总结了镁合金齿轮箱产品开发过程中压铸模的设计制造和压铸生产工艺方面的经验。该模具采用4个滑块,3个方向抽芯,主浇道采用环型结构、内部设辅助浇道,内腔结合处采用无毛刺的分型结构;模具制造中,采用先进加工设备保证GBIT6级的高制造精度;采用合理的镁合金压铸工艺,压射比压为10～ 16 MPa,增压比压为40～ 70 MPa,充填速度为40～60 m/s,模具温度为220～ 280℃ ,浇注温度为640～ 690℃ ,充填时间为0.01～ 0.25 s,保压时间为3～ 6 s。生产实践表明,模具结构和压铸工艺合理,压铸件成形好,压铸缺陷少,模具寿命长。
镁合金具有密度小、比强度和比刚度高,以及良好的压铸工艺性、减振性、导热性、切削加工性、电磁屏蔽性、可回收利用等特点,已在3C、汽车、电动工具、航空航天等行业中获得了越来越广泛的应用,被誉为21世纪最具有开发和应用价值的“绿色”工程材料。
镁合金零件多采用压铸方式成形,相对于铝合金压铸而言,镁合金的凝固时间更短,所以,要求镁合金的压铸充填速度比铝合金更高、充填时间更短。镁合金齿轮箱内部结构很复杂、压铸成形难度相当大,因此对镁合金齿轮箱(见图1)压铸模的设计、制造和压铸工艺的要求相当苛刻:要求合理的模具结构、较大的浇道面积和合理的浇注系统、较高的充填速度、更短的充填时间等。目前,因国内在发展镁合金方面起步较晚,对镁合金的许多压铸特性还不很了解,很多厂家按铝合金压铸模方案进行设计与生产,造成镁合金压铸成品率较低、压铸缺陷(如冷隔、欠铸、花斑)较多的结果。
我公司针对电动工具齿轮箱的结构特点,结合多年来在模具设计与制造,以及压铸生产方面的丰富经验,开发出了模具质量稳定、压铸效果良好的镁合金齿轮箱模具和压铸工艺,压铸生产过程和产品质量稳定,产品已经批量出口。
1 模具设计
压铸模是压铸生产的重要工艺装备。为了满足电动工具镁合金齿轮箱的品质要求,该压铸模采用4个抽芯结构,分3个方向抽芯,且两个大抽芯采用油缸结构、两个小抽芯采用斜导柱抽芯的结构,以防止抽芯模具在开模时的变形影响压铸件的产品质量。对于此模具的浇注系统,采用环型浇道、多个内浇道和产品内部辅助浇道相结合的方式,很好地解决了压铸过程中的成形缺陷问题。
镁合金齿轮箱的压铸模包括抽芯滑块、定模型芯、定模套板、动模型芯、动模套板、顶出机构、动模固定板和浇道等,具体结构示意图参见图2。虽然该模具在总体结构上沿用了现有铝合金压铸模的部分结构,但在以下方面作了一些大胆创新。
首先,对模具的浇道作了大胆设计:采用宽度从18～ 28 mm、厚度从8～ 16 mm的增压型环形主浇道1A和1B(分浇道为2A、2B),以保证镁液在压铸充填过程中的速度、压力递增;多个内浇道3A和3B的宽度从10～ 40mm、厚度从1.5～ 1.6 mm各不相同;由于齿轮箱的特殊结构,在产品内部设置了辅助浇道,其结果是镁液在压铸过程中充填时间减少、流动顺滑,减少了镁液充填过程中的紊流、喷溅、冷隔、氧化皮现象的发生。其次,针对齿轮箱结构的复杂性特点,设计成4个抽芯的结构形式;滑块间配合间隙在0.03 mm以内;销子与模具内孔的配合间隙在0.012以内;模具制造精度达到GBIT6级。另外,在该模具内腔结合处,采用使其在加工后不用去毛刺的分型结构,减少了生产成本,大大提高了压铸产品的效率和质量。由于主浇道采用了面积各不相同、又宽又薄的环型结构设计,使镁合金液体可从不同的部位注入到型腔内,液流分布合理、充填平衡,有效地避免了充填过程中的紊流、喷溅现象,减少了齿轮箱表面的冷隔、花斑、流纹等缺陷;产品表面光滑、压铸过程稳定;压铸合格率大大提高,可达96%以上。
2 压铸工艺
压铸工艺是将压铸生产的3大要素(即压铸合金、压铸模和压铸机)进行有机组合的综合过程。若选定的压铸参数不合理,则可能造成压铸充填不充分、气孔、冷隔、花斑、粘模等不良压铸缺陷。镁合金齿轮箱的化学成分见表1,采用700T冷室压铸机进行压铸成形。与铝合金相比较,由于镁合金具有的低动力学粘度、低比热容和低相变潜热、高流动性、凝固时间短,使得镁合金零件的压铸工艺有别于铝合金零件的压铸工艺:采用比铝合金更大的充填速度、更短的充填时间的压铸工艺,来进行镁合金的压铸成形研究和生产。
2.1 压射比压和增压比压
压射比压和增压比压的高低直接影响到熔融合金的充填速度、流动性、压铸件的致密程度、压铸件的轮廓清晰程度及其表面的粗糙度。而且不同的压射比压造成熔融合金对模腔表面的冲刷程度也不同,从而影响到压铸模的使用寿命。过高的压射比压可能使压铸模受
到熔融合金的强烈冲刷,增加粘模的可能性,降低模具寿命,且易使模具被胀开。因此,在保证压铸件质量和使用要求的前提下,应尽可能选择较低的压射比压和增压比压。对于镁合金齿轮箱,选择压射比压为10～ 16MPa,增压比压为40～ 70 MPa。
2.2 充填速度
充填速度也是压铸工艺的重要参数之一。充填速度的高低直接关系到压铸件的内部质量和外观质量:充填速度过小会使铸件的轮廓不清,甚至不能成形;充填速度过大则使铸件粘型,或使铸件内部的气孔率增加,降低力学性能。针对该齿轮箱,充填速度采用40～60 m/s,在薄壁部位可达80～ 100 m/s。
2.3 模具温度
由于镁合金散热很快,因此有必要对模具进行预热、加热或冷却处理,以维持模具温度的稳定,提高压铸成形质量和表面质量。一般地,镁合金压铸时模具温度维持在220～ 280℃。
2.4 浇注温度
浇注温度过高,则合金收缩大,使铸件容易产生裂纹、晶粒粗大、脆性;浇注温度过低则易产生冷隔、流纹和浇不足等缺陷。为了提高压铸成形质量,浇注温度的选取一般应与压射压力、充填速度和模具温度同时考虑。这里取镁合金的浇注温度为640～ 690℃。
2.5 充填时间和保压时间
对于镁合金,充填时间要短。保压的作用在于使压力传递给未凝固的金属,使其在高压下结晶,以获得组织致密的压铸件;其时间长短取决于铸件的材质和厚度。这里充填时间取0.01～ 0.25 s,保压时间设置在3～ 6 s。
另外,由于镁合金的特殊性,在镁合金压铸产品开发和生产过程中,应该对其生产过程中的熔化、保温、压铸及其后续加工、处理等采取一定的安全保护措施。
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