YZCuZn40Pb 球齒銅梳壓鑄實(shí)踐

李 偉

（銅陵銅官府文化創(chuàng)意股份公司，安徽 銅陵 244000）

傳統(tǒng)梳子的梳齒端部呈尖銳狀，梳頭時(shí)尖銳的齒尖易損傷頭皮。球齒銅梳（以下簡稱銅梳）的梳齒端部為球形，梳子梳頭時(shí)不僅不傷頭皮，并同時(shí)對(duì)頭部進(jìn)行按摩，隨身攜帶還可做把玩件把玩。本文介紹以YZCuZn40Pb 銅合金壓力鑄造銅梳的鑄造過程。

1 工藝分析

銅梳屬生活用品類工藝品，鑄件的表面不允許有氣孔、夾渣等鑄造缺陷。銅梳的長度約為110 mm，寬度約40 mm，最小壁厚2.0 mm，最大壁厚8.0 mm，且有17 個(gè)分散獨(dú)立的梳齒，重量約105 g.銅梳外形見圖1.

圖1 銅梳外形圖

2 銅梳材料

銅梳壓鑄材料牌號(hào)為YZCuZn40Pb，該銅合金材料化學(xué)成分和力學(xué)性能參數(shù)見表1，物理性能見表2.

表1 YZCuZn40Pb 化學(xué)成份和力學(xué)性能

表2 YZCuZn40Pb 的物理性能

YZCuZn40Pb 牌號(hào)銅合金具有充型能力好、縮孔傾向小、不易產(chǎn)生氣孔、氣密性良好、熔化溫度低、切削性能好。

3 壓鑄工藝的實(shí)踐

3.1 壓鑄工藝參數(shù)的選擇

壓力鑄造的基本參數(shù)包括壓射壓力、速度、溫度、時(shí)間等。

3.1.1 壓射壓力

壓射壓力的大小影響鑄件的力學(xué)性能、表面質(zhì)量和模具的使用壽命。提高壓力可以提高金屬液的充型能力，獲得輪廓清晰的壓鑄件。隨著壓力的增大，壓鑄件的強(qiáng)度增加，塑性降低；壓力過高時(shí)延伸率減小，強(qiáng)度下降。銅合金的壓射壓力推薦值見表3[1].

表3 銅合金的壓射壓力推薦值（MPa）

3.1.2 內(nèi)澆口速度

高溫金屬液在壓鑄機(jī)壓射沖頭壓力作用下，以壓射沖頭的速度推動(dòng)高溫金屬液經(jīng)過澆注系統(tǒng)到達(dá)內(nèi)澆口處，然后填充型腔。在同一條件下，高溫金屬液通過內(nèi)澆口處的速度可以認(rèn)為是不變的或變化很小的。通過內(nèi)澆口處的線速度稱為內(nèi)澆口速度[2]。

內(nèi)澆口速度高，壓鑄件輪廓清晰、表面光潔。內(nèi)澆口速度過高，往往會(huì)出現(xiàn)粘?，F(xiàn)象。壓鑄工藝設(shè)計(jì)時(shí)可通過增大壓射沖頭的截面積和縮小內(nèi)澆口截面積兩種方法來調(diào)整內(nèi)澆口速度。

銅合金的內(nèi)澆口速度，通常推薦值為20 m/s～50 m/s.

3.1.3 澆注溫度

從壓室進(jìn)入型腔時(shí)高溫金屬液的平均溫度稱為澆注溫度。

澆注溫度過高，鑄件易產(chǎn)生裂紋、晶粒粗大、脆性增大等缺陷；澆注溫度過低，鑄件易產(chǎn)生冷隔、表面流紋和澆不足等缺陷。因此，在滿足高溫金屬液充型時(shí)，盡量采用低的澆注溫度，粘稠的“粥狀”金屬液壓鑄，可減少型腔表面溫度的波動(dòng)以及高溫金屬液對(duì)型腔的沖蝕，延長壓鑄模使用壽命，減少產(chǎn)生渦流和卷入空氣，減少金屬在凝固過程中產(chǎn)生的縮孔和縮松。銅合金澆注溫度見表4[3].

