挤压压铸模锻工艺与装备技术的突破

MukwbsMg

一.挤压压铸模锻技术的发明 　　挤压压铸模锻技术，是“挤压压铸模锻工艺与装备及其模具”技术的简称，简单地说，也是指在压铸机上实现的挤压铸造的技术。这项技术是在1997年由我国的工程技术人员发明的。挤压压铸技术是为了解决普通压铸和传统挤压铸造(液态模锻)两项技术存在的主要问题，并集合了两项工艺的优势提出来的。
  A, P6 A! E) W　　以开式浇注立式挤压为特征的传统挤压铸造工艺与装备存在的最大问题有两方面：一是充型能力不足，对复杂的铸件不能很好充型；二是轴向(厚度)尺寸精度低。这个问题属于该技术在生产适应能力方面的。传统压铸技术存在的主要问题，是压铸件内部普遍存在收缩性缺陷(即气密性缺陷)，属于其工艺特性必然产生的质量问题。传统压铸技术在充型方面的优势非常明显，有相当完善的压射充型系统。将这两项技术成功结合起来，就能取长补短，从质量和适应能力两方面取得基本统一，同时实现两项技术的升级换代。挤压压铸工艺与装备技术所具有的绝对优势，是已有的其它型腔成形工艺所不能比拟的，一改压铸与传统挤压铸造技术多年蛰伏待破的局面，在行内产生极大的回响。
　　二.挤压铸造与压铸技术已有的进步
　　压铸和挤压铸造两种技术自问世后都在不断的改进提高，都同时朝着一个方向走，都向前走了一步。压铸技术所走的那一步名叫“精、速、密压铸”，这项技术的创意，是铸件在充型后开始冷凝时，增加了由压射缸再“加力”进行补缩的工步。从工艺思想上讲，铸件冷凝时进行补缩是正确的。但这项技术有其自身的适应性缺陷，40年来再未有大的改进，压铸件存在的因冷凝收缩原因产生的气密性问题仍未得到良好的解决；挤压铸造也走出了半步，那就是闭模反压充型(或叫“间接冲头充型挤压”)，以解决挤压铸造早期装置充型能力不足和局部收缩性缺陷的问题。日本和台湾的设备生产厂家将压铸机的整个压射装置都加了进来，这种铸造成形装置在充型能力上与传统压铸机没有什么分别了，可压铸充型同样复杂的零件。说它只完成了半步，是因为这项技术改进“形”似但“神”却丢了。挤压铸造最重要的特征是主缸动力挤压补缩，但现在却用压射缸的压射力补缩，比主缸动力少了八九成，反而退了一大步。仔细分析对比可知，这项改进并没有走出40年前“精、速、密压铸”创意，只是换了个形式，装置从原来的卧式变为立式而已。
　　三.压铸和挤压铸造要突破和解决的是同一项技术或难题
) O7 s: Z1 y7 w　　“精、速、密压铸”技术的发明本来属于压铸技术领域的，但它却从另一个方向同时使挤压铸造技术向前迈进了一步。压铸和挤压铸造技术的现状，要进一步改进提高，其实面对同一个问题，只是形式不大相同，实质却是一样。
　　挤压压铸工艺比压铸工艺多了一个在铸件充型后在冷凝阶段由主缸动力挤压补缩的环节。压铸(包括真空压铸)工艺在铸件充型后是自然冷却的，它没有一个挤压补缩的工步，各种收缩性缺陷由此而生。在普通压铸机上增加挤压补缩的装置，就能解决上述问题，看起来也不是件难事。解决挤压铸造(液态模锻)工艺压射充型能力不足的问题，也不困难，将压铸机的压射装置加上去就是了，但这只解决了问题的一个方面，难解决的是零件轴向尺寸精度低的问题，这个问题实质是
