NADCA压铸手册.docx
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NADCA压铸手册
DIECASTING
HANKBOOK
壓鑄手冊
NADCA
目錄
（TableofContents）
1.壓鑄簡介（AnIntruductiontoDieCasting）
1>壓鑄——工業体系（DieCasting――TheIndustrialSystem）
2>配套工業（SupportingIndustries）
3>北美壓鑄學會（TheNorthAmercianDieCastingAssociation）
4>壓鑄業（TheDieCastingIndustry）
5>開發歷史（HistoricalDevelopment）
2.壓鑄原理和理論（PrinciplesandTheoryofDieCasting）
1>壓鑄過程（DieCastingProcess）
2>壓鑄机能力–PQ2分析（MachineCapacity――PQ2）
3>填料時間分析（FillTimeAnalysis）
4>壓鑄熱流理論（HeatFlowTheoryforDieCasting）
3.壓鑄合金和合金熔化与處理（DieCastingAlloysandAlloyMeltingandHandling）
1>鋁（Aluminum）
2>鎂（Magnesium）
3>鋅（Zinc）
4.市場和產品設計（MarketsandProductDesign）
1>壓鑄件的市場（MarketsforDieCastings）
2>工業設計標准（IndustryDesignStandards）
5.高完整性壓鑄件（HighIntegrityDieCastings）
1>高完整性鑄造過程（HighIntegrityCastingProcesses）
2>高完整性零件設計標准（HighIntegrityPartDesignStandards）
6.模具材料和模具設計（DieMaterialsandDieDesign）
1>模具材料和熱處理（DieMaterialsandHeatTreat）
2>壓鑄模設計（DieCastingDieDesign）
3>模具涂層和表面處理（DieCoatingsandSurfaceFinish）
4>計算机模擬（ComputerSimulation）
7.壓鑄机標准（DieCastingMachineStandards）
1>壓鑄机革新（InnovationsinDieCastingMachines）
2>描述冷室机的規格（SpecifyingaColdChamberMachine）
3>最佳的壓射司筒性能（OptimizintgshotsleevePerformance）
4>壓鑄机安全標准（MachineSafetyStandards）
8.生產過程和自動化設備（ProcessingandAutomationEquipment）
1>澆包（Ladles）
2>往复運動机裝置（Reciprocators）
3>脫模器（Extractors）
4>精加工体系（FinishingSystem
9.環境問題（EnvironmentalIssues）
1>廢水管理（Wastewatermanagement）
2>雨水管理（StormWaterManagement）
3>油和有害廢物管理（OilandHazardousWasteManagement）
4>空氣排放（AirEmissions）
5>壓鑄工業的ISO14001（ISO14001fortheDieCastingIndustry）
10.客戶品質和過程控制（CustomerQualityandProcessControl）
1>品質:
生產力和利潤（Quality,ProductivityandProfitability）
2>品質和生產力:
公司輪廓（QualityandProductivity:
CompanyProfiles）
3>過程控制的實施（ImplementationofProcessControl）
4>水管線路圖和它的使用（TheWaterlineDiagramandItsUse）
5>壓鑄裝配圖（DieCastingSet-upChart）
11.教育和認証（Educationandcertification）
1>認証等級（Certificationlevels）
2>認証類型（CertificationTypes）
3>初級認証（InitialCertification）
4>認証的維護（MaintenanceofCertification）
12.詞匯表（DictionaryofTerms）
附錄（Appendix）
NADCA出版物清單（NADCAPublicationlist）
NADCA教育課程簡述（NADCAEducationCourseDescriptions）
前言（Preface）:
這本手冊第二版由北美壓鑄學會（NADCA）編纂.它更新了1982年以前出版的壓鑄手冊,這本手冊的目的是給壓鑄工業提供一般性技朮信息.包括的課題有:
壓鑄件如何開發及何時開始開發,零件如何通過壓鑄過程設計并生產,壓鑄件的市場,壓鑄工業中的環境問題是什么,各種壓鑄過程的優點,還包括壓鑄中常用詞條的詳細解釋.
