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壓鑄模具設計要點

文章出處:銘意五金發表時間:2015/10/8 14:26:04 字體大小:【

   由于壓鑄件的大型化其所需的模具 

一.壓鑄模具的材料 壓鑄模最廣泛使用的材料是 H13,SKD61,8407 等, 也向大型發展,為了抑止模具的淬火變型和裂紋,需開發提高韌性的低變形急速冷卻技術,提高模具材料 的韌性水平。提高壓鑄的生產效率和降低成本需高循環周期運行,高循環運行與過去的模具相比由于冷卻 不足而加大了熱負荷,使模具的表面溫度上升從而使熱裂提早產生。由于內部冷卻孔的增加和更接近型腔, 內部冷卻孔與型腔面的溫差使拉張熱應力負荷增大剛性降低,而易產生應力腐蝕裂,使水漏連結到型腔從 而降低了模具壽命。因而需要開發比 SKD6l 更能提高壽命的新型材料。 DAC 是與 SKD61 差不多的材料也廣 為使用,但其軔性要優于 SKD61。為了更加提高其韌性而開發的 DAC—S 比 DAC 軔性提高了 60%。為了評價 壓鑄模材料的韌性水平,北美壓鑄協會(NADCA)設定了 AISI H13(相當于 SKD61)的夏氏沖擊值,為了更加穩 定模具壽命,又設定了更高品位等級的 Prenium H13 和 Superion H13 的夏氏沖擊值。DAC—P 相當于前者, DAC—S 相當于后者。壓鑄模具的熱裂對策需具有高溫強度,一般來講韌性與強度是相反的關系,DAC—P 和 DAC—S 由于其高清凈化和組織的致密化在室溫和高溫都與 DAC 有同等的強度,在 20 度的室溫和 600 度的 高溫都比 DAC 有高 0.2%的耐力。如前述要有比 SKD61 更高品位、大幅度提高壽命、高溫強度和韌性都有 較大提高的模具材料。作為壓鑄模高性能模具材料有:DACIO、DAC55、DAC45 和最新開發 ZHD435。DACI0: 在 600 度溫度區域有優越的強度和相當于 DAC 的韌性。適用于電器、通信機器用形狀復朵精度高部件的精 密壓鑄件。DAC45:在 700 度高溫比其他材料有更高的強度,同時具有抵抗軟化的特點,但與 DAC 相比韌性 較差,在碎火冷卻方面要特別注意。適用于中小尺寸的壓鑄模具。DAC55;其特點是韌性高,初期可提高硬 度,是韌性和強度可均衡的材料,其使用壽命比 SKD6l 要高 1.4 倍。可適用于汽車的缸體、缸蓋和驅動系 統的部件。 ZHD435。具有與 DAC55 同樣的軔性并可用于大型部件,比 DAC55 有更高的高溫強度,在熱裂和 壽命上比 DAC55 更為有利。

二、壓鑄模的機械加工。 壓鑄模的加工是保證質量降低成本的重要方面,采用 CAD/CAM/CAE 的生 壓鑄模的機械加工。 產系統、五軸加工機、最新的刃具等加工模具,使模具質量和生產效率在不斷進步。其動向有三個方面: 以三維模型為基礎的加工方法,用加工中心的切削加工代替電火花加工,孔加工自動化等三個方面。在三 維模型方面,主要是模具設計徹底采用三維模型,NC 數字編制的簡易化,加工后質量保證系統的構筑等。 電火花加工用加工中心來代替,主要原因是由于電極加工制作比切削加工要化更大的工作量,所以用電火 花加工主要因為模具有肋條似的深溝形狀,現在深溝形狀也可能用切削加工來解決,從而使模具生產效率 更加提高。孔加工的自動化:模具有很多各種各樣的孔,大體上可分為深 100mm 以內但精度要求在 H7~H8 的淺孔和用于冷卻和放氣的 100~600nun 的深孔,但精度沒有淺孔那樣的要求。孔加工在模具加工中占用 了很大一部分時間.再加上模具材質硬(HRC48 程度)更給孔加工代來困難。在加工中心上采用品質工學的 評價技求,是在研究孔加工條件基礎上找到最好的目標,加工中心上采用的最佳的數據,其結果使表面粗 糙度提高了 1/3、孔徑的偏差提高丁 1/5、刃具的壽命提高了 5 倍以上。同時在曲面、斜面上的孔加工也 實現了自動化。
