鋁合金壓鑄工藝流程及壓鑄模具優化分析

聶俏

摘要：隨著工業化程度的不斷推進，壓鑄零件在各個行業得到了普遍應用，本文結合鋁合金壓鑄工藝的流程，對壓鑄模具失效因素進行了分析，并從壓鑄模具材料的選擇、優化鑄件與壓鑄模具的結構設計、優化加工工藝、熱處理工藝、壓鑄模具的表面強化處理、規范操作規程等幾方面著手，對壓鑄模具的優化措施進行了具體分析，希望能夠達到延長壓鑄模具使用壽命的目的。

關鍵詞：鋁合金;壓鑄工藝;壓鑄模具;優化

1? 壓鑄工藝概述

1.1 壓鑄工藝原理

壓鑄工藝是指利用高壓作用，將金屬液迅速填充到壓鑄模具型腔中，金屬液冷卻凝固后形成鑄件的工藝方法。壓鑄工藝主要有冷室壓鑄和熱室壓鑄兩種基本方法。在現代工業生產中，壓鑄工藝常用于生產各種金屬零件，使用壓鑄工藝在生產過程中很少或根本不需要進行金屬切削，生產效率高，具有顯著的經濟效益。

1.2 鋁合金壓鑄生產工藝流程

鋁合金壓鑄生產工藝流程包括壓鑄機調試、壓鑄模安裝、模具預熱、涂料、合模、澆注壓射、保壓、開模、粗磨、精磨等步驟（見圖1）。

1.3 壓鑄工藝特點

壓鑄工藝將溫度、壓力、時間、速度等工藝因素加以綜合運用，壓鑄速度快、效率高，在零件生產行業具有明顯優勢：

①壓鑄工藝可以生產復雜金屬零件;熔融金屬在高壓作用下，可以保持較高的流動性，因此在形狀復雜、輪廓清晰、薄壁深腔的金屬零件生產中，壓鑄工藝較其他工藝方法應用更為普遍。

②壓鑄件的精度高、質量好;一般壓鑄件尺寸精度在IT9-IT13級，壓鑄件表面粗糙度在Ra0.8-3.2um，零件的組織致密，強度和硬度都比較高，互換性極好。

③壓鑄工藝中材料利用率高;由于壓鑄件的精度高，生產過程中只需要少量機械加工就可以進行裝配使用，因此材料利用率通常在六到八成，毛坯利用率甚至能達到九成以上。

④壓鑄工藝生產效率高;金屬液充型速度快、時間短、凝固快，熱壓室壓鑄機每小時壓鑄在四百到一千次，冷壓室壓鑄機每小時壓鑄在八十到一百次，與其他生產工藝相比，壓鑄工藝生產效率高，更適合大批量生產。

⑤易于滿足零件局部特殊性能需求;在壓鑄模具上設置定位機構，可以嵌鑄鑲嵌件，可以更好的滿足零件局部的特殊需求。

任何工藝方法都無法做到盡善盡美，壓鑄工藝也不外如是：

①氣孔和縮松;金屬液快速填充到型腔并快速冷卻，這個過程時間極短，型腔中的氣體如果不能迅速排出，壓鑄件中就會有氣孔或者氧化夾雜物存在，影響壓鑄件質量。

②成本較高，不適合小批量生產;壓鑄生產中壓鑄機、壓鑄模、金屬液，三要素缺一不可，其中壓鑄機、壓鑄模費用較高，不適合進行小批量生產。

③壓鑄合金種類有限、壓鑄件尺寸受限;受壓鑄模具使用溫度的限制，目前可以用來進行壓鑄作業的合金主要有鋁合金、鋅合金、銅合金和鎂合金。另外，受壓鑄機和壓鑄模尺寸限制，無法進行大型零件的壓鑄。

④模具的使用壽命較短;受技術條件限制，壓鑄模具使用過程中裂紋、脆斷、腐蝕時有發生，大大縮短了模具的使用壽命。

2? 壓鑄模具失效因素分析

壓鑄模的失效形式主要有：開裂、龜裂、劈裂、磨損、沖蝕等。導致這些現象產生的因素主要有以下幾個方面：

2.1 模具制造材料的自身缺陷? 壓鑄模具的材料質量對壓鑄模具壽命的長短有很大影響，模具材料中的夾雜物是模具裂紋產生的核心，當夾雜物的尺寸超過臨界尺寸后，壓鑄模具的疲勞強度隨夾雜物顆粒尺寸的加大而降低，疲勞強度的下降幅度與夾雜物顆粒尺寸的立方成正比關系。在壓鑄過程中，壓鑄模具在急冷急熱中交替，極易產生裂紋、脆斷等現象，因此，在模具用料的選擇方面，應充分考慮其對冷熱疲勞的抗力、冷熱穩定性、韌性等因素。

2.2 殘余應力作用? 壓鑄模的使用條件較為惡劣，在壓鑄過程中，金屬液進入模具型腔，受型腔內的空間限制，在型腔凹角處產生拉伸力;模具溫度受金屬液溫度的影響逐漸升高，模具受熱膨脹，模具表面產生壓應力;鑄件脫模后對模具進行冷處理，模具收縮，產生切向拉應力;壓鑄模承受模具內外各方交互應力的影響，幾種力相互作用，不斷積累，導致模具出現裂紋，并不斷加深。

2.3 結構設計不合理? 鑄件結構設計不合理，會直接影響壓鑄模具的使用壽命。例如：①鑄件斜度值設計不合理會引起抽芯，開模后進行取件時容易造成擦傷;②鑄件結構設計不合理除了會導致鑄件壁厚不均勻外，還會導致模具中存在細薄的截面，這往往是造成模具早期裂紋的罪魁禍首。

