部分变形合金，而锻造的材质却很有限。 挤压铸造也有自身的缺点，主要是：（1）不能使用砂芯。（2）挤压铸造件侧壁厚一般不小于5mm。（3）适宜的铸件尺寸取决于施加的压力，对于现行最大的设备（15000kN），设计面积不大于1200cm2。（4）投资高，一般适宜大批量生产。（5）与压铸相比，铸型寿命低。（6）铸件形状复杂度有一定的限制。（7）由于具有较陡的温度梯度，铸件有时会出现所谓的偏析；当表面偏析较严重时，结晶温度低于随后所要求的热处理温度。1.4 挤压设备现状 据统计目前世界各国进行挤压铸
13、造生产的各种液压机大约有1000台。各国挤压铸造总数也压铸机相比还是很少的，而且很不也很不均匀，较集中在亚洲地区，其中主要是日本。近年来，挤压铸造机有快速增加的趋势。例如，在日本大多数压铸厂都配有一定数量的挤压铸造机。欧美各国，由于其压铸设备（如实时控制、真空压铸等）和锻压设备水平较高，过去对挤压铸造的发展相对不够重视，但近年来有明显改变。大部分的压铸机生产厂家在普通卧室压铸机上推出挤压铸造新技术。我国的挤压铸造设备发展一直很慢，至今都没有开发出高水平的挤压铸造机。这是制约我国挤压铸造发展的最大瓶颈。在国内，由于近年来摩托车行业利润下降，使用部分对于挤压驻扎的液压机改做他用，以至于现存于挤压铸
14、造机的液压机有所减少。 1.5挤压铸造模具的现状 目前，影响我过挤压铸造发展的主要因素是：挤压设备的性能满足不了挤压铸造工艺的要求。由于我过尚未开发出挤压铸造工艺要求的专用或者通用挤压铸造机，在一定程度上制约了挤压铸造技术的发展。当某项工艺技术发展到一定程度后，必须配置相应的设备。否则，就会影响先进工艺技术的应用和推广。目前国内从事挤压铸造的企业仍采用普通液压机来生产挤压铸造件，某些工艺参数的选取缺少标准规范，很难保证铸件质量的稳定性。 由于挤压铸造具有以上的特点，兼有铸造和锻造的优点，特别是：挤压铸造件的尺寸精度高，铸件的加工余量小；金属利用率高；铸件组织致密晶粒细化；因此设计的挤压铸造模具
15、广泛的应用于一些力学性能要求高的气密性好的厚壁铸件，比如：汽车、摩托车的铝轮毂、发动机的铝活塞、铝缸体、铝缸头、铝传动箱体、减震器、制动器铝铸件、压缩机、气压机，各种泵体的铝铸件，自行车的曲轴、方向轴、车架接头、前叉接头、铝镁或者锌合金光学镜架、仪表及计算机壳体件、铝合金压力锅、炊具零件、铜合金轴套及铝基复合材料等。1.6 目的及其意义由于一些挤压铸造模具存在的一些问题，对于已有的一些挤压模具结构进行改进或者对其工艺参数进行优化，有助于铸件性能的提高。本设计主要是在设计挤压铸造模具的基础上对挤压铸造模具进行优化：分析零件的形状、结构、精度和各项技术指标；选择挤压铸造方式，修改模具结构、确定分型
16、面、浇口位置和浇注系统的总体布置方案，绘制制件毛坯图。对于已有的挤压模具进行优化模具的结构参数和生产工艺参数，提出自己的意见对模具进行优化和改进，这样对与提高制件的各种性能要求具有大的用处。第二章 摩托车铝轮毂挤压铸造模具的设计2.1挤压铸造铝轮毂80年代中期我国摩托车铝轮毂的生产主要采用低压铸造、金属型铸造、压力铸造，而挤压铸造摩托车铝轮毂90年代初首先由五二研究所研制开发成功，并申报国家专利。当时有多家工厂引进该技术，形成了一定的生产规模。这是因为用挤压铸造生产铝轮毂较之其它铸造工艺具有以一定的优越性，主要体现在：设备投资低于低压铸造和压力铸造，高于金属型铸造，生产效率低于压力铸造而高于低
