P-Q圖技術(shù)，主要研究的是壓鑄高速填充階段，將壓鑄機(jī)為能量輸出端、模具為能量需求端，兩者共同作用的結(jié)果為鑄件。這種能量供需的結(jié)合，就形成了一個(gè)壓鑄機(jī)-壓鑄模系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)得到合理匹配后，可提高壓鑄工藝的靈活性及鑄件的質(zhì)量。于壓鑄機(jī)而言，每臺(tái)壓鑄機(jī)的壓射系統(tǒng)都有自身的特性，即P-Q圖的設(shè)備線，它反映了壓室中最大金屬靜壓與流量的關(guān)系。于模具而言，當(dāng)澆排系統(tǒng)確定之后，這副模具也形成了其獨(dú)有的特性，即P-Q圖的模具線，它反映了內(nèi)澆口流量與壓射比壓的關(guān)系。根據(jù)鑄件工藝需要，模具需獲得一定的壓射能量才能保證壓鑄件成型。

本文主要以濾波器大腔體的壓鑄模，來介紹P-Q圖的推導(dǎo)、繪制，及驗(yàn)證模具設(shè)計(jì)與優(yōu)化壓鑄工藝的應(yīng)用。

一、P-Q圖的推導(dǎo)及繪制

1、P-Q圖的設(shè)備線

壓鑄機(jī)壓射有3種狀態(tài)：正常壓射狀態(tài)、壓射沖頭停滯、壓射沖頭速度最大。 上述3種情況，可以用下式函數(shù)關(guān)系描述：

(1)式中，Ps為壓射沖頭在料缸金屬液內(nèi)產(chǎn)生的有效壓力,MPa；Pa為儲(chǔ)能器壓力，MPa；vp為沖頭速度，m/s；vd為空壓射速度，m/s。見圖1所示。

圖1:壓鑄機(jī)壓射機(jī)構(gòu)簡圖

(2)式中，P為壓射沖頭施于金屬液的壓力，MPa； As為壓射活塞面積，cm2；Ap為壓射沖頭面積，cm2； Q為金屬液流量，L/s； Qd為空壓射時(shí)等量的金屬液流量，L /s。
由式（2）可做P-Q圖的設(shè)備線，見圖2。

圖2:P-Q圖的設(shè)備線

2、P-Q圖的模具線

根據(jù)伯努利方程，同一流線上單位質(zhì)量流體的機(jī)械能總和不變，模具澆道處可為下式：

（3）式中，H1為沖頭處的高度，mm；P1為沖頭作用在鋁液上的壓力，MPa；v1為沖頭的壓射速度，m/s；H2為內(nèi)澆口處高度，mm；P2為內(nèi)澆口出口處大氣壓，MPa；v2為金屬液內(nèi)澆口處速度，m/s。見圖3。

圖3:澆注系統(tǒng)示意圖

因?yàn)椋瑳_頭和內(nèi)澆口端面位置高度差不大，即（ρgH1-ρgH2）相對(duì)于P1是一個(gè)很小的值，所以H1、H2兩項(xiàng)斷面高度忽略不計(jì)； 沖頭提供壓力P1>>>內(nèi)澆口出口處大氣壓P2（兩個(gè)數(shù)量級(jí)的差異），故P2可以忽略不計(jì)； 沖頭速度v1<<<內(nèi)澆口處合金液速度v2，故v1可以忽略不計(jì)；
所以，式(3)可以簡化成下面形式，建立了內(nèi)澆口金屬液速度與壓射壓力函數(shù)關(guān)系：

（4）金屬液有粘性，內(nèi)澆口截面積等因素影響，無法把壓力完全轉(zhuǎn)化成金屬液流速，用一個(gè)Cd加以考慮，稱為流量系數(shù)，式（4）可為：

