P-Q圖技術，主要研究的是壓鑄高速填充階段，將壓鑄機為能量輸出端、模具為能量需求端，兩者共同作用的結果為鑄件。這種能量供需的結合，就形成了一個壓鑄機-壓鑄模系統，這個系統得到合理匹配后，可提高壓鑄工藝的靈活性及鑄件的質量。于壓鑄機而言，每臺壓鑄機的壓射系統都有自身的特性，即P-Q圖的設備線，它反映了壓室中最大金屬靜壓與流量的關系。于模具而言，當澆排系統確定之后，這副模具也形成了其獨有的特性，即P-Q圖的模具線，它反映了內澆口流量與壓射比壓的關系。根據鑄件工藝需要，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、繪制，及驗證模具設計與優化壓鑄工藝的應用。

一、P-Q圖的推導及繪制

1、P-Q圖的設備線

壓鑄機壓射有3種狀態：正常壓射狀態、壓射沖頭停滯、壓射沖頭速度最大。 上述3種情況，可以用下式函數關系描述：

(1)式中，Ps為壓射沖頭在料缸金屬液內產生的有效壓力,MPa；Pa為儲能器壓力，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:壓鑄機壓射機構簡圖

(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為空壓射時等量的金屬液流量，L /s。
由式（2）可做P-Q圖的設備線，見圖2。

圖2:P-Q圖的設備線

2、P-Q圖的模具線

根據伯努利方程，同一流線上單位質量流體的機械能總和不變，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為內澆口處高度，mm；P2為內澆口出口處大氣壓，MPa；v2為金屬液內澆口處速度，m/s。見圖3。

圖3:澆注系統示意圖

因為，沖頭和內澆口端面位置高度差不大，即（ρgH1-ρgH2）相對于P1是一個很小的值，所以H1、H2兩項斷面高度忽略不計； 沖頭提供壓力P1>>>內澆口出口處大氣壓P2（兩個數量級的差異），故P2可以忽略不計； 沖頭速度v1<<<內澆口處合金液速度v2，故v1可以忽略不計；
所以，式(3)可以簡化成下面形式，建立了內澆口金屬液速度與壓射壓力函數關系：

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

（5）因為，速度v=流量Q/截面積A，根據式（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，金屬液通過澆注系統，從分流錐、橫澆道到內澆口的過程中，會產生壓力（流量）的損失。損失的大小取決于澆注系統的幾何形狀、尺寸和表面粗糙度，損失的大小還與金屬液流速成正比。當無流量損失，Cd=1；當設計好的澆注系統，Cd=0.8；當設計一般的澆注系統，Cd=0.6；當設計差的澆注系統，Cd=0.4-0.5。

二、壓鑄工藝窗口的制定

1、內澆口速度參數的確定

依據鑄件平均壁厚、鋁液流動距離、鑄件復雜程度、內外質量要求等，確定好符合鑄件條件的內澆口速度vg范圍。再根據式（5），可將內澆口速度vg轉換為壓射壓力P，并在P-Q圖中縱坐標將其要求區間體現出來，見圖5。

圖5：Vg轉換為P在P-Q圖中的體現

2、填充時間參數的確定

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

依據鑄件平均壁厚、鋁液流動距離、鑄件復雜程度、內外質量要求等綜合評估，確定好符合鑄件條件的填充時間范圍，再根據式（7），可將填充時間t轉換為填充流量Q，并在P-Q圖中橫坐標將其要求區間體現出來，見圖6。

圖6：t轉換為Q在P-Q圖中的體現圖

3、壓鑄工藝窗口的確定

根據以上2.1、2.2分別確認好鑄件所需的內澆口速度范圍及填充時間范圍轉換為壓力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圖的設備線、模具線和壓鑄工藝窗口三者結合運用

