镁合金压铸工艺研究及手提电脑外壳压铸模具设计材料成型及控制工程论文.docx
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镁合金压铸工艺研究及手提电脑外壳压铸模具设计材料成型及控制工程论文
单位代码02
学号1101180029
分类号TH6
密级
毕业设计说明书
镁合金压铸工艺研究及手提电脑外壳压铸模具设计
院（系）名称
工学院机械系
专业名称
材料成型及控制工程
学生姓名
指导教师
2015年5月02日
镁合金压铸工艺研究及手提电脑外壳压铸模具设计
摘要
通过在图书馆查阅了相关资料，对于镁合金压铸的流程及特点有了基本的认识，同时对于镁合金手提电脑外壳压铸模具设计有了一个新的认识和自己的设计方向，在对相关资料进行整理翻阅及研究了相关零件后，完成手提电脑外壳的压铸模具设计。
本说明书是以产品的工艺与性能为基础，对压铸工艺的工作流程以及模具结构进行详细的介绍，并且指出了模具设计与制造所要注意的事项。
随着压铸工艺的不断改进，镁合金压铸工艺也不断完善。
优质的压铸件对浇注系统要求很高。
设计浇注系统时，首先由压铸件的面积来确定溢流槽的面积。
为了提高铸件的质量，在金属液充型填充过程中，应该排尽型腔中的气体。
普通的浇口容易产生紊流式填充，而逐渐的质量差，其气孔和冷隔缺陷太多。
所以针对这些问题，连续的锥形双切向浇注系统能够优化设计，而且，增大浇口尺寸使浇注面积扩大从而使浇注的速度减小，这样一来充型过程比较均匀，铸件中的气孔和冷缺陷较少。
在设计优化的基础上，对动模套板、定模套板、动、定模座板，支撑板及辅助结构完成详细的设计。
然后依据实际生产的过程完成装配图。
关键词:
手提电脑,镁合金,压铸模具,浇注系统
MagnesiumAlloyPartsofDieCastingProcessAndLaptopsShellDie-castingMoldDesign
Author:
W
Abstract
Ofmagnesiumalloydiecastingtechnologyandlaptopshelldiecastingdiedesignhascarriedonthedetailedunderstandingandanalysis,throughreferencesandrelatedtechnicaldataaswellaspartsofthestructureoftheanalysis,designasetoflaptopshellpartsmoldingdiecastingmould.Thismanualisbasedonproducttechnologyandperformance,workingprocessofdiecastingtechnologyandthediestructureisintroducedindetail,andpointsouttheitemstonotemolddesignandmanufacturing.
Alongwiththecontinuousimprovementofdiecastingprocess,magnesiumalloydiecastingtechnologyisalsoconstantlyimproving.Highqualitydiecastingofhighrequirementofpouringsystem.Designofgatingsystem,thefirstbytheareaofthediecastingtodeterminetheareaoftheoverflowgroove.Inordertoimprovethequalityofcastings,intheprocessofliquidmetalfillingfilling,shoulddothegasesinthecavity.Ordinarygatefillingpronetoturbulentflowtype,andqualityispoor,theporosityandcoldinsulationdefecttoomuch.Sotosolvetheseproblems,thecontinuousconicaldoubletangentialpouringsystemcanoptimizedesign,andincreasethegatesizethatpouringareaexpandedsothatcastingspeedisreduced,sothatevenduringthefillingprocess,thecastingoftheporosityandlesscolddefects.Onthebasisofdesignoptimization,thedynamicmodelofplate,usingthemouldboards,andsetthemoldbaseplate,supportplateandauxiliarystructurecompletedthedetaileddesign.Andthenaccordingtotheactualproductionprocesstocompletetheassemblydrawing.
Keywords:
Notebookcomputers;Magnesiumalloy;Die-castingdie;Gatingsystem.