　　合模问题，因此还要同时增加合模机构。日本、台湾公司所生产的标称为“挤压铸造机”的设备，只是在传统挤压铸造机的基础上增加了压射装置，与其说是解决了挤压铸造工艺与装备现存的问题，倒不如说是解决了一种以万能油压机改造而成的压铸机的压铸充型能力不足问题，给人一种两不象的感觉。
, W/ ]5 H1 w' }$ J1 U9 b) f　　两项技术剩下要解决的其实是同一个难题：挤压铸造机有了挤压补缩的机构，却没有合模机构；压铸机的问题正好相对，它是有了合模机构，却没有挤压机构。说是同一个难题，是因为挤压机构和锁模机构都要求相同的压力或抗力，承力机构刚度要一样大，能不能实现共用一套装置。用来挤压的机构也可用来合模，用来合模的机构变一下也可以用来挤压。难题是怎样增加一个动力机构，增加一个怎样结构的机构，以及怎么能加得上去。说它是个难题，是因为功能要加得上去，成本要涨不起来。解决了这个难题，两种工艺与装备都变成同一回事：挤压铸造机和普通压铸机都变成了可兼容的挤压压铸机，只是可能一个是立式一个是卧式的装置而已。
　　加上一个合模或挤压动力装置，有很多办法，需要关心的是如何尽量对传统压铸机动最少的“手术”，需要做的是要选择最优最好的方案。
　　四.挤压压铸模锻工艺与其它相关类似工艺的比较
　　挤压压铸主体工艺特征比传统压铸多了一个挤压补缩工步。与以往技术不同的是，这套新的挤压压铸模锻工艺，其充型工步由现成压铸机的压射装置完成，其挤压补缩工步，是由主缸动力完成的，与现时所见的“用压射缸进行挤压补缩的‘挤压铸造’技术”有显著的不同。
, |$ k7 ?7 y. c2 ~6 C* V　　这套挤压压铸技术的工艺流程是：合模、锁模、压铸充型、主缸挤压补缩、开锁、分模、顶出、复位。其装备的合模与锁模功能是由两套不同的机构复合完成，与以往压铸装置合模机构就是锁模机构，合模功能就是锁模功能的实现形式并不相同。将合模与锁模两项机构及将合模和锁模工步分开，是为了适应进一步扩展装备功能而特设的。
　　挤压比压(或挤压补缩比压)是挤压铸造特有的主导工艺参数，它是指铸坯充型之后在凝固阶段由外力作用于铸坯的绝对压强，这个压强一直维持到铸坯凝固为止。挤压比压与压铸比压是两个不同的概念，压铸比压是指压射充型过程中的压强，挤压比压是指凝固过程中的压强。普通压铸工艺，其铸坯在充型之后是自然冷却的，其压铸比压可以很大，但没有挤压补缩的工步，其挤压比压为零。“精、速、密压铸”及反向充型挤压工艺都是以压射缸进行挤压补缩，由于是间接作用于浇口的金属液，并不是直接作用于铸件毛坯，如果毛坯本身不存在能顺序凝固的结构(大部分压铸件都不存在这种结构)，则这种具体零件的成形工艺，就不是挤压铸造工艺，因为它没有挤压铸造主体工艺特征——有挤压比压作用于毛坯凝固成形，其挤压比压可定义为零。大部分压铸零件的工艺性要求内浇口是细、薄状态，与传统压铸模的一样，其内浇口总是先于零件凝固，无论压射机构有多大挤力，不管在充型后期如何“加力”，对毛坯的冷凝补缩是没有多大作用的。“大水口”零件毕竟是压铸件的一小部分，以这种思路制造的挤压铸造机，并不具有普遍适用的意义，从而也谈不上是一个突破。
　　挤压压铸工艺一定是以主缸动力进行凝固补缩的，能对全零件投影面积施以挤压补缩力，挤压比压可达到500—1000MPa，满足挤压压铸所有厚大零件的补缩工艺要求。其挤压比压比所有“以压射缸的压力进行补缩的‘挤压压铸’工艺”高近10倍。