這本手冊的各個章節由壓鑄工業特別課題專家編制.為了提高整個壓鑄工業的認識,這本手冊包含了這些工業專家的智慧和專門知識.這本手冊從頭至尾對各個課題都提供了更祥細的信息以供參考.
我們希望這本手冊對你是有用的工具,使你致力于學習和實踐壓鑄的過程中取得更大的成功.壓鑄對于許多复雜元件的生產是一個穩定的和成本有效的過程,壓鑄工業的前景是非常美好的,但是要維持加工過程的竟爭性優點就要求持續改善.這本手冊是一本專以壓鑄工業的持續改善為目標.
謝啟（Acknowledgements）:
這本手冊通過北美壓鑄工業許多技朮專家的奉獻及自愿參預了排字、校訂和各章節的編纂工作.他們希望通過分亨他們的智慧和經驗,壓鑄業會壯大和美好,以下是對此書的出版作出貢獻的人員名單.（略）
I.壓鑄簡介（AnIntroductiontoDieCasting）
由于金屬熔化之后會按要求在具有腔型的設計模具內凝固,所以壓鑄過程是真實的金屬鑄造過程.在鑄造過程中利用沙或石膏為模具,熔化金屬的熱量或者鑄件在出模之時毀坏了模具.在壓鑄過程中,由硬質鋼制成的模具可以承受鑄造熱量,而且由可動模塊組建的模具使凝固鑄件易于清除出模腔.因此,這些模具可以重复使用,而且可以用來生產出成千上万甚至百万件鑄件.這些模具稱作“dies”,是因為它們具有永久性、并可重复使用,還可承受強大的壓力或強度且包括复雜的机能.
壓鑄過程實際上有三個子過程.它們是:
（1）金屬型鑄模鑄造（有時稱腔型壓鑄）;
（2）低壓力壓鑄;（3）高壓力壓鑄.在北美盡管技朮包含所有的三個子過程,但是壓鑄過程通常指高壓力壓鑄.三种過程主要的不同點在于把熔化金屬壓入模中所用的壓力大小不一樣.三种過程都使用可重复利用（通常是硬質鋼）的模作為模具。
在金屬型鑄模中鑄造時,熔化金屬流進模中且流動僅靠重力作用。
低壓力過程使用的壓力可達1.5Mpa（200磅/平方英寸）迫使熔化金屬流進模中。
高壓力壓鑄過程在壓力為7.0至140Mpa（1000至20000磅/平方英寸）的條件下把熔化金屬壓入模中。
隨著壓力的增加,要求把熔化金屬填滿模中所用的時間就會相應地減少。
隨著熔化金屬射料壓力的增加,要求机器使用相應增加的力保持兩塊半模貼在一起.內部金屬液壓會非常高,因此壓鑄机要夾緊閉合的模所用的力也要非常大.大型壓鑄机使用超過25MN（3.000吨）的力夾緊模.為了使用更大的壓力,熔化金屬被舀進圓柱狀室內并由液壓驅動的柱塞把金屬推進模中.
机器依据運動的先后順序被制造成自動化地循環.循環過程包括:
（1）合模;
（2）給模施加夾緊力;（3）舀進熔化金屬;（4）把熔化金屬射入模中;（5）等待金屬在模中凝固;（6）開模;（7）鑄件脫模.模吸收鑄件的凝固熱量,熱量必須通過模被處理,而且在制造下一個鑄件之前要清理掉模腔區域的熱量.熱流通過模的設計和控制是過程中最重要和頗具挑戰性的狀況之一.這种過程技朮在使用消耗性的模具鑄造過程中還沒有對等物.
（1）壓鑄（DIECASTING）---工業体系（THEINDUSTRIALSYSTEM）
壓鑄僅是工業体系內制造過程中把原材料加工成消費品的一個步驟.原材料（金屬）要么產生于礦石之中,要么產生于廢金屬之中.