（5）因?yàn)椋俣葀=流量Q/截面積A，根據(jù)式（5）壓射壓力P可為：

（6）P為壓射沖頭施于金屬液的壓力，MPa；ρ為金屬液密度，g/cm3；g為重力加速度，m/s2；Q為填充流量，L/s；Ag為內(nèi)澆口截面面積，cm2。
由式（6）可得P-Q圖的模具線，見圖4。

圖4:P-Q圖的模具線

其中，Cd為衡量能量損失的參數(shù)，金屬液通過澆注系統(tǒng)，從分流錐、橫澆道到內(nèi)澆口的過程中，會(huì)產(chǎn)生壓力（流量）的損失。損失的大小取決于澆注系統(tǒng)的幾何形狀、尺寸和表面粗糙度，損失的大小還與金屬液流速成正比。當(dāng)無流量損失，Cd=1；當(dāng)設(shè)計(jì)好的澆注系統(tǒng)，Cd=0.8；當(dāng)設(shè)計(jì)一般的澆注系統(tǒng)，Cd=0.6；當(dāng)設(shè)計(jì)差的澆注系統(tǒng)，Cd=0.4-0.5。

二、壓鑄工藝窗口的制定

1、內(nèi)澆口速度參數(shù)的確定

依據(jù)鑄件平均壁厚、鋁液流動(dòng)距離、鑄件復(fù)雜程度、內(nèi)外質(zhì)量要求等，確定好符合鑄件條件的內(nèi)澆口速度vg范圍。再根據(jù)式（5），可將內(nèi)澆口速度vg轉(zhuǎn)換為壓射壓力P，并在P-Q圖中縱坐標(biāo)將其要求區(qū)間體現(xiàn)出來，見圖5。

圖5：Vg轉(zhuǎn)換為P在P-Q圖中的體現(xiàn)

2、填充時(shí)間參數(shù)的確定

（7）式中，Q為填充流量，L/s ； V為模具型腔填充體積，mm3；t為填充時(shí)間，s。

依據(jù)鑄件平均壁厚、鋁液流動(dòng)距離、鑄件復(fù)雜程度、內(nèi)外質(zhì)量要求等綜合評(píng)估，確定好符合鑄件條件的填充時(shí)間范圍，再根據(jù)式（7），可將填充時(shí)間t轉(zhuǎn)換為填充流量Q，并在P-Q圖中橫坐標(biāo)將其要求區(qū)間體現(xiàn)出來，見圖6。

圖6：t轉(zhuǎn)換為Q在P-Q圖中的體現(xiàn)圖

3、壓鑄工藝窗口的確定

根據(jù)以上2.1、2.2分別確認(rèn)好鑄件所需的內(nèi)澆口速度范圍及填充時(shí)間范圍轉(zhuǎn)換為壓力P范圍和流量Q范圍后，在P-Q圖中兩者形成一個(gè)相交窗口，即工藝窗口，見圖7。

圖7：壓鑄工藝窗口示意圖

三、P-Q圖的設(shè)備線、模具線和壓鑄工藝窗口三者結(jié)合運(yùn)用

P-Q圖技術(shù)是從能量守恒角度，通過壓力P和流量Q聯(lián)系起來分析壓鑄機(jī)、模具、鑄件之間的關(guān)系。壓鑄機(jī)為能量輸出端，模具為能量需求端，鑄件為壓鑄機(jī)和模具兩者共同作用的結(jié)果。當(dāng)壓鑄機(jī)輸出能量和模具需求能量相符時(shí)，可得到理想的鑄件。反之質(zhì)量難以保證。

1、合理的P-Q圖

當(dāng)壓鑄機(jī)輸出的能量和模具需求的能量相符時(shí)，即P-Q圖的設(shè)備線和模具線的交點(diǎn)在壓鑄工藝窗口內(nèi)部位置，見圖8，視為合理。

