PQ2图技术在气缸体压铸生产中的应用.docx

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PQ2图技术在气缸体压铸生产中的应用

P—Q2图技术

在气缸体压铸生产中的应用

2006-2-16

P—Q2图技术

在发动机缸体压铸生产中的应用

严炎祥

摘要：

论述了P—Q2图技术的基本原理。

验证了压射系统进油路调速、回油路调速时金属液泵（浇道）内P—Q2关系，两者的结果是一致的。

结合气缸体压铸生产实践，阐明了P—Q2图技术在实际压铸生产中的应用方法。

关键词：

P—Q2图气缸体压铸件应用

P-Q2图技术的理论在上一世纪的八十年代早已突破，但却不能在我国有效地推广、普及、应用。

究其原因，是当时压铸机对压射速度不能精确有效地进行测量、显示、调整和设定，所以这项技术在实际使用中碰到困难，不能发挥应有的作用。

随着压铸机设计、制造水平的提高，现在能方便地制造出对压射速度进行闭环实时控制的压铸机，具有压射速度的控制、测量、调整、显示和设定等先进功能，特别还具有得心应手的人机界面，使得对压射速度的设定非常方便，为P-Q2图技术应用创造了条件，奠定了基础。

所以，现在在压铸业界推广、普及、应用P-Q2图技术的时机已经成熟。

在开发1300cc四缸发动机铝合金气缸体压铸件（图1）的工艺设计中，应用了P-Q2图技术。

生产四缸铝合金发动机气缸体的压铸机是瑞士BUHLER公司制造、型号EV220、2200吨压铸机，它具有压射速度的测量、显示、调整、控制的先进功能，还具有优秀的人机对话界面，为应用P-Q2图技术奠定了扎实基础。

1铝合金气缸体压铸件概况及压铸工艺

为了阐明P-Q2图技术在气缸体压铸生产中的应用，先介绍一下气缸体压铸件概况及压铸工艺。

1.1铝合金气缸体压铸件概况

气缸体压铸件（图1），是一个几何形状复杂，有高的气密性、尺寸精度、内在质量要求，并镶有耐磨合金铸铁缸套的大型压铸件。

气缸体压铸件总重量（包括四个合金铸铁缸套重量）16.68kg，其中

铝合金部分重量（不包括四个缸套重量）13.0kg,压铸机取件重量（从

图1四缸发动机气缸体压铸件

压铸机上取下时）为22kg；排渣包重量为0.90kg，浇道系统重量为4.42kg，总浇注重量为18.32kg，总合金熔液的体积为7.33L；通过内浇口的填充重量13.9kg，填充的合金熔液的体积为5.56L；气缸体压铸件的壁厚不均匀，大部分壁厚3.5mm，部分壁厚20mm，平均壁厚6mm。

形状复杂，金属液的流程较长，且转向较多。

1.2气缸体压铸相关工艺

根据对压铸件的投影面积和合模力的计算，选用瑞士BUHLER公司生产、型号为EV220、合模力为2200吨压铸机。

根据总浇注重量为18.32kg，总合金熔液的体积为7.33L，选用直径为130mm的料缸，有效长度为1064mm，冲头总行程为994毫米。

料缸充满度φ=52%，大于50%，符合压铸工艺要求。

根据压铸件的结构特征、平均壁厚和压铸合金特征，填充速度vn设定为46m/s左右，填充时间约为80ms左右。

填充流量Q为69.5L/s,模具内浇口截面积An=Q/vn=1000×69.5/46=1510mm2，把模具内浇口截面积An设计为1500mm2。

2P-Q2图技术在气缸体压铸生产中的应用

2.1p—Q2图的实质

在金属液填充这一过程中，压射冲头的前端面、料缸（直浇道）横浇道、内浇口组成的（几乎密闭的）容积和（运动的）压射冲头组成了一个液压泵——“金属液泵”，参见图9。

由于冲头运动，强制（几乎密闭的）容积减少，把金属液从内浇口“泵”出去。

我们把压射冲头端面上压力与运动速度可以看作为压射液压系统输入到“金属液泵”动力；我们把“金属液泵”内的金属液体在内浇口截面处的所产生的压力和流量，看作为“金属液泵”的输出。