2.5压铸件的清理、浸渗、后处理和表面处理………………………………………7
1绪论
1.1研究背景
目前，国内笔记本的应用越来越普及，但是人们的环境保护意识还是相当的薄弱。
现阶段手提电脑的外壳体零件一般是用塑料生产。
伴随着全球能源问题和环境保护问题的突出，同时为了满足电子数码产品抗干扰及屏蔽等的需要，镁合金成本不高可以使厂商拥有更高的利润。
为了追求更大空间的利润，很多企业家正利用镁合金代替塑料来生产笔记本外壳体零件。
在各种不同的结构合金里面，相比较来说镁合金的比重属于最轻的，镁合金制品其外形比较美观而且质感优越，这样就使制品的外观提升了档次，就目前的市场需求来说，镁合金作为新型轻合金材料既能够满足人们的要求同时镁合金的市场前景发展极为可观。
近年来，由于人们对产品轻量化的要求越来越高，镁合金压铸工艺越来越完善而且人们对压铸镁合金的需求量也越来越大。
尤其是在交通运输业，对于汽车各方面的要求，比如车身的重量要求、驾驶空间及驾驶舒适性都有所提高，镁合金压铸技术的发展速度是有目共睹的，同时镁合金压铸工艺已经逐渐应用到其他领域，例如航空航天领域、电子3C产品、手提电脑外壳的应用、及一些家电等。
从镁合金产品各方面应用的效果来看，镁合金将来仍然是成长期，而且规模有望超过铝合金，仅次于钢铁。
从镁合金目前市场反响来看，镁合金在新材料中的主导应用地位显而易见，而且发展的趋势会越来越快。
1.2镁合金手提电脑外壳
镁合金具有手提电脑外壳所需的诸多优点，首先，重量轻、强度好。
其次，散热性能好，这是手提电脑外壳的主要性能之一。
同时其散热的性能在外壳应用中占主要，另外耐热的能力和遮蔽电磁波能力能够防止3C产品的过热使用。
不仅如此，镁合金的耐腐蚀性能也是所有轻金属材料中的佼佼者。
所以近些年镁合金应用在手提电脑外壳的技术的到快速的发展。
通过1-1表可以清晰地看到镁合金应用在手提电脑外壳上的现状
表1-1全球手提电脑外壳情况
时间
1996年
1997年
1998年
1999年
2000年
塑料壳/t
15286
17951
20245
21813
21237
镁合金壳/t
199
462
1245
2488
3610
合计/t
15485
18113
21490
24301
24847
镁合金质量分数/%
1.3
2.6
5.8
10.2
14.5
1.3我国镁合金压铸工艺研究现状
我国的镁资源比较丰富，生产、消费以及出口力度都比较大。
我国镁合金压铸工艺在20世纪60年代才兴起，相比较于欧美的发达国家来说，落后了一大截，但我国镁合金压铸的发展优势确实是有目共睹的。
在我国镁合金压铸的发展处在比较落后的脚步，但是毋庸置疑其发展速度是有目共睹的。
1992年中国成为镁净出口国。
现在我国镁产量及产能占据全球3/4，但是由于我国镁工艺加工能力比较弱，所以其中70%是作为初级的原料出口到国外的。
但是在台湾地区镁及镁合金工艺的发展速度比较快，到目前为止已经有40多家公司采用先进的生产设备生产电子零部件。
中国大陆镁合金用量逐渐提高，中国镁合金工艺发展的前景非常可观的。
估计在汽车交通方面2005年和2010年镁合金的需求分别是3.54万吨和19.21万吨。
对于电子产业的3C产品，预计2005年应用镁合金达到1.84吨，2010年达到4.02吨。
除了对这两大产业的对比之外，其他产业的增长幅度也是有目共睹的，就出口到其他国家的市场需求来说，全世界对于镁合金的需求都是显而易见的，所以不论是内需还是出口，镁合金压铸工艺都是值得我们积极开发的领域。
21世纪是科技与工业飞速发展的时代，越来越多的新事物让我们意识到不管任何时候都不可以停下前进的脚步，作为世界上人口与土地都占据世界前列的大国，中国在镁合金压铸工艺的发展上落后了西方的发达国家，现在中国镁合金工艺仍然处与比较薄弱的阶段。
所以，我们要加快步伐，同时要结合我国现阶段的国情及技术水平，作为一个没资源相当丰富的国家，我们要充分利用这一优势，不可以像以前那样把镁作为初级原材料出口到其他国家，而是要对其进行研发加工，使其价值更明确同时为我们带来更大的商业价值。
因此,我国要在竞争激烈世界技术领域站稳脚跟，对于镁合金压铸工艺的研究与开发要做到全面而有深度，建立一个镁合金压铸工艺研究的系统标准，开发出更优化的工艺技术，同时要研制出更加精密的专用压铸设备。
