張磊壓力鑄造的發(fā)展?fàn)顩r與展望分析

1、壓力鑄造的發(fā)展?fàn)顩r與展望0945561234 張磊 摘要: 鑄造業(yè)有幾千年的歷史，但是壓力鑄造業(yè)的歷史并不長,。本文分析了壓鑄的特點(diǎn)以及我國壓鑄業(yè)的成績和不足, 并展望了壓鑄業(yè)的前景。 關(guān)鍵詞: 壓力鑄造; 壓鑄工藝; 壓鑄合金; Al- Si合金; 壓鑄機(jī) 壓力鑄造是近代金屬加工工藝中發(fā)展較快的一種先進(jìn)的鑄造方法。液態(tài)金屬在高速高壓作用下射緊鎖的模具型腔內(nèi)并保壓、結(jié)晶直至凝固, 形成半成品或成品。它所獲得的鑄件尺寸精度高, 機(jī)械性能好,是一種生產(chǎn)效率高的精密成形工藝【1】。1. 壓力鑄造技術(shù)的特點(diǎn) 在壓力鑄造中, 一般作用于原料上的壓力在20-200 MPa 范圍, 充型的初始速度為15-7

2、0 m/ s,充型時間僅為0. 01-0. 20 s。正是由于這種特殊充型方式及凝固方式, 導(dǎo)致壓力鑄造具有自身獨(dú)特的一些特點(diǎn): (1) 可以得到薄壁、形狀復(fù)雜但輪廓清晰的鑄件。 ( 2) 鑄件精度高、尺寸穩(wěn)定、加工余量少、表面光潔, 加工余量一般在0. 2 0. 5 mm 范圍, 表面粗糙度在R a3. 2 Lm 以下。 ( 3) 鑄件組織致密、具有較好的力學(xué)性能。 ( 4) 生產(chǎn)效率高。壓力鑄造的生產(chǎn)周期短, 一次操作的循環(huán)時間約5 s 3 min, 這種方法適于大批量的生產(chǎn)。 ( 5) 壓力鑄造采用鑲鑄法可以省去裝配工序并簡化制造工藝【2】 。2. 壓力鑄造工藝 在壓鑄技術(shù)發(fā)展初期, 一

3、方面期望盡快掌握壓鑄工藝的基本知識, 以便能在生產(chǎn)中保證鑄件質(zhì)量, 另一方面則存在著熱衷于開發(fā)壓鑄新工藝的傾向。各種壓鑄新工藝有其不同的特點(diǎn), 只有在特定的條件下才能發(fā)揮效能。 2.1 真空壓鑄 真空壓鑄是利用輔助設(shè)備將壓鑄型腔內(nèi)的空氣抽出且形成真空狀態(tài)下將金屬液壓鑄成形的方法。真空壓鑄的特點(diǎn): 1)真空壓鑄可消除或減少壓鑄件內(nèi)部的氣孔,提高鑄件的力學(xué)性能和表面質(zhì)量, 改善鑄件的鍍覆性能。 2)真空壓鑄時大大地減少了型腔的反壓力?？墒褂幂^低的比壓及鑄造性能較差的合金, 甚至可用小機(jī)器壓鑄較大和較薄的鑄件。 2.2 加氧壓鑄 加氧壓鑄是在鋁合金液充填型腔前, 用氧氣充填壓室和型腔而取代其中的空氣

4、及其它氣體。當(dāng)金屬液充填時, 氧氣一方面通過排氣槽排出, 另一方面由噴射的鋁液與沒有排出的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生氧化鋁微粒, 分散在壓鑄件內(nèi)部, 使壓鑄件內(nèi)不產(chǎn)生氣孔。 加氧壓鑄的特點(diǎn): 1)消除或減少氣孔, 提高了鑄件質(zhì)量。其中提高機(jī)械強(qiáng)度達(dá)10%, 延伸率為1.5-2倍。因壓鑄件內(nèi)無氣孔, 可經(jīng)熱處理從而使強(qiáng)度進(jìn)一步提高, 屈服極限增加, 沖擊性能也顯著提高。 2)壓鑄件可在290e-300e 的環(huán)境中工作。 3)加氧壓鑄與真空壓鑄相比, 結(jié)構(gòu)簡單, 操作方便, 投資少。 2.3 半固態(tài)壓鑄 半固態(tài)壓鑄是當(dāng)液態(tài)金屬在凝固時, 進(jìn)行強(qiáng)烈的攪拌, 并在一定的冷卻速率下獲得約50% 甚至更高的固

