熱流道輔助長(zhǎng)筒薄壁形鋅合金件壓鑄成型研究

戴 偉，付利兵2，劉 佳，張 琦

（1.材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)），武漢430074；2.武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，武漢430023）

熱流道輔助長(zhǎng)筒薄壁形鋅合金件壓鑄成型研究

戴 偉1，付利兵2，劉 佳1，張 琦1

（1.材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)），武漢430074；2.武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，武漢430023）

ZA8鋅合金以其卓越的耐沖擊性能和尺寸穩(wěn)定性，在精密電子類產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用.但這種合金材料的熱流動(dòng)性能較差，在其壓鑄成型中會(huì)造成很多的壓鑄缺陷.為減少薄壁ZA8鋅合金鑄件壓鑄生產(chǎn)中出現(xiàn)的流紋、縮松、氣孔、起泡等缺陷，本文在采用傳統(tǒng)的鋅合金壓鑄流道實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)各種工藝參數(shù)，對(duì)其產(chǎn)生的壓鑄缺陷進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.分析結(jié)果顯示，流道結(jié)構(gòu)是該鑄件缺陷產(chǎn)生的主要原因，改用熱流道輔助壓鑄成型.重新統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，熱流道能有效地減少鑄件出現(xiàn)的各種缺陷，且材料利用率可以從30.6％提高到41.9％.在對(duì)比壓鑄傳統(tǒng)流道和熱流道特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，給出了熱流道的設(shè)計(jì)和安裝結(jié)構(gòu)，詳細(xì)闡述了壓鑄熱流道技術(shù)的原理，分析了采用壓鑄熱流道技術(shù)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益.研究得出，鋅合金壓鑄熱流道相比于傳統(tǒng)的流道，在生產(chǎn)中具有加溫時(shí)間快、產(chǎn)品成型周期短、溫度壓力損失小、材料利用率高、鑄件缺陷低等優(yōu)點(diǎn).

ZA8鋅合金；壓力鑄造；澆道；缺陷；熱流道

對(duì)于產(chǎn)品功能部位比較薄且尺寸較長(zhǎng)的鑄件，在傳統(tǒng)的鑄造成型中，由于模具型腔復(fù)雜輪廓的限制和金屬在熱流動(dòng)過(guò)程中的渦流及卷氣問(wèn)題［1-3］，在薄壁長(zhǎng)尺寸位置表面和鑄件芯部會(huì)產(chǎn)生冷流、氣孔、砂孔、縮松等缺陷［4-5］，而且有些缺陷還不容易發(fā)現(xiàn)，在后期的產(chǎn)品電鍍或烤漆時(shí)易造成表面起泡等問(wèn)題［6］.

針對(duì)這些缺陷的現(xiàn)有壓鑄工藝改善方法，一方面是在有限的模具型腔內(nèi)增加排氣設(shè)置［7］，或改善產(chǎn)品的內(nèi)澆口結(jié)構(gòu)［8］，另一方面是通過(guò)增加壓鑄時(shí)的注射壓力，來(lái)補(bǔ)償壓射過(guò)程中的壓力損失［9］.這些方法不僅增加成型模具的設(shè)計(jì)和制造成本，而且過(guò)大的注射壓力會(huì)造成產(chǎn)品分型面處出現(xiàn)飛邊、毛刺，會(huì)影響鑄件的尺寸精度.此外，這些有缺陷的產(chǎn)品還需要后期在產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)中將其挑出，無(wú)形中增加了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本.在不能大幅度改變壓鑄模具結(jié)構(gòu)的前提下，有效降低薄壁長(zhǎng)尺寸壓鑄產(chǎn)品的生產(chǎn)缺陷，提高產(chǎn)品的材料利用率，延長(zhǎng)壓鑄模具壽命，是目前壓鑄行業(yè)尚待解決的緊要問(wèn)題.