P-Q圖技術是從能量守恒角度，通過壓力P和流量Q聯系起來分析壓鑄機、模具、鑄件之間的關系。壓鑄機為能量輸出端，模具為能量需求端，鑄件為壓鑄機和模具兩者共同作用的結果。當壓鑄機輸出能量和模具需求能量相符時，可得到理想的鑄件。反之質量難以保證。

1、合理的P-Q圖

當壓鑄機輸出的能量和模具需求的能量相符時，即P-Q圖的設備線和模具線的交點在壓鑄工藝窗口內部位置，見圖8，視為合理。

圖8:合理的P-Q圖

2、不合理的P-Q圖

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

圖9:不合理的P-Q圖

四、P-Q圖優化模具設計及壓鑄工藝的具體調整方法

1、P-Q圖的設備線的調整方法

調節速度控制閥的開度

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P-Q圖的影響圖

2、調節儲能Acc壓力

由式（2）可知，壓鑄機儲能Acc壓力與金屬靜壓力P、流量Q均為正比關系，其變化如圖11所示。

圖11：儲能Acc壓力對P-Q圖的影響

3、調整沖頭直徑

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

圖12：沖頭直徑對P-Q圖的影響 

4、P-Q的模具線的調整方法

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

圖13：內澆口截面積Ag對P-Q圖的影響

五、濾波器腔體壓鑄件、模具及壓鑄機的相關工藝參數

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，內腔多處薄筋、孤立柱子等結構，較為復雜，壓鑄成型困難。

圖14：濾波器腔體鋁合金壓鑄件 

2、壓鑄機噸位選擇

（8）式中，F鎖為鎖模力，T；K為產品投影面積加上澆排系統等全投影面積概算比率，取1.3；A為產品投影面積，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。1600T壓鑄機的壓射缸直徑為?210mm，最大空壓速度為8m/s，最大儲能壓力為16MPa。

3、壓鑄工藝參數擬定

填充時間

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

內澆口速度及流量系數Cd

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

圖15：壓鑄技術手冊推薦值

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為填充時間，s。
根據5.1、5.3、5.4.1中的參數，由式（10）可得內澆口截面積Ag=1425.6mm2。

沖頭直徑的選擇

根據5.1、5.3、5.4.1中的參數，同時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圖驗證濾波器腔體的模具設計及優化壓鑄工藝

依以上案例鑄件、模具及壓鑄機的相關參數，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線的模具線和設備線交點在所需要的壓鑄工藝窗口內部中間區域，說明此模具設計方案合理。

經圖16得知實際沖頭的壓射速度可在4.3～5.0m/s區間視鑄件實際情況進行調整。在第一次試模時，將實際的壓射速度調整為4.5m/s，鑄件成型良好，達到了一次試模成型成功的效果。并經壓鑄、機加、氧化、噴粉、電鍍工序批量生產后，未發現因鑄件成型缺陷而引起的產品報廢。

在其他工藝參數及條件不變前提下，將壓鑄機實際的壓射速度調整為3.5m/s，鑄件遠澆端內腔筋位出現冷隔等不良，見圖17。圖18為實際壓射速度為3.5m/s的P-Q圖，設備線和模具線的交點在壓鑄工藝窗口外部位置，工藝參數不合理。

圖17：鑄件筋位冷隔

圖18：壓射速度為3.5m/s的P-Q圖

在其他工藝參數及條件不變前提下，將壓鑄機實際的壓射速度調整為5.5m/s，鑄件進澆內側壁燒付、粘缺嚴重，見圖19。圖20為實際壓射速度為5.5m/s的P-Q圖，P-Q圖的設備線和模具線的交點在壓鑄工藝窗口外部位置，工藝參數不合理。

圖19：燒付、粘缺

 圖20：壓射速度為5.5m/s的P-Q圖

結論

（1）模具設計階段使用P-Q圖，特別是針對結構復雜鑄件的模具設計，可起到有效的指導及驗證模具設計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，可有效指導和優化壓鑄高速填充階段的相關壓鑄調機工藝參數。

（3）在模具設計階段進行P-Q圖進行模擬試模，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