擠壓壓鑄模鍛工藝與裝備工藝的突破

   時間:2014-03-12 02:24:21
擠壓壓鑄模鍛工藝與裝備工藝的突破簡介
    摘要縱述了擠壓壓鑄模鍛工藝與裝備技術的特性,對壓鑄、液態模鍛(擠壓鑄造)及其改進技術的特性進行了比較分析,它在傳統技術與觀念上的突破。提出了在普通壓鑄裝……
擠壓壓鑄模鍛工藝與裝備工藝的突破正文

  摘要縱述了擠壓壓鑄模鍛工藝與裝備技術的特性,對壓鑄、液態模鍛(擠壓鑄造)及其改進技術的特性進行了比較分析,它在傳統技術與觀念上的突破。提出了在普通壓鑄裝備上應用擠壓壓鑄工藝,實現擠壓壓鑄與傳統壓鑄、低壓鑄造、差壓鑄造、連鑄連鍛以及其它特種鑄造工藝與裝備兼容的方法。

關鍵詞:壓鑄、擠壓鑄造擠壓壓鑄工藝擠壓壓鑄機液態模鍛低壓鑄造差壓鑄造連鑄連鍛

一.擠壓壓鑄模鍛技術的發明

擠壓壓鑄模鍛技術,是「擠壓壓鑄模鍛工藝與裝備及其模具」技術的簡稱,簡單地說,也是指在壓鑄機上實現的擠壓鑄造的技術。這項技術是在1997年由我國的工程技術人員發明的。擠壓壓鑄技術是為了解決普通壓鑄和傳統擠壓鑄造(液態模鍛)兩項技術存在的主要問題,並集合了兩項工藝的優勢提出來的。

以開式澆注立式擠壓為特徵的傳統擠壓鑄造工藝與裝備存在的最大問題有兩方面:一是充型能力不足,對複雜的鑄件不能很好充型;二是軸向(厚度)尺寸精度低。這個問題屬於該技術在生產適應能力方面的。傳統壓鑄技術存在的主要問題,是壓鑄件內部普遍存在收縮性缺陷(即氣密性缺陷),屬於其工藝特性必然產生的質量問題。傳統壓鑄技術在充型方面的優勢非常明顯,有相當完善的壓射充型系統。將這兩項技術成功結合起來,就能取長補短,從質量和適應能力兩方面取得基本統一,同時實現兩項技術的升級換代。擠壓壓鑄工藝與裝備技術所具有的絕對優勢,是已有的其它型腔成形工藝所不能比擬的,一改壓鑄與傳統擠壓鑄造技術多年蟄伏待破的局面,在行內產生極大的迴響。

二.擠壓鑄造與壓鑄技術已有的進步

壓鑄和擠壓鑄造兩種技術自問世后都在不斷的改進提高,都同時朝著一個方向走,都向前走了一步。壓鑄技術所走的那一步名叫「精、速、密壓鑄」,這項技術的創意,是鑄件在充型后開始冷凝時,增加了由壓射缸再「加力」進行補縮的工步。從工藝思想上講,鑄件冷凝時進行補縮是正確的。但這項技術有其自身的適應性缺陷,40年來再未有大的改進,壓鑄件存在的因冷凝收縮原因產生的氣密性問題仍未得到良好的解決;擠壓鑄造也走出了半步,那就是閉模反壓充型(或叫「間接沖頭充型擠壓」),以解決擠壓鑄造早期裝置充型能力不足和局部收縮性缺陷的問題。日本和台灣的設備生產廠家將壓鑄機的整個壓射裝置都加了進來,這種鑄造成形裝置在充型能力上與傳統壓鑄機沒有什麼分別了,可壓鑄充型同樣複雜的零件。說它只完成了半步,是因為這項技術改進「形」似但「神」卻丟了。擠壓鑄造最重要的特徵是主缸動力擠壓補縮,但現在卻用壓射缸的壓射力補縮,比主缸動力少了八九成,反而退了一大步。仔細分析對比可知,這項改進並沒有走出40年前「精、速、密壓鑄」創意,只是換了個形式,裝置從原來的卧式變為立式而已。

三.壓鑄和擠壓鑄造要突破和解決的是同一項技術或難題

「精、速、密壓鑄」技術的發明本來屬於壓鑄技術領域的,但它卻從另一個方向同時使擠壓鑄造技術向前邁進了一步。壓鑄和擠壓鑄造技術的現狀,要進一步改進提高,其實面對同一個問題,只是形式不大相同,實質卻是一樣。