在这个过程中，我们要充分的学习与借鉴发达国家对于镁合金压铸工艺的研究与利用，敢于去创新与合作，引进外资不失为一个好方法，针对目前的西部开发项目可以实施，并且重心可以放在产业中镁合金工艺的研究，在符合现阶段全球对于环境保护及节能减排的要求下，建立环保而高效率镁合金压铸工艺生产专家系统，使生产出的镁合金制品实用性更强，价值更大，随着技术的不断成熟镁合金的优质压铸件应用比较普遍，这使得我国镁合金压铸产业的竞争力得以提高，不论是国际影响力还是经济水平都有所提升。
1.4国外镁合金压铸工艺研究现状
相比较而言，国外镁合金工艺研究较为先进，现在对其的开发和应用都比较可观而且达到了相对成熟的阶段，其规模也比我们国家要有优势，在国外，目前镁合金工艺主要应用的汽车业，伴随汽油价格的不断上涨，对于镁合金的研究更进一步需要也越来越大，这样一来镁合金市场更是一路走俏，全球范围内都是竞争比较激烈的，这对于中国来说既是机遇也是挑战。
从镁合金应用发展到汽车零件上以来，国外的汽车镁合金压铸件用量每年增长幅度平均达到百分之二十，在将来十年的时间里，外国每一辆汽车镁合金使用量会不断地增加达到每辆车三公斤。
在未来10年里，这个数字会达到5公斤。
就镁合金在汽车零部件上的用途来说，其80%的汽车方向盘采用镁合金制造，各种品牌结构类型的汽车用镁部件达到200个。
对于镁及镁合金的结构性能优势及发展前景，英、美、德、日、意等一些发达国家都对镁及镁合金的开发及利用给予高度的重视，而且针对这些出台相关的政策以及研究计划，并且投资力度很大，这也给予我们对镁合金开发前景更大的信心。
现今全球面临的主要问题包括降低能源消耗、提高资源利用率、减少环境污染及节约地球资源。
人们越来越追求产品的轻量化。
镁合金在各个领域都有所涉及且应用越来越广泛是因为其性能优越，例如镁合金的比强度较高、质地轻盈、比刚度很高、充型的流动性好，耐腐蚀等等。
在欧美、日本等发达国家汽车运输业中镁合金压铸件的应用越来越普及。
依据国际镁协会（IMA）的估算，未来伴随世界交通运输业的发展，将会使镁及镁合金应用更加广泛。
到2030年预计汽车拥有量在世界和目前相比会增长一倍多。
21世纪的今天，科技发达时代快速发展，镁及镁合金原材料主要应用于压铸结构件的制成。
现在的人们对汽车的要求标准越来越高，追求汽车的质量轻、耗油量要少、同时注重环保而节能，使得镁合金压铸工艺飞速发展技术更加成熟。
在汽车上的镁合金零部件能够改善汽车的结构和性能，这也是汽车工业对于镁合金应用关注的原因之一。
1.5课题研究意义
伴随着镁合金压铸件的应用领域逐渐拓宽，对于压铸镁合金的充型能力有了更严格的标准。
同时我们应该对于镁合金压铸工艺的充型性能及凝固过程的计算机的模拟进行更深入的科研，在这个基本研究上将成一个专家系统，这个系统可以用于指定压铸流程的方案、改善压铸模具设计过程、对铸件的质量进行有效的控制、从而使铸件寿命及其合格率都有所提升。
计算机模拟镁合金压铸生产流程能够减少人为计算难度。
2金属压铸工艺
2.1压力铸造及薄壁铸件特点
高速和高压充填压铸型腔是压力铸造的两大特性。
压力铸造过程中，一般在金属上作用压力在20-200MPa，充型时间0.01-0.2s，填充的初始速度为15m/s-70m/s与其他铸造方法相比，压力铸造工艺优势表现：
生产的制品质量优、大批生产时效率高、相对来说比较经济。
薄壁铸件的一般特征：
（1）在浇注过程中，薄壁铸件因液态金属表面张力引起拉普拉斯力占主要的作用。
（2）薄壁铸件具有精密铸件的特征。
（3）传热学因素在压力铸造过程中作用关键。
铸件的温度场以及缩孔、疏松、欠铸、冷隔、氧化夹杂等铸造缺陷的形成有流动学因素和传热学因素共同确定。
影响薄壁件充型的因素除了有拉普拉斯力之外还有另外一个很重要的因素金属液的粘滞力。
所以考虑到拉普拉斯力和粘滞力这两个关键因素，对于不同结构的铸件来说，薄壁铸件的壁厚一般要小于3mm，这样一来对于传统的铸造工艺来说生产难度非常大。
人们通过提高金属液的浇注温度或者对铸型进行预热的方法来使金属液完全充满型腔以达到顺利填充的目的。
