摘要:介绍了P-Q²图（P为金属压力，Q为金属流量）的概念，并讨论了P-Q²规则在锌合金压铸中的应用，尤其是其在合理设置浇注系统尺寸方面的指导作用。

关键词：P-Q²图；锌合金压铸；浇注系统；尺寸设计

1. 前言

锌合金压铸作为一种独特而经济实用的工艺过程被用于生产小型或大型的各类复杂产品。该技术自1930 年成为可行的生产工艺以来，所生产的锌合金铸件被广泛用于各个领域。在激烈的竞争中，锌合金压铸工厂正不懈地致力于改进产品质量。

2.  P-Q² 关系

在锌合金压铸工艺中，充型时熔融锌合金通过一系列通道后进入模腔。为了生产出高质量的铸件，压铸工艺参数必须得到有效控制，其中包括压铸机及模具的参数设置、锌合金的化学成分、压铸模及金属温度、压铸模润滑以及模腔充型条件。对于表面质量要求高的铸件，确保理想的充型条件致关重要。因为这样将有效地控制熔融金属流经浇注系统并使之尽可能减少地与空气混合。研究表明，一项符合流体流动的规则，即P-Q²关系，为生产高质量的铸件在压铸模及浇注系统设计方面提供了一种科学而系统的方法。但是，压铸工厂在生产实践中却往往忽略了这一规则，以至现时铸件中所遇的许多质量问题都与不合理的浇注系统设计有关。

不论是筹划新产品或着眼于改进现有产品质量，压铸工厂总是面临着选择合适的浇口尺寸、压射速度及压射压力的难题。对热室压铸工艺过程而言，压铸机将熔融金属经鹅颈注入浇道和浇口，并最终进入模腔。假设熔融金属的流动处于平稳状态，金属没有被压缩且密度不改变，运用基本的流体力学原理，可以建立起一项金属压力（P）与金属流量（Q）之间的关系。实质上，推动熔融金属流动所需的压力可用卸载压力来表达。

而卸载压力可用伯努力公式来计算

式中P——金属压力
ρ——熔融金属的密度
g——重力常数
Vg——浇口速度
Cd——流量系数
而金属流量（Q）可由下式表达：

这里Ag是浇口面积。将Vg代入伯努力公式，便可建立起金属压力和金属流量的关系：

从该公式中可知，金属压力与金属流量的平方成正比，即所谓的P-Q²关系。为了生产表面质量更高的铸件，往往需要采用高的浇口速度。如此，对压铸机的压射能力将会有更高的需求。

3. 绘制P-Q²

图 P-Q² 关系可用来决定浇注系统尺寸及判断选用的压铸机是否能生产出优质的铸件。为了更好地应用这一关系，针对特定的压铸模和压铸机可以采用一种图式的表达方式，即所谓的P-Q²图。应用此图可以方便地判断压铸模用在压铸机上的使用效果。图1给出了一个P-Q² 的例子。

压铸机压射容量界线与水平坐标轴的交点代表最大的金属流量。该流量由公式：Q=Vd×Ag决定。其中Ag为柱塞面积，Vd为“干”压射速度。该速度理论上是压铸机柱塞能达到的最大速度。此“干”压射速度可以通过将速度控制阀完全开启并在不压射金属的情况下进行压射而测得。“干”压射速度也可以从测得的压射迹线上估算而得。压铸机压射容量界线与垂直坐标轴的交点代表“静”金属压力。如图2中所示，该压力可以通过其它可测定的压铸机参数来计算而得：

式中Pm——金属压力
P1——压射泵上端压力
P2——压射泵下端压力
A1——压射泵活塞的上端面积
A2——压射泵活塞的下端面积
Ap——柱塞面积

压铸机压射容量界线确定了一特定压铸机（轴套配置只能在此线以下操作）。压铸机状况发生变化，此容量界线也会随之变化。压铸机压射能力增加会使该线水平向上移动而斜率不变。而柱塞面积的变化会同时影响压射压力和金属流量。因为压射能力与柱塞直径成正比，压铸机压射容量界线的斜率也会随柱塞面积的变化而变化。

最小流量界线是通过铸件体积（V）除以理论充型时间（t）而得：Q=V/t。铸件体积可以用铸件重量（W）除以熔融金属密度（ρ）来获得：V=W/ρ。理论充型时间可用以下经验公式来计算：

式中t—理论充型时间（相应于最大充型时间）
K—经验常数
Ti— 熔融金属温度
Tf—金属可流动的最低温度
Td— 铸模温度
S— 在充型结束时熔融金属中可允许存在的固态百分比
Z—单位转换因子
T— 铸件壁厚。

