原標(biāo)題：基于熱室壓鑄機(jī)的高真空壓鑄工藝設(shè)計(jì)與試驗(yàn)的研究

壓鑄件廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、五金、通信等行業(yè)。提升壓鑄件的生產(chǎn)制造工藝以提高壓鑄件的制造品質(zhì)，對(duì)壓鑄業(yè)十分重要。研究者們總結(jié)了提升壓鑄件品質(zhì)的兩種生產(chǎn)工藝法：真空截止閥法和激冷排氣槽法，并闡述了其結(jié)構(gòu)原理，在此基礎(chǔ)上介紹了兩種國(guó)外高真空壓鑄工藝：Vacuum GolveBox 法和MFT法。在普通壓鑄機(jī)上通過(guò)壓射過(guò)程中壓射沖頭的位置控制抽真空過(guò)程中真空閥的開(kāi)閉，避免合金液流入抽真空系統(tǒng)。通過(guò)在模具型腔末端設(shè)計(jì)牙型排氣槽與真空排氣槽相連，使液態(tài)合金經(jīng)牙型排氣槽的阻擋作用后停止流動(dòng)，避免合金液流入抽真空系統(tǒng)。在模具型腔末端設(shè)計(jì)了一種主副雙通道的抽真空通道，主通道的排氣截面大，由真空閥控制其開(kāi)閉，副通道截面小且形狀為齒狀，以此增加液態(tài)合金流入其中后的流動(dòng)阻力，避免合金液進(jìn)入抽真空系統(tǒng)。在實(shí)際工程應(yīng)用上，為了提高壓鑄件的成形品質(zhì)，克服壓鑄件氣孔和縮松缺陷，提高壓鑄件的力學(xué)性能，企業(yè)普遍采用高真空壓鑄工藝，但存在的問(wèn)題是模具型腔的密封性欠佳，同時(shí)伴有少量合金液被抽入抽真空系統(tǒng)，導(dǎo)致生產(chǎn)的穩(wěn)定性不高，后續(xù)維護(hù)成本高。

本研究以MFT法和Vacuum GolveBox法為基礎(chǔ)，在普通熱室壓鑄機(jī)上實(shí)施高真空壓鑄。通過(guò)對(duì)熱室壓鑄模具密封裝置、抽真空口通氣阻料裝置及抽真空壓鑄工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保密封箱與模具型腔內(nèi)的真空度，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高真空壓鑄工藝。結(jié)合試驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)，分析該工藝方法對(duì)鑄件斷面特征及力學(xué)性能的影響，為制備高質(zhì)量壓鑄件提供參考。

圖文結(jié)果

實(shí)現(xiàn)高真空壓鑄工藝的關(guān)鍵技術(shù)有以下3點(diǎn)：一是模具密封；二是模具中抽真空口機(jī)構(gòu)設(shè)置；三是抽真空流程設(shè)計(jì)。對(duì)于模具密封技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)普遍采用的方法是在模具上圍繞模具型腔進(jìn)行密封機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，常用的方法其關(guān)鍵是在模具分型面上、模具推出機(jī)構(gòu)及模具與壓鑄機(jī)射壓機(jī)構(gòu)等部位設(shè)計(jì)密封圈進(jìn)行密封，避免空氣進(jìn)入模具型腔。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需單獨(dú)設(shè)計(jì)和制造密封裝備，其缺點(diǎn)是增加了模具的生產(chǎn)制造難度，縮短了模具的使用壽命。對(duì)于抽真空口機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，目前主要的方法有兩種：第1種是由基于杠桿原理的抽真空口控制裝置，該裝置是在模具抽真空口處設(shè)計(jì)由連桿連接的主從動(dòng)活塞，抽真空時(shí)，型腔內(nèi)的氣體通過(guò)模具抽真口抽離，壓鑄時(shí)，當(dāng)合金液流經(jīng)主動(dòng)活塞時(shí)，主動(dòng)活塞通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)從動(dòng)活塞閉合抽真空口，從而避免液態(tài)合金進(jìn)入抽真空系統(tǒng)。這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、制作方便，缺點(diǎn)是生產(chǎn)時(shí)不斷有少量合金累積在主動(dòng)活塞與活塞孔之間，造成活塞動(dòng)作的不靈敏，導(dǎo)致合金液溢入抽真空系統(tǒng)，從而造成生產(chǎn)的中斷。第2種是在模具抽真空處設(shè)置由液壓缸帶動(dòng)的擋板開(kāi)閉裝置，抽真空時(shí)，液壓缸帶動(dòng)擋板打開(kāi)抽真空口，當(dāng)模具型腔真空度達(dá)到要求時(shí)，液壓缸帶動(dòng)擋板關(guān)閉真空口。這種結(jié)構(gòu)能極大地簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，缺點(diǎn)是由于各種原因?qū)е碌囊簤焊走\(yùn)動(dòng)不及時(shí)，使液態(tài)合金容易進(jìn)入抽真空系統(tǒng)，從而造成生產(chǎn)中斷。抽真空的流程一般是在合模狀態(tài)下，先對(duì)模具型腔抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到要求后，停止抽真空，然后再啟動(dòng)壓射流程，將熔融合金壓入模具型腔中。其優(yōu)點(diǎn)是在壓鑄過(guò)程中，真空系統(tǒng)停止了對(duì)模具型腔的抽真空，其能有效避免合金液進(jìn)入真空系統(tǒng)，其缺點(diǎn)是熔融合金在填充過(guò)程中，可能會(huì)混入少量氣體，從而影響鑄件成形品質(zhì)。