圖8:合理的P-Q圖

2、不合理的P-Q圖

當(dāng)壓鑄機(jī)輸出的能量和模具需求的能量不匹配時(shí)，即P-Q圖的設(shè)備線和模具線的交點(diǎn)在壓鑄工藝窗口外部位置，見圖9，視為不合理。當(dāng)壓鑄機(jī)提供的壓射能量遠(yuǎn)小于模具需求量時(shí)，鑄件可能出現(xiàn)冷隔等鑄造缺陷；當(dāng)壓鑄機(jī)提供的能量遠(yuǎn)大于模具需求量時(shí)，可能出現(xiàn)漲型飛料、模具沖蝕、裂紋、粘模等缺陷。

圖9:不合理的P-Q圖

四、P-Q圖優(yōu)化模具設(shè)計(jì)及壓鑄工藝的具體調(diào)整方法

1、P-Q圖的設(shè)備線的調(diào)整方法

調(diào)節(jié)速度控制閥的開度

速度控制閥控制壓射速度的大小，其開度%和速度v成正比關(guān)系。流量Q等于速度v和截面積A的乘積，所以控制閥開度和流量成正比關(guān)系，而金屬靜壓力P不變，如圖10所示。

圖10：速度控制閥開度對(duì)P-Q圖的影響圖

2、調(diào)節(jié)儲(chǔ)能Acc壓力

由式（2）可知，壓鑄機(jī)儲(chǔ)能Acc壓力與金屬靜壓力P、流量Q均為正比關(guān)系，其變化如圖11所示。

圖11：儲(chǔ)能Acc壓力對(duì)P-Q圖的影響

3、調(diào)整沖頭直徑

由式（2）可知，沖頭直徑和金屬靜壓力成反比關(guān)系，和流量Q成正比關(guān)系，如圖12所示。

圖12：沖頭直徑對(duì)P-Q圖的影響 

4、P-Q的模具線的調(diào)整方法

由式（6）可知，內(nèi)澆口截面積Ag和壓力P為反比關(guān)系，流量Q為正比關(guān)系，如圖13所示。

圖13：內(nèi)澆口截面積Ag對(duì)P-Q圖的影響

五、濾波器腔體壓鑄件、模具及壓鑄機(jī)的相關(guān)工藝參數(shù)

1、壓鑄件

案例為濾波器大腔體鋁合金壓鑄件，如圖14所示，長×寬×高：504mm×357mm×60mm，平均壁厚d=2.5mm，鑄件重量G=7200g，壓鑄鋁合金材料為ENAC-44300。鑄件壁厚不均勻，內(nèi)腔多處薄筋、孤立柱子等結(jié)構(gòu)，較為復(fù)雜，壓鑄成型困難。

圖14：濾波器腔體鋁合金壓鑄件 

2、壓鑄機(jī)噸位選擇

（8）式中，F(xiàn)鎖為鎖模力，T；K為產(chǎn)品投影面積加上澆排系統(tǒng)等全投影面積概算比率，取1.3；A為產(chǎn)品投影面積，cm2；P為鑄造壓力，MPa。此案例鑄件鑄造壓力取65MPa。
由式（8）可知，鎖模力F鎖≥1520T。所以選用1600T壓鑄機(jī)。1600T壓鑄機(jī)的壓射缸直徑為?210mm，最大空壓速度為8m/s，最大儲(chǔ)能壓力為16MPa。

3、壓鑄工藝參數(shù)擬定

填充時(shí)間

（9）式中，t為填充時(shí)間，s；d為壁厚，mm；k=0.007。由式（9）得t=0.044s。取其范圍為40～50ms。

內(nèi)澆口速度及流量系數(shù)Cd

由鑄件壁厚、填充長度、內(nèi)外質(zhì)量要求及圖15推薦值等綜合評(píng)估，取內(nèi)澆口速度約為50m/s，取其范圍為45～55m/s。考慮鋁液在澆注系統(tǒng)中的能量損失，取Cd=0.5。