鋅壓鑄合金或鎂壓鑄合金直接從礦石中開采出來,再經過采礦公司和/或冶煉公司精煉成高純度的合金錠并作為“原始”金屬出售.大型的壓鑄公司采購回這种“純”合金錠后給其添加其他成分變成特殊用途的合金.多數小型壓鑄公司要么從冶煉厂、要么從專門從事購買純金屬并生產壓鑄合金的合金廠采購預制合金.鋅采礦公司支持國際鉛鋅研究組織（ILZRO）,資助研究的目的在于開發這些金屬的新用途（或更為有效的使用方法）.這些公司也支持另外一家叫做“InterZinc”的組織,促進鋅的利用并協助開發新的市場.壓鑄公司可以得到這些組織的技朮支持.
大多數鋁和銅壓鑄合金是二次合金,它們由廢金屬精煉而成.廢金屬可以從其他加工操作中收集,比如板材衝壓形成的碎屑,或机加工操作中的刮屑.大部分廢金屬來源于超過使用壽命的物品和准備處理的物品.二次冶煉公司采購廢料,然后分選精煉成壓鑄合金。
在精煉過程中可以加入“新”金屬以保証合金成分的正確性.冶煉厂把合金澆鑄成合金錠供壓鑄公司采購.大多數鋁合金在熔化狀態下直接用特制的料罐車運到壓鑄公司.這樣一個過程使壓鑄公司節約了高額的再熔化成本.二次鋁冶煉公司支持一個名叫鋁協會（AA）的貿易組織.銅采礦公司支持名為銅開發協會（CDA）的貿易、市場開發和標准組織.這樣的協會支持國際銅協會（ICA）,國際銅協會贊助并促進研究,其目的在于擴大銅的應用.
在鑄造之時,每一次鑄造都包括額外的、以直澆口（餅干）,澆道、溢流和批鋒狀態存在,且又必須要清除掉的金屬.此種額外的材料通常要使用衝模在外力的作用下從鑄件上切除掉.這些毛邊料在壓鑄公司作為廢料使用.
有些情況下,壓鑄公司在鑄件衝完水口的情況下就直接把鑄件出售給加工鑄件的公司.也有些壓鑄公司會對鑄件實施其他加工和金屬表面處理（例如:
磨光,拋光,電鍍,噴油和加工）,然后再交付給客戶.在這種情況中,壓鑄件采購商簡單地把表面處理過的零件裝配在最終的產品上,壓鑄件的生產通常在諸如家庭用品制品厂、汽車公司和五金廠內進行.
（2）配套工業（SUPPORINGINDUSTRIES）
壓鑄業是制造業中高度專業化的一部分.影響壓鑄業的工業是:
机械工具業、模具加工業、公用設施業、基礎設施業、金融業、運輸業和通訊業.有些配套工業已發展成為集中服務壓鑄業的特殊團体.比如:
机械工具業、模具加工業、過程潤滑劑生產業、工業熔爐業。
這些公司已開發了很多壓鑄工業需求的先進技朮,而且這些公司的命運也和壓鑄業的健康發展緊密相聯.
（3）北美壓鑄學會（NADCA）
大部分配套工業和壓鑄公司都与壓鑄組織有關系.已提及過一些學會,但是在北美支持壓鑄公司的首家學會是北美壓鑄學會（NADCA）.
北美壓鑄學會是一個國際技朮和教育組織,成員大部分來自美洲從事壓鑄件生產的公司,也有來自其他洲的成員.在壓鑄工藝和科學方面,在金屬的表面處理方面和同類工藝方面壓鑄學會致力于改善和知識的傳播.
壓鑄學會的初始目標是提高團体的壓鑄知識,培訓教育課程,鼓勵新產品的研究,通過教育和研究促進壓鑄工業的發展和成長.
NADCA（以前為SDCE）于1955年在密執安州法律的指導下作為一個非贏利組織組成學會.現在在美國、加拿大和拉丁美洲已有24家分會.由于對NADCA的活動感興趣,其他的分會仍在組織之中.