表4 銅合金澆注溫度/℃

3.1.4 壓鑄模溫度

壓鑄模在使用前要預(yù)熱到一定的溫度，避免高溫液體金屬對(duì)冷壓鑄模的“熱沖擊”，以延長壓鑄模使用壽命；避免高溫金屬液在冷模中降低流動(dòng)性，造成澆不足、冷隔、“冰凍”、裂紋、表面粗糙等缺陷[4]。

壓鑄模工作溫度一般可按下式計(jì)算：

式中：t型——壓鑄模工作溫度，℃；t澆——液體金屬的澆注溫度，℃；Δt——溫度控制公差，一般取Δt=25 ℃.

3.1.5 充填、持壓和開模時(shí)間

1）充填時(shí)間

自高溫金屬液開始進(jìn)入型腔起到充滿型腔為止，所需時(shí)間稱為充填時(shí)間[4]。充填時(shí)間長短取決于鑄件的體積、壁厚的大小及鑄件形狀的復(fù)雜程度。對(duì)大而簡單的鑄件，充填時(shí)間要相對(duì)長些；對(duì)復(fù)雜和薄璧鑄件充填時(shí)間要短些。充填時(shí)間與內(nèi)澆口的截面積大小有關(guān)。根據(jù)鑄件壁薄厚先擇充填時(shí)間，見表5.

表5 充填時(shí)間的選用范圍

2）持壓時(shí)間

從高溫金屬液充填型腔到內(nèi)澆口完全凝固時(shí)，這段持續(xù)時(shí)間稱為持壓時(shí)間。持壓的作用是使壓力傳遞給未凝固的金屬，保證鑄件在壓力下結(jié)晶，以獲得致密的組織。

持壓時(shí)間的長短取決于鑄件的材質(zhì)和壁厚。對(duì)高熔點(diǎn)、結(jié)晶范圍大和厚壁件，持壓時(shí)間要長些，反則易造成疏松。如鑄件內(nèi)澆口處的金屬尚未完全凝面，由于壓射沖頭的退回，金屬被抽出，鑄件內(nèi)形成孔洞；對(duì)結(jié)晶范圍小而壁又薄的鑄件，持壓時(shí)間可短些。銅合金壓鑄件的持壓時(shí)間推薦值見表6.

表6 銅合金壓鑄件的推薦值

3）留模時(shí)間

壓射終了到開模時(shí)間，稱為鑄件在型中的留模時(shí)間。若留模時(shí)間過短，鑄件強(qiáng)度尚低，在鑄件頂出和自壓鑄模落下時(shí)引起變形。但留模時(shí)間過長，則鑄件溫度過低，收縮大，抽芯和頂出的阻力越大；對(duì)熱脆性合金還能引起鑄件開裂，同時(shí)會(huì)降低壓鑄機(jī)的效率。銅合金壓鑄件留模時(shí)間推薦值見表7.

表7 銅合金壓鑄件留模時(shí)間推薦值/s

3.2 澆注系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)是高溫金屬液在壓力的作用下充填型腔的通道，由直澆道、橫澆道、內(nèi)澆口和余料等組成。澆注系統(tǒng)按照內(nèi)澆口、橫澆道、直澆道的順序進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2.1 內(nèi)澆口

橫澆道末端至壓鑄件之間的一段澆道稱為內(nèi)澆口。內(nèi)澆口是高溫金屬液進(jìn)入型腔的最末端，是澆注系統(tǒng)與鑄件的接觸位置。

1）內(nèi)澆口截面

英國BNT 公司內(nèi)澆口截面積算法：

式中：A內(nèi)—內(nèi)澆口截面積，mm2；V—通過內(nèi)澆口的液態(tài)金屬體積，mm3；V=12 790 mm3.

2）內(nèi)澆口尺寸

內(nèi)澆口尺寸大小極大地影響著高溫金屬液充填型腔。內(nèi)澆口厚度越薄，流動(dòng)阻力越大，內(nèi)澆口處越易過熱受蝕，且所需的能量越大。內(nèi)澆口厚度越厚，越易在壓鑄件內(nèi)澆口附近形成縮松，且內(nèi)澆口去除較困難。

內(nèi)澆口的厚度與其導(dǎo)入處的鑄件壁厚有關(guān)，利·弗羅梅爾認(rèn)為壓鑄件壁厚需在2 mm 以上才能達(dá)到流束充填。當(dāng)壁厚小于2 mm 時(shí)，始終是沖擊式充填，所以，只有滿足內(nèi)澆口厚度與壓鑄件壁厚之比小于1/4 的情況下才能保證金屬是流束充填。對(duì)于那些不能達(dá)到這一關(guān)系的薄壁壓鑄件，內(nèi)澆口厚度可取0.5 mm～2.0 mm[5].

