譯文--模具填充過程在縫隙澆口澆注系統(tǒng)的金屬模中的特點(diǎn)和影響因素

1、<p><b>　　中文4000字</b></p><p>　　模具填充過程在縫隙澆口澆注系統(tǒng)的金屬模中的特點(diǎn)和影響因素</p><p>　　摘要：引起非正常澆注的主要原因是混入氧化鋁薄膜和夾帶氣體。在這個研究中，縫隙澆口澆注系統(tǒng)被用于提高模具填充能力及用金屬模生產(chǎn)鑄鋁件的質(zhì)量。用于實(shí)時監(jiān)測熔融鋁流入金屬模腔的設(shè)備和操作規(guī)程已經(jīng)被開發(fā)出來了。石墨模型的X射線

2、圖像透明度被利用，成功的觀察到通過很多垂直排列取向的澆注系統(tǒng)的流動型式。研究發(fā)現(xiàn)，影響模具充填過程的因素有很多。這篇文章其中研究了這些因素，如垂直冒口尺寸、縫隙澆口厚度和涂層表面粗糙度。結(jié)果表明融融金屬能通過合適的縫隙交口澆注系統(tǒng)平滑的流入鑄模型腔。一個較大的垂直冒口，適當(dāng)?shù)目p隙澆口厚度和更低的涂層粗糙度不僅可以提供一個更好的模具充填方式，還能保證熱熔體充填型腔頂部。要獲得一個合適的溫度梯度，型腔的底部溫度高，頂部低。這促成了鑄件凝固時

3、的補(bǔ)縮。</p><p>　　關(guān)鍵詞：縫隙澆口澆注系統(tǒng)；模具充填過程；金屬模</p><p>　　總的來說，縫隙澆口澆注系統(tǒng)包括直澆道、橫澆道，垂直冒口（補(bǔ)縮口）和縫隙內(nèi)澆口。在這個澆注系統(tǒng)中，最熱的金屬能被儲藏在垂直冒口中，在需要的時候經(jīng)由縫隙澆口供給鑄件。在大多數(shù)情況下，冒口高度必須略微高于鑄件。這使一小部分多余的壓力抵消了毛細(xì)作用力。由于較細(xì)的縫隙澆口中的結(jié)構(gòu)毛細(xì)作用力，最熱的金屬從

4、垂直冒口底部流至頂部，然后再排除壓力的作用下，通過縫隙澆口噴射進(jìn)型腔?？p隙澆口的一個作用可以稱為傳送帶?？p隙澆口澆注系統(tǒng)結(jié)合了底注式澆口澆注系統(tǒng)和頂澆澆口澆注系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。這能使熱熔融金屬有序地充填型腔，并且能形成一個溫度梯度適合鑄件凝固時的補(bǔ)縮。但是，一些研究表明布什所有的縫隙澆口澆注系統(tǒng)都有這一特點(diǎn)的。特殊設(shè)計(jì)的縫隙澆口澆注系統(tǒng)，例如：縫隙澆口澆注系統(tǒng)的垂直冒口橫截面底部窄頂部寬，這能提供這一填充模式。</p><

5、p>　　很多用水流來控制的研究工作已經(jīng)被拍照記錄下來。其他研究也通過實(shí)時X射線攝影技術(shù)揭示了液態(tài)鋁在沙模中的性能。前面這些研究揭示了一些鋁澆注系統(tǒng)的特點(diǎn)，這個澆注系統(tǒng)能在混入最少的氧化膜的情況下應(yīng)用最大的流速。然而，沒有一個X射線研究能直接適用于金屬模鑄造工藝。因?yàn)楦呙芏鹊蔫F制模具沒有對鋁合金熔融體流動適當(dāng)?shù)亩x，所以在金屬模上用實(shí)時X射線的研究是不可行的。在本文中，應(yīng)用了一個石墨模型，這個模型設(shè)置在垂直方向，并且沿鑄件和澆注系統(tǒng)

6、的中心線布置。石墨的低密度使得鋁液流過澆注系統(tǒng)進(jìn)入型腔的過程能被監(jiān)控。</p><p><b>　　1、實(shí)驗(yàn)布置</b></p><p>　　X射線在1895年被發(fā)現(xiàn)，X射線照相早在1896年就用于記錄產(chǎn)業(yè)革命。S.L.Fry 或許是第一個將實(shí)時X射線系統(tǒng)用于金屬充填性能的。發(fā)射源放射出的X射線，當(dāng)穿透不透明的物體，射線在底片上曝光生成鑄模型腔中的流動性能的圖像。在這

7、項(xiàng)研究中，用到了一臺160KV的X射線發(fā)射源。在這個電壓下，X射線能穿透最厚75mm厚的鋁，或者13mm厚的H13工具鋼模型。與鋼鐵不同，石墨有與鋼相似的熱血特性，但在加工時更易被X射線穿透，在實(shí)時X射線研究時，石墨能夠代替標(biāo)準(zhǔn)工具鋼模型。在X射線穿透模型后，它們會穿過薄而致密的增強(qiáng)劑屏幕，增強(qiáng)劑屏幕能使X射線照相的曝光時間更短，從而使充填過程的實(shí)時攝影成為可能。當(dāng)X射線穿過增強(qiáng)劑屏幕時，X射線的影像能被帶有電荷耦合器件（CCD）的照相

