文/哈尔滨爱迪压铸有限公司/迟兰成、车宏伟、朱丽、刘维刚、冯艳

摘要：利用在压铸机上安装参数测试系统（通过计算机能够准确测出压射过程中实时的压射缸油压及压射速度值）来测出高速压射时的机床压射缸瞬时压力及对应时间的瞬时压射速度，从而通过压铸模具流量-压力曲线PQ² 图计算关系式来反推出实际的开放系数Cd值。结果表明，利用此系统装置，可以快捷有效地正确得出Cd值，从而为压铸工艺人员绘制压铸模具流量-压力曲线及压铸机有效压力线提供了有效、准确的参数信息，极大地方便了工艺人员准确地编制新工艺或验证现有工艺的合理性，避免了因为主观判断不准确带来错误

在压铸过程中，从流体力学观点来看，存在着两个液流系统，一个是液体金属（熔融金属）从压室进入模具型腔（指通过内浇口时）的流动；另一个是压力液从蓄能器到压射缸的流动。这两个液流系统都以流体力学伯努利定律为基础，用压力和速度的关系加以表达和解释。伯努利定律指出：推动液体流动的压力越大，液体的流速越快，压力与速度的平方成正比。第一个系统表示过程运行时需要的能量；第二个系统表示运行时提供的动力。

PQ²图的模具线

液体金属从压室通过浇口进入型腔时的流动，通过浇口系统设计与计算来控制和实现。这一液体流动系统称为金属流动系统，实际就是金属馈送系统。

根据伯努利定律并应用一个简化形式，及达西方程式，以此计算排除点（此点就在内浇口处），从而获得所要的金属流动速度的压射压力（快速压射阶段的压射比压），其关系式为：

由于内浇口速度Vg乘以内浇口截面面积Ag等于流量，即Vg=Q/Ag，上式可以写成流量形式：

式中 p—压射冲头施于金属液的压力（Pa）—金属液密度（g/cm³）
g—重力加速度（m/s²）
Q—填充流量（cm³/s）
Ag—内浇口截面面积（cm²）
Cd—开放系数或流量系数，一般在0.3-0.7之间（铝合金）。

此式揭示了压射压力与流量的函数关系，可以用一条曲线图表示。

Pq² 图的出现被大家普遍认为是非常有用的压射流动分析工具，可以预测压铸模具与压铸机的匹配状况，使压射过程最佳化。但目前PQ²图技术在选择压铸机及压铸模具设计分析时使用并不是非常普遍，可能是由于压铸机技术参数不足，绘制PQ² 图存在困难，或者PQ² 图方法的使用稍显繁琐。另一个重要原因就是目前大多数人还凭主观判断选择PQ²图公式中的开放系数Cd值。而Cd值对计算结果有重大影响，错误的判断也使得PQ²图失去本身的重要指导意义。所以，找出压铸时的开放系数Cd真实值是工艺人员正确绘制压铸模具流量-压力曲线，编制新工艺或验证现有工艺合理性的先决条件。

开放系数

由于合金液不同于水或油等无粘性或较小粘性液体，压铸填充过程中流动的合金液是一种可变粘度的热粘滞流体的熔融金属，合金液在通过熔杯、分流锥、横浇道及内浇口的过程中会产生能量（压力）损失。这种能量损失使合金液的实际填充速度或流量低于理论值或理想值。能量损失的大小取决于浇注系统的几何形状、截面积尺寸及表面粗糙度、浇道转折等，还与合金液温度及流速相关。开放系数Cd是表示流量损失的参数，其意义是实际流量或速度与相应的理论值之比。假定理论填充流量应为1000cm²/s，但实际流量为600cm²/s，则该浇道系统的开放系数Cd值为0.6。如果实际值与理论值相同，则Cd值等于1。因为实际场合总是存在压力损失，Cd值为1的情况是不可能出现的。如果浇道系统堵塞，没有任何流动，则Cd值为零。实际情况都是介于这两种极端情况之间，所以Cd值总是介于0和1之间。

在铝合金压铸浇注系统中，Cd值一般在0.3-0.7之间。浇道流畅、距离短、表面光洁、金属液温度高，流动粘度降低、通过金属液的能力强，Cd值较高，反之Cd值就较低。

开放系数对压铸模具流量-压力曲线的影响

从上模具PQ² 图中可以明显地看出不同的开放系数值对压铸模具流量-压力曲线斜率有显著影响。提高开放系数会使压铸模具流量-压力曲线变小。因此，要真实、正确地绘制模具流量-压力曲线图就必须知道开放系数的真实值。否则，PQ² 图也就失去了对压铸工艺的指导意义，甚至会严重误导工艺设计人员。

随着计算机及测量技术的飞速发展，通过在压铸机上安装锤头测速装置-编码器及压射缸液压测压装置-压力传感器（具体原理及安装方法本文从略），再通过计算机软件来实时读取速度及对应的压力值，再经计算转换为PQ² 图公式（1-2）中所需的压力、流量参数值代入公式中，从而通过计算反推出Cd值。以下将通过一示例对Cd值进行测量计算、分析现压铸工艺的合理性及压铸模具和压铸机的匹配状态校核进行简要介绍。
示例：铝合金压铸件，体积123cm²。

