镁合金汽车零件压铸模具的加工成型技术

2010-01-01冯艳

中国新技术新产品 2010年15期

冯艳

（哈尔滨爱迪压铸有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150000）

镁合金是一种能够满足各种行业需求、发展前景极为可观的轻质合金材料。与目前的主流材料相比密度小、比强度高、减振性和机械加工性好、良好的铸造性和再生性、高电磁屏障等优点。

我国镁合金压铸的产业化刚刚起步。进入90年代以来，我国在汽车、计算机、通讯等领域有了极大的发展。汽车轻量化、高速、节能等问题也日益突出，促使了镁合金的发展。国内各主要汽车厂家对镁合金在汽车上的应用表现出强劲需求，其中一些厂家已开始将镁合金开发应用提上重要议程。

1 镁合金加工成型技术简介

镁合金成为重要的工程材料除了本身的优异性能外，还可以方便的加工成所需要的外形。镁合金成型主要通过塑性变形和铸造两种方式但是用塑性变形法加工镁合金存在着许多不利因素，当前镁合金的成型主要依赖铸造的方法。镁合金铸造大致分为：重力浇注、低压浇注、半固态压铸、触变注射成型、高压铸造。由于镁合金热流动性好，所以很适合薄壁件的压铸生产。现在90%左右的镁合金工程结构件是通过压铸方法制造的。压力铸造的原理是液体金属在高压作用下压入精密加工的钢压铸模内，并完全填充压铸模，从而获得轮廓清晰的、与压铸模型腔相符的压铸件。

1.1 压铸的填充过程

压铸的填充过程是复杂的，早期的填充理论的一些观点都是在特定的试验条件下获得的，有很大的局限性，直接用来分析一些实际问题虽然有一定的意义，但还存在不足之处，这在生产实践中已得到证实。早期较为典型的三种填充方式如下：

喷射填充。金属液从内浇口处喷射至型腔最远端，撞击该处型壁后，部分金属聚积并产生涡流，另一部分金属则向所有方向喷溅，并沿型壁自远端向内浇口返回。金属流的速度由内浇口截面积与型腔截面积之比的大小来控制。

全壁厚填充。金属流从内浇口处开始，由后向前充满型腔的整个厚度流动，流动时不产生涡流。无论内浇口截面积与型腔截面积之比的大小如何，流动形态不受影响。

三阶段填充。填充过程大致分为三个阶段：第一阶段是金属进入型腔后，首先冲击对面型壁，并沿型腔表面向各方向扩展，在型壁上生成表层，这个表层即为铸件的外壳，又称为薄壳层；第二阶段是随后进入的金属继续沉积，在薄壳层内的空间，直至填满；第三阶段是在压力的作用下，型腔内的金属得到压实。

1.2 镁合金主要物理和化学性能对压铸性能的影响

热焓对充型性能的影响.。金属熔体从工作温度到凝固温度释放的热量，决定了其在相同热导率下保持可铸性的时间，因此这种热量便作为判断其最大可充型时间的尺度。

金属液粘度对充型性能的影响。金属液粘度显著影响充型流动状态，用雷诺数来表示这种性质，它同时考虑到流道的几何形状和金属液内摩擦产生的流动阻力。以GDMgAl9Zn1 与GD-AlSi12Cu的粘度作比较，定性得出浇注速度。两者充型时的流动特征应相同，故两者流动时雷诺数相等。镁合金液平均充填型腔速度约为铝合金的1.25 倍。根据镁合金的比热容，充型时间要短；根据镁合金的粘度，充型速度要快。这两者的一致性，表明镁合金是一种非常适宜压铸的合金。

压力对镁合金热物性值的影响压铸时的高压会影响金属的某些热物性值。根据Clausius-Clapeyron 方程，当镁合金体收缩为3.8%及铝合金体收缩为6%～3%时，熔点升高率为0.006℃/0.1MPa，当充型压力为50MPa时，镁合金的熔点可升高3℃，这对压铸件质量几乎没有影响。