从流体力学的观点来看，在填充过程中存在着两个液压系统〔1〕：

一个是金属熔液通过内浇口时的高速流动；另一个是从畜能器来的液压油在压射缸内流动。

它们都遵循流体力学的伯努利定律：

推动液体流动的压力越大，液体的流速越快，流体的压力（p）与流体的速度（v）的平方或流体的流量（Q）的平方成正比。

由于第二个系统是向第一个系统提供动力的，两者相互依存，有着密切联系，即金属液系统与液压油系统是关联的，在以后的叙述中可以知道，它们可以用同一张p—Q2图表示。

2.2气缸体压铸模p—Q2图的模具线

金属液体在内浇口高速流动，其流速〔2〕vn=1000C（2p/ρ）1/2。

等式两边平方整理后就有下式成立。

p=ρvn2/（2×10002C2）

（1）

式

（1）说明填充压力遵循流体力学的伯努利定律，与速度的平方成正比。

由于内浇口处的流速与流量有如下关系：

vn=1000Q/An

（2）

将式（3）代入

（2）则p可用流量Q表示：

p=ρQ2/（2An2C2）（3）

式

（1）、

（2）、（3）中

p—金属液在内浇口处的填充压力（Mpa）

C—流量系数（见表1）

ρ—金属液密度（kg/m3）（见表1）

vn—金属液在内浇口处的速度（m/s）

Q—流量（单位时间内流过内浇口的金属液体积）L/s

An—内浇口处的截面积（mm2）

式（3）式中变量是p与Q，揭示了在模具的浇注系统（金属液泵）中，所需的填充压力p与流量Q之间的关系，根据此式作图，显然是一条经过原点、开口向上的抛物线；如果以流量Q2作为横坐标，

表1液态金属的密度与压铸模浇注系统的流量系数

合金类型

铝合金

锌合金

镁合金

液态金属密度ρ（kg/m3）

2500

6400

1650

流量系数C

0.5

0.6

0.5

得到直线型的关系线，叫做p—Q2图的模具线，如图2所示。

气缸体压铸模浇注系统的内浇口截面积1500mm2，根据表1查得C为0.5，ρ=2500kg/m3,代入式（3），整理后得到式（4）。

P=Q2/450（4）

根据式（4）作P—Q2的模具线：

取两个点。

第一点，设p=0，代入式（4），则Q=0，是坐标原点；第二点，选取适当的p，如选p=20时，代入式（4），经计算，Q=94.87L/S，第二点坐标为（94.87，20）。

用直线把两点连起来，就作出了p—Q2图的模具线，如图2所示。

在浇注系统（金属液泵）内，金属液高速流动过程中，根据流体力学原理，压力损失是不可避免的。

在接近内浇口处的压力总是小于直浇道内（靠近压射头端面）的压力；反过来说，为了维持内浇口处的一定的流量，要求在浇注系统（金属液泵）有更高的压力，其程度可用流量系数C表示。

压铸合金种类不一样，流量系数C不一样；即使是同种压铸合金、同一浇注系统（形状、截面已固定），其流量系数也会随着金属液的浇注温度、模具温度、流道的表面粗糙度的差异而有较大变化。

流量系数越小，流动效率越低。

通常，卧式冷室压铸机压铸铝合金，其流量系数在0.4—0.7左右。

在开始作p—Q2图的模具线的时候，我们可以先设C为0.5，在实际生产时，根据压铸机的压力——行程——速度曲线中的填充压力和填充速度，根据式

（1），倒推出实际的流量系数C，可以作出更符合实际的p—Q2图的模具线。

不同的流量系数，明显地影响p—Q2图模具线的变动。

在图2中，是C=0.5、C=0.6的两条p—Q2图的模具线。

图2气缸体压铸模p—Q2图的模具线

根据填充理论，还可求出其它一些工艺参数，常用公式如下：

Q=CAn

（5）

vn=1000C

（6）

t=V/Q（7）

vk=1000×Q/A=vnAn/A（8）

在式（5）、（6）、（7）、（8）中

Q—流量（单位时间内流过内浇口的金属液体积）L/s

p—金属液的填充压力（Mpa）

C—流量系数（见表1）

ρ—金属液密度（kg/m3）（见表1）

An—内浇口截面积（mm2）

vn—金属液在内浇口的速度（m/s）

t—填充时间（s）

V—经内浇口的金属液体积（压铸件型腔体积）（L）

vk—压射冲头速度（m/s）

A—压射冲头面积（mm2）

2.3BUHLER公司2200吨压铸机p—Q2图的机床线

在快速填充时，使金属液体产生压力和流动的压射冲头推力与运动速度，可以看作为金属液压泵的输入能量，该能量是由压铸机压射液压缸的液压系统提供的，它也遵循流体力学的伯努利定律。

