基于PQ²图理论验证模具设计和优化压铸工艺

　　所谓PQ²图,是指同时反映压铸机特性、模具特性及系统工艺特性的线图。对于压铸机来说，每台压铸机的压射系统都有自身的特性，PQ²图反映了压室中 大金属静压与流量的关系,表明了压铸机的特性，说明了压铸机提供压射能量的能力。对于模具来说，当浇排系统确定之后，这副模具也形成了其独有的特性，如每副模具都存在一个充填界限速度。PQ²图反映了模具内浇口流量与压射比压的关系，根据工艺需要，模具必须获得一定的压射能量才能保证压铸件成形。这说明了模具需求压射能量的程度。这两种能量供需的结合，就形成了一个压铸机.压铸模系统，这个系统得到匹配后，可以使压铸工艺范同更充裕。因此,为了提高压铸工艺灵活性，在设计阶段应用PQ²图，可以让设计方案更周密;对已制模具，应用PQ²图进行分析，可以指引我们通过改变一些参数来优化压射系统。本研究中，以镁合金笔记本电脑壳体压铸模为例，介绍了PQ²图的绘制过程，及验证模具设计与优化压铸工艺的应用步骤。

　　1 压铸机与压铸模系统条件选

　　选用650 t高速压铸机，空打速度Vo=lO m/s，射出油缸直径为14.5 cm，Ace压力=135 kg/cm2。镁合金笔记本电脑壳体压铸件如图1所示，铸件质量260 g，平均壁厚为1.1mm，内浇口截面Ag=2.83 cm²，冲头直径为中Φ80mm。

　　2 绘制PQ²线图

　　2.1绘制压铸机的特性线

　　根据公式(1)计算压室金属液 大流量。Qo=l000xVoxA P (1)式中：Qo为压室金属液 大流量，L/s;Vo为冲头 大空打速度，m/s;Ap为压射冲头截面积,cm²。

　　绘制压铸特性线时，横坐标在Qo²=25时取1mm，Qo²为2 526时，在绘图时就绘成10l mm长度，得到一点(101，0)。

　　根据流体力学原理可知，冲头压射力=射出缸推力=增压缸推力，即：Po x Ap=Pax As (2)式中：Po为压室 大金属液压力，MPa;Ap为压室内孔截面积，em2;肋储能器Ace压力，kg/em2;As为射出缸截面积，cm²。

　　当压力Po=135 kg/cm²，射出油缸直径为14.5 cm时，可得Po x 0.785x8²=-135x0.785 x14.5²，则Q=0时，Po=135x14.5²/8²=443.5 kg/cm²=-45 MPa。

　　取纵坐标1MPa=I mm，在绘图时，45 MPa就绘成45 mm长度，得到另一点(0,45)，连接上述两点，可以绘出压铸机的特性线，如图2所示。

　　2.2绘制模具的特性线

　　根据公式(3)计算内浇口金属液流量。Q=CdxAz(2P/p)½ (3)式中：Q为内浇El金属液的流量，L/s;Cd为流量系数，镁合金为0.5;P为金属液的比压，MPa;p为金属液的密度，镁合金p=l 810 kg/m³。

　　将公式(3)转换为：Q²/tk-Ag²×Cd²×2/p，当内浇口截面积Ag=283 mm² 时，Q²/P=-Ag²×Cd²×l 810=22.1;取P=O，则Q²=0，得到一点(0，0);取P=45MPa，则Q²=45x22.1=994.5 (L/s)²;则纵坐标为45 mm，横坐标为994.5/25=39.78mm，得到另一点坐标(39.78，45)。连接上述两点，可以绘出模具特性线，见图2所示。

　　图2压铸机特性线和模具特性线

　　Fig.2 Characteristic lines ofdie caster and the die

　　3 从PQ²线图中读取流量供需关系及速度供需关系

　　3.1 流量

　　虽然我们在前面已经绘制出了PQ²线图，但是如何应用尚需作进一步分析。压铸过程首先必须达成所需的外观形状，因此在压铸过程中具备一定的铸造压力和在有效的时间内完成充填动作是至关重要的。

　　3.1.1 铸造压力Pm

　　工艺需要压力Pm=250 kg/cm²以上，是在考虑到模具寿命等因素的情况下，以能够满足要求的相对比较低的铸造压力作为铸造条件来进行模具设计是很必要的。

　　3.1.2 充填时间瓦

　　充填时间Ts=0.005xT²(s)(丁为制品壁厚，mm)。在设计模具过程中，设定浇口套直径及内浇口截面积时，必须充分考虑充填时间的限制。在压铸作业过程中，也需要尽可能地缩短充填时间。

