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擠壓鑄造技術(shù)的最新發(fā)展 (2009/11/3 12:01:32)

標(biāo)簽：     分類：擠壓鑄造

擠壓鑄造技術(shù)的最新發(fā)展

 

中國(guó)兵器科學(xué)研究院寧波分院  齊丕驤

 

摘  要

近年國(guó)內(nèi)外擠壓鑄造產(chǎn)業(yè)規(guī)模，產(chǎn)品品種均有一定的發(fā)展，在雙重?cái)D壓鑄造、鑄件熱處理、半固態(tài)擠壓鑄造、計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用及擠壓鑄造先進(jìn)設(shè)備等方面均有所突破，高硅及變形鋁合金，鎂合金，鋅合金，鋼鐵材料及鋁基復(fù)合材料在擠壓鑄造中的應(yīng)用也日益廣泛，只是我國(guó)相對(duì)落后的擠壓鑄造設(shè)備水平，制約了這種發(fā)展。

 

關(guān)鍵詞；擠壓鑄造，擠壓鑄造機(jī)，鋁合金，鎂合金

 

擠壓鑄造（液態(tài)模鍛）技術(shù)發(fā)展一直受到產(chǎn)業(yè)界的重視，近年又有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。本論文從產(chǎn)業(yè)規(guī)模、工藝技術(shù)、材料應(yīng)用和工裝設(shè)備等四個(gè)方面介紹國(guó)內(nèi)外的最新發(fā)展，并對(duì)當(dāng)前存在的問題進(jìn)行討論。

1、產(chǎn)業(yè)規(guī)模的發(fā)展?fàn)顩r：

在國(guó)外，擠壓鑄造工藝始于1937年的前蘇聯(lián)，上世紀(jì)五、六十年代，先后傳入我國(guó)和世界各國(guó)。八十年代，日本宇部公司開發(fā)成功HVSC和VSC系列擠壓鑄造機(jī)，使此工藝在日本及歐美各國(guó)得到了迅速的發(fā)展。目前，宇部擠壓鑄造機(jī)已銷售307臺(tái)，最大設(shè)備合模力達(dá)3500噸，日本豐田公司的輪轂生產(chǎn)廠擁有14臺(tái)VSC1500—VSC1800擠壓鑄造設(shè)備，已形成年產(chǎn)400萬只高檔汽車鋁輪的生產(chǎn)能力。此外，豐田公司還擁有年產(chǎn)120萬只復(fù)合材料活塞的生產(chǎn)能力，并已在23種車輛得到使用[1,2,3]。

此外，日本的日產(chǎn)汽車、馬自達(dá)、Art、U-mold和Tosei等公司及美國(guó)SPX、Amcast等國(guó)外大公司也擁有擠壓鑄造生產(chǎn)廠或車間[4]。在我國(guó)，擠壓鑄造是從上世紀(jì)六、七十年代開始發(fā)展的。九十年代，曾隨摩托車行業(yè)大發(fā)展，有了一個(gè)大飛躍。僅鋁輪轂就形成了年產(chǎn)300萬只的能力。但隨著市場(chǎng)、利潤(rùn)和當(dāng)時(shí)技術(shù)、質(zhì)量等原因，使此生產(chǎn)規(guī)模很快就下來了。近十年來，我國(guó)擠壓鑄造業(yè)還是得到了穩(wěn)步發(fā)展。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)有一百多臺(tái)設(shè)備在工作。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的產(chǎn)品參見表1，[5-6]

表1 各國(guó)生產(chǎn)的主要擠壓鑄造件品種

 

應(yīng)用領(lǐng)域

零件名稱

汽車

受力件

鋁及鋁基復(fù)合材料活塞，鋁合金及鎂合金輪轂，橫梁（十字梁），轉(zhuǎn)向節(jié)，下支臂，制動(dòng)卡鉗，ABS零件，發(fā)動(dòng)機(jī)支架，

