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浅谈延长铜合金压铸模具寿命的方法 智铸超云助力学术研究
产品介绍

  压铸模具寿命是衡量模具质量的重要指标,同时也是影响压铸企业经济效益的重要因素。因此,延长压铸模具寿命,无论是对于提高压铸模具使用企业的经营利润,还是对于减少资源浪费以兼顾社会效益,都是非常重要的。

  对于铜合金压铸模具,由于铜合金熔点较高,填充速度快,填充压力大,模具寿命相对于高、低压铸铝模具要低很多(一般在几百至一千模次)。因此,相对于其他材料的压铸模具,如何延长铜合金压铸模具的使用寿命,更加值得压铸工作者去研究和探讨。

  一般而言,如果模具在使用过程中出现了以下现象,说明模具基本接近“寿终正寝”:

  1 模具老化,表面龟裂,影响外观,同时由于龟裂造成零件表面脱模拉伤或铸件变形;

  3 模具分型面塌陷,导致“跑铜”,压铸效率极低,压铸产品后处理工作量大。

  一方面,压射过程中,压铸模具受高温铜液的高速、高压喷射冲击(内浇口处的速度可达40~55 m/s,而填充压力一般在40~80 MPa),填充压力和速度都非常大,因此模具型腔表面承受极大的机械应力。

  另一方面,铜液温度较高,每一次从压射完成到再次压射,模芯都在“热胀冷缩”的循环模式下工作。模具型腔温度在360℃到550℃之间反复变化,模具常常激冷激热,同时受到压应力和拉应力的作用,形象地说,如同反复拉扯橡皮筋,时间长了,橡皮筋表面就会出现龟裂纹,直到开裂为止。

  故此,模具损坏的主要原因是受循环机械应力、热应力影响,导致型腔表面疲劳受损以及龟裂纹的形成,甚至造成模芯整体开裂失效。因此模具延寿应主要从降低机械应力和热应力等方面入手。

  延长压铸模具寿命的途径很多,应该主要从四个方面入手:模具材料选用,模具设计,模具制造,模具使用和维护。

  模具材料及其热处理工艺是影响模具寿命的主要因素。前面讲到,模具损坏在型腔上主要表现为两种形式:表面龟裂和开裂。根据不同的铸件要求以及不同的压铸条件,选择合适的模具钢以及优化的热处理工艺,是延长模具寿命的重要途径。

  目前,很多钢材厂家在生产的H13钢都把提高压铸用模具钢的韧性与延展性放在了首位。高的韧性与延展性能够提高钢的抗热疲劳性能,从而延长模具寿命:针对铜合金压铸,可以选择高温合金GH4169作为型腔材料,该合金在-253~700℃温度范围内具有良好的综合性能,650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位,并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化和耐腐蚀性能。实验证实,选择GH4169作为铜合金压铸模后,相比常规的热作模具钢,模具寿命提高了近5倍。

  除了合金元素,显微组织结构同样决定了钢材的性能。金相组织越细小均匀,钢材性能越好。金相组织一方面取决于材料本身的特性,另一方面取决于热处理工艺。

  压铸模具材料一般为锻造钢坯,内部容易存在微裂纹,及时发现和避免是十分必要的。所以,在确定模具材料前,应配合材料冲击试验机、金相分析仪以及探伤机,对内部质量和热处理的效果进行确认,确保模具质量,延长模具寿命。

  压铸模具设计是影响压铸模具寿命的另一重要因素,模具设计的优劣直接影响压铸模具寿命。因此,在设计压铸模具时必须根据铸件的特性,合理设计模具结构。同时若有必要,在前期对于影响模具寿命的铸件设计及时提出改进意见,或采取合理的措施予以解决。在设计模具时应该认真考虑以下几个方面:

  模具强度是否满足要求是影响模具寿命的重要因素。然而,目前大部分压铸企业在采购模具时,都特别关注价格,甚至认为只要能压铸出合格产品就可以,对于模具大小,模具强度是否满足要求等并没有引起足够重视。同时,很多压铸模具制造企业为了取得订单,往往把模具价格压低,而在模具制作时则能省则省,以降低成本。模具强度如果不够,不仅影响模具可靠性,也影响模具寿命。实际上,从压铸生产的角度看,这样的模具并不经济。如果压铸模具强度不够,刚性差,模具在不断受机械、热冲击的情况下,就会过早地开裂。另外,由于封水面太少,合金会跑出型腔,不及时清理残留废料,再次合模时又会压塌模具,造成模具损坏。因此,在模具设计时必须充分考虑模具强度,确保模具正常合理使用。