　　3.1.3 内浇口金属液流量

　　Q=W/(0.005xT²xp) (4)式中：劝制品壁厚，mm;P为铸造合金的密度，镁合金取1.81 g/cm³;W为越过内浇口的铸造合金重量的总和，kg。

　　图3 PQ²线图

　　Fig.3PQ² curve

　　3.1.4流量供需关系比较

　　在图3中可以求得交点E处的流量值的平方Qe²，如果Qe²的数值大于工艺所要求的流量值的平方，则说明压铸机的能量可以满足浇注系统的要求;目前所求得的Qe²=714，Qb²=564，说明可以满足浇注系统的要求，否则就说明压铸机不能满足浇注系统的要求。若不能满足浇注系统的要求，可以采取以下一种或几种方法来解决(改善效果见图4)。

　　图4 PQ²线图

　　Fig.4 PQ² curve

　　(1) 在允许的范围内提高压铸机的工作压力;

　　(2) 在允许的范围内增大射头的直径;

　　(3) 重新选择吨位大一些的压铸机

　　(4) 减少压铸模的型腔楼;

　　(5) 在允许的范围内增大内浇口的截面积。

　　3.2 速度

　　速度分为：模具界限速度，压铸机的设定速度，工艺所要求的实际速度。由于流量与速度是成正比例关系，所以可以从流量入手加以分析。从理论上讲，整个浇注过程要受到内浇口的压力损失的影响，受到压铸机的能力的影响，以及受到压铸机的速度阀门开启度的控制，也就是说模具本身存在一个界限速度。另外，压铸机的设定速度就是压射头的空打速度：它是通过改变压铸机速度调节阀门开启度来控制的，由压射头空打速度冉去掉整个浇注过程中的压力损失就是压射头的实际速度。

　　3.2.1 模具界限速度

　　3.2.2 射头实打速度与空打速度

射头实打速度为

(6) 式中：Vo为设定的射头空打速度，m/s;VD为模具界限速度，m/s。

　　应用公式(6)，Vo=10 m/s时，实打速度V1=【8.65²×10²(8.65²+10²)]v²=6.5 m/s(对应图3中的E点)。

　　如图3所示，连接A、B并延长至横坐标，求得C点，·可求出与工艺要求相对应的机械特性Qc²=1 303;由Qc²(1 000 x Vo x Ap)²=(1 000 x Vo x 0.502 6/10²)²=-1 303，可求得此时的空打速度Vo=7.18 m/s，代入公式(6)，此时的实打速度：V1=【8.65²x7.18²/(8.65²+7.18²)】½-=_5.5 m/s(对应图3中的B点)。

　　3.2.3 速度关系比较

　　由前面3.2.1和3.2.2两部分内容可知，通过工艺设计所要求的流量，可求出压铸机的设定流量，再由设定流量可求出压铸机的空打速度，利用空打速度与模具界限速度可求出射头的实打速度。同理，也可以应用上述公式进行逆运算。因此，不难看出：模具界限速度代表模具的特性，在压铸机参数中，仅与压力有关，模具界限速度是相对独立的，它不受压射系统的控制。同样，空打速度仅代表压铸机的特性，也是相对独立的。与此相反，实打速度是压铸机与压铸模结合的产物，完伞受压射系统的控制。换言之，实打速度即受压铸机速度调节阀开启度的控制，同时也受模具界限速度的制约。

　　4 从PQ²线图中读取压射系统的能量供需关系

　　根据需要，压铸成形工艺对机器有一个期望特性，将期望特性绘成PQ²图，并与已有机器PQ²图进行比较，能判定所选压铸机是否合适，还可进一步

　　通过压射能量的计算，来判定压射能量是否能满足需要。

　　4.1 压铸件工艺PQ²图(能量需求)

　　4.1.1 求 大金属流量

　　根据工艺所需要的金属充填流量p，求得 大金属流量Qo，即 Qo=(3)½ x Q (7)式中：Qo为 大金属流量，L/s;Q为工艺所需要的金属充填流量，L/s。

　　4.1.2 求 大金属静压

　　根据工艺所需要的金属充型压力P，求得 大金属

　　静压Po，即 Po=(3/2)P (8)式中：Po为 大金属静压力，MPa;P为充型压力,MPa。

　　4.1.3 绘制工艺需要的PQ²图

　　在图上连接坐标上的Qo与Po两点，完成工艺需要的PQ²图。一般说来，只要工艺需要的PQ²连线位于机器PQ²连线的下方，就表明该机器能满足压铸该零件的需要。至于供求之间的匹配是否为 化，还与模具的特性有关。