因为公式中的一些参数准确测量起来非常困难，使用该经验公式便依赖于经验数据。这些数据是通过多年实践搜集而得，在各种压铸参考书中可以查阅到。充型时间有时也可以依压铸工厂自己的经验估算而得。要获得高质量的铸件，实践表明浇口速度不应太低或太高，浇口速度太低会造成非原子化的充型条件而导致铸件缺陷，相反，浇口速度过大会导致铸模的充
蚀。对锌合金压铸而言，北美压铸学会推荐使用的浇口速度为40-55m/s。如此，通过使用公式（1），便可获得金属压力界线的值。

4.  P-Q²图在锌合金压铸中的应用

如前所述，P-Q²图的主要用途之一是用于预测一特定模具用在已知特性的压铸机上能否生产出高质量的铸件。在锌合金压铸生产中，常常需要对铸件进行表面处理（电镀或喷漆）以增加其抗腐蚀能力及装饰性。压铸时，使用较短的充型时间十分必要。大量的研究和实践表明，为获得好质量的铸件，充型时间需在10-40ms之间（需电镀件最长不应超过20ms）。对于一已知浇口面积的压铸模，可以比较容易地判断该模具是否会工作于P-Q²图上所标定的最佳工艺区内。铸件流量可通过转换铸件质量成液态金属体积并选择一合适的充型时间（或从压射迹线上获得）来计算而得，Q=w/ρt。金属压力便可由P-Q²关系（公式（3））来决定。通过确定P-Q²图上相应于所得的流量和金属压力的位置，便可知该点是否位于最佳工艺区内，从而确定该模具用在这一特定的压铸机上是否会生产出高质量的铸件。

在筹划生产新铸件时，P-Q²关系也可用于合理选择浇注系统的尺寸。在设计浇注系统时，从喷嘴到浇口的横截面积至少应保持恒定或最好是逐渐减小。其中喷嘴处面积应最大而浇口处面积应最小，如此设计的目的是确保熔融金属流动前沿与模具表面紧密接触，以避免产生湍流从而使金属液在流至模腔的过程中尽量少地混杂入空气。计算机技术的发展为进行P-Q²分析提供了极大便利。现今有许多计算机程序可被用来作P-Q²分析，包括Teck Cominco的模具设计程序。在进行P-Q²分析时，首先输入已知的压铸机参数，计算机程序便会据此算出一系列相应于不同浇口面积的浇口速度和充型时间。采用推荐的喷嘴速度（通常在10-15m/s），便可决定喷嘴处的面积以便选择一适合于生产的喷嘴。浇注系统中其它部位的尺寸大小只需依据以上所述的规则便可确定，也即从喷嘴到浇口的横截面积逐步减小。

P-Q²分析在鉴别锌压铸件缺陷时也是一项十分有用的工具。这可由以下所列的案例中得到印证。在使用一新模具生产一种锌合金手把时，生产厂家遭遇了铸件质量问题，该问题与表面处理和电镀有关。可是其根本源于差的原始铸件表面质量。图3是原始的手把铸件及用于压铸该铸件的浇注系统。近浇口缺陷区域的横截面金相图在图4中示出。从图4中可知，铸件上的不完整缺陷，如气孔和重叠（冷隔），在近表面层的细晶粒区域中清晰可见。这种受扰动的表面层通常是因为少量金属液过早地注射入模腔所致。这种情形常常是由于浇注系统设计不当而引起。检测所用的浇注系统各部位的横截面积表明，该系统对于所压铸的铸件而言过于庞大。图5示出所用浇注系统各部位的横截面积，从图5可知，所用直浇道的截面积非常大。虽然可能是想促成从直浇道到横浇道的平衡过渡，但直浇道区域的逐渐增大特别有问题。采用这种浇注系统设计，初始的金属流束将会不受约束地通过浇注系统而注射入模腔。但是整体充型要等到整个浇注系统充满金属液并增压后才会进行。如此，在初期充型的金属流束与后面连续的主金属流充型之间便会有一段时间上的停滞。这样会导致初始充型的金属液在较冷的模具表面凝固。当后续的主金属流扰动并重新移动过早凝固的表面层而不是重熔该层时，便会产生表面不完整的缺陷。

针对所用的浇口进行P-Q²分析，便获得与其相配的流道及喷嘴尺寸。改善后的金属浇注系统可达到的充型条件是42.1m/s的浇口速度及0.0085s的充型时间，这样的条件通常可以压铸出高质量的铸件。根据P-Q²分析，推荐的浇注系统无疑需要采用一较小的直浇道和横浇道。从喷嘴到浇口的截面积逐渐减小以便更好地控制金属流动。该厂商采纳了P-Q²分析的）建议并通过焊接和重新切割浇注系统而改进了模具设计。生产实践表明，铸件的表面缺陷随着模具的改进而随之消失。