论文——压铸技术的现状及展望

ugforrest · 发表于 2006-11-16 17:01:50

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压铸技术的现状及展望

骆灼旋*

摘　要　从压铸件市场对企业和压铸件质量越来越高的要求和当前压铸业现状及发展趋势，提出我国压铸行业发展的方向及要点。
关键词：压铸技术　压铸设备　压铸合金　计算机模拟

The Present State and Prospect for the Die Casting Industry

Luo Zhuoxuan
# c3 w( s8 D, g! W+ N4 a+ Z(South China University of Technology)

ABSTRACT　In accordance with the status quo of die casting industry, the increasingly high requirements of the marketing for the die casting enterprise management and casting qualities and the developing tendency of die casting industry, the developing direction and keynote of die casting industry in our country are indicated.
Key Wordsie Casting Technique, Die Casting Equipment, Die Casting Alloy, Computer Simulation
0　前　言
　　压力铸造自本世纪40年代问世以来，作为一种金属零件接近最后形状尺寸的精密加工工艺，其发展方兴未艾。在压铸设备及其控制、压铸工艺及压铸合金等方面不断取得新的进展。同时市场需要大量生产复杂薄壁和美观的金属零件，满足当今汽车工业、电子通讯和家用电器、玩具等产业对压铸件越来越高的要求。但由于压铸件一些固有的问题未得到彻底解决，合金的潜能未得到充分发挥。压铸业还面临进一步提高技术和管理水平以保证铸件的高质量和低成本的任务。
　　当前的市场是动态的市场，要在竞争中立于不败之地，企业必须能够及时调整自己的经营策略，这要建立在先进的技术和管理的基础之上。技术创新将要成为21世纪企业竞争的焦点。只有将关键的技术掌握在自己手里和采用先进的管理体制，才能提高对动态多变市场的响应速度，提高企业的竞争能力。
　　当前广东省乃至全国的压铸业，离国际先进水平尚有很大差距。自改革开放以来，从香港迁入广东的与压铸有关的企业有几百家。所以，近十多年来，广东压铸业得到飞速的发展［1］。据不完全统计，全省有一定规模的压铸厂家超过600家，年产压铸件3 000～5 000 t的厂家有8家以上，1 000～3 000 t的厂家有10多家，500～1 000 t的有几十家。年产锌合金压铸件接近10 万t，铝合金压铸件约4 万t。全省拥有压铸机约2 000多台，最大的是21 000 kN合模力的意大利压铸机。全省有压铸机制造厂7家，压铸周边设备生产厂有10多家。年产压铸机约600台，绝大部分为热室机。主要存在下述几个问题：压铸设备以小型为主，控制系统都比较落后；压铸件以锌合金为主，多为家电、玩具等非受力零件，汽车、摩托车等零件比重还比较少；模具制造是个薄弱环节，模具厂家不少，但多是小规模的，设备比较落后，生产周期长，只有个别模具厂开始实施CAD/CAM技术。要使我国的压铸行业达到世界先进水平，还有一段相当长的路要走。必须推行压铸技术创新工程；开发新的压射系统和控制系统；提高压铸件的内在质量；发展新的压铸技术；研究新的压铸合金材料；实行现代化管理。
1　开发新的压铸设备及其控制系统
　　压力铸造是使金属液在高压条件下以极高速度充填型腔的过程，是一个复杂的动态热力学过程。一方面，压铸可以生产出复杂薄壁、表面美观和高精度的金属铸件。而另一方面，一般压铸过程难于达到层流充填状态而卷入气体和夹杂物，得不到致密、可热处理的工件，影响了它的力学性能。如果用降低充填速度这种手段来改善金属液的充填状态，又势必牺牲上述压铸生产所带来的优势，且对复杂薄壁零件不一定有效。而生产高质量、无气孔的薄壁压铸件却又是我们追求的目标，这是压铸工艺其他工艺竞争时赖以取胜的筹码之一。为了提高竞争力，薄壁这个指标也在不断推高，它是一个非常柔性的指标。如50年代汽车工业的薄壁车身是2 mm,现在已是0.7 mm,到2000年将是0.5 mm。锌压铸件所指薄壁，60年代为2 mm，70年代为1 mm，80年代为0.7 mm,90年代为0.3～0.5 mm。铝压铸件有类似的发展，90年代为0.5～1 mm。
　　致密薄壁铸件是以足够的金属压力和短的充填时间为条件的，也就是在一个极短的时间内以高的内浇口流速和足够的金属压力进行充填。这就要求压铸机在既能产生高的压射速度的同时又能产生高的金属压力。即根据铸件工艺要求，压铸机要能提供一定的压射能量，以便能够实现高能充型。要得到0.75 mm以下壁厚的致密铸件，就需要压射能量在550 kW.h以上的压铸机。