压铸机储能器压力PA=14Mpa，压射缸直径D=110mm，空压射速度Vd=6m/s，压射冲头直径Dp=50mm。

浇口截面面积Ag=0.9cm²,g=9.8m/s，ρ=2.5g/cm³。

（1）通过压铸机参数测试仪得到的压力参数，间接地求出Cd值，从而绘制压铸模具流量-压力实际工作状态曲线。

这里要想求出Cd值，我们需知道实际生产时的金属液填充流量Q和压射冲头施于金属液的压力P即可。

通过计算机实时读取记录的压射过程参数曲线如图2-1(放大)所示。

图2-1中，黑色曲线为压射杆（冲头）实时动态速度曲线；黄色曲线为压射缸内实时动态压力曲线；蓝色曲线为压射杆（冲头）实时动态位置曲线。图中横坐标为时间刻度值，从图中我们可以明显地选择出任意时刻高速填充时的压力值及对应的速度值。

本例取图中一瞬时高速填充压力Ps（机床压射缸油压）为2.09Mpa时对应的速度值Vp（冲头速度）为260cm/s，因压射冲头施于金属液的压力F时刻等于压射缸内活塞所受液压油的压力Fs，即F=Fs。又因 ，可知 ，整理得：

式中P—压射冲头施于金属液的压强（Pa）
Ap—压射冲头面积（m2²）
Ps—压射缸油压（Pa）
As—压射缸内压射活塞面积（m²）
将Ps=2.09Mpa代入公式（2-2），计算：

又因通过内浇口的金属液流量Q等于压射冲头推动金属液的流量Qp，即

将已知条件代入公式（1-3）可知：

利用式（1-2），可选一适当P值计算Q，或选一Q值计算P值，以便确定压铸模具流量-压力曲线上的一点。
本例取P=30Mpa，由公式（1-2）得：

从原点过点（8833.67，30）作直线，得压铸模具流量-压力曲线，如图2-3所示。

（2）绘制压铸机有效压力线

前面的模具线表示了压铸过程中模具所需要的能量，相应地就要核查压铸机压射能力的有效性。根据伯努利定律，当压射冲头移动时，蓄能器的部分压力用于提供压射缸的液体流动所需能量，剩余的能量则作为推动冲头的有效压力，液体流动所需的能量则作为推动冲头的有效压力，
液体流动所需的能量则作为推动冲头的有效压力，液体流动所需的压力则与压射速度的平方成正比，当压射速度达到最大时（一般为空压射速度），用尽全部蓄能器压力，没有剩余压力用于压射冲头上，压射压力为零。而当不产生压射速度时，则压射有效压力等于蓄能器压力。这种情况可用一个经过移项整理的比较简单的公式来表示，即：

式中 Ps—压射缸内有效压力
PA—储能器压力
Vp—压射冲头速度
Vd—空压射速度
由式（3-1）可知，当

式中 p—压射冲头施于金属液的压力（Pa）
PA—储能器压力（Pa）
Q—金属液流量（cm³/s）
Qd—空压射时等量的金属液流量（cm³/s）
Ap—压射冲头面积（cm²）
As—压射缸内压射活塞面积（cm²）
当金属液流量Q为0时，压射冲头施于金属液的压力达到最大值。即

当金属液流量Q达到最大流量时，即Q=Qd时，压射冲头施于金属液的压力为0（空压射状态）。

在纵坐标上标出P点，在横坐标上标出Qd点，连接两点即得压铸机有效压力线，如图2-3所示。

（3）参数计算

压铸模具流量-压力曲线与压铸机有效压力线产生一个交汇点E，该点所对应的压力P为25.1Mpa，流量Q为7360cm³/s，就是给定机器与压铸模具匹配时达到的有效压力与填充流量。并由此可计算下列参数：

①填充时间。t=V/Q=123/7360=17（ms）
②填充速度。v=Q/Ag=7360/0.9=81.8（m/s）
③压射速度。Vp=Q/Ap=7360/（3.14*52/4）=3.75（m/s）

（4）分析

对于铝合金压铸，一般填充速度在20-60m/s之间。分析上述参数，当前的填充速度明显偏高。对本例计算情况分析，交汇点对应的流量值明显大于工艺要求的流量值，说明该压铸机能量足够。所以本例可以采用关小流量控制阀、减小冲头直径（比压增大，有利于提高产品内部质量）或增大内浇口截面面积等措施加以解决。

（5）结论

通过使用压铸机参数测试系统不仅可以很容易地测试计算出Cd值，甚至可以直接通过测试数据来直接绘制模具流量-压力曲线，大大地为工艺设计人员缩短了计算时间，同时也为工艺人员提供了相对准确的数据。压铸件的质量是由多方面因素决定的，而PQ²图的应用，则在对各种因素进行分析的工作中起到了关键性的作用。但是，不能认为有了准确的PQ²图，所有问题就能迎刃而解。相反，更应具备深厚的基础理论知识和正确的基本概念，同时还不能忽视丰富的生产实际经验。只有综合地考虑问题的症结所在，从多方面着手解决问题，才会有满意的结果。此外，一旦发生问题，也不能盲目地、匆忙地误认为由于应用PQ²图所造成的。

近年来，随着各个国家的压铸工业对PQ²图技术的应用不断深入，它已经不仅只是在设计新模具时采用的技术，其功能又有了新的发展，在压铸生产过程中，通过PQ²图分析铸件缺陷产生的原因和判定调节参数的措施。