圖1為設(shè)計(jì)優(yōu)化后的熱室高真空壓鑄工藝結(jié)構(gòu)圖。其中，將模具整體密封于矩形密封箱內(nèi)，密封箱主體結(jié)構(gòu)由定模密封箱底板1，定模密封箱套板2，動(dòng)模密封箱底板14，動(dòng)模密封箱套板13，圓環(huán)密封圈15、32、33，圓長(zhǎng)條密封圈22、27、31等零件組成。其密封方案如下：將熱室壓鑄模具定模板3通過(guò)螺釘固定在定模密封箱底板1上，在其接觸面上設(shè)置圓環(huán)密封圈32、33；將動(dòng)模底板16固定在動(dòng)模密封箱底板14上，在其接觸面上設(shè)置圓環(huán)密封圈15；在動(dòng)模密封箱底板14底端開(kāi)設(shè)頂出孔，并在孔內(nèi)設(shè)置矩形密封圈18，壓鑄機(jī)推桿19經(jīng)頂出孔后再推動(dòng)模具的推出機(jī)構(gòu)將壓鑄件推出模具型腔外；在定模密封箱套板2和動(dòng)模密封箱套板13的接觸面上設(shè)置圓長(zhǎng)條密封圈27；在定模密封箱底板1與定模密封箱套板的接觸面上設(shè)置圓長(zhǎng)條密封圈31；在動(dòng)模密封箱底板14與動(dòng)模密封箱套板13的接觸面設(shè)置圓長(zhǎng)條密封圈22，通過(guò)上述位置的密封設(shè)計(jì)，除了模具與壓鑄機(jī)噴嘴接觸的進(jìn)料口外，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)模具其余部分的整體密封。

圖1 熱室高真空壓鑄工藝結(jié)構(gòu)圖
1.定模密封箱底板 2.定模密封箱套板 3.定模板 4.定模鑲件 5.微孔塞 6.型腔抽真空管 7、18、25、28.矩形密封圈 8、9.抽真空接口 10.動(dòng)模鑲件 11.動(dòng)模板 12.支撐板 13.動(dòng)模密封箱套板 14.動(dòng)模密封箱底板 15、32、33.圓環(huán)密封圈 16.動(dòng)模底板 17.推桿 19.壓鑄機(jī)推桿 20.推板 21.推板固定板 22、27、31.圓長(zhǎng)條密封圈　23.分流錐 24、30.接水管 26、29.冷卻水接口 34.澆口套 35.發(fā)泡塑料密封塞

