译文--模具填充过程在缝隙浇口浇注系统的金属模中的特点和影响因素

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1、PDF外文：http:/ 4000 字  模具填充过程在 缝隙浇口浇注系统的金属模 中的特点和影响因素   摘要： 引起非正常浇注的主要原因是混入氧化铝薄膜和夹带气体。在这个研究中， 缝隙浇口浇注系统被用于提高模具填充能力及用金属模生产铸铝件的质量。 用于实时监测熔融铝流入金属模腔的设备和操作规程已经被开发出来了。 石墨模型的 X 射线图像透明度被利用，成功的观察到通过很多垂直排列取向的浇注系统的流动型式。研究发现，影响模具充填过程的因素有很多。 这篇文章其中研究了这些因素，如垂直冒口尺寸、缝隙浇口 厚度 和涂层表面粗糙度。 结果表明融融金属能通过合适的缝隙 交口浇注系统平

2、滑的流入铸模型腔。 一个较大的垂直冒口，适当的缝隙浇口厚度和更低的涂层粗糙度不仅可以提供一个更好的模具充填方式，还能保证热熔体充填型腔顶部。 要获 得一个合适的温度梯度，型腔的底部温度高，顶部低。这促成了铸件凝固 时的 补缩 。  关键词：缝隙浇口浇注系统；模具充填过程；金属模  总的来说，缝隙浇口浇注系统包括直浇道、横浇道，垂直冒口（补缩口）和缝隙内浇口。在这个浇注系统中， 最热的金属能被储藏在垂直冒口中，在需要的时候经由缝隙浇口供给铸件。在大多数情况下，冒口高度必须略微高于铸件。这使一小部分多余的压力抵消了 毛细作用力。 由于较细的缝隙浇口中的结构毛细作用力，最热的金属

3、从垂直冒口底部流至顶部，然后再排除压力的作用下，通过缝隙浇口喷射进型腔。缝隙浇口的一个作用可以称为 传送带。缝隙浇口浇注系统结合了底注式浇口浇注系统和顶浇浇口浇注系统的优点 。这能使热熔融金属有序地充填型腔，并且能形成一个温度梯度适合铸件凝固时的补缩。但是，一些研究表明布什所有的缝隙浇口浇注系统都有这一特点的。 特殊设计的缝隙浇口浇注系统，例如：缝隙浇口浇注系统的垂直冒口横截面底部窄顶部宽，这能提供这一填充模式。  很多用水流来控制的研究工作已经被拍照记录 下来。其他研究也通过实时 X 射线摄影技术揭示了液态铝在沙模中的性能。前面这些研究 揭示了一些铝浇注系统的特点，这个浇注系统能在

4、混入最少的氧化膜的情况下应用最大的流速。然而，没有一个 X 射线研究能直接适用于金属模铸造工艺。 因为高密度的铁制模具没有对铝合金熔融体流动适当的定义，所以在金属模上用实时 X 射线的研究是不可行的。在本文中，应用了一个石墨模型， 这个模型设置在垂直方向，并且沿铸件和浇注系统的中心线布置。石墨的低密度使得铝液流过浇注系统进入型腔的过程能被监控。  1、实验布置  X 射线在 1895 年被发现， X 射线照相早在 1896 年就用于记录产业革命。 S.L.Fry 或许是第一个将实时 X 射线系统用于金属充填性能的。 发射源放射出的 X 射线，当穿透不透明的物体，射线在底片上

5、曝光生成铸模型腔中的流动性能的图像。在这项研究中，用到了一台160KV 的 X 射线发射源。在这个电压下， X 射线能穿透最厚 75mm 厚的铝，或者 13mm 厚的 H13 工具钢模型。与钢铁不同，石墨有与钢相似的热血特性，但在加工时更易被 X 射线穿透，在实时 X 射线研究时，石墨能够代替标准工具钢模型。在 X 射线 穿透模型后，它们会穿过薄而致密的增强剂屏幕，增强剂屏幕能使 X 射线照相的曝光时 间更短，从而使充填过程的实时摄影成为可能。当 X 射线穿过增强剂屏幕时， X 射线的影像能被带有电荷耦合器件（ CCD）的照相机捕获。这时讯号传送到电脑上记录下来。  这个实验所用的装