镁合金的吸气性与压铸件中的气孔镁合金压铸件中的气孔，除少部分是充型过程中形成的卷入性气体外，主要是镁合金在熔炼、保持、浇注过程中吸收和溶解的气体在冷却和凝固过程中析出而形成的析出性气孔。镁合金溶解氢的能力很强，铸锭上即使沾有一点水分，也会与镁锭体反应，还原除游离氢并溶解在镁锭体中。因此，镁合金熔体的含气量及其压铸件的气孔数量与熔炼、保温、浇注时的空气的温度及炉料的干燥程度密切相关，故镁锭及镁回炉料必须彻底烘干后才能投炉。氢在镁合金熔体中的溶解度随温度降低而减小，在外界压力及本身压力的作用下，析出的游离氢在镁合金凝固和冷却过程中在铸件中形成孔壁光滑的不规则气孔。当铸件继续冷却时，由于外界压力的作用及气孔吸收残余镁液而形成伴有气孔的偏析（即所谓的浸透固溶体），并使气孔直径显著减小。

2 镁合金汽车零件压铸模具的加工成型技术

2.1 镁合金汽车零件，压铸模具设计关键技术

压铸机选择。镁合金可以在冷室压铸机中压铸，也可以在效率更高的热室压铸机中压铸。采用何种形式的压铸机进行生产主要取决于铸件的壁厚。Roland Fink 在对“镁合金压铸工艺的优化”问题进行研究的过程中，通过对镁合金压铸经济性、冷室压铸和热室压铸过程分析提出:一般情况下，小于1kg的铸件需要采用热室压铸机，以保证薄壁件的充满;大件则推荐采用冷室压铸机。

工艺参数。在压铸生产过程中，选择合适的工艺参数是获得优质铸件，发挥压铸机最大生产率的先决条件，是正确设计压铸模的依据。压铸时，影响合金液充填成型的因素很多，其中主要有压射压力、压射速度、充填时间和压铸模温度等等。这些因素互相影响、互为制约，调整一个因素会引起相应的工艺因素变化，因此正确选择各工艺参数十分重要。

浇注系统设计。浇注系统对金属液流动的方向、排气溢流条件、模具的温度分布、压力的传递、充填时间的长短及金属液通过浇道处的速度和流动状态等各个方面，起着重要的控制与调节作用。良好的浇注系统设计是模具成功与否的关键之一，不合理的浇注系统设计可能导致诸如缩孔、流痕、冷隔以及表面质量不理想等各种缺陷。内浇道形状尺寸，以及排溢系统对于能否压铸出合格产品至关重要，模具设计中必须注意考虑镁合金的压铸特性。

2.2 计算机数值模拟

目前，数值模拟软件被广泛认为是优化汽车零件压铸模具工艺设计的必备工具。美国、日本、德国等国的镁合金压铸企业十分重视镁合金CAD/CAE 技术在产品生产工艺设计上的应用，并取得了一定成果。我国在铝、锌合金压铸模的数值模拟方面已经开展了大量的工作，但在镁压铸模方面的研究还刚刚起步，对镁压铸过程的充型规律、充型性能与压铸工艺参数的关系尚缺乏深入系统的研究。因此，应当抓住当前市场发展的有利时机，投入人力物力，在镁合金CAD/CAE 研究领域迎头赶上。采用热室压铸机对镁合金手机外壳进行生产，利用计算机辅助设计和模拟分析一体化技术(CAD/CAE)，通过计算机展示镁合金液充型、凝固的全过程，并分析缺陷成因，改进不合理的浇注系统工艺设计方案，有效地保证了产品质量。采用数值模拟方法可以大大缩短新产品试制周期、降低工艺改进费用，将缺陷降低到最低限度，特别是在设计早期阶段采用模拟软件，预测缺陷的产生，优化浇注系统设计，可以有效避免由于结构、工艺和模具的不合理设计所造成的损失。美国芝加哥White Metal 铸造公司采用CAE 软件获取薄壁家电产品机壳流场、温度场的各种信息，据此进行浇道、溢流槽和冷却系统优化设计。利用模拟结果绘制PQ2图，综合考虑多种因素的影响，最终确定生产工艺中采用的最佳工艺参数值。数值模拟软件在汽车镁压铸件中应用最为普遍，德国的一些汽车行业已经成功地模拟了座椅架、触变成型燃油泵、奥迪5 倍速变速箱、车轮、4 缸发动机缸体等汽车用镁合金压铸件，有效地缩短了产品开发周期，极大增强了企业市场竞争能力。