變速箱，空壓機(jī)連桿

耐壓、氣密性零件

空調(diào)壓縮機(jī)渦輪盤、缸體、前后蓋，

轉(zhuǎn)向閥殼體，油泵，多支管，燃料分配管

制動(dòng)器缸體，離合器缸體

耐磨件

拔叉、泵殼體，搖臂、履帶板、

空壓機(jī)活塞、斜盤、鋁基復(fù)合材料制動(dòng)轂

摩托車、電動(dòng)

車及自行車

受力件

鋁合金及鎂合金輪轂、上下聯(lián)板、

傳動(dòng)箱殼體、后衣架、曲柄、車架體、

把接頭、車架接頭、方向軸

耐壓及耐磨件

鋁活塞、減震筒、碟剎泵體

電器零件

磁盤驅(qū)動(dòng)器箱體、電器主軸襯套、

電器壓緊環(huán)、影像磁鼓、聲納殼體，

加熱板，計(jì)算機(jī)零件

其它機(jī)械鋁合金件

船用螺旋漿、氣動(dòng)儀表殼體、

光學(xué)鏡架殼體、壓力鍋及炊器、軍品零件

其它材料件

銅合金閥體、潔具、軸套、蝸輪、

吹氧噴頭件；球鐵耙片，生鐵鍋，

模具鋼件；鋅合金蝸輪及模具件等

作者六十年代開始從事此項(xiàng)工藝研究與產(chǎn)品開發(fā)，到目前為此，經(jīng)作者及其同事開發(fā)并批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，已有80多個(gè)品種，200多種規(guī)格。圖1為部分?jǐn)D壓鑄件照片。

圖1。部分?jǐn)D壓鑄件照片

目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的大型受力零件有：重25—50公升的坦克鋁合金負(fù)重輪，外廓尺寸為1200×400×300mm的汽車底盤鋁橫梁。以及大型載重汽車鋁輪轂等。

2、擠壓鑄造工藝技術(shù)的發(fā)展

近年，擠壓鑄造工藝技術(shù)，較為突出的創(chuàng)新點(diǎn)有如下幾個(gè)方面：

2.1 雙重?cái)D壓鑄造形式的發(fā)展。

雙重?cái)D壓鑄造是繼“直接擠壓”和“間接擠壓”之后，一種正發(fā)展的擠壓鑄造新形式，它實(shí)際上是將“直接擠壓”和“間接擠壓”兩種形式結(jié)合起來，靠間接擠壓法成形毛坯，用直接擠壓法（閉式模鍛）壓實(shí)鑄件，以達(dá)到其組織致密，形狀尺寸精確，表面光潔度好的目的，由于其兼有直接擠壓和間接擠壓的優(yōu)點(diǎn)，近年發(fā)展很快。

圖2為一種杯形件的雙重?cái)D壓鑄造示意圖，它是靠下擠壓沖頭5將澆入料缸4中的液態(tài)金屬推入已預(yù)閉合鎖模的上、中模（2、3）和預(yù)留有一定壓下量（h）的上擠壓沖頭1組成的型腔中，并繼續(xù)保壓（此稱為第一次擠壓），然后，上擠壓頭1再下行施以高壓，即對(duì)凝固中的鑄件實(shí)施第二次擠壓（鍛壓）直至將鑄件壓實(shí)并完全凝固。此種工藝，國(guó)內(nèi)也有多種名稱，如“連鑄連鍛”，“鑄鍛雙控成形”和“二次補(bǔ)壓”等，其定義的范圍也有所局別。本論文將其統(tǒng)稱為雙重?cái)D壓鑄造。[7，8，9，10]

圖2  一種杯形件的雙重?cái)D壓鑄造示意圖

a、 預(yù)合模、鎖模、澆注

b、第一次擠壓——下擠壓頭上升、充型、保壓（擠壓充型）

c、 第二次擠壓——上擠壓頭下行擠壓（鍛壓）

d、開模、推出鑄件

1、上擠壓沖頭  2、上模  3、中模（陰模）  4、料缸（壓室）

5、下擠壓沖頭

雙重?cái)D壓鑄造已發(fā)展有如下多種工藝形式，如局部補(bǔ)壓，帶供料系統(tǒng)的雙重?cái)D壓及鎂合金雙重?cái)D壓等。

圖3為局部補(bǔ)壓方式生產(chǎn)汽車鋁輪轂的工藝過程示意圖。[11]其第二次擠壓主要實(shí)施在其輪轂中心的厚大部位。使用此項(xiàng)技術(shù)的，還有A356鋁儲(chǔ)氣罐體件[12]美國(guó)SPX公司的鋁泵體件[4]和作者研制的空壓機(jī)高硅鋁缸體件等。圖4為低壓鑄造方式充型的雙重?cái)D壓（連鑄連鍛）原理圖[8]