6、置如图 1 所示。一个保温的坩埚被安放在石墨模型上。这个保温坩埚装有一个柱塞堵住了通向垂直方向的浇口和浇注系统的洞口。气压作用在柱子上，使它保持位置直到熔融合金注入到坩埚中，气压缸通过远程控制来移动石墨柱子和柱塞。这使熔融金属 A356 铸铝流过直径为 20mm 的直浇道，充填满型腔后打开。在这期间，浇注系统中熔融铝的流动模式将被 X 射线系统记录下来。  2、 铸模模型和浇注系统的尺寸  石墨模型的厚度大约为 50mm，放置于浇注系统和铸模中心线的中间，垂直的大冒口放置在铸模的边上。这是一个通过一个截面很窄的内浇口将整个铸模和冒口连接起来的浇注系统。这个设计将最热的金属置

7、于冒口顶部，这个位置称为补缩口，缝隙浇口产生的力提供足够的阻力使金属流动的速度降下来。这使得只有很少的液态金属紊流流入铸模型腔，但在用侧补缩口时会发生一些不利的结果。例如，由于内浇口的位置 的设置， 需要 进行大量机加工来获得需要的形状。到目前为止，在浇注系统设计时还没有可靠的方法来算出内浇口的宽度和 厚度。浇注系统的设计和一些临界尺寸如图 2 所示，直浇道在横截面上的尺寸为 20mm20mm，高度为 170mm，几乎超过铸模型腔的整体高度。  3、实验结果及分析  3 1、缝隙浇口浇注系统模具充填过程  熔融金属充填铸模型腔的流动形式如图 3，这种流动形式 是

8、通过不同时间段 的实时 X 射线摄影记录的。如 X 射线图像图 3（ a）所示，冒口更早的被先进入铸模型腔的液态金属所填充。这表明：充填铸模型腔的临界排出压力要克服通过缝隙内浇口时所受的摩擦力。在充填冒口时，紊流减少了。但是金属流通过内浇口进入铸模型腔时，观察到了一个很高的金属流流速。这发生在铸模型腔底部，这时模型逐渐变得均匀一致。可以清楚地看到铸模型腔中有一个涡流。这个涡流将空气卷入熔融金属中，并增强了对流，使铸模型腔的温度均匀分布。因此，凝固时需要满足的温度梯度无法得到，铸件中容易出现缩孔缩松。  3 2、缝隙厚度对模型充填形式的影响  铸模型腔中的金属流的充填形式主要

9、取决于缝隙厚度。缝隙浇口浇注系统的这个特点对充填过程很有帮助，因为这能减少氧化膜混入流体中。通过以上讨论，冒口中金属液的高度越高，熔融体流入型腔越快。不难想象，缝隙对熔融体的摩擦力将随着缝隙厚度的增加而减少，因此只需要更小的排出压力。  对缝隙厚度的详细研究采用相同的浇注系统，如图 2 所示。但铸模型腔部分不包括及缝隙浇口开向空气。图 4 说明了熔融铝 A356 在厚度为 2.0mm 的缝隙中的流动形式。喷射出口的速度可以通过控制计时和喷流离 模型的距离来确定。喷流距离从 X 射线图像测得，并绘制出 关于缝隙厚度作用与喷流距离关系的线性图，如图 5 所示。随着缝隙变厚，喷流距离在慢慢

10、下降，冒口中熔融金属的高度与缝隙厚度的关系也绘制出一张线性图，如图 5 所示。随着缝隙变薄，冒口中金属液的高度急剧增加。  灵敏度研究得出一个很有趣的结果：由于冒口的存在，缝隙厚度没有主要影响缝隙出口处喷流的速度。在冒口，相对于喷流的变大变小，随着缝隙厚度的改变，液态金属趋向于升高或者降低。换而言之，窄缝口就像一个节流口，缝隙 越窄阻碍的流体越多，需要越多的压力来保证流动。结论是冒口中的金属高度要高一些，这样金属流才能流过缝隙。  3 3、垂直冒口很截面面积的影响  模具的充填不仅仅依赖于排气 缝隙 的大小，而且与垂直冒口的横截面面积也有关系。如图 6 中所示，它