模具抽真空口是與模外抽真空系統(tǒng)的連接通道，其作用是對(duì)模具型腔抽真空，同時(shí)避免壓鑄合金液被吸入抽真空系統(tǒng)中，對(duì)高真空壓鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定性起決定性作用。為了避免在模具中設(shè)計(jì)復(fù)雜的抽真空口開(kāi)啟和閉合裝置，本工藝抽真空口的設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1。在模具抽真空口前設(shè)置了具有通氣阻料功能的微孔塞5，其作用是抽真空時(shí)能讓模具型腔中的氣孔快速通入其中被抽離，壓鑄時(shí)能有效阻擋合金液進(jìn)入其中，避免合金液進(jìn)入抽真空系統(tǒng)，該部件由酚醛樹(shù)脂加熱至熔融狀態(tài)后與細(xì)砂均勻混合后壓制而成，具有耐高溫、抗變形、透氣性好的優(yōu)異性能。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，為了便于安裝，將微孔塞制成梯形圓臺(tái)狀。在動(dòng)模鑲件10靠近產(chǎn)品型腔末端溢料槽位置的后面設(shè)計(jì)一個(gè)梯形圓孔，如果是大型的壓鑄件可在型腔多個(gè)位置設(shè)置多個(gè)梯形圓孔，將微孔塞放置其中，在圓孔的底部開(kāi)設(shè)抽真連接通道，再通過(guò)型腔抽真空管6與動(dòng)模密封箱套板13上連接抽真空系統(tǒng)的抽真空口8相連，同時(shí)在動(dòng)模密封箱套板13上開(kāi)設(shè)了專用于對(duì)密封箱內(nèi)部抽真空接口9。抽真空時(shí)，模具型腔內(nèi)的氣體通過(guò)抽真空接口8抽離，密封箱內(nèi)的氣孔通過(guò)抽真空接口9抽離。為防止外圍氣體進(jìn)入密封箱內(nèi)，在型腔抽真空管6上設(shè)置矩形密封圈7，在用于控制模具溫度的接水管24、30上設(shè)置密封圈25、28。這種抽真空口設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是通過(guò)對(duì)模具型腔及模具外圍同步抽真空，能有效地提升模具型腔的高真空度，同時(shí)進(jìn)一步簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造難度。

由于方案是在普通熱室壓鑄機(jī)上實(shí)施高真空壓鑄工藝，因此，在進(jìn)行高真空壓鑄生產(chǎn)前，需將抽真空系統(tǒng)與壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)集成。抽真空系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由電氣控制系統(tǒng)、電機(jī)、真空泵、真空罐、真空閥、真空度表、過(guò)濾器、傳感器、真空管道等零件組成。控制部分由PLC控制變頻器對(duì)三相異步電機(jī)的啟停及轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而控制真空泵實(shí)施抽真空工藝。

圖2為系統(tǒng)集成后的壓鑄工藝流程，分普通壓鑄模式和高真空壓鑄模式。在普通壓鑄模式下，按照壓鑄機(jī)現(xiàn)有壓鑄流程進(jìn)行壓鑄；在高真空壓鑄模式下，在壓鑄機(jī)開(kāi)合模機(jī)構(gòu)的作用下，使密封箱及模具合模，當(dāng)傳感器檢測(cè)到合模完成信號(hào)后，傳輸信息至PLC控制系統(tǒng)，當(dāng)PLC控制器接收完信息后，啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并通過(guò)帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)抽真空泵對(duì)模具密封箱及模具型腔抽真空。當(dāng)真空度達(dá)到要求后，由PLC控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信功能與壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，從而啟動(dòng)壓鑄機(jī)的壓射流程。合金液在壓射機(jī)構(gòu)的作用下，經(jīng)模具直澆道、橫澆道、內(nèi)澆口后注入模具型腔內(nèi)，保壓結(jié)束后通過(guò)真空閥停止抽真空，待壓鑄件冷卻后，通過(guò)在壓鑄機(jī)開(kāi)合模機(jī)構(gòu)的作用下，使模具密封箱及模具處于開(kāi)模狀態(tài)。通過(guò)壓鑄機(jī)推桿經(jīng)模具推出機(jī)構(gòu)將壓鑄件推出模外，再通過(guò)壓鑄機(jī)使模具密封箱及模具進(jìn)行合模，至此完成一個(gè)生產(chǎn)周期。

圖2 抽真空工藝過(guò)程

為了檢測(cè)上述高真空壓鑄工藝方案的實(shí)際效果，設(shè)計(jì)一截面形狀為梯形的S型壓鑄件，以較好地測(cè)試合金液在不同壓鑄環(huán)境下的流程，同時(shí)方便后續(xù)的質(zhì)量檢測(cè)。圖3為S型壓鑄件及S型鑄件模具與真空箱。其中，梯形的S型壓鑄件截面尺寸為5.5 mm×5 mm×3.5 mm，見(jiàn)圖3a。此外，為制取S型壓鑄件試樣，設(shè)計(jì)并制造S型鑄件的熱室壓鑄模具及其密封真空箱，定制了發(fā)泡塑料密封塞和微孔塞，將發(fā)泡塑料密封塞放置在模具的直澆道內(nèi)，將微孔塞放置在模具抽真空口處的梯形圓錐孔內(nèi)，實(shí)際獲得S型鑄件的配套模具與密封箱見(jiàn)圖3b。