圖3  在宇部VSC擠壓鑄造機(jī)上生產(chǎn)汽車鋁輪轂工藝過程示意圖

1、上模  2、上擠壓桿  3、側(cè)�；瑝K  4、下模   5、下擠壓頭   6、料缸

圖4 低壓鑄造方式充型的“雙重?cái)D壓”原理圖

1、上壓頭；2、凹模  3、鑄件  4、模板  5、壓套  6、下壓頭

7、輸液管  8、低壓鑄造爐   9、合金液

 

圖5 為一種摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)鎂合金外殼雙重?cái)D壓（鑄鍛雙控成形）工藝過程示意圖，所用材料為AZ91D鎂合金。為滿足上述工藝要求，廠方專門設(shè)計(jì)制造了鑄鍛雙控成形機(jī)。[9]

圖5  鎂殼體雙重?cái)D壓（鑄鍛雙控成形）工藝過程示意圖

 

必須指出為實(shí)施雙重?cái)D壓，其模具須設(shè)計(jì)成可預(yù)合模，可鎖模，并可實(shí)施兩次擠壓的功能，其擠壓鑄造設(shè)備須是有三個(gè)獨(dú)立操控的油缸的液壓機(jī)，以便可實(shí)現(xiàn)，預(yù)合模并鎖模、第一次擠壓和第二次擠壓動(dòng)作。此液壓機(jī)必須用電腦（PLC）控制，以便可精確掌握，澆注至第一次擠壓、第二次擠壓的時(shí)間間隔。

雙重?cái)D壓是當(dāng)前擠壓鑄造形式的一種新發(fā)展，它在為復(fù)雜高質(zhì)量的或鑄造性能差的變形合金的鑄件生產(chǎn)，提供了一種有潛力的工藝形式。

2.2  擠壓鑄件的熱處理技術(shù)

一般情況下，只要工藝、工裝設(shè)置合理，擠壓鑄件是可以進(jìn)行固溶熱處理的，但在實(shí)際生產(chǎn)中，尤其是間接擠壓鑄件，在固溶處理時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)“起泡”缺陷，使熱處理無法進(jìn)行。上世紀(jì)九十年代后期，造成我國(guó)擠壓鑄造摩托車鋁輪產(chǎn)量急劇下滑，與當(dāng)時(shí)熱處理技術(shù)未過關(guān)有直接關(guān)系。對(duì)此國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了不少研究，作者也進(jìn)行了工作[13-14]。為控制熱處理“起泡”缺陷，應(yīng)盡量減少氣體及夾渣卷入液態(tài)金屬中。為此，要采取如下措施：

①須嚴(yán)格控制液態(tài)金屬的充型速度（澆口速度），一般情況下，要控制在0.8m/s以下。對(duì)直接擠壓鑄造，此由擠壓沖頭速度來控制，一般在0.1～0.4m/s之間，間接擠壓鑄造由澆口速度，或鑄件最窄處速度來測(cè)算，一般控制在0.5～1m/s之間。

②應(yīng)使用水劑涂料，要禁止用油劑或臘基涂料，而且澆注前，一定要將料缸，型腔中的水氣吹干。

③要解決好模具的集渣，排氣問題，對(duì)擠壓鑄造模具，一般是采用模具的配合間隙，排氣槽，集渣包，頂桿等進(jìn)行排氣；對(duì)于形狀復(fù)雜又要求嚴(yán)格的鑄件，有的還需使用排氣塊，排氣閥，甚至真空等方法排氣。