这两种方式对提升金属液的流动性都有帮助，当金属液流动的时间变长，充型过程的顺利就变得相对容易。
但是，这样一来由于热量过多的引入而使金属液的冷却速度变低，凝固的速度和温度梯度都会变低，导致的结果是在凝固后的铸件晶粒粗大，缩孔缩松等缺陷明显增多，使铸件性能大大降低。
所以这并不是解决薄壁件顺利充型的理想办法。
压力铸造技术的出现就是在充分考虑这些因素之后而形成的一种铸造工艺。
2.2压铸临界条件
2.2.1传热临界条件
对于金属液、模具及空气之间的传热边界条件表现在下面公式中。
式中
——边界法向温度梯度；
——边界换热系数；
、
——截面两边的温度（℃）。
2.2.2速度临界条件
固壁的速度边界条件按自由滑移边界处理，即切向速度等于内单元同向速度，垂直于固壁的速度为零。
2.3压铸型设计
伴随着压铸镁合金领域拓宽脚步越来越快，种类和数量的日渐增多，21世纪我们所要追求的目标就是要研制出压铸型材料成本低、工艺更加完善、压铸型设计的制定等等一系列需要改进的地方。
2.4充型过程研究
由于镁合金应用技术的成熟，使得镁合金压铸工艺的应用领域日益广泛。
随着技术完善，对于压铸镁合金充型能力有了更高更精确的要求。
而目前我国对于镁合金研发领域中的镁合金压铸工艺的充型规律、性能及其工艺参数的关系还不够明确，因此进行系统的研究是迫不及待的。
2.5压铸件的清理、浸渗、后处理和表面处理
压铸件的清理包括过程包括取出浇口、排气槽、飞边及毛刺等，有时还需要修整经上述工序后留下的痕迹。
压铸件的清理是一项十分繁重的工作，其工作量往往是压铸工作量的几倍乃至十几倍。
（1）压铸件浸渗处理
压铸件内部的缺陷如气孔、针孔或疏松等情况的出现，可以压入适量的密封剂增加其耐压性能，这种方法被称之为浸渗处理。
（2）压铸件的表面处理
为了提高压铸件的耐蚀性和美观，有时进行表面处理。
（3）压铸件的后处理
指的是时效退火及负温时效处理过程，目的是为了消除内应力影响，稳定整个铸件的尺寸精度，提高了力学性能状态，适应负温下工作等，其处理如表3-1。
表3-1压铸件时效退火和负温时效处理规范
合金
处理方法
加热温度/℃
保温时间/h
冷却方法
镁合金
时效
175±5
2.0～3.0
空冷
3浇注系统及溢流系统优化设计
3.1压铸参数选择
3.1.1压铸件基本参数
实物压铸件三维造型如图所示。
其参数及设计过程的进行都是借助于三维制图Proe软件，详细的数值如下：
长×宽×高为300×220×5（mm×mm×mm），壁厚平均为1mm，材质为AZ91D镁合金，其密度是1.8g/
，单件质量123.28g，分型面压铸件最大投影面积大致估算为66000
。
图3.1为压铸件的二维工程图。
图3.1压铸件二维工程图
3.1.2比压的确定
比压参数是能够保证铸件质量好坏的，要依据合金种类并且按铸件特征和要求来选取，镁合金一般铸件的压射比压控制在30～50MP，承载件比压在50-80MP,耐气密件或大平面薄件60-100MP。
因为镁合金一般件是压铸件，所以确定比压在30～50MP之间，优化设计中选择其中间值为40MPa。
3.1.3压铸机参数选择与校核
为了使压铸机选用计算简便，在知道模具分型面上压铸件的总投影面积及所
选择比压的基础上，可在图表中查到所选用的压室直径及压铸机型号。
如图3.2可知选用J1125G型卧式冷室压铸机较为合适。
由于铸件的尺寸较大，选用J1125G型，压室直径为70mm。
图3.2模具分型面压铸件总投影面积
（1）最大金属浇注量校核
J1125G型卧式冷室压铸机的最大镁金属浇注量为2.4kg。
由于J1125G型卧式冷室压铸机的装机量大于压铸件的质量，故满足要求。
注：
镁合金的密度为1.8g/
（2）压铸机锁模力的校核
选用压铸机的时候首先要确定的是锁模力。
锁模力的用处是用来克服反压力的，从而使模具分型面被锁紧，防止金属液飞溅，保证铸件尺寸精度。
其可按公式：
式中
----锁模时的反压力（公斤）；
----作用于滑块楔紧面上的法向反压力（公斤）；
K----安全系数（一般取K=1~1.3）。
即：
由于J1125G型压铸机最大锁模力为280KN>264KN,亦满足要求。
（3）压铸机最大投影面积校核
J1125G型卧式冷室压铸机的铸件最大投影面积为886
