鎂合金齒輪箱壓鑄工藝設(shè)計(jì)

徐 寧，朱建風(fēng)

（1.福州大學(xué)；2.福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350003）

面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)鎂合金壓鑄的要求也越來越嚴(yán)格，使得設(shè)計(jì)者們被動(dòng)的不斷地提高著產(chǎn)品的質(zhì)量，縮短著研發(fā)時(shí)間.在不存在特殊原因的情況下，鎂合金的產(chǎn)品與其他合金的鑄件設(shè)計(jì)有許多的相似之處.但又要做到在設(shè)計(jì)中既要突出鎂合金的特征與優(yōu)勢(shì)又要避免容易出現(xiàn)的問題，就需要壓鑄件與模具相互適應(yīng)，充分發(fā)揮出鎂合金的優(yōu)點(diǎn)，確保獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品.

1 鎂合金的發(fā)展現(xiàn)狀

鎂合金與目前正在使用的相對(duì)較多的材料相比，具有密度小、比強(qiáng)度高、以及良好的壓鑄工藝性、導(dǎo)熱性、減振性、電磁屏蔽性、可回收利用等特點(diǎn).能夠滿足不同行業(yè)的需求，供求量很大，作為輕質(zhì)合金材料未來的前景不可限量，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)中.許多國(guó)家已經(jīng)利用鎂合金做出了重大的研究，將其定義為二十一世紀(jì)的重要戰(zhàn)略材料.

因?yàn)殒V合金的許多優(yōu)點(diǎn)和無法取代的特點(diǎn)，讓鎂合金的需求量大幅度上升，鎂合金壓鑄件在汽車產(chǎn)業(yè)制造中占有比例很大；亞太地區(qū)市場(chǎng)約占16‰、北美市場(chǎng)約占50‰、歐洲市場(chǎng)約占25‰、其他地區(qū)約占9‰.

而我國(guó)的鎂合金產(chǎn)業(yè)雖然才發(fā)展不久，但自在90年代以后，我國(guó)的汽車、電子、通訊等領(lǐng)域發(fā)展已經(jīng)得到了很大程度上的提高.在如今這個(gè)科技發(fā)展迅速的時(shí)代，只有不斷的研發(fā)創(chuàng)新才不會(huì)落后.我國(guó)作為鎂資源生產(chǎn)大國(guó)、存儲(chǔ)量占世界的22.5‰，年產(chǎn)量截止到2001年底全國(guó)50余家鎂企業(yè)的產(chǎn)量?jī)H達(dá)10萬(wàn)噸.通過不斷的努力，我國(guó)的鎂工業(yè)從鎂產(chǎn)品的進(jìn)口國(guó)變身成為世界最重要的產(chǎn)品出口國(guó).

2 壓鑄模設(shè)計(jì)

鎂合金齒輪箱結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，要求模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，為保證成型質(zhì)量，要有合理的澆注系統(tǒng)，較大的澆道面積，較高的填充速度和較短的充填時(shí)間.

圖1 鎂合金齒輪箱

2.1 壓鑄機(jī)的選擇

對(duì)于鎂合金鑄件的生產(chǎn)環(huán)境的溫度、不論是熱室壓鑄機(jī)還是冷室壓鑄機(jī)都和生產(chǎn)出的鑄件的壁厚有關(guān).通常情況下，為了保證壁薄的，小于1kg的鑄件則需要熱室壓鑄機(jī)，大件的基本選用冷室壓鑄機(jī).該齒輪箱采用700T冷室壓鑄機(jī)進(jìn)行壓鑄成型.

2.2 模具設(shè)計(jì)

由于鎂合金有著很好的壓鑄工藝性能，在生產(chǎn)的過程中，應(yīng)該相對(duì)地把鎂合金的優(yōu)點(diǎn)和不可代替的優(yōu)勢(shì)融合進(jìn)去，并且選用適合鎂合金的工藝參數(shù)和模具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).與鋁合金不同的是，因?yàn)槿刍逆V合金不易與鋼鐵融合，所以使模具的使用壽命得到了延長(zhǎng).至于其他的，例如熱學(xué)約650℃和機(jī)械力學(xué)比壓對(duì)模具的沖壓與加工鋁的時(shí)候都有些相同.現(xiàn)在我們可以做到壓鑄件壁薄至0.6mm的薄壁件.因?yàn)殒V合金的液體可以再模具腔內(nèi)迅速凝固、要求充型時(shí)間短，壓射沖頭的速度比鋁高出30%.