為制得梯形S型壓鑄件試樣以分析設(shè)計(jì)改進(jìn)后的高真空壓鑄工藝對(duì)鑄件斷面特征及力學(xué)性能的影響，選擇ZA8鋅合金進(jìn)行壓鑄。該合金具有良好的流動(dòng)性和尺寸穩(wěn)定性，抗變形能力高，常用于壓鑄尺寸小、精度和強(qiáng)度要求很高的鑄件。ZA8鋅合金化學(xué)成分見(jiàn)表1，物理性能見(jiàn)表2。

                      (a)S型壓鑄件                         (b)S型鑄件模具與真空箱
圖3 S型壓鑄件及S型鑄件模具與真空箱

表1 ZA8鋅合金成分組成(%)

表2 ZA8鋅合金的物理性能

將S型鑄件模具安裝在密封箱內(nèi)，再將密封箱及模具安裝在熱室壓鑄機(jī)的工作臺(tái)上，將抽真空系統(tǒng)與模具型腔抽真空口及密封箱抽真空口相連。為了使熔融合金冷卻凝固，需在密封箱上冷卻水接口為模具成形零件外接外圍冷卻循環(huán)系統(tǒng)。為了便于合金液在型腔內(nèi)的快速填充，先通過(guò)柴油噴槍將模具溫度預(yù)熱至200 ℃左右，同步在壓鑄機(jī)上進(jìn)行壓鑄工藝參數(shù)的設(shè)置。一般而言，對(duì)于壁厚大于5 mm的鋅合金壓鑄件，壓射比壓設(shè)置在50~60 MPa之間，合金液通過(guò)內(nèi)澆口的填充速度設(shè)置為20~30 m/s之間，填充時(shí)間設(shè)置在0.048~0.072 s之間，澆注溫度設(shè)置在420~440 ℃之間。根據(jù)S型壓鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本試驗(yàn)設(shè)定的工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

采用以上相同的工藝參數(shù)分別對(duì)S型壓鑄件進(jìn)行普通壓鑄試驗(yàn)和高真空壓鑄試驗(yàn)。普通壓鑄時(shí)，在模具處于開(kāi)模狀態(tài)時(shí)，將微孔塞放置在動(dòng)模鑲件抽真空口附件的梯形圓孔內(nèi)，在0.1 MPa下進(jìn)行常規(guī)壓鑄生產(chǎn)。高真空壓鑄時(shí)，當(dāng)模具處于開(kāi)模狀態(tài)時(shí)，將發(fā)泡塑料密封塞從模具分型面裝入模具直澆道內(nèi)，當(dāng)傳感器檢測(cè)合模完成信號(hào)后，啟動(dòng)抽真空系統(tǒng)對(duì)模具型腔抽真空，當(dāng)傳感器檢測(cè)模具型腔內(nèi)壓力小于2 kPa時(shí)，啟動(dòng)壓鑄。合金液在壓鑄機(jī)壓射機(jī)構(gòu)的作用下，經(jīng)模具澆注系統(tǒng)快速填充模具型腔，經(jīng)保壓、冷卻凝固后開(kāi)模，在模具推出機(jī)構(gòu)的作用下將S型鑄件推出模外。為了分析不同壓鑄環(huán)境下鑄件的力學(xué)性能，分別對(duì)普通壓鑄工藝及高真空壓鑄工藝獲得的S型鑄件取不同的部位作為拉伸試樣，見(jiàn)圖3a位置1~4處。

為進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)優(yōu)化后的高真空壓鑄工藝對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用的適應(yīng)性，采用上述相同的工藝過(guò)程，分別制取普通壓鑄工藝下和高真空壓鑄工藝下的長(zhǎng)條形壓鑄件。企業(yè)試制生產(chǎn)的鋅合金長(zhǎng)條形壓鑄件外形尺寸為250 mm×70 mm×60m m，壁厚為3.5 mm，試制產(chǎn)品配套的長(zhǎng)條形鑄件模具與密封箱見(jiàn)圖4。