熱流道技術(shù)目前已經(jīng)成熟地應(yīng)用于注塑產(chǎn)品的生產(chǎn)上，其能減少流道回收，降低注塑件的困氣，提高注塑件的質(zhì)量［10］.國(guó)外早已開(kāi)始了將熱流道技術(shù)應(yīng)用于壓鑄件生產(chǎn)的相關(guān)研究，并成功研發(fā)出相關(guān)的熱流道產(chǎn)品［11-12］.國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)有部分企業(yè)在初步探索試用，但對(duì)這一技術(shù)的成熟化應(yīng)用還不是很多，其應(yīng)用還尚未大量普及.

從國(guó)外研究機(jī)構(gòu)使用壓鑄熱流道效果來(lái)看，壓鑄熱流道具有傳統(tǒng)壓鑄流道無(wú)法比擬的許多優(yōu)點(diǎn).由于其沒(méi)有了分布在傳統(tǒng)澆口套內(nèi)的直澆道，大大降低了澆注系統(tǒng)所占用的原材料使用率，同時(shí)也減低了廢料的回爐率，減少了材料的使用成本［13］.此外，因?yàn)椴恍枰紤]直澆道的冷卻問(wèn)題，產(chǎn)品成型后可以直接頂出，這也減少了產(chǎn)品的成型周期.同時(shí)，由于熱流道加熱系統(tǒng)的保障，金屬液在流道分流位置的溫度沒(méi)有損失，從該位置流向橫澆道澆口的金屬液，不會(huì)出現(xiàn)由于金屬冷流問(wèn)題造成的鑄件冷紋、冷隔等缺陷.熱流道內(nèi)的金屬液的溫度，可以通過(guò)熱流道溫控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)而得到精確的控制.與傳統(tǒng)壓鑄流道截面的類似梯形結(jié)構(gòu)相比，熱流道的流道剖面結(jié)構(gòu)為圓形，這一結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是金屬液流動(dòng)過(guò)程中的流動(dòng)阻力減少，散熱過(guò)程縮短，熱量損失也低，減少金屬液卷氣的機(jī)會(huì)，非常有利于金屬的充填，達(dá)到改善鑄件質(zhì)量的效果.

傳統(tǒng)的鋅合金壓鑄產(chǎn)業(yè)目前已經(jīng)非常成熟，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)也日益激烈.采用新的輔助工藝和方法來(lái)改善鋅合金壓鑄質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本顯得越來(lái)越重要.本文在對(duì)比采用壓鑄傳統(tǒng)流道和熱流道技術(shù)的基礎(chǔ)上，給出了熱流道技術(shù)的原理，分析了采用壓鑄熱流道技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)采用壓鑄熱流道帶來(lái)的成本降低進(jìn)行了分析計(jì)算，證實(shí)壓鑄鋅合金熱流道技術(shù)有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1鋅合金鎖芯殼體本體

圖1所示為鋅合金鎖芯殼體產(chǎn)品圖，該產(chǎn)品的功能部位呈薄壁圓筒狀，且圓筒狀的尺寸較長(zhǎng).此外，圓筒狀的產(chǎn)品外壁后期還需要電鍍，產(chǎn)品表面質(zhì)量有嚴(yán)格要求.該鑄件的質(zhì)量為0.026 kg，產(chǎn)品的功能部分主要分布在底部的平臺(tái)支撐部分和圓筒狀的輪廓，產(chǎn)品平均厚度約為1.26 mm.