压射液压缸的液压系统有进油路调速和回油路调速两种方法，下面就这两种方法的p-Q2关系作说明。

2.3.1进油路调速时的p-Q2关系

进油路调速时（图3）,压射缸回油腔内油液从大口径的快排阀排到油箱，因此，回油腔压力几乎与油箱压力相等，接近于零。

压射缸进油腔用阀加以控制。

此时，畜能器内压力pb与压射液压缸内压力pc之间的压力差（pb-pc）与压射液压缸进油腔内的流速vk的平方成正比，可用公式（9）表示。

pb-pc=kvk2（9）

根据最大空压射速度这一边界条件可求得k值。

当vk=v0时，pc=0，则可求得

k=pb/v02（10）

把式（10）代入式（9）经整理后得式（11）。

pc=pb（1－vk2/v02）（11）

图3压射液压缸内的pc与vk

也可写成式（12）

pc=pb（1－Qk2/Q02）（12）

式（9）、（10）、（11）、（12）中

k—比例常数

pc—压射液压缸内有效压力（Mpa）；

pb—蓄能器压力（Mpa）；

vk—压射液压缸内快压射时液体流速（m/s），vk=压射冲头速度。

v0—压射液压缸内最大空压射时液体流速（m/s），V0=最大空压射速度。

Qk—压射液压缸内快压射时液体流量（L/s）

Q0—压射液压缸内最大空压射时液体流量（L/s）

分析式（11）、（12），当压射速度vk达到最大时（压铸机的最大空压射速度v0），在蓄能器到压射液压缸的管道中，液体以最大速度流动，耗去了全部蓄能器压力，没有剩余压力作用于压射活塞上，此时，压射液压缸内有效压力pc为零；当压射速度vk为零时，在蓄能器到压射液压缸的管道中，液体没有流动，没有消耗蓄能器压力，蓄能器的全部压力作用于压射活塞上，pc=pb。

