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挤压压铸成型工艺特点

来源:本站 作者: 更新日期:2015-8-13 浏览次数:1704

论述了传统压铸和挤压铸造工艺与装备的应用现状,介绍了挤压压铸工艺的工艺 特性及其经济性,提出了在普通压铸装备上应用挤压压铸工艺的方法。
关键词:挤压铸造 挤压压铸工艺 挤压压铸机 模锻

  一、挤压铸造工艺与装备应用现状
挤压铸造技术发明了 65 年,它所具有强大的技术优势,已为机械制造工艺 行业所重视。可惜受传统思维方式和装备研制滞后的制约,挤压铸造的优势仍 未得以最充分的展现。

现时挤压铸造工艺基本以开式浇铸立式挤压方式进行, 与工效最高的卧式冷室压铸工艺未能实现兼容。近年发展起来的立式闭模充型 挤压铸造,与 40 年前发明的"精、速、密"压铸原理一样,都是以压射机构进行 补缩,其公称压力有限,并未达到挤压铸造的补缩比压要求,严格来说,还不 能算作真正意义上的挤压铸造。

  与压铸技术相比,现有挤压铸造设备工效不高,零件成形尺寸精度低,成 本相对较高。由于设备的自动化程度低,对工人的技能要求较高,操作难度较 大,劳动强度高。同样的零件,挤压铸造工艺的车间成本约为压铸工艺的 2--3 倍。加上压射系统不完善,结构复杂的零件难以生产出来,限制了挤压铸造工 艺的广泛应用。

  挤压铸造工艺推广应用所存在的问题,是由于装备发展的滞后产生的。现 时传统的挤压铸造工艺与装备,最大的症结在于未能真正与传统压铸装置的压 射系统有效结合,合模、锁模与挤压如何很好地结合起来是其关键的问题。不 突破这一点,挤压铸造的工艺潜能就不能完全发挥出来,其对传统压铸工艺的 替代性优势也就难以充分表达,传统压铸技术也不能借此技术进行复合而跃上 一个新台阶。

  二、 在传统压铸机上应用挤压压铸工艺的优势
传统压铸工艺与装备技术已相当完善,特别是卧式冷室压铸机及卧式压铸 工艺,它的压射与合模锁模装置,具有极强的工艺适应性。因此,挤压铸造工 艺如果不能与传统压铸装备相结合,将制约它的广泛应用。跨出这一步,挤压 铸造技术将出现另一个分支,这就是挤压压铸技术。换言之,在传统压铸机的 基础上应用挤压铸造技术,就是挤压压铸技术。根据挤压压铸自身工艺的特 点,对传统压铸机进行相应的完善改造,这套设备就是一台全新的挤压压铸机 了。

   1. 正确而全面认识压铸工艺与传统压铸机的功能
       把握挤压铸造工艺的原理,在传统压铸机上地简单应用挤压压铸工艺并不 是件难事,关键的是突破传统观念。它需要对传统压铸机所拥有的性能有全面 充分的认识,也要对传统压铸工艺有深刻的理解,还要清除那些先入为主的模 糊认识。
  
       事实上,现时传统的压铸机,其功能已相当齐备,它不但能进行普通的压 铸,还能进行挤压压铸、带型芯挤压压铸;不但能进行各种的低压铸造、差压 铸造、重力铸造,增加抽真空装置后,还能进行真空吸铸、真空压铸、真空挤 压压铸。如果思想再放开一点,将半固态加工、模锻的技术与之相结合,形成 连铸连锻的工艺,也是可以有效实现的。

  现有不少型号的压铸机,其压射系统的压射力、压射速度都是"连续无级可 调"的。就低压铸造、差压铸造、重力铸造的工艺特性来说,在普通压铸机上进 行上述工艺是没有任何问题。在压铸机上安装这种模具,也不是人们想象中那 么昂贵,因为它并非一定设计得如传统压铸模一样复杂。遗憾的是在实践中我 们难见相关的应用及报道。这是我们对传统压铸机及传统压铸工艺的一个认识 误区、观念误区和应用误区。

   2.传统压铸工艺与装备的特点及与挤压压铸工艺的适应性 
     传统压铸机分两类,一类是全液压主缸合(锁)模压铸机,另一类是曲肘 机构锁模压铸机。由于曲肘机构锁模的设备制造成本较低,现时市场上该类机 型已占主导地位。
      