（4）壓鑄工業（THEDIECASTINGINDUSTRY）
在北美有350多家壓鑄廠商,很多壓鑄廠商都是專業生產壓鑄件的獨立公司.這些公司通過計件竟標獲得業務.這些“習慣”上稱為壓鑄厂的規模小到只有三、四台小型壓鑄机,大到具有許多大型壓鑄机厂的股份公司.
有些壓鑄公司已開發了具有專利的生產線使他們的生產能力大大提高.如果一旦成為壓鑄公司,或者確定生產,那么就包含在壓鑄之中.因為這是生產他們產品的最佳途徑.當一個公司內有壓鑄廠支持其活動時,壓鑄操作就認為是“鑄造”操作.在北美大約一半的壓鑄厂都屬于這种范疇.
汽車、小發動机、船舶外裝產品和建筑商五金工業都有大型的壓鑄設施.有些厂具有100多台壓鑄机,其合模力可達32MN（3.500吨）.同樣,大部分小功率電子感應電動机的制造厂商也具有壓鑄設施.
很多其他金屬生產公司也有壓鑄厂,它們又有一台小型壓鑄机從事大量的制造,与此同時這些公司實質上也可以專門從事壓鑄制造了.
因為壓鑄操作要求專門的工程技朮 且培訓從事設備維修人員要求高,所以壓鑄厂通常最經濟的作法是至少要有12台中等大小的壓鑄机.壓鑄机的數量太少已証明是得不到技朮人員和設施合理支持的.如果壓鑄操作僅限于合模力小于10MN（100ton3）的壓鑄机,那么經濟狀況就不一樣了,經濟的作法是統一大小,數量為三到四台壓鑄机.
（5）開發歷史（HISTORICALDEVELOPMENT）
在1849年,斯特吉斯（Sturgiss）介紹了和壓鑄相似的工藝,并利用名為“鉛壺”（圖示1）的机器生印刷業中的鉛字而獲專利
首次知曉壓鑄是在1868年,一個英國發明家查爾斯‧波伯哥（CharlsBabbage）開發出了壓力壓鑄工藝,給當今計算机先驅“机械計算机”生產精密的零部件,這些零件中有一件非常薄,直徑為6.5英寸,有80齒的齒輪.在1877年,一台手工操作的壓鑄机由都森波利（Disenbery）在美國制造出來,生產机車頭軸承殼（圖示1-2）.
批量生產產品的需求隨著消費品市場的需求在增長,如愛迪生電報机,電報机的零部件早在1892年就開始壓鑄,与此同時,像現金出納机這樣的業務机器又為壓鑄開辟了新的市場.壓鑄工藝的成長和技朮開發大約從1904年開始,H‧H富蘭克林公司開始給汽車工業生產連杆軸承.主要的開發是在1922年,新澤西的鋅公司把鋅合金引入壓鑄業中才清除了早期出現的問題.
鋁合金首次鑄造大約是在1914年,使用空氣壓力把熔化金屬壓入模中（圖示1-3）.鋁合金的熔點高且和鐵反應,使這種金屬的廣泛應用一直推遲至二十世紀三直年代初“冷室”工藝開發出來.這种工藝減少了鋁和机器的鐵成分接觸的時間,從而大大減少了鋁和鐵反應的机會.
我們現在知道,二十世紀三十年代做出的很多開發部是現代壓鑄工業開始的年代.這些開發是:
（1）首次黃銅壓鑄;
（2）高純度鋅的利用;（3）自動壓鑄机出現;（4）商用壓鑄机的大小和复雜化程度潛在增長;（5）二氧化硫配比裝置的開發使鎂的壓鑄成為可能.
壓鑄工業增長速度最快的時候是在二十世紀五十年代和二十世紀六十年代初.汽車工業和應用工業需要零件數量最多的部分是壓鑄.認真研究程序,目的在于找到使過程更有效、更具竟爭的方法.在二十世紀七十年代把工業帶進一個复雜化的時代。
在二十世紀七、八年代這段時間,壓鑄工業進行了許多重大的研究和開發行動,這樣使壓鑄工業從工藝時代進入了一個以科學為基礎的制造時代.
