崔愛軍

（洛陽高新欣華福利加工有限公司，河南洛陽471031）

壓鑄生產(chǎn)中P-Q2圖中工藝窗的設(shè)定及應(yīng)用

崔愛軍

（洛陽高新欣華福利加工有限公司，河南洛陽471031）

就壓鑄生產(chǎn)中P-Q2圖中工藝窗的設(shè)定列舉了必要的計(jì)算過程，通過計(jì)算表明，工藝窗口是已知的模具放在特定壓鑄機(jī)上采用一定的壓鑄工藝后所形成的確定的參數(shù)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的工藝窗口與按照公式計(jì)算的P-Q2圖的窗口存在較大的差異，在實(shí)際應(yīng)用中有必要進(jìn)行糾正。

P-Q2圖；工藝窗；鋁合金壓鑄

P-Q2圖起源于上世紀(jì)的60年代[1]，其目的是預(yù)測一個(gè)給定的壓鑄模具安裝在已知性能的壓鑄機(jī)上的匹配性。通過分析計(jì)算可得出一個(gè)可供選擇以滿足澆鑄質(zhì)量要求需要的工藝參數(shù)的范圍，這就是通常所說的工藝窗口；P-Q2圖有助于做出有關(guān)壓鑄模具的內(nèi)澆口截面積、澆注速度、鑄造壓力及壓室直徑等工藝參數(shù)的設(shè)定。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的壓鑄工藝應(yīng)在所繪出的工藝窗口的中間區(qū)域進(jìn)行選擇，確保在壓鑄工藝有輕微波動(dòng)的情況下能夠生產(chǎn)出合格的鑄件。P-Q2圖中工藝點(diǎn)的選取如圖1所示，工藝點(diǎn)A是選取的在工藝窗口內(nèi)的模具線上的一系列的不同的點(diǎn)中的一個(gè)；將工藝點(diǎn)A分別對(duì)應(yīng)到四周的坐標(biāo)軸上，可以得到該點(diǎn)的填充時(shí)間、充填速度、金屬液壓力、金屬液流量等四個(gè)工藝參數(shù)，隨后可根據(jù)這些工藝參數(shù)去調(diào)整實(shí)際使用的壓鑄機(jī)的參數(shù)。

圖1 P-Q2圖中壓鑄工藝點(diǎn)的選擇

那么，如何準(zhǔn)確的確定出工藝窗的邊界數(shù)值，就成了影響P-Q2圖正確應(yīng)用的主要因素；從常見的一些資料中所提供的確定工藝窗口的方法基本都是按經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行選擇，如：設(shè)定鋁合金壓鑄件的工藝窗口的填充時(shí)間一般為：30 ms≤t≤60 ms，充填速度一般為：30 m/s≤t≤60 m/s[2]；而常見資料多給出了隨鑄件壁厚不同的充填時(shí)間和充填速度的推薦值；以壁厚3 mm鑄件為例，他們給出的填充時(shí)間、充填速度分別為：

（1）50 ms～100 ms；20 m/s～60 m/s[2]96

（2）32 ms～72 ms[3]193；38 m/s～46 m/s[3]191

（3）28 ms～40 ms；20 m/s～60 m/s[4]34

（4）8 ms～40 ms[5]128；未列出

從這些數(shù)據(jù)來看，同樣壁厚情況下填充時(shí)間最小值相差1.8倍，最大值相差2.5倍，充填速度雖然相差不大；但在實(shí)際的生產(chǎn)當(dāng)中又該如何去設(shè)定工藝窗口的數(shù)值呢?這就成了影響P-Q2圖實(shí)際應(yīng)用的一大障礙。

1 P-Q2圖工藝窗口邊界條件的計(jì)算

顯然，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行工藝窗口的設(shè)定會(huì)帶來很多的不確定性因素，例如：個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、對(duì)鑄件的認(rèn)識(shí)、壓鑄理論知識(shí)、參考資料等；這些不確定的因素會(huì)造成工藝窗口設(shè)定的偏差，當(dāng)偏差過大時(shí)，可能會(huì)做出一個(gè)不符合實(shí)際的誤判，這些誤判會(huì)在生產(chǎn)中帶來不必要的損失。