11、需要更多的熔融金属和更多的时间去充填一个横截面较大的冒口。实际上，熔融金属在冒口中的温度是逐渐降低的。此外，由于冒口内部的温度下降将会降低其注射速度，同时在铸模型腔内部减少紊流，从而有利于形成一个平稳的充填形式。  3 4、表面涂层的影响  在金属模的表面添加一层隔热涂层是一种很常见的操作。这个涂层不仅影响了金属液的充填形式，同时还影响着金属模的温度分布。在没有合适的涂层的情况下，熔融铝在铸模较厚的地方冷却较快且逐渐凝固，导致生成不稳定的 急冷圈。在这里隔热层起到了一个很重要的作用，它减缓了热量的散失，使熔融铝能在模具中充填到更远的距离。在实验中， Foseco铸模 ESS

12、34 和 E39 被应用来开 缝隙 和嵌件中。如图 7 所显示的 ESS34 的横截面，图片里所示的表面涂层的粗糙度可以从其边缘处很清晰地被看出来。在这个例子里面，粗糙度的平均值为 38.6mm。  图 8 所显示的试模被用来研究铸造模粗糙度的影响。与图 1 所示的设计相比，唯一的区别就是 缝隙 的高度、宽度和垂直的流道。在这个设计里，垂直流道和 缝隙 的高度被减小到了65mm，与此同时 缝隙 的宽度 相应的被增加到 50mm，这样的设计可以保证熔融液可以很好的充满 缝隙 ，这样以便于探讨铸模的粗糙度对熔融金属流动的影响。  有两个可移动插入内置的插 缝隙 被放置在模具内部

13、，从而创造了一个理想的厚度缝隙，同时可以加涂不同的涂层。注意 缝隙 和冒口一定要小，这些设计都是为了评价如前所述的“自我管理”机制。借助于流体阻力的增加，从而增加冒口中流体的高度。在很小的缝隙活冒口中，入口处的流体注射的 速度由熔融金属的温度和摩擦损失来决定。对于一个给定的金属的温度和缝隙的厚度，损失仅仅由铸型的粗糙度决定。  图 9 显示了融融金属喷射距离与涂层粗糙度的影响。由于与融融金属表面接触较多，一个光滑的涂层将会产生更多的摩擦损失。结果表明，熔融金属在通过带有粗糙度涂层的缝隙的入口处时可以获得更高的速度。相同的原因，一个光滑的涂层将会提供更好的界面传热。图为熔融金属与氧化膜

14、接触仅仅是通过表面的尖点。该界面的传热较低。因为在模具表面与尖点处充有空气。一个粗糙的涂层因此是更加好的绝热层，这是金属模制造的一个众所周知的事实。  4、总结  （ 1）在有合适缝隙浇口的浇注系统的情况下，熔融金属能够顺利的充满型腔。较大的垂直浇道不仅仅有利于铸 造，还有利于热的熔融金属充填到型腔顶部。因此，一个有利的温度梯度是有利的，可行的，这种方法在模具型腔的顶部和底部显得尤为重要。因此在溶液凝固过程中充填是合适的。  （ 2）在模具充填过程中 缝隙的尺寸大小是至关重要的。较薄的缝隙有利于金属填充到模具型腔的顶部。然而过薄又会导致喷射，从而产生很多的气孔而无

15、法排除。另一方面，较厚的缝隙可以提供一个平稳的填充过程，但是太厚了就将失去这一优势了，从而产生与底部内浇口很相似的充填模式的。  （ 3）与熔融金属在垂直冒口中的温度相比，缝隙的大小对充填速度的影响明显要小得多。完全可 以这样认为，空间较大的垂直冒口可以降低充填的速度，从而形成一个平稳的充填过程。  （ 4）粗糙一点的表面涂层与光滑一点的表面涂层相比更有利于充填和补缩 。考虑到涂层与熔融金属间的空气阻隔，这一观点就不难理解了，当氧化层接触到粗糙涂层的脊端时，在涂层与熔融金属之间微薄的空气隔层与光滑的涂层相比可以提供更好的隔热效果。实验证明，这层绝缘层在模具中提供了更远的充填距离。