17、压铸造和金属型铸造；而产品质量均高于其它几种铸造工艺，且价格适中，受到主机厂的欢迎。因此，用挤压铸造工艺生产汽车、摩托车铝轮毂有较强的竞争力。摩托车了铝轮毂要能够承受很大的压力，其用途要求它具有很好的力学性能。根据挤压铸造的特点，铸件致密、缺陷少，晶粒细，完全能够满足摩托车轮毂的受力条件和应用条件。故选用挤压铸造比较的合适。2.2模具工作原理 挤压铸造工艺生产的摩托车铝轮毂，已使用了立式和卧式的两种挤压铸备。图 为一种立式挤压铸造模具图，所使用的设备是合模力为35005000kN四柱通用液压机。其工作原理如下。铝液浇注前分型面I-I为闭合状态，分型面II-II为打开状态。挤压头2处于下位。待铝
18、液浇入料缸3后，迅速闭合分型面II-II，并将缸压力升至额定高压，再启动下顶缸将挤压头2上推，将料缸中铝液通过浇口分流锥14推入型腔中充型并保压，待保压完毕后，上、下油缸并将分型面II-II打开，并拉断内浇道，继续上推挤压头2，并将料饼从料缸中推出。待清理、喷涂完料缸3、挤压头2上后，将分型面II-II关闭，再启动油压机活动横梁回程，将分型面I-I打开，此时铸件被四个滑块17抱住也带在上模上。随着分型面I-I不断打开，斜销6将四个滑块17水平方向打开，并与铝轮铸件脱离，待活动横梁升至一定高度后，退料板11触及推杆19.通过推料杆15，将铸件从模芯8上推下取出。待型腔被清理、喷涂完后，再闭合I-
19、I，开始下一个生产流程。 图2-1摩托车铝轮毂挤压铸造模具图（立式）1.铸件 2.挤压头 3.料缸 4.底板 5垫板 6.斜销 7.下模芯 8.上模芯 9.上模垫板 10.固定板 11.推料板 12.上板 13.复位杆 14.分流锥 15.推料杆 16.导柱 17.滑块 18.垫块 19.推杆2.3工艺参数和结构参数的选择 工艺参数的选择正确与否对于铸件的影响是很大的。比如充型速度，太低会导致铸件有缩孔缩松表面会产生冷隔、斑纹和缺肉等铸造缺陷，然而太高，有可能型腔内的气体不及排出，造成气卷，铸件内部就会出现气孔、针孔等缺陷。因此要根据实际的需要和铸件的一些性能要求选择合理的工艺参数。表给出了摩
20、托车铝轮毂挤压铸造的工艺参数。至于结构参数来说，本模具的一些结构参数也是很重要的，例如模具间隙，导柱与导套之间的配合，压头和压套的配合，开模方式，都有可能影响铸件的一些性能，或者影响生产效率。表给出了结构工艺参数。 因此选择合理的工艺参数和结构参数是非常恶毒重要的。表2-1 摩托车铝轮毂挤压铸造工艺参数型号压力/MPa保压时间/s升压时间/s模具温度/浇注温度/涂料161880120152515150250680720水剂胶体石墨表 2-2摩托车铝轮毂挤压铸造模具的结构参数冷却方式加热方式推杆件配合型面排气间隙空冷红外线0.080.20.070.3脱模斜度分流锥材料拔芯机构脱模方式1H13斜销
21、下缸顶出2.4提出修改意见 根据研究和和对制件性能的测试测试结构如下表表面挤压铸造摩托车铝轮毂的工艺参数是完全合理正确的，能够很好的满足其性能要求。铸造出来的制件组织致密力、学性能好。表2-3 摩托车铝轮毂挤压铸造力学性能合金材料热处理5/%b/MPa硬度/HBZL101T62251大于等于70 但是我觉得其模具结构稍显复杂,应该进行一修改使其更加的简单，这样对于模具的制造，并能减少费用。本模具结构左右基本的对称，然而我认为左边的滑块是可以改为小滑块的，并且斜销6可以改为一导杆。这样以来小滑块要是因长期的挤压而磨损的话，便于更换。修改图如下图示。图2-2滑右边块部分修改示意图 2.5 结论(1