     传统压铸机有一个重要的特征,就是它的型号都是以锁模力为主体参数命 名的,我们现在常说某台压铸机是多少吨,就是指锁模力的吨数。而挤压压铸 机,它不但有锁模力的参数要求,还必须有一个挤压补缩力的参数要求,且这 个挤压力参数还是最主要的指标。 
  
     如上所述,由于传统压铸机有全液压式和曲肘式两种不同的机型,在进行 传统普通压铸时没有分别,但如果用作挤压压铸时就不同了。挤压压铸与普通 压铸的分别在于,铸件在充型之后,挤压压铸增加了一个主缸动力向前推进进 行补缩的工步,而普通压铸则只是自然冷却,没有补缩的工步。

     在此还要细分和明确两个概念,即合模力和锁模力(或称锁模抗力)。合 模力是指推进动模所需的向前的动力,锁模力则是为抵抗充型、胀型所需的抗 力,它可以只是一个静力(反作用力)。因此,以传统压铸机直接应用挤压压 铸工艺,只能利用其合模力,也只有合模力才是一个向前推进的动力。合模力 的大小,决定了挤压补缩力的大小。因此,全液压式传统压铸机,其最大合模 力就是其最大的锁模力,也可作为其挤压补缩力。而曲肘式压铸机的最大向前 挤压力等于其合模油缸力乘以锁模机构的杠杆比,但最大也不能超过其锁模机 构所能承受的抗压强度。用这种设备进行挤压压铸,由于其合模初期位置并未 到达合模机构的自锁"死点",而挤压终结位置才是其最大锁模抗力的"死点", 若以同样压铸比压充型,所能生产的零件的投影面积有所减少。

   3.界定挤压铸造的主体技术特征 
      挤压压铸最高的挤压补缩比压约为普通压铸压射比压的 5-10 倍。以挤压压 铸的挤压比压衡量,现时除了用四柱油压机改造的立式开模浇注挤压铸造机符 合挤压铸造主体技术指标外,其余装置实现的,还只是属于传统压铸所属工艺 范围,还不是真正意义上的挤压铸造。这个概念,我们是要界定清楚的。

   4.以传统压铸机压射装置进行挤压压铸工艺的不可行性 
      现时传统压铸机无论是哪一种锁模机构,受帕斯卡定律的制约,设计的压 射力约是锁模力的十分之一。现行压铸工艺一般要求压射比压大致在 80MPa 至 130MPa 之间,每100 吨锁模力能承受压铸的投影面积约 150--250 平方厘米。 由于挤压铸造工艺所要求的是补缩比压而不是压铸比压,挤压补缩比压最高要 求在 500MPa 至 1000MPa 之间,对于小尺寸内浇口的压铸件,我们不能采取用 压射缸或辅助缸挤压或"加压"的方式进行冷却补缩,必须由主缸动力挤压补缩 才有实效。若真以"精、速、密"压铸方式进行挤压压铸,就要加大内绕口尺 寸,使之具有顺序凝固的特征。由于内浇道一般先于铸件冷却,不加大内浇口 尺寸,挤压补缩就根本不可能实现。这种方法对于很多压铸件是不适用的。如 要达到上述挤压补缩比压,压铸机所能生产的挤压压铸件投影面积,就只及原 来的十分之一。传统压铸机生产的毛坯本来"可压铸投影面积"已经不大,再减 少九成,显然是不经济的,实践上就失去了其应用的意义。现时的压铸机都有 压铸充型后期的"加压"环节,但压铸件气密性缺陷依然如故,用加大机型生产 小件零件这种"大牛拉小车"办法,效果也好不到哪里去,所谓"精、速、密"压 铸,还只是一个漂亮的名字,40 年来都未见有实质性进步,生产这种压铸机厂 家的商业性宣传,倒强化了工程技术和应用人员的认识误区,使人迷失了方 向。 