圖1　鋅合金鎖芯殼體產(chǎn)品三維尺寸圖Fig.1 The 3D model of zinc alloy lock core shell：（a）The overall dimension distribution；（b）The thickness dimension distribution

1.2鎖芯殼體傳統(tǒng)流道成型分析

圖2所示為鎖芯殼體傳統(tǒng)的鋅合金壓鑄流道系統(tǒng).這種結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)，是在定模一側(cè)有一個(gè)內(nèi)部帶錐度，并且有很長(zhǎng)的澆口套和分流錐配合的流道結(jié)構(gòu).這種錐形流道結(jié)構(gòu)，可以有效控制金屬液的流速，也能控制好流道內(nèi)壓力的損失，且可以獲得很高內(nèi)澆口速度.通過(guò)不斷地收縮由直澆道頂部到內(nèi)澆口處的截面積，來(lái)實(shí)現(xiàn)一定輸出壓射速度目的.這種流道系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以保證合適的金屬液流速，從直澆道流入到橫澆道后最后進(jìn)入澆口［14-15］，但是由于直澆道的行程很長(zhǎng)，且澆道截面呈類似梯形分布，金屬流在這種結(jié)構(gòu)中流動(dòng)時(shí)，受到的阻力較大，溫度也有很大的損失.

本研究中的產(chǎn)品為鎖芯殼體鑄件，材料為ZA 8鋅合金，鋅合金料溫設(shè)定為450℃.模具模芯材料為H13，模具溫度設(shè)定為180～200℃，模具型腔部分采用油路來(lái)控制平衡溫度，控制油路進(jìn)口溫度為160℃，出口溫度為200℃，其他部分采用冷卻水冷卻.

圖3所示為鋅合金鎖芯殼體流道和溢流系統(tǒng)組成的傳統(tǒng)澆道結(jié)構(gòu)圖，該產(chǎn)品采用一模兩穴生產(chǎn).圖中中間部位的圓錐帽狀結(jié)構(gòu)為直澆道，整體全長(zhǎng)為65 mm.在成型的流向最外端，布置有溢流槽，澆口和溢流槽的總質(zhì)量為0.170 kg，熱室壓鑄機(jī)選擇的噸位為80 ton，壓室噴嘴直徑為?14 mm，壓射速度45 m/s.

圖2　傳統(tǒng)鋅合金壓鑄流道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖Fig.2 Conventional zinc alloy die casting flow system diagram

圖3　鋅合金鎖芯殼體壓鑄流道結(jié)構(gòu)和尺寸示意圖Fig.3 The conventional flow structure schematic and dimension of the zinc alloy lock core shell

根據(jù)該產(chǎn)品模型的設(shè)計(jì)結(jié)果和實(shí)際實(shí)驗(yàn)的稱重統(tǒng)計(jì)，這種流道結(jié)構(gòu)，各部分在一次壓鑄成型中原材料的使用分配如表1所示.從表1可知，產(chǎn)品在整個(gè)原材料的占用比為30.6％，完全符合鋅合金壓鑄件的成型設(shè)計(jì)要求［16-17］.

表1　鎖芯殼體壓鑄件材料使用質(zhì)量分布Table 1 The material utilization of casting the lock core shell

1.3鎖芯殼體傳統(tǒng)流道壓鑄缺陷分析

實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了大量的壓鑄缺陷分布在產(chǎn)品的各處.如圖4所示，圖4（a）中為圓筒上端面的流紋和冷隔，圖4（b）和4（c）中的圓筒表面有很多的起泡現(xiàn)象，圖4（d）中為產(chǎn)品的分型面出現(xiàn)很明顯的砂孔，圖4（f）中出現(xiàn)有明顯的填充不良.該產(chǎn)品的下底部幾乎為一平臺(tái)式結(jié)構(gòu)，而圓筒狀的外壁與底部沒(méi)有任何的搭接和過(guò)渡結(jié)構(gòu)，從這些缺陷中可以分析出，長(zhǎng)圓筒狀的外形結(jié)構(gòu)是造成該產(chǎn)品壓鑄缺陷的關(guān)鍵因素.