，大于压铸件的投影面积660
，此项指标亦满足要求。
3.2分型面的确定
通过分析手提电脑外壳的基本结构，选用平直分型面，这样一来会使浇注系统和排气系统的设置比较方便，这样制得的铸件符合技术要求，而且操作起来比较方便，如图3.3所示。
图3.3分型面
3.3充型时间确定
在压铸的过程中满足要求的填充时间和产生缺陷少所需要的关键因素是设计浇注系统和确定压铸参数。
对于铸件的平均壁厚和必要填充时间之间存在相互关系，如图3.4示。
图3.4铸件壁厚与必要填充时间关系
经验表明，采取填充时间短对于薄壁压铸件的填充很有必要，这只需满足浇注公式：
式中t——压铸成功所必须的填充时间（s）；
Tm——金属液的温度（℃）；
Tf——金属液的最小流动温度（℃）
对于AZ91D镁合金，输入以下值：
熔体温度Tm=670℃，模具温度Td=220℃，最小流动温度Tf=610℃，最大不间断浇注的固体块含量S=30％，平均壁厚B＝1mm，计算出充型时间为0.0054s。
3.4浇注系统的设计
首先确定浇注系统设计主要的内容，包括分析和了解压铸件的结构和性能特征、对内部质量要求及表面质量要求、其尺寸的精确度、承受压力的极限压力及承受负荷的情况、加工时基准面的选择；
3.4.1锥形双切向浇口形式设计
首先镁合金手提电脑外壳外壁比较薄，在压铸过程中要求的的压射速度非常高，所以造成模具里面的金属液发生紊流和卷气现象，结果导致铸件表面的缺陷和空洞，此时浇注系统及溢流系统的设计目的就凸显了。
考虑到这些，采用连续锥形浇注系统，会增加浇注面积和降低浇注速度。
（1）内浇口其截面积确定
内浇口的截面积可以用经验公式计算出。
式中m——铸件质量（g）
设计中取
，能够得到内浇口截面积为93.27mm
；内浇口的厚度为1mm，从而得出内浇口的宽度为240.0mm。
（2）锥形双切向浇道设计
主要组成各部分尺寸的计算依据和结果：
分支的切向浇道其入口处尺寸：
截面积
；宽度
分支的切向浇道其末端处尺寸：
截面积
；宽度
；深度
主横浇道尺寸：
截面
积；宽度
；
深度
金属液的流向角角：
三角区尺寸：
宽度
计算出各部分的尺寸为：
=12.04mm；
=1.67mm；
=1.67mm；
=18.23mm；
=7.75mm；θ=39.81°，
=60mm。
3.4.2镁合金材料库参数选择
AZ91D的热物性参数：
图3.5是AZ91D的热导率；图3.6是AZ91D的密度；图3.7是AZ91D的比热；图3.8是AZ91D的运动粘度；表3-1是AZ91D的铸造镁合金锭的化学成分。
图3.5AZ91D热导率图3.6AZ91D密度
图3.7AZ91D比热图3.8AZ91D运动粘度
表3-1：
AZ91D的铸造镁合金锭化学成分
Al
Zn
Mn
Be
Si
Fe
Cu
Ni
其余杂质
Mg
8.3-9.7
0.35-1.0
0.15-0.5
≤0.10
0.005
0.005
0.030
0.002
≤0.02
余量
3.4.3锥形双切向浇口形式的分析
图3.9锥形双切向浇口
采用锥形双切向浇注系统在填充过程中的紊流现象不明显，但是在充型过程进行到凹槽时会出现轻微的紊流现象，伴随着熔体持续往前推进过程中，在充型到百分之七十时紊流会消失。
由于在填充过程中，铸件浇道入口中心比较容易形成气孔，在这个可以放置一溢流槽。
型腔的填充完毕之后整个压铸件温度是相对均匀，这使压铸工艺过程中减少铸件在凝固的过程中产生缩松缩孔、流线变形和冷隔等缺陷。
综合以上方案，可以看出由于镁合金特殊的压铸性能，要求其流程要尽可能短，锥形双切向浇注系统能更好地满足这一点，因此有利于镁合金压铸。
故锥形双切向浇口为最终优化设计方案。
3.5溢流系统设计
3.5.1溢流槽的结构形式
为节约金属的消耗量，使溢流槽充分发挥作用，使其投影的面积扩大，同时填充型腔力降低，很可能还会使充填流态变乱引起其他反作用，因此溢流槽设计要稳妥。
本课题中的溢流槽截面呈半圆形，分布于分型面上。
3.5.2溢流系统方案的分析
在笔记本外壳上侧分别均匀设置5个溢流槽。
图示为溢流槽分布。
图3.10溢流槽
4模具设计
4.1模架设计
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