2.4 操作不規范? 生產過程中的操作不規范，也是影響壓鑄模具使用壽命的重要因素。例如：①不預熱或預熱溫度過高;預熱溫度過高會影響型腔表面材料的屈服強度，降低模具的抗熱疲勞性能;②模具涂料噴涂不均勻;③不能定期對模具進行檢修保養;④安裝過程不規范。

3? 壓鑄模具優化分析

3.1 壓鑄模具材料的選擇? 在模具用材的選擇上，當前的主流選擇是H13鋼材料，采用毛坯鍛造工藝，對H13鋼材料進行鍛造，通過高溫淬火以及回火處理，鋼材料中的碳化物形成合理的流線分布，分布更加均勻，鋼材料經鍛造處理后其硬度可以達到46～49HRC，這使得模具的耐磨性、耐蝕性、抗疲勞性等均得到很大程度的提高。

3.2 優化壓鑄模具的結構設計? 壓鑄模具采用合理的結構設計，可以起到延長使用壽命的作用，例如：①臺階狀型芯可以降低金屬液在壓鑄模表面的粘模力;②雙型芯對鑄結構可以減輕金屬液對細長型芯的沖擊;③適當增加內澆道截面積，能夠增加金屬液流量，減輕金屬液對壓鑄模具的沖擊;④整體式溢流槽結構可有效降低壓鑄件變形量，提高壓鑄件品質;⑤鑲拼會降低型腔整體的剛度，在壓鑄模具的結構設計中應考慮到這一因素;⑥在壓鑄模具經常出現裂紋的位置設計鑲件結構，在模具使用過程中出現裂紋不需要更換整個模具，直接更換鑲件即可，可以延長模具主體部分的使用壽命，有效節約成本。

3.3 優化加工工藝? 壓鑄模具加工工藝的優化，對壓鑄模具使用壽命的影響也十分明顯。具體體現在以下幾個方面：①在壓鑄模具加工過程中，磨削加工會產生大量熱量，因此應選擇冷卻充分且自銳性好的砂輪，對壓鑄模具進行精磨加工，避免加工過程中造成的模具型腔表面破裂。另外，還可利用H13鋼硬態銑削措施代替磨削加工，降低生產成本。②對壓鑄模具表面進行噴丸處理可以有效消除壓鑄模表層因加工產生的殘余應力，緩解模具熱疲勞，防止裂紋的產生。③在模具材料切割過程中，先使用中脈寬、大峰值電流進行粗加工，再使用小脈寬進行精修加工，可有效降低切割過程中產生的脈沖能量，避免壓鑄模具表面裂紋的產生。

3.4 熱處理工藝? 合理規范的熱處理工藝，可以有效提高壓鑄模具的使用壽命。壓鑄模具在使用前需進行去應力處理，第一次去應力退火后再進行淬火工序，通過后續加工工序可以消除由淬火引起的變形及裂紋。壓鑄模具去應力回火的溫度應在原回火溫度的基礎上降低30～50℃，模具使用五千至一萬模次可進行第一次去應力回火，之后每次去應力回火間隔一萬五至兩萬模次即可。在對壓鑄模具型芯進行處理時，熱油先與型芯表面進行接觸，有利于提高型芯的韌性與硬度，壓鑄模具型腔在熱油中反復翻轉，可以改善并實現對流傳熱效果，用氮化或碳氮共滲對壓鑄模型腔表面進行處理，可以有效避免侵蝕作用。

3.5 壓鑄模具的表面強化處理? 壓鑄模具表面與外界因素接觸最多，表面強化處理工序簡單、速度快、效率高、工件變形小，可以有效提高壓鑄模具的抗疲勞強度、耐磨性、耐腐蝕性等，電火花放電強化法、軟氮化、噴丸強化法等都是較為常見的表面強化處理方法。電火花放電強化法是指通過脈沖電路放電，使連接電路的正負極做周期性接觸，引起氣隙放電，形成的火花與高溫，耐磨材料覆蓋在工件表面，在電火花與高溫的作用下，通過改變基體金屬的化學成分和金相組織，形成沉積層，減少表面沖蝕、防止金屬與模面咬合，延長模具的使用壽命。

3.6 規范操作規程? 生產過程中，合理規范的操作規程，對延長壓鑄模具的使用壽命至關重要。①合理的預熱溫度;在生產過程中，壓鑄模具中應力的大小與溫度梯度成正比，合理的預熱溫度可以增強模具的抗熱疲勞性能。②正確使用模具涂料;壓鑄模具中未能均勻噴涂涂料的位置，往往是模具侵蝕最為嚴重的地方，因此，在涂料噴涂時，應適當提高噴涂壓力，克服液滴凝聚現象，盡可能做到均勻涂覆型面。③定期檢修保養;壓鑄模具的零部件變形、螺栓松動等，都是早期模具失效的重要原因，對模具進行定期檢修保養，可以有效延長模具的使用壽命。④嚴格遵守安裝規范;在壓鑄模具使用前、使用中，都應該嚴格遵守操作規范，了解模具基本結構及使用中的注意事項，使用前后對模具表面進行檢查清理，長期不用時，注意防銹，定期對模具進行去應力處理。

4? 結論

壓鑄工藝作為無切削的高效金屬成型工藝，在我國工業生產中應用極為廣泛，對模具壽命的研究，對壓鑄行業未來的發展具有重大意義。

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