圖4　鎖芯殼體壓鑄缺陷Fig.4 The die casting defects of the lock core shell：（a）Flow lines and cold lab；（b）Blister；（c）Blister；（d）Sand hole；（f）Poor filling

為進(jìn)一步確認(rèn)壓鑄工藝參數(shù)是否是造成這些缺陷的原因，選擇不同的工藝參數(shù)進(jìn)行組合實(shí)驗(yàn).本研究中的產(chǎn)品呈長(zhǎng)圓筒狀結(jié)構(gòu)，平均壁厚1.26 mm，經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算和查閱相關(guān)文獻(xiàn)［18］，可選擇的壓鑄料溫在400～450℃內(nèi)，模具溫度為160～200℃，壓射速度選擇為42～50 m/s.

工藝參數(shù)的選擇如下表2所示.其中的一組最優(yōu)化參數(shù)為壓射速度45 m/s，鋅合金料溫420℃，模具溫度180℃，成型周期為17.6 s.雖然產(chǎn)品在這一組工藝參數(shù)中的報(bào)廢率最低，但仍然有36.0％的報(bào)廢率，而其他無(wú)論是哪一組工藝參數(shù)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品壓鑄缺陷還更多，其中第7組工藝參數(shù)，產(chǎn)品的報(bào)廢率最高的達(dá)到53.5％，超過(guò)一半的產(chǎn)品不合格.

從產(chǎn)品缺陷的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，工藝參數(shù)的改變，對(duì)該鎖芯殼體的壓鑄缺陷的改善效果不大.鎖芯殼體的圓筒狀結(jié)構(gòu)處于填充末端位置，氣體無(wú)法有效排氣，過(guò)冷的金屬液也困在此處無(wú)法有效流走.金屬流在模具型腔中的卷氣和溫度損失，也是造成這些缺陷的主要原因，進(jìn)一步的優(yōu)化，只能從流道和澆口的設(shè)置上進(jìn)行改善.

表2　鎖芯殼體傳統(tǒng)流道實(shí)驗(yàn)參數(shù)壓鑄缺陷統(tǒng)計(jì)Table 2 Experimental statistical on die casting defects of lock core shell with conventional flow runner

2 鎖芯殼體熱流道分析

2.1鎖芯殼體熱流道設(shè)計(jì)模型

圖5所示為鋅合金的熱流道系統(tǒng)組成圖，這種流道結(jié)構(gòu)沒(méi)有了傳統(tǒng)的澆注系統(tǒng)的直澆道.其利用溫控系統(tǒng)，直接精確控制橫澆道入口處的的金屬液溫度.保證從壓鑄機(jī)鵝頸中壓射出來(lái)的金屬液，在沒(méi)有溫度、壓力損失和卷氣條件下，通過(guò)熱流道直接進(jìn)入橫澆道，金屬液從澆口最后進(jìn)入模具型腔.

圖5　壓鑄鋅合金熱流道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The flow system diagram of zinc alloy die casting with hot runner

如圖6所示，熱流道的結(jié)構(gòu)中已經(jīng)沒(méi)有了傳統(tǒng)的大面積的直澆道結(jié)構(gòu)，只有橫澆道部分.由于沒(méi)有直澆道部分大面積的流道阻力和熱損失，需要填充的鑄造面積也有減少，重新選擇的熱流道內(nèi)室的直徑為10 mm，壓鑄充型速度為40～42 m/s.鋅合金液初始溫度設(shè)定為400～450℃，熱流道的溫控箱嚴(yán)格控制熱流道內(nèi)的金屬液溫度為420～450℃，模具溫度設(shè)定為180～200℃，其他參數(shù)不變.