圖15：壓鑄技術(shù)手冊(cè)推薦值

4、壓鑄模具

渣包重量的估算

渣包重量G渣=0.15×鑄件重量G鑄=0.15×7200g=1080g。

內(nèi)澆口截面積的選擇

（10）式中，A為沖頭截面積，mm2；G為鑄件及渣包重量,g；ρ為鋁液密度，g/cm3，取2.64g/cm2；ν為速度，m/s； t為填充時(shí)間，s。
根據(jù)5.1、5.3、5.4.1中的參數(shù)，由式（10）可得內(nèi)澆口截面積Ag=1425.6mm2。

沖頭直徑的選擇

根據(jù)5.1、5.3、5.4.1中的參數(shù)，同時(shí)初步擬定壓射速度為4.5m/s，由式（10）可知沖頭截面積約為15840mm2，即沖頭直徑約為?142mm，故取沖頭直徑為?140mm。

六、用P-Q圖驗(yàn)證濾波器腔體的模具設(shè)計(jì)及優(yōu)化壓鑄工藝

依以上案例鑄件、模具及壓鑄機(jī)的相關(guān)參數(shù)，可將式（2）和式（6）做出以下P-Q圖，如圖16所示。

圖16：濾波器腔體的P-Q圖

通過圖16可知，P-Q線的模具線和設(shè)備線交點(diǎn)在所需要的壓鑄工藝窗口內(nèi)部中間區(qū)域，說明此模具設(shè)計(jì)方案合理。

經(jīng)圖16得知實(shí)際沖頭的壓射速度可在4.3～5.0m/s區(qū)間視鑄件實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。在第一次試模時(shí)，將實(shí)際的壓射速度調(diào)整為4.5m/s，鑄件成型良好，達(dá)到了一次試模成型成功的效果。并經(jīng)壓鑄、機(jī)加、氧化、噴粉、電鍍工序批量生產(chǎn)后，未發(fā)現(xiàn)因鑄件成型缺陷而引起的產(chǎn)品報(bào)廢。

在其他工藝參數(shù)及條件不變前提下，將壓鑄機(jī)實(shí)際的壓射速度調(diào)整為3.5m/s，鑄件遠(yuǎn)澆端內(nèi)腔筋位出現(xiàn)冷隔等不良，見圖17。圖18為實(shí)際壓射速度為3.5m/s的P-Q圖，設(shè)備線和模具線的交點(diǎn)在壓鑄工藝窗口外部位置，工藝參數(shù)不合理。

圖17：鑄件筋位冷隔

圖18：壓射速度為3.5m/s的P-Q圖

在其他工藝參數(shù)及條件不變前提下，將壓鑄機(jī)實(shí)際的壓射速度調(diào)整為5.5m/s，鑄件進(jìn)澆內(nèi)側(cè)壁燒付、粘缺嚴(yán)重，見圖19。圖20為實(shí)際壓射速度為5.5m/s的P-Q圖，P-Q圖的設(shè)備線和模具線的交點(diǎn)在壓鑄工藝窗口外部位置，工藝參數(shù)不合理。

圖19：燒付、粘缺

 圖20：壓射速度為5.5m/s的P-Q圖

結(jié)論

（1）模具設(shè)計(jì)階段使用P-Q圖，特別是針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜鑄件的模具設(shè)計(jì)，可起到有效的指導(dǎo)及驗(yàn)證模具設(shè)計(jì)方案的壓鑄成型可行性及提高壓鑄工藝的靈活性。

（2）使用P-Q圖，可有效指導(dǎo)和優(yōu)化壓鑄高速填充階段的相關(guān)壓鑄調(diào)機(jī)工藝參數(shù)。

（3）在模具設(shè)計(jì)階段進(jìn)行P-Q圖進(jìn)行模擬試模，可明顯提高一次試模成功率。

作者：周奇 胡偉民 梁廣濤
深圳市大富科技股份有限公司