   5.认识挤压压铸技术的主体技术特征及其强大的技术经济优势 
      挤压压铸的主体技术特征,是体现"普通压铸充型,挤压铸造补缩"原理, 它是利用现有压铸机完善的压射系统进行充型,同时又尽最大限度避开金属液 相充型时帕斯卡定律对充型条件(零件可充型面积)的制约。这一点具有很重 要的意义,它也是挤压压铸工艺的重要特征:挤压压铸工艺强调的是在满足充 型条件下,尽可能采用最低的充型比压和速度,这种工艺思想,对要低压充型 的各种厚大零件和成功实现带型芯压铸是一个莫大的优势。这是它能替代低 压、差压、重力铸造及部分带型芯翻砂铸造工艺的原因。挤压压铸工艺的提 出,极大地拓展了传统压铸机和压铸工艺可应用的范围,其重大的经济性还在 于,一台传统压铸机如以 1.4Mpa 的低压充型,所生产零件的投影面积是原来的 80----100 倍,可以说,现有设备的工作台能安装的模具有多大,就能生产多 大尺寸的零件。用一台传统 J1140 型全液压 400 吨压铸机改造为同时具有 400 吨挤压补缩力的挤压压铸机,基本可以满足挤压压铸一般的汽车、摩托车轮毂 这种大规格零件的工艺要求了。以挤压压铸的工艺性推测,一台同时具有 500 吨锁模力和 500 吨挤压力的挤压压铸机,即可对付现时九成以上的压铸件生 产,使用 500 吨以上锁模力的传统压铸机,已是一个很不经济的做法,对小型 压铸厂来说,则具有极大的投资风险。

 挤压压铸工艺所蕴含技术经济能量是令人惊叹的。一个同等规模的挤压压 铸厂,其设备投资将可比传统压铸厂减少三分之二以上,其工艺适应性却能覆 盖除翻砂铸造外绝   6.挤压压铸工艺与传统压铸装备的切入口 以卧式压铸机为例,这种传统装备不用新增加机械装置,也能应用挤压压 铸工艺,也能生产挤压压铸件,只是所生产的零件结构稍为简单,零件的厚度 尺寸精度受到一定的限制。 由于传统卧式压铸机并没有一个专用的挤压补缩机构,合模机构须同时承 担合模和挤压补缩功能,所用的挤压压铸模具,设计的凸模是必须是整个零件 投影面积,实质是一个"冲头",与开式挤压铸造机所用模具相似,是一种最传 统、典型的挤压铸模具结构。 因此,在传统卧式压铸机上应用挤压铸工艺,需要控制好其合模的尺寸精 度。最简单的办法,可通过所谓的"实时控制"控制好合模的准确位置。通过在 压铸机上增加一个"位置电控"开关,并对压铸机的逻辑电路作相应的调整。压 铸件厚度精度,受制于这个"位置电控开关"的可控精度。通过这样改进,整个 挤压压铸工艺与现有的立式闭模(冲头式模具)反压充型挤压铸造工艺极为相 似。 用普通卧式压铸机进行挤压压铸生产,由于是闭模充型,它不但可生产比 传统立式挤压铸造机开模浇注方法生产复杂结构的零件,而且由于压射系统也 比用四柱油压机改造而成的挤压铸造机更完善,它也比立式闭模反压挤压铸造 方法可生产出更复杂的零件,其复杂系数与传统压铸工艺是一样的。

  7.挤压压铸的模具顶出装置与传统压铸模具的异同 用传统卧式压铸机应用挤压压铸工艺,还有一个很不同的特征是其顶出装 置。传统压铸机一般使毛坯留在动模,而挤压压铸工艺则是留在动模或静模两 种情形都可存在,它对模具结构、模具承力和模具成本产生决定性影响。新设 计生产的挤压压铸机必须充分考虑这个问题。 值得注意的是,挤压压铸模承担高压挤压补缩,它比传统压铸模应具有更 高的机械强度,应参考锻压模具的设计规范进行承压强度设计,其顶出杆所需 强度也比传统压铸模具的大。要更好解决挤压压铸模具的强度和刚度这个问 题,必须简化挤压压铸模具的结构,这就要按挤压压铸工艺对传统压铸机进行 彻底的改造,或应用真正的挤压压铸机了。

