开发了锌合金在成型汽车灯壳模具所采用的实用性技术。 先铸造汽车灯壳的铸铁凸模, 再以铸铁凸模为基础, 在 凸模上直接浇注成型锌合金凹模。 这种方法的特点是凹模型面尺寸比较准确、容易控制, 而且由于凹模是低熔点合金, 不 会对凸模造成破坏。其制作过程为首先用灰口铸铁制成凸模, 将制好的凸模放在平台上, 根据凹模外形轮廓尺寸做围框, 在凸模上涂一层涂料间隙层, 再在围框周围用型砂密封, 最后熔化锌合金进行浇注。 成型后的模具经试模, 一次成功, 完全 达到使用要求。 通过以上方法, 实现了快速、低成本的模具制作。
厂家要求提供汽车灯壳压延成形模具,以生产汽车 灯壳配件 ,该产品是厚度为0 .8mm 的钢板压延成形件 , 形状近似为椭圆盘状, 轮廓尺寸为 276 mm ×236 mm × 115 mm ,见图 1 。
锌基合金具有如下特点:良好的铸造工艺性和成形 效果, 且适用于多种造型材料, 如砂型、石膏型、硅橡胶 型、金属型及石墨型等;铸造成本低 ,能量消耗少及污染小;铸造周期短 ;机械加工性能好, 既可进行粗车、精车 ,也可进行研磨加工;具有优良的表面质量;良好的耐蚀性;良好的导电导热性 。用这种材料制造模具 , 大大减少机械加工工作量 ,节约优质钢材,降低模具成本,同时,锌合金拉延成形过程中, 材料本身有自润性能和耐烧结性能, 拉延件表面不易产生划痕、划伤、烧结等缺陷,而且失效后的模具可以重熔再制。因此我们选择锌基合金材料制作该灯壳模具。
1 锌合金成分及力学性能
选取牌号为 ZZnAl4Cu3Mg 的锌合金。该合金具较高的强度和硬度, 且具有非常好的铸造性能, 常用于制作模具 ,其化学成分见表 1 。
磨性也是有利的。所以 , JISCAC304C 黄铜在作轴承材 料使用时, 其硬度、强度、耐磨性低于 LTHAl65-6-4-3-1 黄铜。由此可见 :微合金化 LTHAl65-6-4-3-1 黄铜经反 向挤压加工后, 得到变形的 β 相 +少量 α相 +硬质 Al2O3 颗粒相和富 Fe 相,适合制造用于重载荷低转速服 役条件的轴承零件。
总结：
(1)LTHAl65-6-4-3-1 黄铜合金由 α相、β 相及硬质 相颗粒相组成, 硬质点颗粒增加基体的强度。此外变 形后基体内出现大量细小的位错, 也增加了基体的强度 和硬度。
(2)在同样的载荷下 ,LTHAl65-6-4-3-1 黄铜的磨损 量均小于 JISCAC304C 黄铜 , 可见 LTHAl65-6-4-3-1 黄铜
具有优良的耐磨性能。不同的组织结构反映出不同的 磨损率, 硬质相在材料磨损中起到了重要的作用。
(3)对于特殊黄铜合金 , β 相 +弥散分布的硬质颗 粒相 +少量 α相构成了理想的耐磨组织。
(4)LTHAl65-6-4-3-1 是一种很好的耐磨合金, 在重 载荷下具有优良的耐磨性能。该合金采用微合金化和 反向挤压技术。
在锌合金中加入 Cu , 提高了合金的抗拉强度、硬度 及耐磨性 ;在锌合金中加入 Al ,可以明显地提高合金的 强度、冲击韧度、抑制锌化铁脆性化合物产生 ,提高合金 流动性,细化晶粒 ;在合金中加入微量的 Mg ,可以有效 地抑制晶间腐蚀 ,还可细化晶粒,改善合金的抗拉强度 , 同时还提高了流动性[ 2] 。
该锌合金的物理性能如下 :密度为 6 .7g/cm3 , 熔点 为380 ℃,布氏硬度为 120 ～ 130 ,抗拉强度为 240 ～ 300 MPa ,抗压强度为 500 ～ 600 MPa , 伸长率为 2 .5%, 凝固 收缩率为 1 .1%～ 1 .2%。
2 制模方案设计