8、機(jī)捕獲。這時訊號傳送到電腦上記錄下來。</p><p>　　這個實(shí)驗(yàn)所用的裝置如圖1所示。一個保溫的坩堝被安放在石墨模型上。這個保溫坩堝裝有一個柱塞堵住了通向垂直方向的澆口和澆注系統(tǒng)的洞口。氣壓作用在柱子上，使它保持位置直到熔融合金注入到坩堝中，氣壓缸通過遠(yuǎn)程控制來移動石墨柱子和柱塞。這使熔融金屬A356鑄鋁流過直徑為20mm的直澆道，充填滿型腔后打開。在這期間，澆注系統(tǒng)中熔融鋁的流動模式將被X射線系統(tǒng)記錄下來。

9、</p><p>　　2、鑄模模型和澆注系統(tǒng)的尺寸</p><p>　　石墨模型的厚度大約為50mm，放置于澆注系統(tǒng)和鑄模中心線的中間，垂直的大冒口放置在鑄模的邊上。這是一個通過一個截面很窄的內(nèi)澆口將整個鑄模和冒口連接起來的澆注系統(tǒng)。這個設(shè)計(jì)將最熱的金屬置于冒口頂部，這個位置稱為補(bǔ)縮口，縫隙澆口產(chǎn)生的力提供足夠的阻力使金屬流動的速度降下來。這使得只有很少的液態(tài)金屬紊流流入鑄模型腔，但在用側(cè)

10、補(bǔ)縮口時會發(fā)生一些不利的結(jié)果。例如，由于內(nèi)澆口的位置的設(shè)置，需要進(jìn)行大量機(jī)加工來獲得需要的形狀。到目前為止，在澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時還沒有可靠的方法來算出內(nèi)澆口的寬度和厚度。澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和一些臨界尺寸如圖2所示，直澆道在橫截面上的尺寸為20mm×20mm，高度為170mm，幾乎超過鑄模型腔的整體高度。</p><p><b>　　3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析</b></p><

11、p>　　3·1、縫隙澆口澆注系統(tǒng)模具充填過程</p><p>　　熔融金屬充填鑄模型腔的流動形式如圖3，這種流動形式是通過不同時間段的實(shí)時X射線攝影記錄的。如X射線圖像圖3（a）所示，冒口更早的被先進(jìn)入鑄模型腔的液態(tài)金屬所填充。這表明：充填鑄模型腔的臨界排出壓力要克服通過縫隙內(nèi)澆口時所受的摩擦力。在充填冒口時，紊流減少了。但是金屬流通過內(nèi)澆口進(jìn)入鑄模型腔時，觀察到了一個很高的金屬流流速。這發(fā)生在鑄

12、模型腔底部，這時模型逐漸變得均勻一致?？梢郧宄乜吹借T模型腔中有一個渦流。這個渦流將空氣卷入熔融金屬中，并增強(qiáng)了對流，使鑄模型腔的溫度均勻分布。因此，凝固時需要滿足的溫度梯度無法得到，鑄件中容易出現(xiàn)縮孔縮松。</p><p>　　3·2、縫隙厚度對模型充填形式的影響</p><p>　　鑄模型腔中的金屬流的充填形式主要取決于縫隙厚度。縫隙澆口澆注系統(tǒng)的這個特點(diǎn)對充填過程很有幫助，

13、因?yàn)檫@能減少氧化膜混入流體中。通過以上討論，冒口中金屬液的高度越高，熔融體流入型腔越快。不難想象，縫隙對熔融體的摩擦力將隨著縫隙厚度的增加而減少，因此只需要更小的排出壓力。</p><p>　　對縫隙厚度的詳細(xì)研究采用相同的澆注系統(tǒng)，如圖2所示。但鑄模型腔部分不包括及縫隙澆口開向空氣。圖4說明了熔融鋁A356在厚度為2.0mm的縫隙中的流動形式。噴射出口的速度可以通過控制計(jì)時和噴流離模型的距離來確定。噴流距離從X

14、射線圖像測得，并繪制出關(guān)于縫隙厚度作用與噴流距離關(guān)系的線性圖，如圖5所示。隨著縫隙變厚，噴流距離在慢慢下降，冒口中熔融金屬的高度與縫隙厚度的關(guān)系也繪制出一張線性圖，如圖5所示。隨著縫隙變薄，冒口中金屬液的高度急劇增加。</p><p>　　靈敏度研究得出一個很有趣的結(jié)果：由于冒口的存在，縫隙厚度沒有主要影響縫隙出口處噴流的速度。在冒口，相對于噴流的變大變小，隨著縫隙厚度的改變，液態(tài)金屬趨向于升高或者降低。換而言之