　　高能充型还能调节各种工艺参数，得到高质量的压铸件。高能充型是压铸机压射系统的发展方向。一台压铸机要达到高的充型能量，就要尽量减少各种摩擦阻力和局部阻力以及惯性力所造成的能量损失——压力降。
　　另外，压铸机的先进性主要体现在生产过程中的稳定性和可再现性，即每次压射尽可能接近预先设定的理想的压射曲线。但在压铸过程中存在很多变量影响压铸过程的稳定性［2］。压铸机和模具的工作状态、储能器压力等静态因素在工艺设备选定之后是不可改变的。而一些动态因素和人为因素所引起的变量(如每次压射的金属量及其温度、模具温度、液压油粘度、涂料的喷涂质量、人为设定的参数等等)必须通过压射控制系统进行修正。一次压射时间平均需20～80 ms，薄壁铝合金或镁合金件要求的充填时间更短，为5～12 ms［3］，压射控制系统必须能够以只相当于一次压射所用时间的10%左右，即2～8 ms的响应时间来控制压射曲线。这对电子线路系统就提出了严峻的要求，即电子线路控制系统必须在几微秒内作出反应。可再现性要求高，就要安装金属前沿传感器［4］。在金属液封住传感器时，金属液的前沿被精确地辨认出，信息反馈到电子控制设备，电子仪器重新计算，可以得到稳定的最佳压射曲线。先进的传感器的发展推动着压铸机及压铸工艺的发展。压铸件的组织和性能取决于压铸型腔内及其邻近区域的热物理条件，所以发展靠近型腔的热探测器和传感器有重要意义。
2　发展新的压铸技术
2.1　半固态合金压铸
　　半固态合金同全液态和全固态合金相比，其物理性能有两个特点。一是这种半固态合金的固态组分超过50%之后，随着固态组分的增加，其粘度急剧增加。而对未经搅拌的合金来说，固态组分超过15%左右之后，其粘度就随固态组分的增加而急剧增加。二是这种受激烈搅拌的合金具有搅溶性。
　　正是由于这种受激烈搅拌的半固态合金具有这种特殊的物理性能，所以它的铸造性能优良，在固态组分比较高的情况下，它的流动性还相当好，比起全液态合金并没有严重下降。另外，补缩性能也比较好，一方面其本身收缩量已减少，另一方面还可通过液-固两相同时流动而补缩。又由于这种合金具有搅溶性，因此用于成型时受到很大剪切作用的压铸和挤压工艺是比较合适的。比起全液态合金，半固态压铸更有其独特之处。一是全液态合金操作起来很不方便，这对改善工作条件和提高机械化和自动化程度都是个障碍，而半固态合金只是在成型时才表现出象流体一样的特性，在成型之前可以象固态一样搬运，这对组织高度机械化和自动化生产非常有利。二是半固态合金压铸时，铸型受热状态得到很大改善。一个原因是合金本身的温度降低了，所含热量已较少，半固态金属从压铸到完全凝固所需要散出的热量仅为过热状态金属的一半左右。另一个原因是半固态合金进入型腔的模式不同，不流淌，紊流程度又低，基本上可达到全壁厚充填，对铸型的热冲击很低，铸型寿命得到提高。因此，半固态压铸对高熔点合金很有应用前景。
　　半固态合金也为以铸造方法制造金属基复合材料提供了有利条件。在半固态合金受激烈搅拌时加入非包覆非金属颗粒以制备复合材料是一种比较简便的方法。由于半固态合金存在固态初晶，可以防止非金属颗粒的浮沉或凝聚，分布比较均匀。另外，非金属颗粒受到激烈搅拌、摩擦，表面得到活化，使其和基体合金结合紧密。
　　尽管半固态合金铸造的概念在70年代初就为M. C. Flemings等人所提出［5］，但到目前为止半固态合金浆料如何有效地制取并进行成型还是个问题［6，7］。应用起来受到限制，材料选择受到限制，对工艺规范要求十分严格。特别是固、液相分数要精确控制，其偏差要求在±3%的范围内。为了达到半固态压铸的工艺要求，工艺装备设计是个关键。H. Peng等［6］提出了流变成型工艺(Rheomolding)，原理是将液态金属送入特殊设计的压射成型机筒中，由旋转的螺旋装置施加剪切而使之冷却成为半固态浆料，达到工艺要求后进行压铸成型，一台机器完成两个工序(生产浆料和压铸)。温度控制是个关键。N. Bradley等人［8］提出了触变成型工艺(Thixomolding)，它是将固态镁金属粒或碎屑送入螺旋压射成型机中，在加热和受剪切的情况下，金属变成浆料并压铸成型。该工艺多了一个切碎工序。
2.2　新的喷涂技术
　　脱模剂的喷涂与压铸件质量关系很大。脱模剂从喷射装置喷出时如果是非雾化的或非均匀分散的，凝聚的液体要求更长时间的汽化，当这一过程未完成就合模并强行将金属液压入，将加速润滑剂的汽化和形成更高的蒸气压，这往往是造成铸件疏松的根源。
　　水基涂料对工艺要求很高。对模温有严格要求，有一个“润湿温度”。模温低于此限，涂料才能成膜。成分不同，“润湿温度”不同。涂料膜的厚度也要严格控制，太厚时冷却慢，容易形成气孔，铸件表面也易起皱；太薄时易裂，铸件表面起痕迹。水基涂料喷涂时冒烟，不利于环保。
　　金属液浇入压室时往往出现局部凝固现象，形成弥散激冷组织，冲入型腔后会明显降低铸件的力学性能。往压室喷涂液态涂料也不能彻底解决问题。
　　为此，很多研究工作者都致力于开发固体润滑剂或半永久性涂料。目标是提高铸型寿命，防止焊合，提高铸件质量，改善环境条件。