圖6　鎖芯殼體熱流道結(jié)構(gòu)和尺寸示意圖Fig.6 The hot runner flow structure schematic and dimension of the zinc lock shell

2.2鎖芯殼體熱流道模具結(jié)構(gòu)

圖7所示為本文選擇的熱流道組件實(shí)物圖，包括加熱線圈、杯套、隔熱陶瓷、固定套、熱電偶、溫控連接線.熱流道的主體部分通過(guò)加熱線圈進(jìn)行加熱，加熱線圈由溫度箱控制，保證流入熱流道中的金屬液在設(shè)定的溫度.本實(shí)驗(yàn)中，采用的熱流道組件的電加熱額定功率為1.5 kW，溫控箱的工作功率為0.5 kW.實(shí)驗(yàn)時(shí)輸出加熱溫度可以按照合金所需的溫度靈活調(diào)節(jié).熱流道組件的杯套上安裝有熱電偶，實(shí)時(shí)測(cè)量出杯套內(nèi)部的金屬液溫度.本實(shí)驗(yàn)中選擇的合金材料為ZA8鋅合金，實(shí)驗(yàn)中需控制其液態(tài)溫度在420～450℃，設(shè)置熱流道本身的輸出溫度為500～550℃.

圖8為鎖芯殼體熱流道系統(tǒng)在壓鑄模具內(nèi)定模一側(cè)（圖8（a）和8（b））和動(dòng)模一側(cè)（圖8（c）和8（d））的安裝圖.

鎖芯殼體壓鑄熱流道配套的分流裝置的設(shè)計(jì)和安裝，不需要在動(dòng)模上有傳統(tǒng)的難加工的分流錐.熱室壓鑄機(jī)的鵝頸接口，直接接入熱流道的固定套上，固定套安裝在定模板（圖8（a））.纏繞在熱流道杯套外圍的加熱線圈，將通往杯套內(nèi)的金屬流加熱到熔點(diǎn)以上溫度，保證杯套內(nèi)的金屬液始終處于熔融態(tài).此鑄件為一模兩件，金屬液經(jīng)過(guò)熱流道后分成兩股進(jìn)入分支橫澆道，因此在熱流道前端配有分流裝置（圖8（c）），金屬液由這段分流裝置直接流向橫澆道.分流裝置的斜切式帶錐度設(shè)計(jì)，在保證金屬流不會(huì)發(fā)生渦流卷氣的同時(shí)，還確保不需要太高的壓射壓力.熱流道杯套內(nèi)的流道為倒置型的圓臺(tái)結(jié)構(gòu).一次壓射完成后，鎖芯殼體鑄件只存在有橫澆道、產(chǎn)品和溢流槽部分，時(shí)間非?？?；而熱流道杯套內(nèi)的金屬流則通過(guò)鵝頸流回熔爐，鑄件在冷卻后被開(kāi)模頂出.這種熱流道組件結(jié)構(gòu)，完全可以形成標(biāo)準(zhǔn)化組件，便于更換和再利用.

圖7　鎖芯殼體用熱流道圖Fig.7 The photo of hot runner used in the die casting：（a）The over all component；（b）The heating coil and cup sleeve photo

圖8　鎖芯殼體壓鑄熱流道鑲件安裝結(jié)構(gòu)圖Fig.8 The assembly structure of hot runner system in the die casting mould：（a）Hot runner system outside of the cavity；（b）Hot runner system inside of the cavity；（c）Sprue spreader in the core side；（d）The whole assembly structure of the hot runner system in the core side

2.3鎖芯殼體熱流道生產(chǎn)缺陷樣品統(tǒng)計(jì)

采用熱流道進(jìn)行鎖芯殼體壓鑄后，同樣也選取10組工藝參數(shù)進(jìn)行缺陷統(tǒng)計(jì)分析，選取的工藝參數(shù)見(jiàn)表3.

采用熱流道后發(fā)現(xiàn)，鎖芯殼體鑄件的壓鑄缺陷有了顯著改善.其中，幾組工藝參數(shù)的報(bào)廢率都很低，只有3.0％.按照這一組壓鑄的結(jié)果統(tǒng)計(jì)各部分的質(zhì)量，得出這組工藝參數(shù)下原材料使用的各部分材料占用比，如表4所示.