④在模具的進(jìn)料系統(tǒng)及內(nèi)澆道設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量采用自下而上的立式擠壓充型（進(jìn)料）系統(tǒng)，減少液態(tài)金屬流對(duì)型芯和模腔壁的正面沖擊，使液態(tài)金屬的浮渣和已凝固的硬殼盡量擋在料缸內(nèi)，形成料餅或進(jìn)入渣包中，并使型腔中氣體能順利排出。圖6為一種典型的擠壓料缸與內(nèi)澆口的設(shè)計(jì)圖，多數(shù)情況下，自下而上的中心進(jìn)料比側(cè)面的橫向進(jìn)料更有利于排氣并減少氣體的卷入。

圖6擠壓料缸與內(nèi)澆口設(shè)計(jì)圖

1、分流錐   2、澆口套  3、內(nèi)澆口  4、集渣腔   5、液態(tài)金屬

6、擠壓頭   7  料缸

 

2．3 半固態(tài)擠壓鑄造技術(shù)

半固態(tài)加工是當(dāng)前正快速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，由于擠壓鑄造產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)特性，使半固態(tài)擠壓鑄造（或稱半固態(tài)鍛造）受到產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，近年也有一定的發(fā)展/[15，16]

日本宇部公司開發(fā)的UNRC半固態(tài)流變鑄造新工藝，與該公司生產(chǎn)的VSC，HVSC擠壓鑄造機(jī)相結(jié)合，即形成一整條半固態(tài)擠壓鑄造生產(chǎn)線。其工藝流程為：（參見圖7）

圖7 UNRC半固態(tài)流變擠壓鑄造工藝示意圖

1、澆勺  2、儲(chǔ)液器  3、陶瓷蓋  4、空氣  5、感應(yīng)圈  6、擠壓料缸

 

此種工藝可適合于生產(chǎn)鑄造鋁合金，變形鋁合金和鎂合金鑄件，其力學(xué)性能能略高于擠壓鑄件，而且生產(chǎn)成本還低于擠壓鑄造（參見圖8）是一種低成本的半固態(tài)工藝[3，17，18]

圖8 UNRC工藝與擠壓鑄造、觸變鑄造生產(chǎn)成本的比較

（產(chǎn)品：1.5kg重的鋁合金萬向節(jié)）

日本東芝公司在其設(shè)計(jì)生產(chǎn)的DXHV和DXV型擠壓鑄造機(jī)基礎(chǔ)上，將其擠壓料缸（Shot Sleeve）增加冷卻控溫系統(tǒng)（參見圖9），使由電磁泵經(jīng)管道輸入的液態(tài)金屬在此擠壓料缸中經(jīng)冷卻控溫，成半固態(tài)后由沖頭擠壓充型并壓力下凝固。此設(shè)備是在不增加其它裝置的條件下，也實(shí)現(xiàn)了半固態(tài)擠壓鑄造的全過程生產(chǎn)。用此工藝開發(fā)的A356，A357合金汽車零件性能良好，并已在尼桑（Nissan）汽車上使用[19]。

一般情況下，用各種方法制備的半固態(tài)漿料（坯料），都是可以用擠壓鑄造工藝成形零件的，目前，國(guó)內(nèi)外研究開發(fā)的半固態(tài)擠壓鑄造鋁合金的產(chǎn)品有A356鋁輪轂A357汽車轉(zhuǎn)向節(jié)，2L117高硅鋁活塞，Y112汽車中間軸螺塞以及空氣壓縮機(jī)鋁活塞，斜盤，連桿等[29，30]。