22、) 采用挤压工艺可以生产各种摩托车铝合金轮毂, 其质量明显优于一般重力铸造和低压铸造, 生产效率高于差压铸造, 是生产高档摩托车铝轮毂很有发展前途的工艺方法。(2) 二次水平分型模具结构具有挡渣作用, 是获得优质铝轮毂的关键之一。(3) 修改后的模具结构紧凑简单，降低了模具制造费用。 第三章 起重电机壳体挤压铸造模具工艺研究3.起重电机壳体挤压铸造模具设计 PK 系列环链起重电机壳体是电机的主体部件，材质为铝合金，国内外采用压铸工艺生产该零件的较多，所用设备吨位为8000kN ，设备投资较大。我们采用的是挤压铸造工艺，在3150kN 油压机上生产出了合格零件，经检测，产品质量达到设计要求，已大
23、批量生产，生产节拍为壳体每件60120秒；取得了较好的经济效益。图3-1为PK系列3P / 13型电机壳体。壳体内部镶有硅钢片，它是经预叠压后放入模具再挤压铸造成形的。由于合金收缩包紧硅钢片使之成为一整体，所以电机工作时温升小，散热条件好，起重扭矩大，是一种节能型起重电机。3.1模具结构特点和工作原理3.1.1模具结构特点模具设计采用斜销抽芯四开模，模具结构如图3-2所示。压板6和压柱9通过螺钉固定在动模盖板10上，假轴3和分流锥13通过螺纹连接（生产中几个备件轮换使用）。轴套2和压环 7通过螺钉连接，以减少耐热合金钢用量。通过调整小圆螺母1的松紧度可调整弹簧5压在轴套上的预紧力，此力对防止液
24、态金属在挤铸时进入壳体表面及镶槽内非常重要，因硅钢片在每次叠压时的预紧力大小不完全相同，所以其高度也不尽相同，有很大的误差，模具设计时有意在轴套台阶与动模板11处留有1 . 5一2mm 间隙，以克服芯片叠压后产生的高度误差，这样只要叠压的硅钢片（芯片）在规定的公差之内就不会造成壳体中间芯进铝现象。采用斜销19拨动滑块20实现侧向开（抽芯）合模。为防止挤铸时胀模，利用楔紧块 21 锁紧滑块，为避免楔紧块锁模时移动，采用一长条形凸台定位。定定模16既是成形零件又与压17组成压室，通过螺钉固定在模板条形凸条形凸台定位.定模16既是成形零件又与压17组成压室，通过螺钉固定在模板14上。压头与顶杆18用
25、螺纹连接，固定在油压机顶出缸活塞上。模具定位采用导柱导套结构（图2-2没有画出）。型腔侧面排气间隙控制在 0.08 一 0.12mm ，整个模具结构较紧凑，开合模活动自如，使用效果良好。3.1.2模具工作原理模具调整好后，用压板螺钉将模具的动、定模分别固定在油压机活动横梁上和工作台上。工作前先将模具的成形零件表面预热100一120（采用红外线板预热）。将熔炼好的铝合金液浇入到由定模块16和压头 17组成的压室中，预紧的芯片22套入假轴3并放在定模块上。油压机活动横梁带动模具压板6 、动模 图3-1 电机壳体 图3-2 电机壳体挤压铸造模具图1 .小圆螺母 2 .轴套 3 .假轴 4 .盖板 5
26、 .弹簧 6 .压板 7 .压环 8 .动模块 9 .压柱 10 .动模盖板 n 动模板 12 .电机壳体 13 .分流锥 14 . 定模板 15 .定模座 16 .定模块 17 . 压头 18 .顶杆 19 .斜销 20 .滑块 板 n 等零件合模，此时假轴3插人轴套2中，轴套上的压环7压紧在预紧后的芯片22上，斜销19将4个滑块20拨到预定位置，楔紧块21锁紧滑块。油压机的下油缸推动顶杆18和压头17向上运动，压室中的合金液在压力作用下通过浇道充满型腔，经充分保压后，下油缸卸压，油压机上活动横梁带动模具的动模零件卸压回程，由于制件筋片的阻力作用，挤铸好的零件同假轴一起留在定模块上，顶出缸（