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)澆口的厚度取h=1.4 mm，故內(nèi)澆口總寬度：

3.2.2 橫澆道

連接直澆道和內(nèi)澆口的通道稱為橫澆道。把高溫金屬液從直澆道導(dǎo)入內(nèi)澆口內(nèi)，并保證在壓射過程中橫澆道處于充滿狀態(tài)。

1）橫澆道截面積

2）橫澆道高度

3）橫澆道寬度

式中：ω—橫澆道寬度，mm；D—直澆道導(dǎo)入口直徑，D=50 mm；α—脫模斜角，取α=11°.

3.2.3 直澆道

壓室與橫澆道的連接通道稱為直澆道。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，銅梳澆注系統(tǒng)的直澆道直徑確定為φ50 mm.

3.2.4 銅梳澆注系統(tǒng)

針對(duì)銅梳的特殊外形，選擇分叉橫澆道，高溫銅水從梳背注入梳內(nèi)，二股內(nèi)澆口呈擴(kuò)散式，每個(gè)內(nèi)澆口的寬度均為24 mm，每個(gè)梳齒都在內(nèi)澆口充型覆蓋范圍內(nèi)，保證充型時(shí)梳齒的完整性，在梳齒處端部設(shè)置溢流排氣槽，有利于提高銅梳的壓鑄質(zhì)量。銅梳澆注系統(tǒng)如見圖2 所示。

圖2 銅梳澆注系統(tǒng)

3.3 壓鑄機(jī)參數(shù)

表8 DCC280 壓鑄機(jī)工藝參數(shù)

3.4 模具脹型力

模具脹型力的大小通常是由下列公式計(jì)算[6]：

式中：P—模具分模面上的脹型力，kN；p—壓射比壓，MPa；A—鑄件、澆注系統(tǒng)、溢流槽在分模面上投影面積之和，A=6.77×10-3m2；F—壓射力，F(xiàn)=330 kN；s—壓室截面積，m2；D—壓室直徑，D=0.05 m.

銅梳壓鑄模脹型力為1 138 kN，遠(yuǎn)小于壓鑄機(jī)公稱鎖模力2 800 kN.

3.5 銅梳壓鑄

3.5.1 充型時(shí)間校核

常用的充型時(shí)間計(jì)算公式[7]：

式中：t—充型時(shí)間，s；v—充型速度，v=35 m/s；Q—金屬體積，取Q=1.279×10-2mm3；A內(nèi)—內(nèi)澆口截面積，取A內(nèi)=6.746×10-3m2.

查表5 得知，鑄件壁厚5 mm 時(shí)充填時(shí)間范圍為0.060 s～0.140 s，銅梳壓鑄充填時(shí)間符合推薦值要求。

3.5.2 生產(chǎn)實(shí)踐

銅梳鑄件重量約為105 g，澆注總重量約665 g.綜合考慮銅梳的形狀大小、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和YZCuZn40Pb 合金的特性、壓鑄機(jī)性能等因素，制定了銅梳壓鑄工藝參數(shù)，見表9.

表9 銅梳的壓鑄工藝參數(shù)

DCC280 壓鑄機(jī)采用西門子可編程控制器，12寸觸摸彩色顯示屏，具有壓射曲線顯示，生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制壓射系統(tǒng)等功能，銅梳壓鑄生產(chǎn)工藝參數(shù)見按照表9 調(diào)試，出模帶有完整澆注系統(tǒng)的銅梳，見圖3，“一梳百順”銅梳，見圖4.

圖3 出模帶有完整澆注系統(tǒng)的銅梳

圖4 “一梳百順”銅梳

4 結(jié)語

采用壓鑄工藝鑄造銅梳，豐富了銅制品及銅工藝品成型工藝。銅梳外觀光潔，無瘕疵，后期僅需打磨內(nèi)澆口、溢流槽，梳體僅需拋光處理。銅梳具有實(shí)用、把玩于一身。