從表4可以看出，產(chǎn)品的材料利用率已經(jīng)占到單模次材料的41.9％，而且壓鑄缺陷可以控制在3.0％，這種材料分配方式已經(jīng)完全克服了傳統(tǒng)的產(chǎn)品占用比的分配方式，而且壓鑄缺陷可以從之前的36.0％降低到3.0％，降低了一個(gè)數(shù)量級(jí).

在采用了新的熱流道結(jié)構(gòu)后，新生產(chǎn)出的流道和產(chǎn)品的實(shí)物圖如圖9所示，可以看出，產(chǎn)品表面的起泡問(wèn)題沒(méi)有出現(xiàn)，欠鑄缺陷經(jīng)過(guò)后期檢測(cè)，缺陷率降低很多.

表3　鎖芯殼體熱流道工藝參數(shù)和壓鑄缺陷統(tǒng)計(jì)Table 3 Experimental statistical on die casting defects of lock core shell with hot runner

表4　鋅合金鎖芯殼體壓鑄熱流道各部分質(zhì)量統(tǒng)計(jì)Table 4 The weight statistics in using hot runner for casting lock core shell

圖9　鎖芯殼體壓鑄熱流道生產(chǎn)產(chǎn)品實(shí)物圖Fig.9 The casting photo of lock core shell with hot runner：（a）The vertical view photo；（b）The side view photo

2.4鋅合金壓鑄熱流道輔助成型的原理

根據(jù)鋅合金金屬流的流動(dòng)特點(diǎn)［13］，在其高速壓鑄充填時(shí)，許多學(xué)者都研究過(guò)這種金屬流的流動(dòng)形態(tài)［19］，并得出理想的流動(dòng)效果為：

1）流道的截面阻力越小時(shí)效果越好，截面越規(guī)則效果越好.對(duì)比采用圓形、梯形、矩形和三角形的流道剖面，只有圓形截面的流道效果最好，它不僅能使金屬流在通道內(nèi)的流動(dòng)阻力將至最低，而且使金屬流壓力損失也最小.

2）金屬流的流動(dòng)軌跡越直越好.一旦金屬液在流動(dòng)時(shí)遇到拐彎，或者劇烈的偏轉(zhuǎn)時(shí)，金屬流就會(huì)發(fā)生卷氣，同時(shí)也會(huì)造成壓力損失.

3）流道截面隨著金屬流方向的收縮呈齊次線性越好.為保證合適的壓射速度到達(dá)模具型腔，流道截面需保證為收縮式結(jié)構(gòu).而齊次線性分布的收縮結(jié)構(gòu)，能最有效地保證金屬流的壓力損失和避免渦流問(wèn)題.

圖10所示為鋅合金的傳統(tǒng)壓鑄流道和熱流道結(jié)構(gòu)原理的對(duì)比圖.從圖10（a）可以看出，傳統(tǒng)型的流道結(jié)構(gòu)與上文中提及的理想流道設(shè)計(jì)思想不吻合.這種流道的剖面截面時(shí)大時(shí)小，流道截面對(duì)金屬流的阻力較大，截面形狀非常不規(guī)則，并且有急轉(zhuǎn)彎的流向，而且流道行程很長(zhǎng)，壓鑄時(shí)的壓射速度會(huì)有很大程度的損失.金屬流在經(jīng)過(guò)一個(gè)很長(zhǎng)的直澆道部分時(shí)，料溫也會(huì)發(fā)生降低，在金屬液進(jìn)入到橫澆道前，就已經(jīng)造成渦流和卷氣，最終導(dǎo)致成型件出現(xiàn)內(nèi)部氣孔、砂孔、縮松，電鍍時(shí)鑄件表面發(fā)生起泡.針對(duì)這種結(jié)構(gòu)的不足處，一般是將壓鑄機(jī)的注射壓力加大來(lái)解決其帶來(lái)的問(wèn)題，而高的壓射壓力對(duì)壓鑄模具又提出了嚴(yán)格的要求.