那么，能否依據(jù)這些工藝參數(shù)來計(jì)算工藝窗口的參數(shù)呢？答案是肯定的；其實(shí)，工藝窗口的四個(gè)邊界參數(shù)完全可以依據(jù)選定的工藝參數(shù)結(jié)合必要的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，不同的人計(jì)算得到的工藝窗口參數(shù)基本上是一致的，這樣就避免了人為的影響因素。

在計(jì)算這個(gè)工藝窗口的參數(shù)之前，首先要明確的是：

1）工藝窗口的參數(shù)是指構(gòu)成工藝窗的最短填充時(shí)間、允許最長填充時(shí)間、允許的最小充填速度、設(shè)備能達(dá)到的最大充填速度四個(gè)參數(shù)。

2）在P-Q2中的工藝窗的數(shù)值是由特定的壓鑄模具安放在特定的壓鑄機(jī)上，調(diào)整了特定的工藝參數(shù)的前提下形成的這個(gè)壓鑄系統(tǒng)本身固有的特性。

3）在組成工藝窗的四條線中，最短填充時(shí)間是由選定的工藝參數(shù)后模具線和設(shè)備線的交點(diǎn)的數(shù)值來決定的；是無法進(jìn)行超預(yù)期選擇的，除非更改工藝參數(shù)，鑒于最短填充時(shí)間的計(jì)算比較簡單，不涉及到其它繁瑣的因素，在此不做過多的贅述。

1.1 最大充填速度

考慮到壓鑄模具與壓鑄機(jī)的匹配性，此處定義的最大充填速度是指壓鑄機(jī)輸出功率最大時(shí)，該壓鑄系統(tǒng)所能夠達(dá)到的最大充填速度；可以把這個(gè)充填速度作為工藝窗的一條指標(biāo)線，此時(shí)設(shè)備功率得到有效的利用，此時(shí)系統(tǒng)最大充填速度計(jì)算公式為[6]：

式中：Wamax——最大充填速度，m/s；

μ——流出系數(shù)，取0.5～0.8；

ρ——金屬液密度，kg/m3；

P——儲(chǔ)能器壓力，Pa；

D——壓射缸直徑，mm；

d0——沖頭直徑，mm；

W0——沖頭速度，m/s；

Wotmax——最大空壓射速度，m/s.

在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，人們發(fā)現(xiàn)：在生產(chǎn)鋁合金壓鑄件時(shí)，當(dāng)充填速度超過60 m/s時(shí)，很容易出現(xiàn)粘模拉傷等質(zhì)量問題，因此，在計(jì)算的最大充填速度大于60 m/s時(shí)，一般以60 m/s作為工藝窗的最大充填速度為宜。

1.2 允許最長填充時(shí)間的計(jì)算

所謂允許最長填充時(shí)間，就是指由壓鑄模具和壓鑄機(jī)所組成的壓鑄系統(tǒng)，在選定的工藝參數(shù)條件下，系統(tǒng)所允許的最長的填充時(shí)間，超出了這個(gè)時(shí)間，生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量就可能會(huì)出問題，它的計(jì)算公式為：

式中：T——壓鑄件允許的最長填充時(shí)間，ms；

K——系數(shù)，與所用的模具材料有關(guān)，常用模具鋼H13的值為0.0 346；

X——壓鑄件平均壁厚，mm；Ti——金屬液溫度，℃；

Tf——金屬液最低流動(dòng)溫度，℃；

S——目標(biāo)固體百分率，%；

Z——固體系數(shù)，%；

Td——模具溫度，℃.