　　以压射缸进行挤压补缩，虽然在工艺上对毛坯的凝固补缩有帮助，但由于它只能在局部小面积实现(全投影面积挤压时其挤压比压只有5Mpa左右,意义更不大)，只相当于解决铸件一个“热节”问题的能力，与传统挤压铸造的主体特征相去甚远，它并不是一项真正的挤压铸造工艺。仅用原来的液压抽芯装置进行局部挤压补缩，就更相差一大截了。不能误解误用的是：帕斯卡定律在挤压补缩阶段是不适用的，压铸比压或金属液充型时内在压力的数值大不等于挤压比压大。帕斯卡定律是使力在液体中能够转弯传递，但当金属液转变成半固态时，该定律就完全失效。挤压补缩力一定是一个直接的作用力，不能间接获得，这就决定了，没有主缸动力的参与，挤压铸造和挤压压铸工艺根本不可能实现，它也肯定不是挤压铸造工艺及其装备的技术。
) F4 T) H+ g0 E" G1 b　　所以我们需要对现时的各种铸造装置以正名，以免产生应用性误导。挤压铸造以主缸动力挤压的主体特性同样决定了挤压模具的特有结构，以压射缸对金属液进行间接挤压的模具结构，与压铸模(精、速、密压铸模)基本一样，它与挤压铸造、挤压压铸以模具型腔滑块(与主缸动力相连的那部分模块)对零件的正投影成形面进行直接挤压的模具结构，两者截然不同，绩效相差很远。
. U, c* P( M' h+ f7 R　　这套技术带有“模锻”的名字，一是点明挤压铸造一定要有模具成形面参与挤压补缩的内涵；二是表示挤压压铸工艺最终以“锻”为特征手段，以全面消除铸造产生的收缩性和表面性缺陷；三是明确该技术挤压补缩的极限值是“锻”，在装备上一定有锻压的主体装置、主体参数和主体功能。因此，挤压压铸机最重要的参数是挤压力，锁模力反而是一个派生从属的参数，是必然存在的。挤压压铸机的准确名字应该叫“挤压压铸模锻机”才是。结构最简单的挤压压铸机总是设计成具有一样的挤压力与锁模力，共用一套承力机构的。清楚这个概念，在设计挤压压铸装备及模具时就要有所侧重和区别留意了。所以说，该套技术横跨传统压铸、挤压铸造和模锻三个成形工艺领域，集合了三大成形工艺的优势特性，其工艺的突破是以装备的突破为基础的。
　　五.挤压压铸技术具有强大的技术经济优势
　　普通压铸机还存在的一个问题，是零件的“可压铸投影面积”小。受帕斯卡定律的限定，压铸机所能生产的零件，其投影面积只是设备工作台内柱面积的3.5%----17%，能效很低。解决这个问题，挤压压铸技术有其独特的方法与优势。挤压压铸的主体技术特征，是运用“普通压铸充型，挤压铸造补缩”的原理，它利用现有压铸机完善的压射系统进行充型，但却不是照搬执行原来压铸充型的工艺参数，特别是充型比压，以最大限度避开金属在液相充型时帕斯卡定律对零件可充型面积的制约。挤压压铸工艺提出，在满足充型条件下，尽可能采用最低的充型比压和充型速度。这种打破传统压铸工艺充型观念的工艺思想是一项很大的突破，它使得在挤压压铸机上实现各种厚大零件的低压充型和带型芯压铸变成一个轻松的事情，是一项“低压低速充型挤压压铸工艺”。正是这项工艺，它能对低压、差压、重力铸造及部分带型芯翻砂铸造工艺进行全面替代，生产的铸件无论是效率还是产品质量都得到了显著的提高。挤压压铸工艺认为，压射充型速度，在保证金属液能满足充型的条件下，最低就是最佳，充型压力视情况也应优先考虑按下限取值。按此工艺设计生产的挤压压铸机因此能够做到兼容普通压铸、低压铸造、差压铸造、连铸连锻，加上真空装置后，还可兼容真空挤压压铸、真空吸铸。这种挤压压铸机，其压射装置的压射力和压射速度是无级可调装置(传统压铸机不少机型都是如此)，就能实现从压强充型到超高比压挤压压力补缩的多样性工艺组合选择，即实现从普通压铸、真空压铸、低压铸造、差压铸造到高压挤压铸造，达到与连铸连锻及甚至与流变或触变铸造等半固态加工工艺相结合，也就是说，能满足不同金属在不同阶段所需的“液相-半固相-固相”成形工