表3 S型壓鑄件壓鑄工藝參數(shù)表

                                (a)定模部分          (b)動(dòng)模部分
圖4 長(zhǎng)條形鑄件模具與真空箱

圖5為不同壓鑄條件下所獲得的S型鑄件。可以看出，在普通壓鑄工藝下，由于模具型腔內(nèi)氣體未能及時(shí)排出型腔外，導(dǎo)致合金液在充填過(guò)程中，受到來(lái)自型腔內(nèi)氣體的反向阻力，使液態(tài)合金未能填充滿S型鑄件的末端，鋸開(kāi)產(chǎn)品橫斷面發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品斷面特征中殘留少量氣孔缺陷。在設(shè)計(jì)優(yōu)化后的高真空壓鑄工藝下，由于模具外圍及模具型腔內(nèi)的氣體在壓鑄前被抽離至高真空，因此，液態(tài)合金在填充過(guò)程所受阻力小，能順利填充整個(gè)S型鑄件，鋸開(kāi)產(chǎn)品橫截面未發(fā)現(xiàn)有氣孔及縮松缺陷，產(chǎn)品截面特征的致密性較好。表4為不同壓鑄環(huán)境下所獲得的S型鑄件在拉伸試驗(yàn)后，由WE-100液壓式萬(wàn)能測(cè)試機(jī)測(cè)得的抗拉強(qiáng)度及WILSON-UH4250型萬(wàn)能硬度計(jì)測(cè)得的硬度數(shù)據(jù)。

為進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)優(yōu)化后的高真空壓鑄工藝對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用的適應(yīng)性，圖6為壓鑄企業(yè)針對(duì)不同壓鑄環(huán)境實(shí)際試生產(chǎn)的長(zhǎng)條形鋅合金壓鑄件。采用普通壓鑄工藝時(shí)，由于產(chǎn)品外形尺寸較大，壁厚較薄，合金液在填充過(guò)程中，模具型腔內(nèi)氣體未能在充填時(shí)間內(nèi)排出模外，導(dǎo)致合金液受到較大的反向填充阻力，使試制產(chǎn)品左下端出現(xiàn)填充不足的缺陷。采用高真空壓鑄工藝后，抽真空系統(tǒng)在壓鑄前先對(duì)模具型腔及密封箱抽真空，液態(tài)合金在高真空狀態(tài)下填充模具型腔時(shí)，充填過(guò)程反向阻力小，試制產(chǎn)品能順利的充填完整，見(jiàn)圖6b。可見(jiàn)，在普通熱室壓鑄機(jī)上通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的高真空壓鑄工藝能大幅提高壓鑄件的成形品質(zhì)。

                     (a)普通壓鑄             (b)高真空壓鑄
圖5 不同壓鑄環(huán)境下壓鑄件

表4 不同壓鑄環(huán)境下S型鑄件力學(xué)性能

(a)普通壓鑄

(b)高真空壓鑄
圖6 長(zhǎng)條形壓鑄件

結(jié)論

（1）針對(duì)普通熱室壓鑄機(jī)，完成了對(duì)模具密封裝置、抽真空口通氣阻料裝置及抽真空壓鑄工藝流程的設(shè)計(jì)優(yōu)化，簡(jiǎn)化了壓鑄模具內(nèi)部復(fù)雜的密封結(jié)構(gòu)及抽真空口結(jié)構(gòu)，降低了壓鑄模具生產(chǎn)制造難度，保證了密封箱與模具型腔內(nèi)的真空度，實(shí)現(xiàn)了高真空壓鑄工藝。

（2）通過(guò)試制梯形S型及長(zhǎng)條形ZA8鋅合金鑄件，相較于普通壓鑄工藝，在高真空壓鑄工藝下，合金熔體填充性能更好，鑄件斷面致密性更佳，且無(wú)氣孔和縮松缺陷，抗拉強(qiáng)度高達(dá)396.4 MPa，硬度（HBS）高達(dá)98.5。

（3）在普通熱室壓鑄機(jī)上采用本高真空壓鑄工藝方案，無(wú)需專用設(shè)備資金投入，生產(chǎn)成本低，壓鑄件質(zhì)量提升明顯，在壓鑄企業(yè)具有很好的推廣價(jià)值。

《基于熱室壓鑄機(jī)的高真空壓鑄工藝設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究》
李海林　張呈杰
廣州城建職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

本文來(lái)自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