圖10　鋅合金壓鑄流道結(jié)構(gòu)原理對(duì)比圖Fig.10 The comparison of schematic diagram on zinc alloy die casting flow：（a）The schematic diagram of conventional flow runner；（b）The schematic diagram of hot runner

熱流道內(nèi)部呈倒置的圓錐臺(tái)式結(jié)構(gòu)，且流動(dòng)截面為圓形，比起傳統(tǒng)流道的梯形截面，在需要相同的壓射速度時(shí)占用的截面積小多了.這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也保證了金屬流阻力小、熱量損失低.同樣，不需要考慮直澆道的存在，在很大程度上減少了需要的金屬液量，無(wú)需考慮直澆道部分的散熱損失.

3 鎖芯殼體流道成本對(duì)比分析

在本文的研究中，壓鑄機(jī)的噸位為80 ton，傳統(tǒng)流道和熱流道生產(chǎn)時(shí)的各部分的所占比例如表5所示.采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的澆道時(shí)，產(chǎn)品、澆道加溢流槽的總質(zhì)量是0.170 kg，當(dāng)采用熱流道結(jié)構(gòu)的澆道時(shí)，產(chǎn)品、澆道加溢流槽的總質(zhì)量是0.124 kg，每一個(gè)模次的產(chǎn)品生產(chǎn)可以節(jié)約材料0.046 kg，而且生產(chǎn)每個(gè)模次的產(chǎn)品周期從17.6 s降低到13.7 s，每生產(chǎn)一次可節(jié)約3.9 s的時(shí)間.

表5　鎖芯殼體傳統(tǒng)和熱流道的各部分質(zhì)量對(duì)比統(tǒng)計(jì)Table 5 The comparative statistics of weight in conventional flow runner and hot runner for casting lock core shell

該鎖芯殼體鑄件每次生產(chǎn)可節(jié)約0.046 kg的流道和3.9 s的生產(chǎn)周期.采用傳統(tǒng)的流道結(jié)構(gòu)，每使用1 ton的鋅合金，折算合金材料的使用率為95％，只能生產(chǎn)5 588個(gè)模次，而這些模次所占用的總時(shí)間為27.3 h.采用熱流道后，每1 ton的原材料可生產(chǎn)7 661個(gè)模次，所占用的總時(shí)間僅為29.2 h.按照生產(chǎn)相同的模次來(lái)比較，生產(chǎn)7 661個(gè)模次，可以節(jié)約時(shí)間8.2 h.

熱流道組件按照使用時(shí)2.0 kW的消耗功率，工業(yè)用電的成本由于分峰時(shí)段、平時(shí)段和谷時(shí)段，本文采用平均統(tǒng)計(jì)，按照1.0元/度計(jì)算（2015年12月中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）.采用熱流道，每1 ton原材料的生產(chǎn)時(shí)間為29.2 h，10 ton原材料的生產(chǎn)時(shí)間為292 h，共消耗584元的電費(fèi).

同樣，按照消耗1 ton的原材料，鎖芯殼體熱流道可以生產(chǎn)的模次，比傳統(tǒng)流道節(jié)約了352.41 kg的材料.按照壓鑄機(jī)1年的使用率為75％，壓鑄機(jī)1年的使用時(shí)間為6 570 h，鎖芯殼體的生產(chǎn)使用鋅合金原材料約為228.5 ton.按照Z(yǔ)A8鋅合金原材料成本為1.9萬(wàn)元/ton（2015年12月中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)），得出使用不同噸位的原材料，可以節(jié)省的時(shí)間和金額如表6所示.

從原來(lái)1年需要約228.5 ton的原材料來(lái)算，使用熱流道后，200 ton的原材料可以節(jié)約70.4 ton的材料成本，時(shí)間上節(jié)約了68 d （1 640 h）.雖然使用熱流道后用電成本有所上升，但是200 ton時(shí)僅產(chǎn)生1萬(wàn)多元的用電成本增加，綜合經(jīng)濟(jì)上共節(jié)省234.05萬(wàn)元，說(shuō)明熱流道應(yīng)用在鋅合金熱室壓鑄上有顯著的優(yōu)勢(shì).