5、體組分的漿料, 用這種漿料進(jìn)行壓鑄。通常有兩種方法: 一種是將上述半固態(tài)的金屬漿料直接壓射到型腔里形成鑄件, 稱為流變鑄造法; 第二種是將半固態(tài)漿料預(yù)先制成一定大小的錠塊。需要時再重新加熱到半固態(tài)溫度, 然后送入壓室進(jìn)行壓鑄, 稱為攪溶鑄造法。半固態(tài)壓鑄與全液態(tài)金屬壓鑄相比有如下優(yōu)點(diǎn): 1)由于降低了澆注溫度, 而且半固態(tài)金屬在攪拌時已有50% 的熔化潛熱散失悼, 所以大大減少了對壓室、壓鑄型腔和壓鑄機(jī)組成部件的熱沖擊. 2)由于半固態(tài)金屬粘度比全液態(tài)金屬大, 內(nèi)澆口處流速低, 因而充填時少噴濺, 無湍流, 卷入的空氣少; 由于半固態(tài)收縮小, 所以鑄件不易出現(xiàn)疏松、縮孔, 故提高了鑄件質(zhì)量。

6、3)半固態(tài)金屬像軟固體一樣輸送到壓室, 操作簡單方便。半固態(tài)壓鑄的出現(xiàn), 為解決黑色金屬壓鑄模壽命低的問題指出了新途徑, 而且對提高鑄件質(zhì)量、改善壓鑄機(jī)壓射系統(tǒng)的工作條件, 都有一定的作用。 2.4 固態(tài)壓鑄 固態(tài)壓鑄是以粉狀或粒狀的固態(tài)金屬加入壓室進(jìn)行壓鑄的。固態(tài)壓鑄壓射進(jìn)入模具型腔的同樣也是半固態(tài)漿液,但與半固態(tài)壓鑄的區(qū)別就在于加入壓室的是固態(tài)金屬, 而生成漿液的一系列工序都在壓室內(nèi)完成, 直到壓射產(chǎn)生觸變而壓鑄成形為止。 固態(tài)壓鑄所用的壓鑄機(jī)最大的區(qū)別和特點(diǎn)就是壓室的結(jié)構(gòu)和工作原理。然而, 這種新的工藝方法也存在不少問題和困難需要解決。 2.5 精、速、密壓鑄 精、速、密壓鑄(雙壓射沖頭

7、) 時采用一種由兩個套在一起的內(nèi)外壓射沖頭。在開始壓射時, 兩個壓射沖頭同時前進(jìn); 當(dāng)充填完畢, 型腔達(dá)到一定壓力后, 限時開關(guān)啟動, 內(nèi)壓射沖頭繼續(xù)前進(jìn), 補(bǔ)充壓實鑄件。這種方法的基本持征是: 1)內(nèi)澆口較厚, 一般為3mm 5mm; 2)充填速度較低, 一般為4 m / s 6m / s; 3)壓鑄后用內(nèi)壓射沖頭補(bǔ)充加壓。此時比壓是3 500 kN 100 000 kN, 內(nèi)壓射沖頭的行程為50mm 150mm; 4)控制壓鑄件的凝固。充填時, 讓液態(tài)金屬平穩(wěn)地充填型腔, 使金屬液在型腔內(nèi)由遠(yuǎn)至近地起到充實的作用。3.壓鑄合金 20 世紀(jì)50 年代初期我國即開始了壓鑄鋅合金方面的工作, 不