實(shí)踐表明，鑄件的抗拉強(qiáng)度與第二級(jí)壓射速度有著直接的關(guān)系.主要因素是：短的充型時(shí)間和充型期間產(chǎn)生的漩渦.壓鑄模噴涂的頻繁，表面會(huì)有噴涂材料的微粒和氧化物，會(huì)改變?nèi)芤涸趦?nèi)澆口的速度，大約在90—100m/s.這樣的改變，就會(huì)減少內(nèi)澆口速度造成的破損.

2.3 鎂合金壓鑄模特點(diǎn)

（1）充型時(shí)間比鋁短30%，（2）內(nèi)澆口的速度為90—100m/s，（3）斜度小，（4）模具溫度在 220℃—240℃（需要用模具控制器），（5）鎂的流動(dòng)性好，邊角固定好，對(duì)模具塑固要求高.

2.4 鎂合金壓鑄模的應(yīng)用

圖2 鎂合金齒輪箱模具結(jié)構(gòu)示意圖

近些年我國(guó)的大型成套設(shè)備中，齒輪是最關(guān)鍵的部分之一.通過引進(jìn)相關(guān)的技術(shù)和不斷的創(chuàng)新，也代表著制造業(yè)的發(fā)展水平的高精度，以及在這方面所取得成就.從發(fā)展趨勢(shì)上看，是在不斷的進(jìn)步，占據(jù)主導(dǎo)地位，并會(huì)持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的發(fā)展階段.

由圖2結(jié)構(gòu)圖所示.鎂合金的齒輪箱的壓鑄由動(dòng)模套版、頂出機(jī)構(gòu)、動(dòng)模型芯、定模型芯、抽芯滑板、定模板套、動(dòng)模固定板和澆道等部分組成.該模具大體還是選取了鋁合金壓鑄模的結(jié)構(gòu)成分，但又做了一定程度的改變，突出了鎂合金的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì).做了一些大膽的創(chuàng)新.

首先，在模具的澆道上做了一定的改變：選取厚度為8～16mm，寬度為18～28mm的增壓型環(huán)型主澆道，以保證在填充的過程中速度得到了提升.由于齒輪箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)置的輔助澆道可以減少充填的時(shí)間，流動(dòng)的阻礙減少，甚至減少了噴濺、冷隔、紊流等缺陷.

其次，根據(jù)齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜這一特點(diǎn)，也做了一些設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)成4個(gè)抽芯的結(jié)構(gòu)方式;滑塊之間的距離為0.03mm以內(nèi)；銷子與模具內(nèi)孔之間的距離為0.012以內(nèi)，模具的制作工藝精度高達(dá)GBIT6級(jí).此外，選取內(nèi)腔結(jié)合處不用去毛刺的直接加工的分型結(jié)構(gòu)，可以大大的減輕成本負(fù)擔(dān)，還可以保證壓鑄產(chǎn)品的質(zhì)量與速度.

3 壓鑄工藝設(shè)計(jì)與工藝

壓鑄是鎂合金鑄造的最主要的成形工藝.世界上鎂合金鑄件總數(shù)的93﹪是通過壓鑄工藝成形的.這最主要的原因就是鎂的壓鑄工藝工藝性能很好.

對(duì)于鎂合金齒輪的成分分析見表1.鎂合金具有的一系列特征使得鎂合金零件的壓鑄工藝與鋁合金的壓鑄工藝有著顯著的不同.與鋁合金比較來說.鎂合金有著低比熱容和低相變潛熱、低動(dòng)力學(xué)粘度、高流動(dòng)性、凝固時(shí)間短等特點(diǎn).選取填充速快，更節(jié)約時(shí)間的充填時(shí)間的壓鑄工藝，與鎂合金進(jìn)行綜合研究和生產(chǎn).