　　艺，实现上述工艺与装备的兼容。
, f" ^# q3 A5 p: j' U　　挤压压铸工艺的发明，极大地拓展了传统压铸机和压铸工艺可应用的范围，改变了人们用压铸机生产零件老是担心锁模能力不足，不能生产大尺寸零件的观念和现实，基本可清除生产厂家总是困受高锁模力大型压铸机缺乏的制约。这项技术因此也对传统压铸机生产企业设备研制开发的方向与产品的市场结构产生重大影响。如一台传统压铸机若以差压铸造工艺1.4MPa的低压充型，所生产零件的投影面积是原来的80----100倍，这就是说，现有设备的工作台能安装的模具有多大，就能充型多大尺寸的零件。在挤压压铸机上实现差压挤压压铸工艺，就是按差压铸造充型参数充型之后，主缸动力再进行挤压补缩，所生产的挤压压铸件内在质量，比一般的差压铸造件要好得多，工效也高得多。用一台传统的全液压4000KN压铸机改造为同时具有4000KN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、摩托车轮毂这种具有一定特殊性大规格零件的挤压压铸工艺要求了。而活塞、连杆、小发动机缸体缸盖等零件，用2500KN以下挤压力的挤压压铸机生产已游刃有余，生产效率可超过30万件/年。通过对现有其它铸造工艺参数的比较，选择适当的挤压压铸工艺参数组合，一台同时具有5000KN挤压力和5000KN锁模力的挤压压铸机，其挤压压铸工艺能力足以对现时低压、差压、重力等多种特种铸造工艺大部分种类的中型铸件进行替代性生产。使用5000KN以上锁模力的传统压铸机，已是一个不智不经济的选择，有再三斟酌的必要。购买大挤压力的挤压压铸机才是正确的做法，才能从产品质量上满足大规格零件的生产要求。
　　挤压压铸工艺所蕴含的技术经济能量令人惊叹。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，以最高挤压力为5000KN的挤压压铸机配置的年产1000吨大型挤压压铸件生产厂，设备总投资可控制在500万元以下，还不够现时购置2台20000KN锁模力普通压铸机的投入，但其工艺适应性却能超过20000KN压铸机单一的适应范围，可覆盖除翻砂铸造外绝大部分的铸造成型，不但生产零件的投影面积和体积(质量)都比传统模式的高得多，而且比传统压铸厂设备生产的适应能力显著提高。
　　挤压压铸技术的发明，对人们在观念上的突破可能比其技术本身的突破，意义还要深远。有关在普通压铸机上直接应用挤压压铸工艺，对传统压铸机进行适当改造成为某种挤压压铸机的方法，请参考专题文章的介绍，在此不详述了。
　　六.展望
0 }) \9 s: c8 }/ C) o$ @　　挤压压铸模锻工艺与装备技术的发明，实现了对传统压铸和挤压铸造技术的升级换代，是两项技术现阶段向前发展的共性关键技术，是一项在工艺与装备整体上取得突破的技术，而装备上的突破，是确保该工艺能够实现广普性推广的关键。可以预测，这项技术将对我国型腔模铸造成形及其装备产业的发展具有强大的促进作用。