圖9   日本東芝半固態(tài)擠壓鑄造機(jī)經(jīng)改裝的料缸示意圖

1、料缸外套   2、料缸內(nèi)套   3、冷卻水   4、擠壓頭  5、鋁液

6、惰性氣體入口    7、感應(yīng)圈    8、縫隙

2.4 計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)技術(shù)在擠壓鑄造工藝中的應(yīng)用開發(fā)，主要圍繞兩方面；第一是進(jìn)行擠壓鑄造過程的數(shù)據(jù)模擬（CAE）以進(jìn)行擠壓鑄造工藝參數(shù)及模具設(shè)計(jì)的優(yōu)選。在文獻(xiàn)[20，21，22]中，分別介紹了用MAGMAsoft，Angcasting和Jscast鑄造軟件對(duì)摩托車鎂合金輪轂、鋁合金支架和汽車空調(diào)鋁合金缸體進(jìn)行鑄造過程的數(shù)據(jù)模擬，以給出鑄件充型和凝固過程的任何時(shí)刻的溫度場(chǎng)，速度場(chǎng)，壓力場(chǎng)和凝固順序分布圖等。以便可分析判斷實(shí)際鑄造過程中出現(xiàn)縮松，縮孔，裂紋及卷氣的可能性，進(jìn)行工藝參數(shù)，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。報(bào)告均表明，使用CAE技術(shù)后，可大大減少工藝試驗(yàn)的次數(shù)，節(jié)省了時(shí)間和資金的投入，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用的第二方面是建立模具設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)件圖庫(kù)以實(shí)現(xiàn)模具的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)及智能化設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[23，24，25]中分別介紹在擠壓鑄造模具設(shè)計(jì)中，上述技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例，它明顯提高了設(shè)計(jì)效率，降低了設(shè)計(jì)成本。

3、新材料在擠壓鑄造中應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。

基于擠壓鑄造可成形厚壁復(fù)雜鑄件，內(nèi)部組織致密，且又能進(jìn)行固溶熱處理，因而當(dāng)前此工藝已發(fā)展成為一種高檔鑄件，如耐磨、耐壓、高強(qiáng)韌鑄件等的重要生產(chǎn)手段。一些新材料，，如高硅鋁合金，高強(qiáng)韌鋁，鎂、鋅基合金及其復(fù)合材料等，也越來越多的被用于生產(chǎn)[26]表現(xiàn)在：

3.1 高硅鋁合金擠壓鑄造

由于壓力下結(jié)晶有利于初晶硅細(xì)化，可消除縮松氣孔缺陷并可固溶熱處理，因而擠壓鑄造不失為高硅鋁合金一種較理想的先進(jìn)工藝。

圖10是用日本東芝DHXV350擠壓鑄造機(jī)生產(chǎn)的空調(diào)壓縮機(jī)缸體鑄件照片，合金材料為日本ADC14高硅鋁合金，目前該廠已達(dá)每年數(shù)十萬只的生產(chǎn)批量[27]。

圖10高硅鋁合金缸體鑄件照片

1、料餅  2、內(nèi)澆道  3、缸體  4、集渣及排氣系統(tǒng)

 

論文[28]研究了半固態(tài)流變擠壓鑄造對(duì)高硅A1-si鋁合金組織，性能的影響，表明擠壓壓力的升高，可明顯細(xì)化初晶硅（參見圖11）并提高材料的力學(xué)性能，為高硅鋁合金優(yōu)質(zhì)鑄件的生產(chǎn)提供了一條有效的新途徑。

 

圖11 半固態(tài)擠壓鑄造的比壓對(duì)ZL117高硅鋁合金初晶硅等效直徑的影響

 

3.2 鎂合金擠壓鑄造

目前，鎂合金鑄件大多用壓鑄工藝生產(chǎn)，但對(duì)于有高質(zhì)量和高力學(xué)性能要求的鑄件，壓鑄就有困難了，因而鎂合金擠壓鑄造有了快速的發(fā)展。

重慶大學(xué)用其專利的擠壓鑄造新技術(shù)，將摩托車鎂輪轂成功的投入了批生產(chǎn)[40]其工藝過程參見圖12。

圖12  鎂合金輪轂新型擠壓鑄造工藝示意圖

（a）模具清整、合型  （b）低壓充型  （c）高壓凝固 （d）開型取件

 