为了在压射液压缸的输出和“金属液泵”的输入之间建立起关系，我们注意到压射液压缸内油液的压力、流量与料缸（“金属液泵”）内金属液的压力、流量之间有如下关系：

pc=pA/A0（13）

Qk=QA0/A（14）

Q0=QmaxA0/A（15）

把式（（13）、14）、（15）代入到式（12）中，得到下式。

p=pb（A0/A）（1－Ｑ2/Q2max）（16）

在式（13）、（14）、（15）、（16）中

pc—压射液压缸内有效压力（Mpa）

p—金属液的填充压力（Mpa）

Qk—压射液压缸内快压射时液体流量（L/s）

Q—料缸内金属液体流量（L/s）

A—压射冲头面积（mm2）

A0—压射液压缸活塞面积（mm2）

Q0—压射液压缸内最大空压射时液体流量（L/s）

Qmax—料缸内最大空压射时金属液流量（L/s），Qmax=A×v0

pb—蓄能器压力（Mpa）；

2.3.2回油路调速时P-Q2关系

现代压铸机的压射系统大多是回油路调速，见图4。

这时，畜能器与压射缸进油腔之间用了一个大口径启动阀。

所以，畜能器内压

图4压射系统回油路调速时P-Q关系

力与压射缸进油腔内压力几乎是相等的。

压射油缸回油腔与油箱之间用调节阀进行速度控制。

此时，回油腔压力为p1,油箱压力为零，压力差即为p1，流量为Q1。

p1与Q1之间有如下关系。

p1=kQ12（17）

又因为

p1=（pbA0-pA）/A1（18）

把（18）式代入（17）式得

（pbA0-pA）/A1=kQ12（19）

根据最大空压射速度这一边界条件可求得k值，即当最高空压射速度时，p=0，Q1=Q1max，代入式（19），可求得

k=（pbA0）/（Q21maxA1）（20）

再将式（20）代入式（19）整理得到

p=pb（A0/A）（1-Q12/Q21max）（21）

我们注意到压射液压缸的回油腔内流量Q1和“金属液泵”流量Q之间有如下关系：

Q1/A1=Q/A=vk，所以有

Q1=QA1/A（22）

同理Q1max=QmaxA1/A（23）

把式（22）、（23）代入到式（21）中，同样可以得到（16）式。

p=pb（A0/A）（1－Ｑ2/Q2max）（16）

由此说明，压铸机压射系统不管是进油路调速，还是回油路调速，它们的p-Q2关系是相同的。

在式（17）、（18）、（19）、（20）、（21）、（22）、（23）、（16）中

k—比例常数

pb—蓄能器压力（Mpa）；

p1—压射液压缸内回油腔压力（Mpa）

p—金属液的填充压力（Mpa）

Q1—快压射时压射液压缸回油腔内液体流量（L/s）

Q—料缸内金属液体流量（L/s）

A—压射冲头面积（mm2）

A0—压射液压缸活塞面积（mm2）

A1—压射液压缸回油腔活塞的环形面积（mm2）

Q1max—压射液压缸回油腔d最大空压射时液体流量（L/s）

Qmax—料缸内最大空压射时金属液流量（L/s），Qmax=A×v0

2.3.3BUHLER公司2200吨压铸机p—Q2图的机床线

冲头作用于金属熔液，产生的压力p与流量Q，其关系遵守公式（16）；根据此式作图，显然是一条不经过原点、开口向下的抛物线；如果以流量Q2作为横坐标，与模具线一样，同样得到直线型的关系线，叫做p—Q2图的机床线，如图7所示。

式（16）中的变量与式（3）中的变量是同一“金属泵”内的p与Q。

于是，p—Q2图机床线与p—Q2图模具线建立起关系，可以在同一张p—Q2图上表示，如图6所示。

BUHLER公司2200吨压铸机压射液压缸的直径为210毫米，快压射蓄能器压力为16Mpa，最快空压射速度为8m/s，生产气缸体压铸件时用的压射冲头直径为130mm，作p—Q2图机床线。

已知：

pb=16Mpa

A0=π×2102/4=34626mm2

A=π×1302/4=13273mm2

Qmax=A×v0=106.18L/S

代入式（16）整理后得到式（24）。

p=41.75-0.003703Q2（24）

取两个特殊点。

第一点，Q=0时，代入式（24），得p=41.75Mpa,第一点坐标为（0，41.75）。

第二点，p=0时，代入式（24），则有Q=Qmax=106.18L/S,第二点坐标为（106.18，0）。

把两点连起来，就作出了p—Q2图的机床线，如图5所示。

即使是同一台压铸机，p—Q2图的机床线因蓄能器压力、调速阀开度、料缸直径的变化而变动，如图7所示。

2.4在p—Q2图上试模

p—Q2图机床线（图5）和p—Q2图的模具线（图2）分别表示

图5BUHLER公司2200吨压铸机p—Q2机床线

了“金属液泵”（模具浇注系统）输入和输出，它们可以画在同一张p—Q2图上（图7）。

此图将压铸机、压铸模、压铸工艺直观、有机地联系在一起，在p-Q2图上模拟“试模”，对压铸模的浇注系统、选用的压铸机、设计的工艺参数用填充理论、压射能量进行审查和评判，

a畜能器压力变化b调速阀开度变化c冲头面积变化

图6p—Q2图的机床线三种变化情况

其好处是在模具设计的同时，就可以做到使机床和模具匹配的最佳状态，在“事前”做到心中有数；可以减少模具制造好后的试模次数，节约试模费用支出。

这样，既缩短了模具开发周期，又提高了压铸件的开发质量。

图7在p—Q2图上机床线与模具线的交会点E

观察图7，把内浇口1500mm2的气缸体压铸模装到BUHLER公司制造的2200吨压铸机上，p—Q2图模具线和机床线相交于E点，该点表示在压铸机的最大能量下的压铸模所能获得的最大填充压力（15.97Mpa）和最大填充流量（83L/s）。