ugforrest · 发表于 2006-11-16 17:03:56

3　发展新的压铸合金材料
3.1　金属基复合材料(MMCs)
　　汽车的轻量化、降低油耗和排放以及提高性能以保证质量与安全是当今汽车工业发展的主要方向。在新材料中，金属基复合材料由于具有高的比强度、比模量、耐磨和减摩性能，热强性和低的热膨胀系数，可望在今后汽车工业的发展中有重要的地位。特别是用铸造工艺制造金属基复合材料零件有一定优势。工艺比较简单，成本低，应用上的局限性小。已经做了很多开发研究工作。据David Weiss等人报道［9］，SiC颗粒增强的铝基复合材料压铸比较成功，充填性有时比一般铝合金还好，表面质量令人满意。所用工模具和一般铝合金压铸的一样。
　　锌铝合金基复合材料用于耐磨减摩材料有很好的前景［10］。以ZA-27合金为基体，在熔融状态下与石墨复合成均匀浆料，经挤压铸造成型。微观结构表明，金属-石墨界面结合良好，石墨分布均匀。这种材料在石墨质量分数低于5%时的承载能力比青铜ZQSn6-6-3的高。线膨胀系数下降10%以上。减摩性、耐磨性和相对抗咬合性都远比基体合金ZA-27的好。
3.2　压铸镁合金
　　镁合金被誉为90年代以后的金属［11，12］，近年来发展很快。预计到2006年北美产量将增加3倍。汽车工业是镁压铸件的最大用户，市场占有率为80%左右。目标是进一步减轻汽车重量。美国通用汽车公司用压铸生产镁合金汽车轮毂。日本轻金属(株)用充氧压铸生产的镁合金轮毂比铝轮毂轻15%。估计到2000年，象缸体、发动机罩、车顶板、门框、后舱盖板、车轮等都将用镁合金来压铸。电子设备方面，要求新的设计必须能抗无用信号干扰，应有屏蔽作用。镁合金就有这个特性。如雷达定位器壳体用镁合金代替塑料，重量相当，而强度、抗冲击性能得到提高。
　　镁合金之所以有广泛的应用前景，是由于还具有以下优越性。
　　(1) 低密度(1.8 g/cm3)，与很多工程塑料(1.43 g/cm3)差不多。与铝合金相比有更高的比强度。
　　(2) 有良好的铸造性能。
　　(3) 成本有竞争力，因镁轻，镁价是铝价的1.5倍时就有竞争力。
　　镁的储量丰富，每立方英里海水含600万t镁。我国辽宁大石桥市一带的菱镁矿占世界储量的60%以上，品位又高(40%以上)。可从使用热室压铸获利。先前影响总成本的防腐问题已得到解决，研究表明抗蚀能力低是微量重金属元素所致，达到一定纯度时，其抗蚀能力就与铝合金相当。
3.3　高铝锌基合金(ZA)［13］
　　从1979年开始，高铝锌基合金压铸就成了ZA合金技术一个最具活力的方面。ZA合金压铸为设计高强、耐磨和轻质铸件以代替较重材料和成本较高的制造方法提供了唯一的机会。
　　ZA类合金最突出的特点就是高的强度和优良的摩擦学特性。
　　高铝锌基合金的抗拉强度比铝合金380约高20%～35%,比镁合金AZ91高50%～70%。压铸ZA－8的抗拉强度约为394 MPa,ZA－12为422 MPa,ZA－27为450 MPa。最新研究表明，薄壁压铸件的强度值比上述的还要高。所以ZA－27压铸件的比强度接近380合金。在汽车工业有很大竞争力。
　　ZA合金特别是ZA－27具有很高的耐磨性能，优于传统的耐磨合金材料锡青铜和铝青铜。其压铸件可以用于越野车绞盘的传动装置和其他零件。
　　ZA合金还有一个很大的优点是熔化温度低，耗能低，约为铝合金的1/3。