  压铸模具内浇口的设计既是影响铸件质量的重要因素,同时又对压铸模具寿命有着直接影响,因此在压铸模具设计时必须高度重视。压铸模具内浇口速度越快,对模具型腔的冲击越大,模具型腔的瞬间升温越大,模具越容易出现表面龟裂或开裂。铜合金压铸模具内浇口一般以35~55 m/s为宜,并且要在确保产品质量的情况下尽量偏低,以降低高温铜液对模具的冲击,从而延长模具寿命。

  由于压铸是高温、高速、高压状态,压铸模具“窜水”会经常发生,究其原因,除了压铸参数选择不当、压射速度过快、压力太大、锁模力不够等缘由,模具设计不合理、封水面不足也是其中重要的原因。如果模具“窜水”,一方面会导致泄压,直接影响铸件的内部质量,另一方面,由于在压铸过程中,飞料没有及时(或难以)清理,又会把模具挤坏,造成模具分型面塌陷。因此,在设计模具时应高度关注封水面。

  模具冷却水设计在压铸模具的设计中是至关重要的环节。现今,大部分压铸模具制造厂家,往往对浇注系统非常重视。很多厂家应用模流分析软件时,往往对填充形态研究得很多,而对模具温度场变化少有关注。实际上,在压铸生产中,模具冷却、模具温度场变化,对于生产效率、铸件质量以及模具寿命都是至关重要的。若模具冷却(加热)系统设计合理,不但会提高压铸节拍,提高生产效率,提高铸件质量,同时也可以延长模具寿命。如图3所示,温度场模拟发现,出现龟裂纹的地方模具温度在500℃左右。鉴于此,该模具内部应当设计冷却水通道,加强该处的冷却,保持模具温度平衡。

  压铸过程是一个压铸模具激冷激热的过程,若压铸模具冷却设计不合理,不靠模具本身内部的冷却介质平稳降温,仅靠喷涂的外冷介质急剧地从模具型腔表面降温,模具型腔的温度变化会加大,从而加大疲劳速度,既造成了涂料的浪费,降低了生产效率,又大幅降低了模具寿命。因此,优化模具冷却(加热)设计是提高铸件成品率和生产效率的关键,同时也是延长模具寿命的非常重要途径。

  为了延长模具寿命,在模具设计时,我们应尽量对容易出现模具开裂、模具损坏的部位进行镶拼,一方面,便于维修和更换;另一方面,镶拼接缝可以阻隔开裂的延展,避免了局部开裂延展到其他部位,从而延长模具寿命。

  尖角处容易应力集中,因此,对于压铸件转角处的尖角,无论对铸件的浇注过程,还是铸件质量、压铸模具寿命都有非常大的影响。因此,在前期与铸件设计人员探讨问题时,应非常关注铸件的转角,能大的尽量加大,能圆角过渡的尽量加上圆角,这一点非常重要。

  为了延长模具寿命,国内外很多科技工作者都在积极探索一些新的技术,如表面新的渗氮技术、镀钛、表面微细网格延寿技术等等。因此,作为压铸模具的制造企业,作为压铸模具设计人员,积极探索新的技术,及时跟踪先进技术,适时采用新的技术提高模具寿命,也是提升压铸模具水平、提升企业技术水平的有效途径。

  模具制造工艺以及模具制造精度,同样是影响模具寿命的重要因素。因此,在模具制造中,我们必须对影响模具寿命的各个环节高度关注,并加以研究和改进,这样才会提高我们的模具寿命。

  压铸模具内应力是影响压铸模具的重要因素,在模具加工过程中容易产生应力。因此,我们在编制工艺路线,制定工艺规范以及在编制加工程序时,必须尽量减少应力的产生,并及时地消除应力,以提高模具寿命。

  加强质量管理,提高模具制造水平,减少模具补焊,也是提高模具寿命的重要保证。补焊材质的问题、补焊时产生的高温,以及产生的内应力问题等,对于模具寿命影响极大。对于压铸模具厂家而言,型腔补焊是非常不希望发生的,如果发生也应尽量采用热焊,并在焊接后进行去应力回火,以提高模具寿命。