也可以解式（4）、（24）的联立方程得到。

根据填充理论，还可计算得到E点的其它一些参数：

E点的填充速度：

vn=1000C

=56.52m/s，也是该模具最快的填充速度。

E点的填充时间：

t=V/Q=0.066s=66ms，也是该模具最短的填充时间。

E点的冲头速度：

vk=vnAn/A=6.30m/s，也是该模具最快的冲头速度，这时快速阀的开度最大。

但是E点不是我们所需要的工艺参数。

图8是虚拟的模具装到虚拟机床上进行虚拟试模。

根据初定的填充速度为46m/s，计算得到：

填充压力p=ρvn2/（2×10002C2）=10.58Mpa；

填充流量Q=CAn

=69L/s；

模具线上A点坐标为A（69，10.58）。

观察图8，因为A点在E点的左下角，在机床线、纵横座标所围成的面积之内，说明BUHLER2200吨压铸机能满足气缸体压铸模压铸工艺需要。

根据填充理论，还可计算得到A点的其它一些参数：

A点的填充时间：

t=V/Q=0.080s=80ms；

A点的压射冲头的快压射速度：

vk=vnAn/A=46×1500×4/（π×1302）=5.20m/s。

为了让BUHLER2200吨压铸机按设计的工艺进行生产，对机床进行调整，在机床的操作屏幕上，把压射冲头快压射速度设定为5.20m/s。

机床在工作时，自动地控制快压射液压阀的开度，正好让压射速度达到5.20m/s这一点上。

过A点的机床线实际上就是把压射冲头的快压射速度调整到5.20m/s时的机床线，如图8所示。

图8在p—Q2上图试模

如果A点在E点的右上角，在机床线、纵横座标所围成的面积之外，则说明压铸机能力不能满足气缸体压铸模压铸工艺需要。

那就要充分挖掘机床的潜力，采取提高蓄能器压力、改变冲头直径等措施。

如果还是不能满足气缸体压铸模压铸工艺需要，只能重新选择高能量压铸机了。

2.5在试模时对流量系数进行评判

对流量系数C的评判，必须在模具温度、浇注温度等主要压铸参数正常的情况下进行，否则会出现评判错误。

流量系数C是一个受到许多因素影响的系数，横浇道的形状、截面积、位置、粗糙度也会影响C值的大小。

观察图9，靠近内浇口a-a截面处的pa、Qa和靠近冲头前端面b-b截面处的pb、Qb，根据流体力学的连续性原理，Qa=Qb=Q。

但金属液体从b-b处高速流到a-a处有压力损失Δp，所以pb＞pa，Δp=pb-pa。

Δp越大，C越小，填充效率越低。

图9金属液体在浇道内流动时有压力损失

我们在作p—Q2图的模具线时，流量系数是人为设定的，跟实际情况是否一致呢？

在试模时，可以对流量系数C进行验证。

由式（6）可得

C=vn

/1000（25）

式（25）中

C—流量系数

p—金属液的填充压力（Mpa）

ρ—金属液密度（kg/m3）（见表1）

vn—金属液在内浇口的速度（m/s）

在正式试模时，根据机床屏幕上显示的压力—速度—行程曲线上vn和相对应的p值，代入式（25），即可反推求得的C值（如果压力—速度—行程曲线上反映的不是vn和相对应的p值，则要先换算成vn和p，然后进行计算）。

气缸体压铸模在BUHLER-EV220、合模力2200吨压铸机上试模时，根据压力—速度—行程曲线，用式（25）计算，得到它的C仅为0.43，模具线如图10所示,填充速度为46m/s时，工作在A1点上。