公式（2）中，容許固體百分系數(shù)S確定鑄件在型腔澆注時(shí)可容許的合金固化量。當(dāng)金屬液流經(jīng)相對(duì)冷模時(shí)，它會(huì)損失對(duì)模具的熱量。首先快速損失金屬液的過熱（即保持溫度高于液相線的熱量）然后潛熱（即保持金屬為液體狀的熱量）開始流入模具，當(dāng)潛熱從金屬液中流出時(shí)，一些金屬液固化。固化的部分是浮在液體上的小顆粒。系數(shù)“S”為型腔澆注時(shí)固化金屬液量的百分比數(shù)。

一般來說，固化百分比（10～15）越小，表面光潔度和表面重現(xiàn)精度就越好。較大固化百分比（至50）會(huì)導(dǎo)致較小的內(nèi)孔隙度。厚鑄件非常適合使用大百分比系數(shù)，但薄鑄件通常采用“S”較小數(shù)值的效果較好。（鑄件越薄，其加強(qiáng)的作用就越小，而鑄件的收縮量就越均勻）。

壁厚X在式中是一個(gè)重要的系數(shù)。雖然壓鑄件的壁厚很少完全一致，但通常是幾乎所有地方的壁厚是相同的，有個(gè)別部位比較薄，個(gè)別肋條，浮圖飾或其它厚的部位。這樣的鑄件可以被認(rèn)為是具有“標(biāo)準(zhǔn)”厚度，這些種類的鑄件應(yīng)該采用標(biāo)準(zhǔn)厚度。如果鑄件有距澆口最遠(yuǎn)的薄部位，在中應(yīng)采用該薄部位的厚度作為厚度系數(shù)。另一種情況是型腔薄的部位位于澆口的附近，而最厚的部位卻距澆口最遠(yuǎn)。這種情況下，如果最厚的部分也是標(biāo)準(zhǔn)厚度，就應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)厚度。否則，通常最好的做法是使用平均厚度。

1.3 允許的最小充填速度的計(jì)算

雖然，過高的充填速度會(huì)產(chǎn)生卷氣、漩渦[7]，使鑄件產(chǎn)生氣孔及氧化夾雜的缺陷，沖刷模具型腔加劇模具的磨損等問題，但是，過低的充填速度同樣會(huì)帶來鑄件的一系列質(zhì)量問題，諸如：冷隔、欠注等；那么，允許的最小充填速度又與哪些因素有關(guān)呢？G.Lieby和L.Frommer的研究指出：內(nèi)澆口的厚度影響著金屬液滴的形成，一較薄的金屬流從內(nèi)澆口射出，并迅速變厚，在極短的時(shí)間后形成延續(xù)伸展的“結(jié)”，這個(gè)“結(jié)”隨射流向前運(yùn)動(dòng)并最終霧化，金屬射流從內(nèi)澆口流出的最小充填速度為[6]86：

式中：Wamin——最小充填速度，m/s；

Vm——是液態(tài)金屬的動(dòng)力黏度，m2/s；

σm——表面張力，N/m；

ρm——密度，kg/m3；

d——內(nèi)澆口厚度，m.

為保證霧化要求，一般要將計(jì)算出的數(shù)值擴(kuò)大1.3～1.5倍作為工藝窗口的參數(shù)。

1.4 實(shí)際案例應(yīng)用

在計(jì)算上述工藝窗的參數(shù)之前，往往已經(jīng)確定了壓鑄機(jī)的各種參數(shù)，因此，完成了上述四條工藝窗口邊界線的計(jì)算之后，就可以畫出一個(gè)完整的P-Q2圖了。

下面以一個(gè)鋁合金實(shí)際案例進(jìn)行計(jì)算，并將經(jīng)驗(yàn)設(shè)定值列在該圖示上做出對(duì)比。

鑄件參數(shù):材質(zhì)ADC12，壁厚3mm，總重量865g，內(nèi)澆口面積200 mm2，內(nèi)澆口厚度1.8 mm.

設(shè)備參數(shù)：壓鑄機(jī)DCC280，壓射缸直徑110mm，最大空壓射速度6m/s（設(shè)定實(shí)際最大壓射速度4.5m/s），儲(chǔ)能壓力12.5 MPa，Cd:開放系數(shù)取0.5，模具溫度200℃，澆注溫度650℃，沖頭直徑60 mm.