在二十世紀九十年代這段時間里,壓鑄工業中鋁合金和鎂合金的增長速度最快,大部分增長是由汽車市場引起的.這种增長不僅是机動車輛銷售數量的增長,而且更重要的是在每一輛机動車輛上鎂和鋁金屬的增加可以改善燃料問題.在1991年,每輛車的鋁含量平均為183磅.到了1999年,每輛車的鋁含量就增加到了248磅.截止2004年,每輛車的鋁含量就會超過300磅.新外殼開始增加,電子產品和計算机的使用都幫助了鋁和鎂壓鑄件進一步的增長.
II.壓鑄的原理和理論（PrinciplesandTheoryofDieCasting）
（1）壓鑄過程（DIECASTINGPROCESSES）
“模”一詞在以前的澆鑄中意謂熔化金屬被鑄進金屬型模中并在模中冷卻成形.模是由兩半构成的,可以打開并取出鑄件.壓鑄過程變化很多,沒有一個鑄造過程適用于所有的鑄造產品或所有的生產條件,這些過程通常分為三种主要類型,它們的主要區別是施加給液体金屬和金屬射料系統的壓力是不同的.
金屬型鑄造（永久金屬模鑄造）PermanentMoldCasting（GravityDieCasting）
除過金屬型模可用來代替類似的砂型之外,這种過程所用的方法和傳統砂型鑄造所用的方法相似.金屬型模廣泛應用于有色金屬鑄件的生產,而且要求生產超過一百多件時最為合算.
金屬型鑄造所用的模通常結構簡單,通常由兩半构成.這兩半具有通過模腔的垂直接縫.流道、澆口及气孔和砂型類似而且可以使用砂芯.模具要涂上一層耐火材料,暫時延遲冷卻直到熔化金屬可以均勻地流入模中.
基本的操作包括澆鑄熔化金屬,冷卻階段,頂出鑄件,清理模具,固定松弛的型芯,合模准備下一次循環.圖示2-1展示了金屬型鑄造模的鋁質自動柱塞具有可動的半模和多件位于中部的型芯.圖示2-2展示的是和圖示2-1相同的模,但是它們的自動柱塞在從模中移出前冷卻.
金屬型鑄造的优點（AdvantagesofPermanentMoldCasting）
這种鑄造過程的主要優點是經濟和优良鑄造品質.生產率通常比砂型鑄造高。
這种鑄造鑄出的鑄件比砂型鑄造鑄出的鑄件具有更細的晶粒結構和更好的強度特征.而且,鑄件可以設計成具有更薄的件壁.另外,鑄造表面比砂型鑄造件的表面更光滑,而且由于可以保持更為緊密的尺寸公差,因此很少要求机加工.金屬型鑄件的孔隙率小于砂型鑄件,因而具有优越的氣密性,金屬型模的壽命通常是50000到70000啤之間.
金屬型鑄造的缺點（DisadvantagesofPermanentMoldCasting）
這种鑄造過程由于工模成本高、生產期短而不經濟合算.這种鑄造過程要進行大批量的生產既慢且成本昂貴.高壓壓鑄過程可以更好地滿足大批量生產的要求,當要求不同尋常的可靠性和高机械特征時,金屬型鑄造件就不會滿足零件的要求了.
低壓壓鑄（LowPressureDieCasting）
要想使熔化金屬進入模中的工藝自動化,就要開發出一種技朮代替人工操作熱金屬。
使用低壓壓鑄机,熔化金屬裝在絕熱的、加壓密封的坩堝或熔爐中.管道垂直向下通過熔爐,它的底端浸入熔化金屬中且頂端法蘭用熔爐蓋密封,模裝在熔爐上方的壓鑄机上,并密封管道的開口端,當給熔爐施加氣壓時,熔爐排出熔化金屬并使熔化金屬沿著管道向上運行并進入模腔.