三、壓鑄模的表面處理。 有擴散處理、涂層、氮化+涂層等幾種方法。擴散處理法雖有各種商品名稱, 壓鑄模的表面處理。 主要是 N、C、S、0 單獨或復合擴散的氮化、軟氮化、浸硫氮化、氧化、氮化+氧化處理等,有代表性的氮 化處理時,形成化合物層(白層)其耐熔損性、耐過燒性、耐粘著性好,而耐裂性差。反之,無化合物層僅 形成擴散層則耐熱裂性好,而耐熔損性、耐過燒性、耐粘著性則差。最近擴散處理趨向,氧化處理或氮化+ 氧化復合處理為主流,適用于壓鑄模具的各種表面處理方法
1、擴散處理
氮化、軟氮化浸硫氮化、 軟氮化 2 瓦斯氮化 3 瓦斯軟氮化 4 瓦斯氧氮化 5 離子氮 1 氧氮化、 氧化氮化+氧化 化、 等離子氮化 6 過激氮化 7 INIX 8 高真空瓦斯復合 9 EH 10 板磷鈉石
2、涂層 3、氮化+涂層 4、擴散處理+涂層
PVD CVD TD 氮化+PVD 低溫+TD PCVD
TiN TiCH TiAIN CrN TiN TiCH TiC AL2O3 VC TiN TiCH TiC TiAIN CrN Cr (CN) 擴散處理:N、C、B、O 涂層:l-Si-B-C-N-O
涂層有 PVD 法、CVD 法和 TD 工藝方法。由硬質皮膜被覆法形成的陶磁涂層膜,有優良的耐溶損性、耐過燒 性、 耐粘著性, 但耐熱裂則很少有改善。 這樣的硬質皮膜被覆法中 CVD 法和 TD 工藝方法在膜的密著上更好, 但在處理上要 1000 度高溫模具容易產生變形和變寸。PVD 法由于是低溫處理可抑止模具變形變寸,但在膜 的密著性上比 CVD 法要差。氮化+涂層,其代表性方法是氮化+PVD 法。在氮化爐中僅形成氮化的擴散層, 取出后在另外的 PVD 裝置中進行模具各種涂層的方式。這樣的氮化+PVD 其最表層膜具有耐溶損性、耐過燒 性、耐粘著性,氮擴散層則具有耐熱裂性。但 PVD 法形成的膜在適用于復雜形狀的模具時有一定范圍的界 限。 (氮化+氧化)復合處理。壓鑄模具的表面處理在世界范圍的傾向,由過去的氮化、浸硫氮化處理向應 用氧化處理發展。由于與氮化處理形成的鐵的氮化物相比,高溫穩定性高的鐵的氧化物,應用于壓鑄模更 能發揮其在溶損、過燒、粘著方面的效果。(氮化+氧化)復合處理可在一個裝置中連續處理,時間可大幅度 縮短。另外,在可控氣氛中處理可形成沒有氮化擴散層的化合物層的連續氧化處理,可以提高耐溶損性、 耐過燒性、耐粘著性和耐熱裂性。等離子 CVD 法(PCVD)。原料全用的是氣體,由于是等離子化學反應形成 的膜,是低溫的密著性和致密性優良的皮膜,可以很好的覆蓋復雜的產品。另外,PCVD 法可不破損真空一 次工程在一個裝置內將氮化等的擴散硬化處理+硬質皮膜的所謂復合處理簡單的作成。因而 PCVD 可面向三 維立體形狀物的壓鑄模具的處理。含硼氣體系統的 PCVD 作成新的硼擴散處理(硼化)含硼皮膜,例如:TiB、 TiBN、TiBCN、TiAIBN、TiAIBCN0、TiAISiBCN0、BN、BCN 等各種硬質膜。