與傳統(tǒng)擠壓鑄造相比，新型擠壓鑄造工藝有以下創(chuàng)新。

①采取加熱澆管進(jìn)行封閉定量澆注，將鎂合金熔體與外界隔絕，解決了鎂合金熔體澆注過程中的氧化和降溫問題。

②采用低壓充型和高壓凝固分離的模式，有效地減少了壓室料餅，提高了工藝收得率。

③改傳統(tǒng)的三片兩開型結(jié)構(gòu)為兩片單開型結(jié)構(gòu)。在一次工藝循環(huán)中只需一次開合型就可以實(shí)現(xiàn)澆注和取件，縮短了工藝流程，將工藝循環(huán)時(shí)間從4～5min降低到2min左右，大幅度提高了生產(chǎn)效率。

為了減少工藝試驗(yàn)、模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)調(diào)試的工作量，用MAGMA軟件對(duì)新型擠壓鑄造過程進(jìn)行了模擬和數(shù)值優(yōu)化，獲得了優(yōu)化的工藝參數(shù)組合，確定了模具工藝結(jié)構(gòu)。

 

鎂合金半固態(tài)鑄造，尤其是半固態(tài)射鑄成形已成為新的發(fā)展亮點(diǎn)。為此，日本制鋼所設(shè)計(jì)制造了鎂合金觸變成形機(jī)[31]。文獻(xiàn)[32]研究比較了雙螺桿機(jī)械攪拌法制備半固態(tài)槳料再經(jīng)擠壓鑄造的AZ91D鎂合金的組織與性能，在普通擠壓鑄造基礎(chǔ)上，半固態(tài)擠壓有了明顯的提高。（參見圖13）

圖13 不同工藝條件下 AZ91D鎂合金試樣的密度與硬度

A、鎂合金錠    B、液態(tài)擠壓鑄造成形   C、半固態(tài)擠壓鑄造成形

 

3.3 鋁基復(fù)合材料的研發(fā)與生產(chǎn)

由于壓力下凝固有利于液態(tài)金屬對(duì)陶瓷增強(qiáng)劑的浸滲與潤(rùn)濕，增加其對(duì)金屬嵌鑲件表面的界面反應(yīng)及夾緊力，因而擠壓鑄造也是一種較理想的提供低生產(chǎn)成本的復(fù)合材料鑄件和雙金屬鑄件的重要方法，在國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了大批量的生產(chǎn)。

東南大學(xué)用擠壓鑄造壓力浸滲工藝，研究生產(chǎn)了復(fù)合材料局部增強(qiáng)鋁活塞，并已在多種型號(hào)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛應(yīng)用[33]。其使用增強(qiáng)劑為氧化鋁短纖維（δ型）和硅酸鋁短纖維（高鋁型），基體鋁合金用ZL108，ZL109。復(fù)合材料與基體鋁合金性能參見表2。

表2 擠壓鑄造復(fù)合材料活塞性能

活塞材料

室溫抗拉強(qiáng)度/Mpa

300℃抗拉強(qiáng)度/Mpa

表面硬度

/HB

300℃線膨脹系數(shù)α/（×10-6℃-1）

20臺(tái)CA41發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)車跑車試驗(yàn)對(duì)比

ZL108

基體鋁合金

290

120

115

22-23

運(yùn)行2.5萬公里時(shí)，第一環(huán)槽側(cè)隙為0.3-0.8mm，有燒頂現(xiàn)象。

氧化鋁纖維

增強(qiáng)ZL108

鋁合金

300

160-170

125

16-18

運(yùn)行10-12萬公里后，第一環(huán)槽側(cè)隙僅為0.10-0.15mm，無燒頂、開裂、斷環(huán)現(xiàn)象。

硅酸鋁纖維

增加ZL108

鋁合金

300

150-160

120

16-18

五二所，也在此領(lǐng)域進(jìn)行了多項(xiàng)研究，在復(fù)合材料活塞和履帶板方面已取得多項(xiàng)研究成果，并已在擠壓鑄造生產(chǎn)上得到使用。[34，35]

3.4 鋅基合金及鋼鐵材料的研發(fā)

