在普通压铸机上应用挤压压铸工艺

绝代高手

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  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。
  $ h* e$ f; W) `" ^  f- }　　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。
  7 R  e1 x( l' ~; \; u　　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。
  # H, C4 |4 s- y7 c! r5 Y, N　　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
  8 t  B2 p) R+ v3 {% f% _　　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。
  8 d: z/ G# Z* m' g* |3 I, I　　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。
  * y; Z, {$ J( F  Q- Q; T/ L7 U　　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。
  3 j; t& J8 j' D2 b( d" R/ k& D8 ]　　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
  ( o- d4 }1 R# `　　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。
  " M4 Q$ [: h, F% Z) v  |- ^! r3 T　　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
  & ^: W9 n3 T3 M& D' x　　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。
  ! {6 N9 g: k  r; V! ^" d) _# b　　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大部分的铸造成型。挤压压铸技术的提出，在观念上的突破可能比其技术本身的突破，意义还要深远。
  : c/ ~& P5 j0 V$ O: G0 Q　　6．挤压压铸工艺与传统压铸装备的切入口
  : i! |: a7 J# {: P- X　　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
  / R7 x) q5 p6 z9 |　　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。
  $ U8 }  j/ c6 a1 a　　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。
  , ?" P0 a+ F, k) Z9 f　　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。
  4 |0 J1 z0 [: W/ ?# G& F　　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。
  " y3 a# m0 O! A) ]( S7 ~: j  O　　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。
  7 e4 {) p- E0 E- s9 K3 }7 D. ]　　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。
  + K7 T5 e6 Y! f9 z. g+ [* ], w　　四、结语
  ' `2 S* D' p/ V: X5 B　　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。
  
  
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