程鵬，葉盛，徐建華

（寧波海天金屬成型設(shè)備有限公司，浙江 寧波 315806）

1 概述

近年來，隨著國(guó)內(nèi)鑄造行業(yè)的發(fā)展，精密鑄造技術(shù)得到了快速發(fā)展，模具設(shè)計(jì)制造是精密鑄造的前提，對(duì)于模具如何才能有效讓其使用更長(zhǎng)時(shí)間，延長(zhǎng)其使用壽命變得很有意義。在壓鑄充型理論中，流體力學(xué)有兩種流動(dòng)系統(tǒng)：一種是液態(tài)金屬(熔融液)從壓力腔流進(jìn)模腔(通過澆口時(shí))：另一種是壓力流體從蓄能器流進(jìn)模腔。兩者都遵循伯努利定律的流體動(dòng)力學(xué)。對(duì)于壓力與速度的關(guān)系說明：推動(dòng)液體流動(dòng)的壓力越大，流體的流速越快，壓力與流速的平方成正比。也就是P和Q2。由于鑄造過程的復(fù)雜性和多物理性質(zhì)，當(dāng)合金液通過一系列通道流入型腔時(shí)，必須對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行有效控制。保證高質(zhì)量鑄件表面所需的充型條件也是至關(guān)重要的，通過理想的澆注系統(tǒng)可以有效地控制充型條件。研究表明，流體的流動(dòng)規(guī)律遵循PQ關(guān)系。通過壓鑄模具和澆口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為生產(chǎn)高質(zhì)量的鑄件提供了科學(xué)、系統(tǒng)的方法。

2 P-Q2圖模型與具體推導(dǎo)過程

本文所述的P-Q2圖，具體指的是模具與機(jī)器的壓力、速度關(guān)系。將模具腔內(nèi)的液體流動(dòng)視為湍流模型。

對(duì)于模具而言，依據(jù)伯努利定律簡(jiǎn)化，得到內(nèi)澆口內(nèi)液態(tài)金屬流動(dòng)系統(tǒng)的壓射壓力為：

進(jìn)一步推導(dǎo)公式為

式中，Q為內(nèi)澆口金屬液流量,L/S,CD為流量系數(shù)，鎂合金為0.5，PM為金屬比壓，MPa；ρ為金屬液的密度，鎂合金ρ=1700kg/m3。

圖1 顯示的是壓射單元系統(tǒng)。當(dāng)壓射錘頭向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，蓄能器用于為壓射缸提供液體流動(dòng)能量，并保持壓射系統(tǒng)的壓射動(dòng)力。當(dāng)壓射速度達(dá)到最大時(shí)(通常考慮最大壓射速度），會(huì)打開蓄能器閥，當(dāng)壓射速度為零時(shí)，沖頭壓力等于蓄能器提供的最大壓力。

圖1 壓鑄系統(tǒng)的壓射單元

對(duì)壓鑄系統(tǒng)來說，從蓄能器流向注射缸的壓力液體，結(jié)合以下公式提供的方法來表征流動(dòng)過程：

式中，PP為油缸壓力，PS為蓄能器最大蓄能壓力，VP為壓射速度，VD為空壓射最大速度。

包括壓鑄機(jī)壓鑄鎂合金件充填型腔過程，當(dāng)壓鑄機(jī)壓射時(shí)，基于連續(xù)性方程轉(zhuǎn)換力PP的平衡條件：

結(jié)合（3）、（4），可以得到

這里將壓射比壓和流量之間的轉(zhuǎn)換公式

式中，DP為壓射油缸的直徑，DC為錘頭的直徑，QD對(duì)應(yīng)于壓射系統(tǒng)的最大速度時(shí)，壓鑄機(jī)提供最大的液態(tài)金屬流量。通過該公式可以看出，壓鑄機(jī)的壓射比壓與金屬液流量的平方成正比。