C值小于设定值，这引起了我们注意，经查发现横浇道截面积过小，只有2000mm2,把横浇道截面积加大到2500mm2再试，再根据机床屏幕

上显示的压力—速度—行程曲线反推求得的C值为0.47，填充速度为46m/s时，工作在A2点上。

显然，C值还是过小，再把横浇道截面积加大到3000mm2后再试，求得C值为0.50，达到了基本的设定值。

此时，横浇道截面积Ah与内浇道截面积An之比为2，才刚符合短横浇

道的设计要求。

建议在采用短横浇道时，Ah与An之比要大于2，在采用长横浇道时，Ah与An之比要大于3。

在图10中，对应于不同的C值，有不同的模具线；对应于不同的C值，也有不同的纵坐标v（纵坐标v的具体作法见2.6.1）。

为了维持内浇口的填充速度不变，闭环实时控制系统对速度进行测量、跟踪、比较、反馈、修正，自动控制调速阀开度，把填充速度维持在设定值上，这就是实时控制的精髓所在。

所以，对应于不同的C值，有不同的机床线（图10）。

如对应于C=0.43的是过A1点的机床线；对

图10改变横浇道的截面积可改变C值

应于C=0.47的是过A2点的机床线；对应于C=0.50的是过A点的机床线（A1、A2、A是等流量点）。

2.6用p—Q2图优化压铸机和压铸模的匹配

在压铸模的浇口系统设计中，必须考虑压铸机的能力，并对压铸模和压铸机的匹配进行优化，使系统有较大的“柔性”，即在尽可能大的范围内调整工艺参数，去适应多变的生产条件，以获得高质量的铸件。

2.6.1作一个工艺“窗口”

我们可以在p—Q2图上根据较为合适的工艺参数，作一个工艺“窗口”〔1〕,具体方法如下，见图11。

第一步:

根据公式（6）vn=1000C

计算与填充压力相对应的型腔填充速度，在p—Q2图上加上速度标尺的纵坐标；

第二步:

根据公式（7）t=V/Q计算与金属熔液流量相对应的型腔填充时间，在p—Q2图上加上填充时间标尺的横坐标；

第三步:

根据公式（8）vk=1000×Q/A=vnAn/A计算与金属熔液流量相对应的压射冲头速度，在p—Q2图加上压射冲头速度标尺的横坐标；

第四步:

根据气缸体压铸件的结构特征和压铸合金特性，确定型腔的最大填充速度Vnmax为50m/s，最小填充速度vnmin为35m/s。

在P—Q2图上作该两条水平的速度线；

第五步:

根据气缸体压铸件的结构特征和压铸合金特性，确定型腔的最短填充时间tmin为75ms，最长填充时间tmax为100ms，在p—Q2图上作该两条垂直的时间线；

我们看到:

Vnmax、vnmin、tmin、tmax构成了一个矩形“窗口”（图11），如果压铸系统工作在此窗口内，即压铸工艺参数设定在该窗口内，则能获得优良的压铸件。

2.6.2用工艺“窗口”对工艺进行调整

根据有窗口的BUHLER2200压铸机——气缸体压铸模p—Q2图（图11），可以立即对工艺作出评判或方便地对工艺进行调整。

a）观察图11，模具线与机床线的交点E在窗口外的右边，说明BUHLER2200压铸机能提供的能量大于填充气缸体模具型腔所需要的能量，能满足压铸气缸体的要求；模具线OE段在窗口内的长度较长，说明压铸系统的“柔性”较好，则机床与模具的匹配是好的，压铸工艺可调范围较大,说明内浇道截面积1500mm2是适宜的。

图11用p—Q2图优化压铸机和压铸模的匹配

b）在内浇道截面积1500mm2时，当最短填充时间为75ms时，相对应的最大冲头速度是5.58m/s，填充速度是49.35m/s；当最长填充时间为100ms时，相对应的最小冲头速度是4.19m/s，填充速度是37.07m/s。

当铸件的质量状况发生变动需变更工艺时，工艺“窗口”为我们框定了冲头速度只能设定在4.19m/s到5.58m/s之间、相对应的填充速度在37.07m/s到49.35m/s之间的较好的工艺范围内变动，为我们明示了工艺改进的方向。

c）如果模具线OE段在窗口内的长度很短或越出了窗口，则说明压铸系统匹配不好。

然而，p—Q2图还是提示了优化压铸系统的方法：

模具线的OE段在窗口的下面，通常是要减少内浇道的截面积；OE段在窗口的上面，通常是要增加内浇道的截面积。

也可以采用改变冲头直径的方法，但要受到料缸充满度和慢压射速度等因素的制约。

3气缸体压铸生产时的速度-行程设定

快速行程按下式计算：

Sk=4Vk/（d2π）=4×5.56/（1.32π）=419毫米。

其中，Vk-经过内浇口