8、僅建立了壓鑄鋅合金體系, 而且對鋅合金老化行為進(jìn)行了研究。 受到當(dāng)時國際上對鋅合金老化問題研究熱的影響, 我國曾用過多的精力關(guān)注鋅合金的老化行為, 忽視了開發(fā)新型壓鑄鋅合金的工作。但自20 世紀(jì)70 年代末期開始, 我國已開展了高鋁鋅基合金的開發(fā)工作, 并開發(fā)出了5-6 個含鋁量在8%-45% 范圍內(nèi)的高鋁鋅基合金牌號, 它們具有價格低、密度低、強(qiáng)度高( 400MPa) 等優(yōu)點(diǎn), 并具有與青銅相似的耐磨性能, 經(jīng)實際應(yīng)用, 取得了良好效果。 壓鑄鋁合金在國內(nèi)受到更多的重視和關(guān)注大約是在20 世紀(jì)70 年代末期。在此之前, 我國的壓鑄鋁合金主要是參照采用蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)數(shù)據(jù)和規(guī)定。僅在1982 年

9、頒布了JB3068-3072-82 ( 有色壓鑄合金技術(shù)條件) 標(biāo)準(zhǔn)以后, 我國的壓鑄鋁合金才在牌號設(shè)置、標(biāo)識方法、成分與性能等方面, 達(dá)到了國際水平。20 世紀(jì)90 年代初期, 隨著生產(chǎn)形勢的發(fā)展, 在制定鋁合金國家標(biāo)準(zhǔn)時, 決定把國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)中的AlSi11Cu3 ( ADC12,383) 和AlSi17Cu5Mg ( ADC14, 390) 兩種鋁合金納入我國國家標(biāo)準(zhǔn)之中。 壓鑄銅合金在國內(nèi)用量較少, 在國家標(biāo)準(zhǔn)中( GB/ T15116-94 ) 選用了CuZn40Pb、CuZn16Si4、CuZn30Al3 和CuZn35Al2Mn2Fe 四種牌號的銅合金。把含錳黃銅CuZn35Al

10、2Mn2Fe 引入標(biāo)準(zhǔn), 是考慮到它在汽車壓鑄件生產(chǎn)中的應(yīng)用。 鎂合金壓鑄件產(chǎn)量較少,只選入一種鎂合金納入標(biāo)準(zhǔn)。迄今,它只有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 3.1 鋁合金壓力鑄造 鋁合金壓力鑄造是在壓鑄機(jī)的壓室內(nèi)，澆入液態(tài)或半固態(tài)的鋁合金，使它在高壓和高速下充填型腔，并且在高壓下成型和結(jié)晶而獲得鑄件的一種鑄造方法。鋁合金壓力鑄造的主要特點(diǎn)在于：（1） 生產(chǎn)效率高。（2） 鑄件精度高，性能好。（3） 鑄造采用鑲鑄法可以省去裝配工序并簡化制造工藝。鑲鑄的材料可為鋼、鑄鐵、銅、絕緣材料等，制備出有特殊要求的鑄件。（4） 由于充型速度快，空氣難以排出，容易被壓碎為細(xì)密的氣泡殘留在鑄件內(nèi)，氣泡過大則鑄件不能熱處理，甚至報廢

11、。 3.2 鑄造Al- Si合金 鑄造Al- Si合金作為鑄造鋁合金材料的重要組成部分, 因其具有容重小、強(qiáng)度高、鑄造成形好和機(jī)械加工性能優(yōu)良等一系列優(yōu)點(diǎn), 目前已被廣泛應(yīng)用到航空航天、汽車及其它運(yùn)載機(jī)械上。由于鑄造鋁硅合金性能與合金組織中a- Al、共晶和/或初晶Si等的形態(tài)、大小及分布密切相關(guān), 改善這些因素對于提高合金的使用性能具有十分重要的作用。已有研究表明; 在鑄造A l- Si合金成形過程中施加壓力會影響合金的形核生長過程, 從而使合金的組織得到細(xì)化,綜合性能得到提高。4.我國壓力鑄造業(yè)的現(xiàn)狀 我國已建立了自己的壓鑄技術(shù)隊伍, 培養(yǎng)出一批具有相當(dāng)水平的壓鑄技術(shù)人才, 已有能力在壓鑄