  放电加工是最常用的模具型腔加工手段。但是,放电加工后的模具型腔表面会形成白亮层及变质层,使得模具表面处于张应力状态。如果模具在其后的打磨抛光过程中无法将处于张应力状态的表面打磨掉,模具投入生产后其早期龟裂或开裂的可能性就极大。日本研究成果表明,放电加工后模具表面处于张应力的范围可达700~1100 MPa。并且,当放电加工的电流较大时模具表面有大量的微裂纹。这也是模具投入生产后,早期龟裂或开裂产生的原因。

  压铸过程是一个高温、高速、高压的过程,压铸模具一旦配合不好,极易造成“窜水”、滑块卡涩等,从而造成模具损坏,影响模具寿命。因此,压铸模具的装配实际上比注塑模具更难、更重要。由于铸件特性各异,特别是大型模具,在压铸生产时模具的温度场和在常温下未生产时的温度变化很大,因此在装配时,必须充分研究模具特性以及温度场的变化,相应地进行有针对性的装配调整,使得模具装配间隙合理。这样,才能确保在压铸生产时,不出现“窜水”、滑块卡涩等现象,提高模具可靠性,延长模具寿命。

  压铸模具的使用与维护同样是影响压铸模具寿命的重要一环。正确地使用和维护压铸模具是压铸企业提高生产效率、产品质量和经济效益的关键。压铸模具使用寿命延长对于压铸企业经济效益的提高是非常重要的。因此,压铸企业必须高度关注压铸模具的使用和维护。

  在模具使用中,因为各种原因,模具往往会出现披封、废料,这时必须及时清理,否则继续生产会将模具挤坏。特别是滑块部位,如果滑道进入废料等,当压铸机再次合模时,会将滑块挤塌、挤坏。因此,遇到此类问题,必须及时清理模具,并查找原因、及时修理。否则,等模具损坏了才维修,就会严重影响模具寿命。

  02 尽量减少模具的激冷激热,尽量连续生产,在冷模状态下,可以使用预压射功能预热模具

  压铸过程中压铸模具一直处于热胀冷缩的往复疲劳状态,模具型腔部分温度基本一直在220℃~450℃来回变化,模具激冷激热,不停地热胀冷缩,从而造成模具疲劳损坏。而在冷模状态下开始生产时,模具温度由低温开始上升,温差加大,模具膨胀收缩加大,模具疲劳相应加大,会加快模具损坏,缩短模具寿命。因此,在压铸生产时应尽量连续生产,尽量减少模具的激冷激热,从而延长模具寿命。

  另外,在冷模状态下,模具没有达到正常生产时的温度,模具各部间隙相对较大,在这种情况下,严禁开启高速压射和增压。否则,模具各间隙部位,包括滑块、顶杆孔等部位容易窜入废料,从而损坏模具,影响模具寿命。

  压铸生产时,压射速度的高低不仅影响压铸的填充速度、压射内浇口速度,同时压射速度高,冲击峰值也会加大。因此,压射速度高,压射内浇口速度快,对模具冲刷会加剧,冲击峰值加大,模具承受的冲击力也会加大,模具寿命会大大减少。因此,我们在调整压铸工艺时,在确保产品质量的情况下,尽量降低压射速度,对于提高模具寿命,提高压铸企业的经济效益非常重要。目前,先进的压铸机配置有压射刹车点,对于减少冲击峰值,减少模具承受的冲击力,提高模具寿命非常有益。下图展示为一个带有“刹车点”的压射冲头运动曲线,事实证明,增加刹车点后的工艺过程,模具寿命提高了近10%。

  图5、带有“刹车点”的压射冲头运动曲线 尽量降低铜合金液浇注温度,提高模具使用寿命

  压铸生产时的铜合金液浇注温度,不仅影响铸件质量,也影响压铸模具的使用寿命。一般压铸时,铜合金液浇注温度在920℃~950℃。对于不同的零件,我们在选择浇注温度时,应尽量选择低一些的,这样既节约了电能,同时也可以延长压铸模具的使用寿命。因为铜合金液温度越高,对模具的冲蚀越大,模具温度场变化的范围越大,热胀冷缩的幅度越大,模具疲劳越大,越容易损坏。因此,适当降低铜合金液浇注温度,有益于延长压铸模具使用寿命。

  压铸模具是压铸企业的最重要的生产工具,是影响企业产品质量、生产效益的关键。而压铸模具的可靠性、成品率、生产效率以及模具寿命是衡量模具优劣的关键要素。提高模具水平,延长模具寿命,也是提高压铸企业经济效益的重要途径。延长模具寿命是一个系统工程,必须从模具材料的选择、模具设计、模具制造、模具使用等各个环节抓起,缺一不可。

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