擠壓壓鑄工藝比壓鑄工藝多了一個在鑄件充型后在冷凝階段由主缸動力擠壓補縮的環節。壓鑄(包括真空壓鑄)工藝在鑄件充型后是自然冷卻的,它沒有一個擠壓補縮的工步,各種收縮性缺陷由此而生。在普通壓鑄機上增加擠壓補縮的裝置,就能解決上述問題,看起來也不是件難事。解決擠壓鑄造(液態模鍛)工藝壓射充型能力不足的問題,也不困難,將壓鑄機的壓射裝置加上去就是了,但這隻解決了問題的一個方面,難解決的是零件軸向尺寸精度低的問題,這個問題實質是

合模問題,因此還要同時增加合模機構。日本、台灣公司所生產的標稱為「擠壓鑄造機」的設備,只是在傳統擠壓鑄造機的基礎上增加了壓射裝置,與其說是解決了擠壓鑄造工藝與裝備現存的問題,倒不如說是解決了一種以萬能油壓機改造而成的壓鑄機的壓鑄充型能力不足問題,給人一種兩不象的感覺。

兩項技術剩下要解決的其實是同一個難題:擠壓鑄造機有了擠壓補縮的機構,卻沒有合模機構;壓鑄機的問題正好相對,它是有了合模機構,卻沒有擠壓機構。說是同一個難題,是因為擠壓機構和鎖模機構都要求相同的壓力或抗力,承力機構剛度要一樣大,能不能實現共用一套裝置。用來擠壓的機構也可用來合模,用來合模的機構變一下也可以用來擠壓。難題是怎樣增加一個動力機構,增加一個怎樣結構的機構,以及怎麼能加得上去。說它是個難題,是因為功能要加得上去,成本要漲不起來。解決了這個難題,兩種工藝與裝備都變成同一回事:擠壓鑄造機和普通壓鑄機都變成了可兼容的擠壓壓鑄機,只是可能一個是立式一個是卧式的裝置而已。

加上一個合模或擠壓動力裝置,有很多辦法,需要關心的是如何盡量對傳統壓鑄機動最少的「手術」,需要做的是要選擇最優最好的方案。

四.擠壓壓鑄模鍛工藝與其它相關類似工藝的比較

擠壓壓鑄主體工藝特徵比傳統壓鑄多了一個擠壓補縮工步。與以往技術不同的是,這套新的擠壓壓鑄模鍛工藝,其充型工步由現成壓鑄機的壓射裝置完成,其擠壓補縮工步,是由主缸動力完成的,與現時所見的「用壓射缸進行擠壓補縮的『擠壓鑄造』技術」有顯著的不同。

這套擠壓壓鑄技術的工藝流程是:合模、鎖模、壓鑄充型、主缸擠壓補縮、開鎖、分模、頂出、複位。其裝備的合模與鎖模功能是由兩套不同的機構複合完成,與以往壓鑄裝置合模機構就是鎖模機構,合模功能就是鎖模功能的實現形式並不相同。將合模與鎖模兩項機構及將合模和鎖模工步分開,是為了適應進一步擴展裝備功能而特設的。

擠壓比壓(或擠壓補縮比壓)是擠壓鑄造特有的主導工藝參數,它是指鑄坯充型之後在凝固階段由外力作用於鑄坯的絕對壓強,這個壓強一直維持到鑄坯凝固為止。擠壓比壓與壓鑄比壓是兩個不同的概念,壓鑄比壓是指壓射充型過程中的壓強,擠壓比壓是指凝固過程中的壓強。普通壓鑄工藝,其鑄坯在充型之後是自然冷卻的,其壓鑄比壓可以很大,但沒有擠壓補縮的工步,其擠壓比壓為零。「精、速、密壓鑄」及反向充型擠壓工藝都是以壓射缸進行擠壓補縮,由於是間接作用於澆口的金屬液,並不是直接作用於鑄件毛坯,如果毛坯本身不存在能順序凝固的結構(大部分壓鑄件都不存在這種結構),則這種具體零件的成形工藝,就不是擠壓鑄造工藝,因為它沒有擠壓鑄造主體工藝特徵——有擠壓比壓作用於毛坯凝固成形,其擠壓比壓可定義為零。大部分壓鑄零件的工藝性要求內澆口是細、薄狀態,與傳統壓鑄模的一樣,其內澆口總是先於零件凝固,無論壓射機構有多大擠力,不管在充型後期如何「加力」,對毛坯的冷凝補縮是沒有多大作用的。「大水口」零件畢竟是壓鑄件的一小部分,以這種思路製造的擠壓鑄造機,並不具有普遍適用的意義,從而也談不上是一個突破。