　　ZA合金的工艺性好，充填性能甚佳，压铸件壁厚可到0.5～1.0 mm。可以满足轻质铸件要求。加工性能也十分优良，切削速度可以是铸铁的3～5倍，刀具寿命得到延长。
4　提高对市场的快速反应能力，推行并行工程(CE)和快速原型制造技术(RPM)［14，15］
4.1　并行工程
　　近十年来在技术上迅速取得的进展，足以使压铸工业发生革命性改变。这些最新技术包括：改进的传感器和控制系统，更快速而可靠的计算机和软件，广域的三维(3-D)计算机辅助设计(CAD)和分析能力，改进的电子数据交换和接口技术，以及快速原型制造技术。使用这些技术的最大优点是信息量得到扩大和并行使用。在产品设计阶段就同时进行工艺设计，考虑产品整个生产周期的所有因素，大大缩短了产品投放市场的时间。
4.2　快速原型制造技术
　　所谓快速原型制造技术，简单地说就是将要制作的零件的三维CAD数据在计算机上作出水平环切的数据资料，用激光按这些数据资料对模型材料(如光硬化性树脂)进行逐层扫描和固化，扫描完了，层叠起来的最终产物就是所要求的模型。
　　快速原型制造法，如立体印刷(Stereolitho graphy)和分层实体制造(Laminated Object Manufacturing)已应用于很多产品。过去，多半用于设计制造检验工具，现在的发展是为制造工模具铺路。这使开发新产品更为迅速。
　　目前压铸工业主要用快速原型制造技术为重力铸造(如砂型铸造或石膏型铸造)制造铸模，再用此铸模浇注出要开发的样板压铸件。也可以用快速原型制造技术直接制造压铸模具。但要考虑的问题是公差精度问题。CNC可生产高精度的压铸模具，但周期长成本高。也许铸造模具可以达到接近最后形状，然后经加工达到最后公差。用快速原型制造技术开发新的压铸模是有前景的。
5　开展CAD/CAE/CAM系统的研究与开发
　　90年代出现了第三代液压驱动的压铸机，具有更大的功率和速度，有更高的精度和可靠性，尽管如此，生产高质量无孔的薄壁压铸件仍然十分困难。原因是还缺乏准确地预测熔融金属在型腔中的行为。
　　随着计算机在压铸过程中应用的深度和广度的不断增加，压铸中出现的问题应该可以得到逐步解决。
　　计算机在压铸过程中的应用，历史不长，但进展很快。起初只能进行压铸工艺参数的选择，浇注系统的设计。后来可以对压铸件进行凝固模拟，显示铸型的温度分布，预测缩孔的位置和应力分布等。不久又发展到充填模拟，预测浇不到、冷隔和其他与充填有关的缺陷。由于计算机模型的改进和计算机硬件性能的提高，使得充填和凝固模拟更为精确和快捷。不但可以设计压铸模，并能形成图形和指令，输出到数控机床进行模具加工，初步建立了CAD/CAE/CAM系统。
　　为了使模拟结果更接近压铸过程的实际情况，使加工出来的压铸模能一次试压成功。还需做很多工作。一方面通过对压铸过程了解的逐步深化，带入更多的与之有关的物理量到计算机模型中。如最近考虑的［16］，在压射过程中，熔体在流动时剪切应力不可逆地将机械能转变为热能而使粘度下降，对补缩有利。充填模拟也会由于考虑背压对充填模式的影响而更为准确。为充填模拟提供更精确的物理边界条件，根据压铸机的机械参数及特性进行压射曲线的预测，以避免充填时压射冲头速度超过其临界速度和内浇口流速超过其最大值。
　　另一方面，由于压铸过程是在高压高速下进行的，静态的和动态的影响因素很多，因此还需要进行大量的基础理论工作，建立起精确的数学模型以描述这个复杂的压铸过程系统。