根據(jù)上述參數(shù)，利用前面所列出的公式，可以計(jì)算出這個(gè)系統(tǒng)所能達(dá)到的最短填充時(shí)間為34.6 ms，系統(tǒng)允許的最長填充時(shí)間為54.4 ms；最大充速度54.05 m/s，允許的最小充填速度27.93 m/s；畫出P-Q2圖如圖2所示（各條線的意義參見圖1）.

圖2P-Q2圖工藝窗口對(duì)比圖

圖2 中的三個(gè)虛線所示的長方形①、②、③是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值畫出的工藝窗（具體數(shù)值見前言部分），這三個(gè)工藝窗與計(jì)算得出的工藝窗口的差距是十分明顯的，這些經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定的工藝窗口分別部分地覆蓋了計(jì)算得出的工藝窗口。

從圖2可以看出，工藝點(diǎn)B和工藝點(diǎn)F雖然分別處于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出的工藝窗①和③中，但是，這兩處工藝點(diǎn)已經(jīng)超出了這個(gè)壓鑄系統(tǒng)本身的工藝窗口范圍，在這兩個(gè)工藝點(diǎn)上是不可能生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的；工藝點(diǎn)C和工藝點(diǎn)D雖然處于這個(gè)壓鑄系統(tǒng)本身的工藝窗口范圍，但是，這兩個(gè)工藝點(diǎn)比較接近工藝窗口的邊緣，在壓鑄系統(tǒng)的諸多因素（如：合金液溫度、壓射沖頭的磨損、模具溫度、脫模劑噴涂量等）發(fā)生波動(dòng)時(shí)，可能導(dǎo)致壓鑄工藝超出了工藝窗口的范圍，造成鑄件的報(bào)廢；因此，最佳的工藝點(diǎn)應(yīng)選擇工藝點(diǎn)D。

這個(gè)圖形同時(shí)也揭示了，P-Q2圖實(shí)際應(yīng)用中的時(shí)而管用，時(shí)而失效的原因所在，從理論上解釋了這個(gè)問題的產(chǎn)生主要在于經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的工藝窗口與系統(tǒng)本身所具有的工藝窗口的不完全重合。

2 結(jié)語

針對(duì)一個(gè)特定的壓鑄模具和壓鑄機(jī)組成的壓射系統(tǒng)，它的工藝窗口是一個(gè)基本確定的值所構(gòu)成，而那些根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來設(shè)定工藝窗口參數(shù)的做法是不可取的，特別是當(dāng)設(shè)定的藝窗口的數(shù)值與計(jì)算值差異較大時(shí)，會(huì)影響你做出一個(gè)正確的判斷。

［1］陳金城.壓鑄澆口技術(shù)及其發(fā)展—p-Q2圖（上）［J］.特種鑄造及有色合金，1995（4）：26-28.

［2］潘憲曾.壓鑄模設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［3］吳春苗.壓鑄技術(shù)手冊(cè)［M］.廣州：廣東科技出版社，2007.

［4］楊裕國.壓鑄工藝與模具設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［5］李仁杰.壓力鑄造技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1996.

［6］潘憲曾.壓鑄工藝與模具［M］.北京：電子工業(yè)出版社.2006.

［7］付振南，熊守美.PQ2圖在壓鑄澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用［J］.特種鑄造及有色合金，2006年會(huì)專刊：375-377.

Setting and Application of Process Window in P-Q2Graph in Die Casting Production

CUI Ai-jun
（Luoyang High-tech Xinhua Welfare Processing CO.LTD.，Luoyang Henan 471031，China）

The necessary counting process was listed to the set of process window in P-Q2graph.The calculation shows that the process window is the parameters determined by the certain mold at the certain die casting machine using certain die casting technic. It is necessary to correct the window in the practical application because the window set according to experience is greatly different from the window calculated accordong to the formula.

P-Q2graph，process window，aluminum alloy die casting

TG249

A

1674-6694（2015）05-0014-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.05.004

2015-06-07

崔愛軍（1969-），男，河南滎陽人，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事塑料件注塑和鋁合金壓鑄專業(yè)工作。