  三、新型挤压压铸机的设计     和传统压铸机的改造简述 在传统压铸机的基础上改造挤压压铸机,有两种途径: 一是生产压铸机的厂家,按挤压压铸工艺的特征,设计生产适应性广的全 能的挤压压铸机。压铸机生产厂家按该技术思路设计生产的具有相同锁模力和 挤压力的挤压压铸机,整机的制造成本只比普通压铸机高 3%左右。具体改进方 案可参考该技术相关的专利文献介绍。 二是现有的压铸厂家对其自有压铸机自行改造。 改造传统的全液压式锁模压铸机为挤压压铸机,成本是最低的,它只要在 设备上加上锁模机构,成本在 5000 元至 1 万元左右,设备型号吨位大小,相差 并不大。 曲肘式锁模压铸机在一般机械厂都能完成改造工作。改造费用一般为设备 价值的 5%左右。将一台锁模力为500 吨的曲肘式压铸机改造为一台同时具有 500 吨锁模力和的挤压补缩力的挤压压铸机,成本约 3 万元。 两种不同类别压铸机改造成的挤压压铸机,其挤压压铸模具结构会有所差异,这是设计人员需要留意的。有关挤压压铸模具的特点,将另文介绍。

  四、结语 挤压压铸工艺与装备技术的提出,使挤压铸造技术大大向前迈进了一步, 但它还是一个新生事物,有待同行们在实践中丰富和提高. 德国宝马公司在 SAE 2006(2006年 4 月 3 日~6 日,美国底特律)上,发表了 面向直列 6 缸发动机的镁合金气缸体(在论文中标记为“曲轴箱”)的生产工序 (演讲序号:2006-01-0069)。 该生产工序采用将铝合金缸衬嵌入金属模具后用镁合金注入成形的方法。 配备采用该工艺制成的气缸体的直列 6 缸发动机被配备在了“6 系列”及“3 系列” 上,“此次尚属首次发表整个生产工序”(该公司负责轻金属铸造的总经理 Michael Hoesch)。展会上,该公司展示了该气缸体的分解样品(图 1)。 图 1:镁合金气缸体的分解样品。左半部分去掉了缸衬的铝合金部分。 该生产工序的第一步是制造铝合金缸衬。其成分组成为 AlSi17Cu4Mg。利 用低压铸造工艺制造,不过硅的含量较高,因此与普通压铸法相比,在优化工 序的各参数方面难度较大。为了模拟铝熔液的状态,使用了 MagnaSoft 公司的 FDM(有限差分法)软件。 第二步是在缸衬表面涂装用以提高与镁合金的密着性的铝硅合金。其成分 组成为AlSi12。 “能否提高与镁合金的密着性是生产工序中最难的部分”(Hoesch)。具体来 说,在并排配置两根 AlSi12 金属丝后,通过施加高电压使金属丝熔化,然后再 利用压缩空气喷涂在缸衬表面。由此形成的涂装膜厚约 0.1mm。 由于该涂膜为多孔质膜,而且在成形时是通过对镁合金进行压铸来将缸衬 包裹起来,因此 AlSi12 层就会因这时产生的热量及压力而进入反应进程,从而 便可达到使铝合金与镁合金密着的作用。镁合金的种类采用的是“AJ62”。 该公司已在兰茨胡特(Landshut)工厂建起了镁合金冶铸块熔炉。每台容 量为 3.5T,共 5 台。为了搬运镁合金熔液,开发了容量为 600kg 的专用熔炉, 利用叉车运至压铸机以供使用。 镁合金的压铸成形工序如下。首先将经过涂装处理的缸衬升温至 400℃以 上,利用机器人将其插入压铸机的金属模型内。然后利用锁模力为 400T 的压铸 机向 700℃的镁合金每次施加 30kg 的锁模力。 然后打开模具,利用机器人将气缸体取出,在趁热刻印所需信息、去除毛 刺后进行机械加工,这样整个工序即可完成。在沙眼的检测上使用 X 线检查装 置。 提出了新的非破坏检查法 在质检方面,特点是确对镁合金及铝合金的接合部位进行检查的方 法。现有的非破坏检查法包括 X 线、超声波及 CT 等,这些方法由于无法检测出 因热膨胀的不同而导致的微小缺陷,因此该公司新开发了使用超声波的热成像 法(Ultrasonic-stimulated Lock-in Thermography)。 新的非破坏检查法的原理是:通过向部件照射超声波,就会诱发缺陷部分 的微小振动,使缺陷部分产生摩擦热,从而便可利用热成像仪高精度检测在表 面传递的热。这样一来,便可实现对接合部的快速、高清度的质检。 宝马公司表示今后将在直列 6 缸发动机上配备采用上述镁合金的发动机部 件。在展会上,该公司展示了采用镁合金气缸体的直列 6 缸发动机,以及配备 该发动机、预定在今后 6 月份上市的“Z4 酷派”。     
  


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