擠壓壓鑄工藝一定是以主缸動力進行凝固補縮的,能對全零件投影面積施以擠壓補縮力,擠壓比壓可達到500—1000MPa,滿足擠壓壓鑄所有厚大零件的補縮工藝要求。其擠壓比壓比所有「以壓射缸的壓力進行補縮的『擠壓壓鑄』工藝」高近10倍。

以壓射缸進行擠壓補縮,雖然在工藝上對毛坯的凝固補縮有幫助,但由於它只能在局部小面積實現(全投影面積擠壓時其擠壓比壓只有5Mpa左右,意義更不大),只相當於解決鑄件一個「熱節」問題的能力,與傳統擠壓鑄造的主體特徵相去甚遠,它並不是一項真正的擠壓鑄造工藝。僅用原來的液壓抽芯裝置進行局部擠壓補縮,就更相差一大截了。不能誤解誤用的是:帕斯卡定律在擠壓補縮階段是不適用的,壓鑄比壓或金屬液充型時內在壓力的數值大不等於擠壓比壓大。帕斯卡定律是使力在液體中能夠轉彎傳遞,但當金屬液轉變成半固態時,該定律就完全失效。擠壓補縮力一定是一個直接的作用力,不能間接獲得,這就決定了,沒有主缸動力的參與,擠壓鑄造和擠壓壓鑄工藝根本不可能實現,它也肯定不是擠壓鑄造工藝及其裝備的技術。

所以我們需要對現時的各種鑄造裝置以正名,以免產生應用性誤導。擠壓鑄造以主缸動力擠壓的主體特性同樣決定了擠壓模具的特有結構,以壓射缸對金屬液進行間接擠壓的模具結構,與壓鑄模(精、速、密壓鑄模)基本一樣,它與擠壓鑄造、擠壓壓鑄以模具型腔滑塊(與主缸動力相連的那部分模塊)對零件的正投影成形面進行直接擠壓的模具結構,兩者截然不同,績效相差很遠。

這套技術帶有「模鍛」的名字,一是點明擠壓鑄造一定要有模具成形面參與擠壓補縮的內涵;二是表示擠壓壓鑄工藝最終以「鍛」為特徵手段,以全面消除鑄造產生的收縮性和表面性缺陷;三是明確該技術擠壓補縮的極限值是「鍛」,在裝備上一定有鍛壓的主體裝置、主體參數和主體功能。因此,擠壓壓鑄機最重要的參數是擠壓力,鎖模力反而是一個派生從屬的參數,是必然存在的。擠壓壓鑄機的準確名字應該叫「擠壓壓鑄模鍛機」才是。結構最簡單的擠壓壓鑄機總是設計成具有一樣的擠壓力與鎖模力,共用一套承力機構的。清楚這個概念,在設計擠壓壓鑄裝備及模具時就要有所側重和區別留意了。所以說,該套技術橫跨傳統壓鑄、擠壓鑄造和模鍛三個成形工藝領域,集合了三大成形工藝的優勢特性,其工藝的突破是以裝備的突破為基礎的。

五.擠壓壓鑄技術具有強大的技術經濟優勢

普通壓鑄機還存在的一個問題,是零件的「可壓鑄投影面積」小。受帕斯卡定律的限定,壓鑄機所能生產的零件,其投影面積只是設備工作台內柱面積的3.5%----17%,能效很低。解決這個問題,擠壓壓鑄技術有其獨特的方法與優勢。擠壓壓鑄的主體技術特徵,是運用「普通壓鑄充型,擠壓鑄造補縮」的原理,它利用現有壓鑄機完善的壓射系統進行充型,但卻不是照搬執行原來壓鑄充型的工藝參數,特別是充型比壓,以最大限度避開金屬在液相充型時帕斯卡定律對零件可充型面積的制約。擠壓壓鑄工藝提出,在滿足充型條件下,儘可能採用最低的充型比壓和充型速度。這種打破傳統壓鑄工藝充型觀念的工藝思想是一項很大的突破,它使得在擠壓壓鑄機上實現各種厚大零件的低壓充型和帶型芯壓鑄變成一個輕鬆的事情,是一項「低壓低速充型擠壓壓鑄工藝」。正是這項工藝,它能對低壓、差壓、重力鑄造及部分帶型芯翻砂鑄造工藝進行全面替代,生產的鑄件無論是效率還是產品質量都得到了顯著的提高。擠壓壓鑄工藝認為,壓射充型速度,在保證金屬液能滿足充型的條件下,最低就是最佳,充型壓力視情況也應優先考慮按下限取值。按此工藝設計生產的擠壓壓鑄機因此能夠做到兼容普通壓鑄、低壓鑄造、差壓鑄造、連鑄連鍛,加上真空裝置后,還可兼容真空擠壓壓鑄、真空吸鑄。這種擠壓壓鑄機,其壓射裝置的壓射力和壓射速度是無級可調裝置(傳統壓鑄機不少機型都是如此),就能實現從壓強充型到超高比壓擠壓壓力補縮的多樣性工藝組合選擇,即實現從普通壓鑄、真空壓鑄、低壓鑄造、差壓鑄造到高壓擠壓鑄造,達到與連鑄連鍛及甚至與流變或觸變鑄造等半固態加工工藝相結合,也就是說,能滿足不同金屬在不同階段所需的「液相-半固相-固相」成形工