ugforrest · 发表于 2006-11-16 17:05:01

6　推行计算机集成制造系统(CIMS)
　　实施CIMS工程就是借助计算机网络、数据库集成各部门产生的数据，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、系统工程技术，将企业生产全过程中有关人、技术、设备及经营、管理四要素及其信息流、物质流有机地集成，并实现企业整体优化，解决企业参与竞争所面临的一系列问题，以实现产品的高效、优质、低耗、上市快，使企业在竞争中立于不败之地。CIMS是赢得竞争的手段。
作者简介:骆灼旋　男，1934年11月生，广州市人。现任华南理工大学教授。兼任全国铸造学会压铸专业委员会副主任，《特种铸造及有色合金》杂志编委，广东省机械工程学会铸造及压铸分会理事长。主要从事锌铝合金、铸造金属基复合材料及特种铸造等方面的教学和研究工作。主持广东省科学基金及重点科研课题3项。发表学术论文20余篇
*华南理工大学，广州(510641)
作者单位:骆灼旋（华南理工大学）
参　考　文　献
1　吴春苗.粤港两地压铸行业的合作与发展.特种铸造及有色合金，1998(增刊)：46～48
2　Jorgen Hedenhag G. 压射端实时闭环控制系统.特种铸造及有色合金，1998(2)：55～57
3　Roland Find. New Cold Chamber Die Casting Machine Concepts Realize Optimal Production Results. Die Casting Engineer, 1997,41(2)：46～49
4　Stephen Midson P. 2nd Generation Real Time Control Die Casting Machines. Die Casting Engineer, 1997,41(2)：40～44
5　Spencer D B, Mehrabian R, Flemings M C. Rheological Behavior of Sn-15 Pct Pb in the Crystallization Range. Metall. Trans. 1972：1925～1932
6　Peng H, Wang N, Wang K K. Rheomolding: A Net-Shape Die Casting Process. Trans. 18th International Die Casting Congress and Exposition. October 2～5, 1995. Indianapdis. Indiana:381～387
7　Creeden T P. Tooling Design for Semi-Solid Metalworking Trans. 18th International Die Casting Congress & Exposition. October 2～5, 1995. Indianapdis. Indiana:373～380
8　Bradley N L. Method and Apparatus for the Injection Molding of Metal Alloys. U. S. Patent 5040589(1991)
9　David Weiss, Don Wichihowski. Castability and Processing of Metal Matrix Composite Die Cast Material. Trans. 18th International Die Casting Congress & Exposition. October 2～5, 1995. Indianapdis. Indiana:433～436
10　骆灼旋，陈华信，吴春苗等.铸造锌-石墨复合材料的摩擦学特性.摩擦学学报，1992,12(4)：325～333
11　Wood P. Magnesium－The Metal for the 1990s and Beyond. Design Engineering, April, 1993：33～35
12　Paul M. Brulower. Automotive Die Casting Magnesium Revving up for thd 21st Century. Die Casting Engineer, 1997,41(3)：68～70
13　John Rutherford D. ZA Alloy Die Casting. ZA Casting Alloys Conference Proceedings. Michigan, Oct. 24～25, 1984. Illinois， May 23,1985：33～36
14　Chipley K, Viswanathan S, Cooper R H. Concurrent Engineering and Rapid Prototyping for Die Casting. Die Casting Enginerr, 1997,42(2)：18～20
15　Merlin Warner C. Rapid Prototyping for Die Casting. Die Casting Engineering, 1997,40(2)：12～14
16　Christopher Rosbrook. Recent Advances in Computer Simulation of Die Casting. The Die and Beyond Trans. 18th International Die Casting Congress & Exposition, Oct. 2～5, 1995. Indianapdis. Indiana：7～8

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