冷卻過程從模的未端依次進行,最后到達給料頭,給料頭是管道的嘴.一旦鑄件開始冷卻,那么通過松弛空氣壓力的方法就把不需要的金屬返回到了熔爐之中。
開模,取出鑄件并開始下一輪循環.
低壓壓鑄的優點（AdvantagesofLowPressureDieCasting）
低壓壓鑄超過高壓壓鑄的最大優點是孔隙率降低.特別是壁厚部分。
因為沒有流道,冒口或澆口,所以鑄造的效率是90~95%.很少有殘渣碎屑需要再熔化,這樣就節約了熔化金屬所需燃料的成本.模具壽命比金屬型鑄造的模壽命長,且模具成本比高壓壓鑄的成本低.低壓壓鑄比高壓壓鑄有更多的合金選擇余地.由于使用的是熱處理合金,且減小了空氣的夾帶量,因此可以改善机械特征.低壓壓鑄過程中可以任意使用型芯,但對于高壓壓鑄過程卻很難生產,鎂合金鑄造也可采納這種過程.
低壓壓鑄的缺點（DisadvantagesofLowPressureDieCasting）
這种過程比高壓鑄過程生產率低,且一般不適宜鑄造更小的零件,表面處理和尺寸范圍不佳,最低壁厚較大,模具壽命比用高壓壓鑄壽命要短,工模成本也高于金屬型鑄造.
高壓壓鑄（HighPressureDieCasting）
這是一種在壓鑄工業中較為廣泛使用的過程.在北美,“壓鑄”一詞的含義通常是指高壓壓鑄.在壓鑄中熔化金屬高速壓入鋼模中,從而保証了熔化金屬完全注入到兩個半模之間的模腔空間內.強行射料冷卻收縮.在熔化金屬進入模中的同時,熱量流動离開金屬并進入模中,金屬冷卻,在完全冷卻之時,開模并取出冷卻的鑄件.
把熔化金屬射入模中有兩种類型的机理.“冷室”机理是金屬在高溫條件下熔化,而且熔化金屬如鋁、黃銅和鎂与鐵有親合力.在冷室過程中有水平射料和垂直射料兩種射料系統.“熱室”机理常用鋅和鉛金屬,金屬是在低溫條件下熔化且降低了与鐵的親合力.
壓鑄過程的主要說明如下:
（AbriefdefinitionofthediecastingProcessisasfollows）
高壓壓鑄是在壓力條件下把熔化金屬強行壓入一個已安全鎖定的模腔內的過程.模腔內保持強大的壓力一直到模腔內的金屬冷卻下來,金屬冷卻下來之后,開模、頂出鑄件并取出,鑄件取出之后,潤滑模具,合模并鎖定,准備下一次循環.圖示2-3展示的是冷室机基本的液壓頂出系統.
在冷室壓鑄過程中,熔化金屬用手工或自動化系統舀入冷室机的開口中。
液壓操作的鎚頭頂端前移并封住這個開口,在高壓高速的條件下迫使熔化金屬進入模中.鑄件冷卻后,鎚頭回退,開模、頂出鑄件、潤滑模具,然后准備下一次循環.圖示2-4展示的是冷室過程中的金屬流動系統.
熱室机的射料設備浸入熔爐的熔化金屬槽內,當壓射鎚頭移動時迫使熔化金屬通過鵝頸和射咀進入模具中.此系統所用壓力低于冷室過程中所用的壓力.由于熱室壓鑄机的打料時間比冷室壓鑄机的打料時間縮短,所以熱室壓鑄机的生產率比冷室壓鑄机的生產率要高.圖示2-5展示了熱室壓鑄机的金屬流動系統.
高壓壓鑄的優點（AdvantagesofHighPressureDieCasting）
高壓壓鑄的生產率比金屬型鑄造或低壓壓鑄都要高得多.生產的鑄件具有緊密的尺寸公差,大大減少了机加工操作.壓鑄件具有良好的表面處理,也是電鍍的基本要求.壓鑄件的壁厚可以作的更薄一
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