12、技術(shù)與生產(chǎn)領(lǐng)域的各個方面進(jìn)行開拓性的工作。迄今, 壓鑄技術(shù)已經(jīng)在我國形成了自己的體系, 并正在穩(wěn)步發(fā)展之中。然而同國外壓力鑄造相比, 我國壓力鑄造仍然存在很多不足, 主要表現(xiàn)在以下方面: 一國外壓射系統(tǒng)始終在不斷地改進(jìn), 平均5a 8a就有一次重大改進(jìn)。而我國壓射部分的所有壓射參數(shù)的調(diào)節(jié)均為人工手動, 無參數(shù)顯示系統(tǒng)配套, 給壓鑄工藝規(guī)范的實施造成困難, 因而壓鑄件的質(zhì)量無法保證, 也難以實現(xiàn)自動化。 二合模部分一般采用曲軸機(jī)械擴(kuò)力結(jié)構(gòu), 其擴(kuò)力系數(shù)只有18左右, 而國外高達(dá)20多, 這在合型力相同時, 合型油缸比國外壓鑄機(jī)大四分之一以上, 增加了能量的消耗, 也增加了原材料和加工成本。而且合

13、型部分的一些關(guān)鍵零部件至今未完全過關(guān), 直接影響到機(jī)器的正常工作。 三液壓系統(tǒng)無法實現(xiàn)壓鑄機(jī)的自動控制。而國外有名的壓鑄機(jī)公司在這方面早已普遍應(yīng)用。 四生產(chǎn)率低。 五我國在壓鑄模的設(shè)計和制造方面, 進(jìn)展較為緩慢。在壓鑄模設(shè)計中, 目前仍主要依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗 。5. 展望 5.1我國鑄造發(fā)展需采取的措施 加入WTO 以后, 我國的壓鑄業(yè)面臨著巨大的發(fā)展機(jī)遇和強(qiáng)有力的國際競爭。面對這樣的形勢, 我國壓鑄業(yè)別無選擇, 只有在現(xiàn)有基礎(chǔ)上努力提高技術(shù)水平, 確保壓鑄件質(zhì)量、擴(kuò)展壓鑄件品種才能在競爭中獲得發(fā)展。 為此應(yīng)考慮在下述幾個方面開展工作。 1) 提高壓鑄件質(zhì)量, 增加壓鑄件品種, 擴(kuò)大應(yīng)用范圍,

14、 增加壓鑄件產(chǎn)量。 2) 開展大型鋁合金壓鑄件全套生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā), 包括大型壓鑄型的設(shè)計和制造、壓鑄工藝、質(zhì)量控制、壓鑄件后處理及自動化等。 3) 加強(qiáng)壓鑄件質(zhì)量檢測技術(shù)的開發(fā)。 4) 開展壓鑄基礎(chǔ)工藝研究, 對壓鑄過程中金屬液流向和傳熱問題進(jìn)行探討。 5) 消化吸收引進(jìn)技術(shù), 首先從壓鑄設(shè)備入手,穩(wěn)定小型壓鑄機(jī)的質(zhì)量, 提高大型壓鑄機(jī)的性能和輔機(jī)配套問題。 6) 對壓鑄用脫型劑、潤滑劑、鑄型用材、型溫控制裝置、壓鑄機(jī)不燃油等, 開展邊緣技術(shù)的研究。 7) 在壓鑄技術(shù)中應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)。 8) 完善壓鑄標(biāo)準(zhǔn)化工作, 在完成壓鑄合金、壓鑄件、壓鑄機(jī)及壓鑄型基本構(gòu)件的國家標(biāo)準(zhǔn)制定工作后, 制定與之配