金属型制模是快速可靠的成熟工艺 ,故采用是金属 型制模法 ,即先铸造汽车灯壳的铸铁凸模, 再以铸铁 凸模为基础,在凸模上直接浇注成形锌合金凹模。这种 方法的特点是锌合金铸造后 ,凝固冷却收缩, 对铸造凹 模完全属于“阻碍收缩”, 型面尺寸比较准确、容易控制 , 而且由于凹模是低熔点合金 ,不会对凸模造成破坏 ,同 时也不会使凸凹模熔融粘合在一起。
首先用灰口铸铁制成凸模 ,将制好的凸模放在平台 上;根据凹模外形轮廓尺寸做围框(见图 2);在凸模上 涂一层与零件板料厚度相同的涂料间隙层,并对凸模进 行预热 ,预热温度为 240 ～ 280 ℃。由于此涂料决定了 凸凹模间的间隙 ,即关系到终端产品灯壳的质量, 为此 , 我们自行配制了 FX 涂料。该涂料操作方便, 涂刷均 匀,关键能确保间隙层均匀, 且容易干燥。为防锌合金 凹面吸气;在围框周围用型砂密封 ;最后熔化合金并进 行浇注。
3 锌合金熔炼工艺过程
依确定的锌合金成分和采用的熔炼方法进行配比 计算, 根据凹模所需锌合金的数量 ,考虑各元素的烧损 率(Zn 的烧损量为 3 %～ 5 %,中间合金的烧损量为1 %～ 2 %,Mg 的烧损量为 5 %～ 10 %), 按成分配制 :Zn
为 194 kg , 中间合金为14 .2 kg ,Mg 为 0 .12 kg 。
将坩埚预热至500 ℃左右 , 放入全部中间合金 , 继 续升温至700 ℃左右, 中间合金全部都熔化后 ,加入预 热的 Zn 块,加 Zn 后 ,注意不能再继续加热升温, 保温一 段时间后 , Zn 块逐渐熔化 , 等 Zn 块全部熔化后 , 在 600 ℃左右保温, 搅拌合金 , 以防偏析。如果合金吸气 严重 ,可用 ZnCl2 进行一次脱气精炼。然后加 Mg 处理 , 将所需要添加的 Mg 放入钟罩内 , 压到熔液底部 , 轻微 搅拌合金 ,直到 Mg 全部熔化 , 此时再用适量的ZnCl2 进 行精炼 ,ZnCl2 的用量视合金吸气的情况而定, 通常为 0 .1%～ 0 .3%,最后将浮渣清除干净 ,直接浇注 。
4 完善模具辅助装置、试模及校核拉伸力
按冷冲压技术要求修整、加工完善模具相关辅助装 置, 为试模作准备。此项工作与机械加工成形的模具并 无大的区别,但铸造成型了凹模部分的型腔, 已大大缩 短制模时间。
校核拉伸力 F ,圆筒形件按如下经验公式计算[ 4] :
式中 , d 为初次拉伸零件平均直径(mm);t 为板厚 (mm);σb 为坯料的抗拉强度(MPa);k 为系数 ;D 为坯 料直径(确定系数时用,mm)。
取 σb =400 MPa , k =0 .5, d 取(276 +236)/2 =256 mm , t 为 0 .8 mm , 代入式(1)得 F =128 614 .4 N , 约为
129 kN 。
经试模压力机测试 ,拉伸力约为 150 kN , 结果与计 算基本相符,灯壳模具试模一次成功。
图 2 成型灯壳凹模示意图 1 .砂型 2.锌合金凹模 3 .铸铁凸模 4.涂料(间隙层) 5 .平台 6.围框
3 锌合金熔炼工艺过程
依确定的锌合金成分和采用的熔炼方法进行配比 计算, 根据凹模所需锌合金的数量 ,考虑各元素的烧损 率(Zn 的烧损量为 3 %～ 5 %,中间合金的烧损量为
最后：
用上述方法制作模具 , 凸凹模各部分位置配合精 确, 间隙均匀, 较好地解决了机械加工模具中的困难及 加工时间长的问题 ,降低了制模费用, 缩短了制模周期。
实践证明, 锌合金模具应用技术对新产品试制、老 产品改型以及中小批量、多品种的冲压生产有显著经济 效益 ,应得到大力推广应用。
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