表6　鎖芯殼體熱流道生產(chǎn)的質(zhì)量和成本減少預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)Table 6 The prediction statistics of weight loss and cost reduction of using hot runner for producing the lock core shell

4 結(jié) 論

鋅合金熱流道技術(shù)的應(yīng)用目前還不是非常普及，主要原因在于：一般結(jié)構(gòu)的壓鑄件的生產(chǎn)工藝和過(guò)程都比較簡(jiǎn)單，壓鑄企業(yè)只需要完成簡(jiǎn)單的壓鑄模具設(shè)計(jì)就可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的產(chǎn)品生產(chǎn)，對(duì)熱流道的關(guān)注不多.對(duì)于形狀復(fù)雜、產(chǎn)品質(zhì)量要求高的鑄件，采用這種熱流道技術(shù)可以減少渦流和卷氣，在尋求質(zhì)量改善的同時(shí)節(jié)省流道材料，還能有效降低材料成本.本文綜合對(duì)比鋅合金熱室壓鑄傳統(tǒng)流道和熱流道，得出以下結(jié)論：

1）將熱流道應(yīng)用于鋅合金壓鑄，可以提高材料的利用率，減少壓鑄過(guò)程中產(chǎn)生的回爐料.

2）應(yīng)用熱流道可以縮短壓鑄過(guò)程中金屬液的遇冷流程，有效減少金屬液的熱量損失和渦流卷氣，從而減少鑄件的砂孔和起泡缺陷.

3）熱流道的應(yīng)用可以顯著減少鑄件的凝固時(shí)間，提高整體生產(chǎn)效率，其采用的熱電偶控制熱流杯套及導(dǎo)流塊溫度控制模式，利于工藝控制.此外，標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的熱流道系統(tǒng)組件，更利于隨時(shí)更換和維護(hù)，穩(wěn)定生產(chǎn)效率.

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（編輯 程利冬）

Die casting process of long thin-wall cylindrical Zinc alloy castings assisted with hot runner

DAI Wei1，F(xiàn)U Libing2，LIU Jia1，ZHANG Qi1
（1.State Key Laboratory of Material Processing and Die＆amp;Mould Technology（Huazhong University of Science and Technology），Wuhan 430074，China；2.School of Mechanical Engineering，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China）

ZA8 zinc alloy materials exhibiton wide applications in precision electronic products due to their excellent impact resistance and dimensional stability.However，the poor thermal flow performance of these materials can cause the formation of numerous die casting defects during die casting processing.In order to reduce the casting defects such as flow lines，porosity，shrinkage and blister，statistical analysis of the casting defects，assistanted with traditional die casting runner experiments and process parameter modification of zinc alloys，was performed in this study.The obtained results indicated that the improper runner can result in the formation of casting defects.The statistical analysis showed that the amount of casting defects significantly decreases，and the material utilization increases from 30.6％to 41.9％after adopting a hot runner structure. After comparative study of the features of the traditional runner and hot runner，the structure of the hot runner was optimized.The principles and economic benefits of the hot runner were analyzed in details.Compared with the traditional runner for the die casting of zinc alloys，the hot runner possess the following advantages as faster heating times，shorter molding cycles，lower temperature and pressure losses，higher material utilization，and fewer casting defects.

ZA8 Zinc alloy；die casting；flow；casting defects；hot runner

TG223；TG249.2；TG245

A

1005-0299（2016）04-0025-08

10.11951/j.issn.1005-0299.20160404

2016-03-05.

國(guó)家重大科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2012ZX04010-081）.

戴 偉（1983—），男，博士研究生.

戴 偉，E-mail：whutdaiwei@163.com.