15、套的其他項目的國家標(biāo)準(zhǔn)。 9) 建立國家級的壓鑄試驗研究工程中心、信息中心與培訓(xùn)中心。 10) 加強(qiáng)行業(yè)活動, 擴(kuò)大國際交流與合作。此外, 在我國于2001 年12 月成為WTO成員后, 我國的壓鑄行業(yè)與其他行業(yè)一樣, 面臨著與國際接軌的問題, 需要從觀念上去適應(yīng)國際競爭的通用規(guī)則。 5.2 我國壓力鑄造的研發(fā)方向 面對目前和將來的形勢, 我國壓鑄業(yè)別無選擇, 只有在現(xiàn)有基礎(chǔ)上努力提高技術(shù)水平, 加快技術(shù)進(jìn)步, 培養(yǎng)核心競爭實力, 確保壓鑄件質(zhì)量, 擴(kuò)展壓鑄件品種,追求高效率和高效益, 才能在競爭中獲得發(fā)展。 深化壓鑄基礎(chǔ)工藝的研究 影響壓鑄件質(zhì)量的因素是多方面的, 其中最為主要的是充型條件,

16、 鑄件中的氣孔、尺寸精度及表面質(zhì)量等, 均與充型條件有密切關(guān)系。充型過程中可變因素復(fù)雜多樣, 從總體上可以劃分為靜態(tài)的、人為的和動態(tài)的3 個類別。靜態(tài)方面包括: 壓鑄機(jī)本身的性能、鑄件結(jié)構(gòu)、模具結(jié)構(gòu)、儲能器壓力及增壓壓力。屬于人為的有: 閥、定時開關(guān)、行程開關(guān)、金屬液的溫度及液壓油的粘度等。動態(tài)方面的可變因素眾多, 也是最難以控制的, 壓室中的金屬量、沖頭運(yùn)行時所受的阻力、模具溫度以及采用真空壓鑄時的負(fù)壓曲線等, 都會對施加于金屬液上的壓力和沖頭的速度產(chǎn)生巨大的影響, 而這兩方面又是影響充型條件最為重要的參數(shù)。 影響壓鑄件質(zhì)量的因素還有壓鑄模, 壓鑄模是直接影響所生產(chǎn)的壓鑄件質(zhì)量的不可缺少的壓

17、鑄工藝裝備。 5.1.2 消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備 就目前而言, 我國壓鑄產(chǎn)業(yè)整體水平比國外先進(jìn)水平確實還有一段差距, 現(xiàn)在是改革與開放的時代, 我們應(yīng)取人所長, 大膽研究和引進(jìn)國外的新型壓鑄機(jī)。如美國螺旋擠壓壓鑄機(jī)( 為壓鑄鎂合金推出的新型壓鑄機(jī)) 。該機(jī)的突出特點(diǎn)是直接使用冷金屬粒, 金屬粒進(jìn)入型腔前經(jīng)過壓鑄機(jī)機(jī)內(nèi)的加熱環(huán)升溫, 加熱環(huán)溫度為1 000 e , 鎂合金粒度有兩種,螺旋桿的作用是使金屬粒1) 球化; 2) 產(chǎn)生切變應(yīng)力; 3) 升溫; 同時低速擠壓。這種工藝過程是以半固態(tài)壓鑄法的原理為基礎(chǔ)的, 所生產(chǎn)的壓鑄件氣孔少。國外采用能輸出25 MPa 液壓油的儲能器作為壓射和增壓系

18、統(tǒng)的動力, 使合金液在每個階段都能按設(shè)定的充型速度填充型腔。由于高的能量足以克服充型過程產(chǎn)生的局部阻力, 所以具備高能充型系統(tǒng)的壓鑄機(jī)可以生產(chǎn)復(fù)雜程度更高、壁更薄且綜合性能更好的零件。 5.1.3 研究高新技術(shù)特別是計算機(jī)技術(shù)在壓鑄中的應(yīng)用 壓鑄件的質(zhì)量在很大程度上取決于壓鑄機(jī)壓射性能的優(yōu)劣?，F(xiàn)代化的壓鑄機(jī)在壓射控制方面對沖頭速度和壓力曲線能夠做到精確編程, 但是每一次壓射過程都會與事先所設(shè)定的曲線產(chǎn)生無法避免的偏差, 在壓射過程中及時去修正這些偏差, 糾正壓射中的相應(yīng)數(shù)據(jù), 并在極為短暫的時間內(nèi)將其轉(zhuǎn)換成修正后的數(shù)據(jù), 回到原來所設(shè)定的最小偏差范圍之內(nèi), 這就是實時壓射控制。要嚴(yán)格地掌握壓射