27、下油缸）再将制件、余料及假轴顶出模具。取出假轴和制件，用专用工具将假轴和制件分离，同时切断内浇口，去掉余料，喷刷涂料，浇入合金液，便可进行下一个工作循环。工作节拍每件一般在 1 一 2min ，产品合格率在98 以上，只是在开始时模具温度较低，制件上花纹较重，当模具达到规定的工作温度时（150 一250 ），挤铸出的制件轮廓清晰，表面光洁，内外质量优良，无任何缺陷，完全达到设计要求。3.3 模具结构参数及工艺参数 模具结构参数的制定是模具设计中的重点，它关系到模具的使用寿命、生产率、制件质量等，而工艺参数是获得优质制件，发挥压机最大生产率的先决条件，是正确设计挤压铸造模具的依据。表 给出了3P
28、 /13起重电机壳体挤压铸造模具结构参数和工艺参数。 表3-1 3P/13电机壳体挤压铸造模具的工艺参数和模力/kN锁模力/kN压射力/kN压射比压/kN充填时间/s2000728350701.8保压时间/s浇注温度/压射速度/ms-1充填速度/ms-1涂料类型8206707300.0652油基石墨 表3-2 3P/13电机壳体挤压铸造模具的结构参数模具结构形式脱模方式拔芯机构分型方式四开模下缸顶出斜销侧面分型模芯材料模框材料挤压方式运动件配合间隙/mmH1345钢下顶式间接挤铸0.080.23.4 提出修改意见 由于保压时间一般应控制到铸件完全凝固为止，保压时间过短，当铸件心部凝固时就泄压，
29、则会使得心部得不到补缩，则会出现缩松、缩孔缺陷。所以在该起重机外壳的挤压铸造的工艺参数中的保压时间应稍微的加大，我认为在2030s比较的合适。 该模具的结构完全合理，符合生产要求。3.5 结论 ( 1 )用挤压铸造代替压力铸造生产 PK 系列电机壳体是可行的，制件的质量完全达到或超过国外同类产品（样品）水平。 ( 2 )挤铸所用的设备为油压机，模具安装、调整较方便，稳固可靠。设备投资减少 20 % ，利用率高（油压机还可用于其它工作）。 ( 3 )经生产实践验证，该模具结构紧凑，设计合理，各项结构参数的选取恰当，满足了生产要求。第四章 挤压铸造汽车主缸的模具设计4.1 挤压铸造主缸的模具结构原
30、理及特点模具结构如图4-1所示，其动作原理是：将液态金属浇注到压套10内；两个侧油缸推动滑块6和型腔块4合模；油压机上横梁带动动模板11、模柄12、型芯1、压柱2和锁模块3压紧在滑块和型腔块上（锁模）；接着压机下油缸推动顶杆9和压头8将液态金属压入型腔；经充分保压后，压机下油缸带动顶杆和 图3-1 制动主缸体挤压铸造模具图 1.型芯 2.压柱 3.锁型块 4.型腔块 5.推杆 6.滑块 7.侧油缸 8.压头 9.顶杆 10.压套11型柄 12.动模压头退回；上油缸带动锁模块等零件卸压回程，并完成抽芯动作。然后两个侧油缸再将滑块和型腔块打开，推料杆5将工件顶出；喷刷涂料后，即可实现下一个工作循环
31、。此种模具结构特点是：液态金属是在高压下充满型腔的，制件成形容易，棱角非常清晰。由于金属液充型时速度比较低，所以，气体的排除较容易。制件经固溶处理和人工时效后，进行宏观检查和微观分析未发现任何缺陷。4.2 挤压铸造主缸的工艺参数和模具结构参数选定 挤压铸造工艺参数和模具的结构参数，对主缸的质量、生产率和生产成本都有直接影响，经试验和生产实践验证，选定挤压铸造主缸的计要工艺参数和模具结构参数如表3-1，表3-2所示。 表3-1 挤压铸造主缸的主要工艺参数 合金熔炼温度/模具预热温度/模具工作温度/挤铸合金温度/充型速度/ms-1锁模速度/ms-1合模速度/ms-16907401001503006207200.270.010.050.08锁模力/kN合模力/kN分模力/kN成形比压/MPa充型时间/s保压时间/s留型时间/s200025301241.25151020 表3-2 挤压铸造主缸模具的结构参数冷却方式加热方式内腔粗糙度推杆件配合型面排气间隙 空冷红外线加热0.