如 TiAIBN 膜有 4000Hv 以上的硬 度,被稱之謂超高級涂層。選擇不同元素的組合,可得到過去所沒有的高度的耐磨性、耐氧化性、脫模性、 潤滑性從而使適應各種不同要求的壓鑄模具性能有飛躍的提高。現己應用的實例有:手機部件的鎂合金壓 鑄模具,過去使用脫模劑,使用三萬次左右就要因為腐蝕而需焊接修補,而且因使用脫模劑飛散的煙霧污 染了環境,由于飛邊毛刺使制品難以保持精度。用 PCVD 法氮化擴散硬化層+TiN/TiAN/TiAISiCN0 多層膜 應用于該模具后,完全不用脫模劑,可壓鑄用 30 萬次,延長了模具壽命、改善了環境、抑制飛邊毛刺的產 生、縮短了壓鑄節拍、提高了生產效率。像機部件的成型,過去每次都涂脫模劑,熔液流動性差、產生皺 皮、使制品加工出現問題、次廢品率高。此模具用氮化擴散硬化層+TiN/TiAIN/TiAISiCNO 多層膜后,脫 模劑用量只有過去的 1/8 以下、改善了流動性、不再出現皺皮、加工出漂亮的制品,并因而減少了消耗, 提高了生產效率。汽車部件的成型,過去使用脫模劑大量噴霧成形,約 6 萬次就要焊接修補,而且鑄造缺 陷多、不良率高。采用氮化擴散硬化層+TiN/TiAIN/TiAISiCNO 多層膜后,脫膜劑減少到 1/2 以下,鑄 造提高到 12 萬次以上。不僅延長了模具壽命,而且抑止了鑄造缺陷、降低了消耗,改善了生產環境。由于 PCVD 法復合處理效果,提高了耐熱裂性、耐過燒性、耐粘著性。在鋁壓鑄方面已有不用脫模劑,鑄造在 100 萬次以上的壓鑄模具。
四、壓鑄模具的壽命和熱處理 壓鑄模壽命低的原因涉及很多因素,材料、加工、熱處理、維護、修 補等各種復雜的因素,都會對模具壽命產生影響。在鑄造過程中模具的熱疲勞現象是模具鋼的韌性、延展 性、裂紋進展速度等和材料的特性有關,操作過程產生機械的應力也是其起因。另一方面,溶損現象,由 于模具材料和熔觸金屬的反應性和接觸磨擦也有很大不同。反應形態也由于壓鑄金屬種類(AI、Mg、Zn 等) 的不同而有差異。另外,在操作過程中模具的穩定性和提高壽命也與其維護修補技術有很大關系,如電加 工變質層的改善、焊接條件的選擇、變形的調正等。模具鋼材的熱處理,是有效的發揮材料的機能和性能
非常重要的基礎技術,熱處理好壞其性能有顯著的不同。再好的鋼材沒有適當的熱處理,模具在操作過程 中會因而產生熱裂、割裂、耐蝕性耐磨性降低等很多故障。近年來模具鋼的熱處理多采用真空氣體加壓型 熱處理爐,主要是由于可改善操作環境、可對模具進行光亮熱處理、冷卻時有高的加壓力、可制造大型熱 處理爐等。真空加壓氣體冷卻方式,歷來的水淬火、油淬火、聚合物淬火、鹽浴淬火等,近年來可大體上 達到同樣的冷卻速度,也可以作到軟點少的處理。近年來隨同模具的大型化,開發了提高淬火性能的大型 模具用的鋼種。大型模具的熱處理由于表層同中心部位的冷卻速度有很大的不同,不均衡的熱處理而產生 變形、變寸、割裂等問題。因而在冷卻過程中控制好內外溫度差別是非常重要的,再好的鋼種,不穩定的 熱處理是難以發揮其特性的。北美壓鑄協會對壓鑄模的材料、熱處理的質量要求、制定了標準,其主要項 目有:1、材料成分 2、硬度(退火、淬火-回火處理)3、材料的清潔度(由 ASTM、A-681、Sec6 來判定)4、 超音波探傷試驗(內部缺陷檢查)5、沖擊試驗(軔性、延展性判定)6、結晶粒度 7、微偏析 8、退火組織等。 各國、各地區、供應商、生產企業塒模具用鋼材、模具加工、熱處理等各各方面都能這樣有統一的認以, 對提高壓鑄模的質量和生產是有好處的。