19、中參數(shù)變化的規(guī)律, 使其始終處于恒定狀態(tài), 必須研究計算機(jī)在壓鑄中的應(yīng)用。我國壓鑄應(yīng)模擬研究充填過程, 從而分析出射出速度、高速切換位置、射出壓力、模具溫度等因素的影響, 這些研究結(jié)論對壓鑄生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。模擬研究充填過程必須研究計算機(jī)在壓鑄中的應(yīng)用。模擬技術(shù)是確定和優(yōu)化充型工藝的有效方法, 從而達(dá)到充型平穩(wěn), 保證鑄件內(nèi)部質(zhì)量的目的。模擬技術(shù)也是計算機(jī)在壓鑄中的應(yīng)用。利用CAD 進(jìn)行壓鑄工藝設(shè)計, 也是計算機(jī)在壓鑄上的重要應(yīng)用之一, 它可以提高設(shè)計速度和設(shè)計精度。由此可見, 計算機(jī)在壓鑄中的應(yīng)用無疑是提高壓鑄技術(shù)水平的重要途徑。 目前, 工業(yè)發(fā)達(dá)國家所生產(chǎn)的許多壓鑄機(jī)好多都實現(xiàn)了CN

20、C 化, 在我國, 雖然成型設(shè)備機(jī)電一體化的步伐也越來越快, 已遍及成型設(shè)備的各個門類,而且開始重視對FMS 的研究和開發(fā), 但發(fā)展速度還相對落后, 研究水平也比較差一些, 我國應(yīng)充分重視高新技術(shù)特別是計算機(jī)技術(shù)在壓鑄產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用。 5.1.4 加強(qiáng)對壓鑄用模具、脫型劑、潤滑劑等的研究 脫型劑不僅關(guān)系到鑄件能否從型腔中順利脫出, 而且對生產(chǎn)節(jié)奏、鑄件表面與內(nèi)部質(zhì)量皆有很大影響。美國在20 世紀(jì)60 年代初開展了水基脫型劑的研究, 很快就引起全世界壓鑄同行的關(guān)注。中國的壓鑄工作者也于20 世紀(jì)70 年代開始注意到壓鑄脫型劑的問題, 并在80 年代初開始了水基脫型劑的研制工作。 壓鑄模具設(shè)計制造是衡量壓鑄技術(shù)水平的標(biāo)志之一, 這方面一直是我國壓鑄業(yè)的弱項。 5.1.5 重視對鎂合金的研究開發(fā) 壓力鑄造是鎂合金最主要的成形工藝, 而壓鑄機(jī)作為壓鑄生產(chǎn)過程中提供能源的最基本設(shè)備, 則是實現(xiàn)高壓、高速的壓鑄特點(diǎn)并獲得優(yōu)良壓鑄件的前提和基礎(chǔ)。隨著鎂合金壓鑄生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展, 對壓鑄機(jī)的要求也不斷提高?，F(xiàn)代壓鑄機(jī)的發(fā)展十分迅速, 大型、實時壓射、閉環(huán)回路系統(tǒng)、新工藝裝置( 如真空裝置、充氧裝置) 、柔性系統(tǒng)以及全自動化的壓鑄機(jī)相繼問世和定型生產(chǎn)。綜合考慮鎂合金的壓鑄特性和壓鑄件的具體結(jié)構(gòu), 科學(xué)、合理地選用適用的壓鑄機(jī), 對于最終獲得高質(zhì)量的鎂合金壓鑄件