藝,實現上述工藝與裝備的兼容。

擠壓壓鑄工藝的發明,極大地拓展了傳統壓鑄機和壓鑄工藝可應用的範圍,改變了人們用壓鑄機生產零件老是擔心鎖模能力不足,不能生產大尺寸零件的觀念和現實,基本可清除生產廠家總是困受高鎖模力大型壓鑄機缺乏的制約。這項技術因此也對傳統壓鑄機生產企業設備研製開發的方向與產品的市場結構產生重大影響。如一台傳統壓鑄機若以差壓鑄造工藝1.4MPa的低壓充型,所生產零件的投影面積是原來的80----100倍,這就是說,現有設備的工作台能安裝的模具有多大,就能充型多大尺寸的零件。在擠壓壓鑄機上實現差壓擠壓壓鑄工藝,就是按差壓鑄造充型參數充型之後,主缸動力再進行擠壓補縮,所生產的擠壓壓鑄件內在質量,比一般的差壓鑄造件要好得多,工效也高得多。用一台傳統的全液壓4000KN壓鑄機改造為同時具有4000KN擠壓補縮力的擠壓壓鑄機,基本可以滿足擠壓壓鑄一般的汽車、摩托車輪轂這種具有一定特殊性大規格零件的擠壓壓鑄工藝要求了。而活塞、連桿、小發動機缸體缸蓋等零件,用2500KN以下擠壓力的擠壓壓鑄機生產已遊刃有餘,生產效率可超過30萬件/年。通過對現有其它鑄造工藝參數的比較,選擇適當的擠壓壓鑄工藝參數組合,一台同時具有5000KN擠壓力和5000KN鎖模力的擠壓壓鑄機,其擠壓壓鑄工藝能力足以對現時低壓、差壓、重力等多種特種鑄造工藝大部分種類的中型鑄件進行替代性生產。使用5000KN以上鎖模力的傳統壓鑄機,已是一個不智不經濟的選擇,有再三斟酌的必要。購買大擠壓力的擠壓壓鑄機才是正確的做法,才能從產品質量上滿足大規格零件的生產要求。

擠壓壓鑄工藝所蘊含的技術經濟能量令人驚嘆。一個同等規模的擠壓壓鑄廠,其設備投資將可比傳統壓鑄廠減少三分之二以上,以最高擠壓力為5000KN的擠壓壓鑄機配置的年產1000噸大型擠壓壓鑄件生產廠,設備總投資可控制在500萬元以下,還不夠現時購置2台20000KN鎖模力普通壓鑄機的投入,但其工藝適應性卻能超過20000KN壓鑄機單一的適應範圍,可覆蓋除翻砂鑄造外絕大部分的鑄造成型,不但生產零件的投影面積和體積(質量)都比傳統模式的高得多,而且比傳統壓鑄廠設備生產的適應能力顯著提高。

擠壓壓鑄技術的發明,對人們在觀念上的突破可能比其技術本身的突破,意義還要深遠。有關在普通壓鑄機上直接應用擠壓壓鑄工藝,對傳統壓鑄機進行適當改造成為某種擠壓壓鑄機的方法,請參考專題文章的介紹,在此不詳述了。

六.展望

擠壓壓鑄模鍛工藝與裝備技術的發明,實現了對傳統壓鑄和擠壓鑄造技術的升級換代,是兩項技術現階段向前發展的共性關鍵技術,是一項在工藝與裝備整體上取得突破的技術,而裝備上的突破,是確保該工藝能夠實現廣普性推廣的關鍵。可以預測,這項技術將對我國型腔模鑄造成形及其裝備產業的發展具有強大的促進作用。

註:本文技術涉及專利,如有商業應用,需獲權利人授權許可

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