表1 鎂合金壓鑄齒輪箱名義化學(xué)成分

3.1 真空壓鑄

真空壓鑄是指在壓鑄的過程將腔內(nèi)的氣體抽出，減少壓鑄件內(nèi)的氣孔和溶解氣體，從而達(dá)到提高鑄件質(zhì)量的目的.由于鎂合金在凝固的過程易產(chǎn)生枝晶，被枝晶占據(jù)的地方會(huì)因阻礙液體形成負(fù)壓，析出有利位置.因?yàn)殒V合金中的疏松對(duì)氣孔的形成起著幫助作用，

3.2 充氧壓鑄

充氧壓鑄又叫做無氣孔壓鑄.在金屬液充型前，在型腔內(nèi)沖入氧氣或者其他氣體，來替換腔內(nèi)的空氣.金屬液體進(jìn)入腔內(nèi)時(shí)，會(huì)與活性氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成金氧化物微粒，這種微粒分散在墻內(nèi)，分解了存在的空氣，使壓鑄件可以通過熱處理強(qiáng)化，使鑄件比普通鑄件的塑造效果更明顯.而普通鎂合金是無法進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試的.

3.3 擠壓鑄造

北美壓鑄協(xié)會(huì)對(duì)擠壓鑄造的解釋是：運(yùn)用低的充型速度和最小的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到金屬液體在高壓下凝固的目的.高精度的從而獲得鑄造工藝.充型壓力高是擠壓鑄造最突出的特點(diǎn).比重力金屬型鑄造要高幾個(gè)級(jí)別，而對(duì)鑄件造成的影響：合金與鑄型間的傳熱系數(shù)的增加；減少腔內(nèi)金屬液體中的氣體析出，從而提高鑄件的密度與質(zhì)量.

3.4 半固態(tài)鑄造

雖然有了擠壓鑄造、常規(guī)鑄造、充氧鑄造等方式可以塑造出高質(zhì)量、快速度、復(fù)雜多樣的鎂合金鑄件，但也很難逃脫在生產(chǎn)過程中遇到的各種問題，所以必須過熱保證合金液的流動(dòng)來克服眾多的問題.例如，鎂合金的氧化燃燒，這主要是利用半固態(tài)有充型平穩(wěn)、金屬液氧化損失較少、無金屬噴濺可進(jìn)行熱處理、鑄件壽命長(zhǎng)等特點(diǎn).

3.5 填充時(shí)間

對(duì)于鎂合金，填充時(shí)間要短，保壓的作用就是讓壓力傳遞給還沒有凝固的液體，通過高壓結(jié)晶獲取高質(zhì)量的壓鑄件.除此以外，因?yàn)殒V合金的特殊性的緣故，在利用鎂合金進(jìn)行壓鑄制造產(chǎn)品時(shí)，在其開發(fā)以及生產(chǎn)的過程中，還應(yīng)該對(duì)鎂合金的生產(chǎn)中的其他一些工序進(jìn)行多加注意，其中，在生產(chǎn)過程中，鎂合金的熔化、保溫以及壓鑄和對(duì)鎂合金的后續(xù)加工以及對(duì)鎂合金的處理等過程中都應(yīng)該采取一定的安全防護(hù)措施，這樣才能更加保證產(chǎn)品的質(zhì)量.

3.6 安全操作

鎂具有易燃易爆的特性、因此在生產(chǎn)過程中、必須有較強(qiáng)的安全意識(shí).在生產(chǎn)時(shí)基本保護(hù)用品必須佩帶齊全，如、工作服、安全帽、口罩、防護(hù)模具等等.為穿戴齊全不可靠近.鎂合金生產(chǎn)中涂料不易噴放過多，以免引發(fā)危險(xiǎn).設(shè)計(jì)員者們應(yīng)時(shí)刻注意著，以免造成不必要的傷亡.

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)多年的設(shè)計(jì)鋁、鋅等多種金屬產(chǎn)業(yè)以及多年壓鑄生產(chǎn)積累下來的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在已經(jīng)自主設(shè)計(jì)了鎂合金齒輪壓鑄模的一系列工序，并且已經(jīng)按照成功的設(shè)計(jì)制造出了模具.經(jīng)過多方面的實(shí)際檢驗(yàn)，制造的模具有效使用時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn).制定的鎂合金齒輪箱壓工藝十分合理，并且在穩(wěn)定性上也超出世面上的其他產(chǎn)品的平均水平，而且在壓鑄成型的質(zhì)量以及表面的質(zhì)量上也比世面上的許多同類型產(chǎn)品高出許多，而且利用我公司的自主設(shè)計(jì)的工序成產(chǎn)制造出的產(chǎn)品的成品率也比以往的工序生產(chǎn)制造出產(chǎn)品的成品率提高了不少.

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