15、，窄縫口就像一個節(jié)流口，縫隙越窄阻礙的流體越多，需要越多的壓力來保證流動。結(jié)論是冒口中的金屬高度要高一些，這樣金屬流才能流過縫隙。</p><p>　　3·3、垂直冒口很截面面積的影響</p><p>　　模具的充填不僅僅依賴于排氣縫隙的大小，而且與垂直冒口的橫截面面積也有關(guān)系。如圖6中所示，它需要更多的熔融金屬和更多的時間去充填一個橫截面較大的冒口。實(shí)際上，熔融金屬在冒口中的溫

16、度是逐漸降低的。此外，由于冒口內(nèi)部的溫度下降將會降低其注射速度，同時在鑄模型腔內(nèi)部減少紊流，從而有利于形成一個平穩(wěn)的充填形式。</p><p>　　3·4、表面涂層的影響</p><p>　　在金屬模的表面添加一層隔熱涂層是一種很常見的操作。這個涂層不僅影響了金屬液的充填形式，同時還影響著金屬模的溫度分布。在沒有合適的涂層的情況下，熔融鋁在鑄模較厚的地方冷卻較快且逐漸凝固，導(dǎo)致生

17、成不穩(wěn)定的急冷圈。在這里隔熱層起到了一個很重要的作用，它減緩了熱量的散失，使熔融鋁能在模具中充填到更遠(yuǎn)的距離。在實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)oseco鑄模ESS34和E39被應(yīng)用來開縫隙和嵌件中。如圖7所顯示的ESS34的橫截面，圖片里所示的表面涂層的粗糙度可以從其邊緣處很清晰地被看出來。在這個例子里面，粗糙度的平均值為38.6mm。</p><p>　　圖8所顯示的試模被用來研究鑄造模粗糙度的影響。與圖1所示的設(shè)計(jì)相比，唯一的區(qū)

18、別就是縫隙的高度、寬度和垂直的流道。在這個設(shè)計(jì)里，垂直流道和縫隙的高度被減小到了65mm，與此同時縫隙的寬度相應(yīng)的被增加到50mm，這樣的設(shè)計(jì)可以保證熔融液可以很好的充滿縫隙，這樣以便于探討鑄模的粗糙度對熔融金屬流動的影響。</p><p>　　有兩個可移動插入內(nèi)置的插縫隙被放置在模具內(nèi)部，從而創(chuàng)造了一個理想的厚度縫隙，同時可以加涂不同的涂層。注意縫隙和冒口一定要小，這些設(shè)計(jì)都是為了評價如前所述的“自我管理”機(jī)制

19、。借助于流體阻力的增加，從而增加冒口中流體的高度。在很小的縫隙活冒口中，入口處的流體注射的速度由熔融金屬的溫度和摩擦損失來決定。對于一個給定的金屬的溫度和縫隙的厚度，損失僅僅由鑄型的粗糙度決定。</p><p>　　圖9顯示了融融金屬噴射距離與涂層粗糙度的影響。由于與融融金屬表面接觸較多，一個光滑的涂層將會產(chǎn)生更多的摩擦損失。結(jié)果表明，熔融金屬在通過帶有粗糙度涂層的縫隙的入口處時可以獲得更高的速度。相同的原因，一

20、個光滑的涂層將會提供更好的界面?zhèn)鳠?。圖為熔融金屬與氧化膜接觸僅僅是通過表面的尖點(diǎn)。該界面的傳熱較低。因?yàn)樵谀＞弑砻媾c尖點(diǎn)處充有空氣。一個粗糙的涂層因此是更加好的絕熱層，這是金屬模制造的一個眾所周知的事實(shí)。</p><p><b>　　4、總結(jié)</b></p><p>　?。?）在有合適縫隙澆口的澆注系統(tǒng)的情況下，熔融金屬能夠順利的充滿型腔。較大的垂直澆道不僅僅有利于鑄

21、造，還有利于熱的熔融金屬充填到型腔頂部。因此，一個有利的溫度梯度是有利的，可行的，這種方法在模具型腔的頂部和底部顯得尤為重要。因此在溶液凝固過程中充填是合適的。</p><p>　　（2）在模具充填過程中縫隙的尺寸大小是至關(guān)重要的。較薄的縫隙有利于金屬填充到模具型腔的頂部。然而過薄又會導(dǎo)致噴射，從而產(chǎn)生很多的氣孔而無法排除。另一方面，較厚的縫隙可以提供一個平穩(wěn)的填充過程，但是太厚了就將失去這一優(yōu)勢了，從而產(chǎn)生與底

22、部內(nèi)澆口很相似的充填模式的。</p><p>　?。?）與熔融金屬在垂直冒口中的溫度相比，縫隙的大小對充填速度的影響明顯要小得多。完全可以這樣認(rèn)為，空間較大的垂直冒口可以降低充填的速度，從而形成一個平穩(wěn)的充填過程。</p><p>　?。?）粗糙一點(diǎn)的表面涂層與光滑一點(diǎn)的表面涂層相比更有利于充填和補(bǔ)縮?？紤]到涂層與熔融金屬間的空氣阻隔，這一觀點(diǎn)就不難理解了，當(dāng)氧化層接觸到粗糙涂層的脊端時，