3 P-Q2圖模型應(yīng)用案例

本文選用模型為海天客戶實(shí)際生產(chǎn)所使用的的產(chǎn)品模型。在進(jìn)行壓鑄可行性分析時(shí)，本次試驗(yàn)條件平臺(tái)數(shù)據(jù)如下，選取如圖2所示的壓鑄試驗(yàn)平臺(tái)，選用HDC650T高速壓鑄機(jī)，空打速度8m/s，壓射油缸直徑140mm。鎂合金壓鑄件如圖2所示，鑄件體積V=126.6cm3,平均壁厚T=0.7mm,內(nèi)澆口面積Ag=1.68cm2沖頭直徑為φ=80mm。

圖2 壓鑄件三維模型圖

（1）壓鑄機(jī)的特性圖如下

Q0為壓室金屬液最大流量L/S，

；V0沖頭最大空打速度m/s,取V0=10m/s；AP為壓射沖頭截面積，cm2,沖頭截面積。

計(jì)算壓室內(nèi)最大金屬壓力

（2）模具的特性圖

計(jì)算內(nèi)澆口金屬液流量

其中，Q為內(nèi)澆口金屬液流量,L/S,Cd為流量系數(shù)，鎂合金為0.5，P為金屬比壓，Mpa；ρ為金屬液的密度，鎂合金ρ=1700，計(jì)算模具的特性

（3）工藝品的特性計(jì)算

內(nèi)澆口充填時(shí)間

計(jì)算出

通過以上兩個(gè)公式繪制P-Q2圖，如圖3所示。

圖3 壓鑄系統(tǒng)PQ2圖

在該圖中可以看出，黑色的線為壓鑄設(shè)備線，灰色的線為模具的特性，兩者存在相交的點(diǎn)，該點(diǎn)為壓鑄機(jī)的工作點(diǎn)，通過該點(diǎn)可以初步確定壓鑄系統(tǒng)的流量與壓力之間的適用范圍。

考慮壓鑄系統(tǒng)能量供應(yīng)的研究，主要在考慮壓鑄件與壓鑄系統(tǒng)之間的匹配問題，通過能量關(guān)系確保壓鑄件能夠正常生產(chǎn)出來。

壓鑄件需要壓射能量 P需= 0.385× Q0×P0=0.2657kW。

通過能量供應(yīng)關(guān)系，P供＞P需，該壓鑄設(shè)備能夠生產(chǎn)該壓鑄件。通過P-Q2圖以及流體力學(xué)的理論計(jì)算可以確定出該壓鑄件的壓鑄工藝參考值如表1所示。

表1 理想壓鑄系統(tǒng)工藝參考值

4 結(jié)語

本論文的研究中，根據(jù)已知的澆注系統(tǒng)數(shù)據(jù)建立壓鑄系統(tǒng)的P-Q2圖，分別計(jì)算壓鑄機(jī)、模具的P-Q特性，計(jì)算壓鑄過程中工藝參數(shù)填充時(shí)間和填充速度。對(duì)于機(jī)械選型和模具設(shè)計(jì)提供了一種新方法。得到的主要結(jié)論如下。

（1）根據(jù)P-Q2圖來確定選擇壓鑄機(jī)與模具之間的匹配問題，同時(shí)，提供壓鑄機(jī)P-Q2調(diào)整方式，可以通過改變錘頭直徑、蓄能器最大蓄能壓力來調(diào)整壓鑄機(jī)的P-Q特性，提高壓鑄機(jī)的使用效率。

（2）在設(shè)定的流量下，機(jī)器產(chǎn)生的金屬靜壓可以從圖表中讀出。模具線代表克服給定流量下，需要克服模具阻力所需的比壓。模具線與壓鑄設(shè)備線在一個(gè)坐標(biāo)系中必須相交。顯示了模具與壓鑄機(jī)的實(shí)際壓力和流量。它揭示了壓射速度與鑄造壓力之間的聯(lián)系。

（3）壓鑄件與壓鑄系統(tǒng)之間的匹配問題，通過能量供應(yīng)之間的關(guān)系，可以對(duì)比壓鑄系統(tǒng)與壓鑄件之間的能量關(guān)系，進(jìn)而確保壓鑄設(shè)備的適用范圍。

（4）通過P-Q2圖提供壓鑄工藝參數(shù)具體方法，為生產(chǎn)高質(zhì)量的壓鑄件提供了科學(xué)、系統(tǒng)的方法。