高鋁鋅基合金（如ZA27，ZA43等）在壓力下凝固可明顯細(xì)化其合金組織，克服其嚴(yán)重的縮松和偏析傾向，因而擠壓鑄造也是此類合金的高質(zhì)量鑄件的生產(chǎn)工藝。對(duì)此，國(guó)內(nèi)不少單位進(jìn)行了研究，表3分別列出了ZA27合金擠壓鑄件與金屬型鑄件力學(xué)性能與耐磨性的比較，可見，擠壓鑄件均有明顯的改善。ZA43合金也有類似的研究結(jié)果。可以預(yù)計(jì)，擠壓鑄造高鋁鋅基合金在耐磨件，沖壓模具件上將會(huì)有很好的應(yīng)用前景[36]。

表3  擠壓鑄造ZA27合金的力學(xué)性能和密度

鑄造工藝

抗拉強(qiáng)度/Mpa

延伸率/%

硬度/HB

密度/g·cm-3

擠壓鑄造

450-480

10-15

145-165

5.23-5.24

金屬型澆注

392.4

2.60

111

4.96

鋼鐵材料擠壓鑄造產(chǎn)品的開發(fā)生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)外雖進(jìn)行了大量工作，但都因模具壽命問題，而不能形成大的生產(chǎn)批量，近年北京交通大學(xué)與企業(yè)合作在模具、涂料、工藝等方面進(jìn)行了研究，并在煤礦設(shè)備、電氣化鐵路配件上進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，取得了一定的進(jìn)展[37]。

4、擠壓鑄造設(shè)備的發(fā)展

早期的擠壓鑄造多用直接擠壓鑄造形式，所使用設(shè)備為摩擦壓力機(jī)，后改用通用油壓機(jī)和普通型擠壓鑄造機(jī)，到上世紀(jì)八十年代后隨著下頂式間接擠壓鑄造方式應(yīng)用的增多，日本宇部公司開發(fā)成功VSC和HVSC系列擠壓鑄造設(shè)備（圖14，15）使擠壓鑄造機(jī)水平有一個(gè)大的飛躍，使國(guó)際擠壓鑄造產(chǎn)業(yè)也有一個(gè)大的發(fā)展[38]。

上世紀(jì)90年代以后，擠壓鑄造機(jī)呈現(xiàn)多方向發(fā)展的趨勢(shì)。其一，隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及鋁液自動(dòng)輸送等技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了更新型的擠壓鑄造機(jī)，東芝公司DXV立式機(jī)和DHXV臥式機(jī)（圖16），即為其中代表，其二，隨著實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的開發(fā)成功，使傳統(tǒng)的臥式壓鑄機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)擠壓鑄造生產(chǎn)，率先開發(fā)此項(xiàng)技術(shù)的是瑞士布勒公司。隨后美國(guó)、歐洲等多家公司也都在壓鑄機(jī)上實(shí)現(xiàn)了擠壓鑄造[39]。其三，隨著半固態(tài)鑄造技術(shù)日趨產(chǎn)業(yè)化，一些適應(yīng)半固態(tài)擠壓鑄造的設(shè)備也相應(yīng)發(fā)展起來。包括上述的宇部公司的NRC半固態(tài)鑄造設(shè)備及東芝公司新設(shè)備等都能適于鋁合金、鎂合金半固態(tài)擠壓鑄造生產(chǎn)。

下面重點(diǎn)介紹兩種機(jī)型：

4.1 日本宇部公司VSC、HVSC擠壓鑄造機(jī)系列

日本宇部興產(chǎn)株式會(huì)社生產(chǎn)的VSC立式擠壓鑄造機(jī)（立式合模，立式擠壓）系列有合模力分別為3 150～35 000KN等9種規(guī)格的設(shè)備。而且8000至15000KN設(shè)備上可設(shè)置2工位機(jī)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)，18000KN機(jī)已實(shí)現(xiàn)3工位生產(chǎn)。此類機(jī)型均為4柱立式結(jié)構(gòu)，合模力多直接由主油缸活塞實(shí)施。

HVSC臥式擠壓鑄造機(jī)（臥式合模，立式擠壓）已經(jīng)生產(chǎn)的有合模力分別為1 400～8 000KN等6種規(guī)格產(chǎn)品，其合模機(jī)構(gòu)是采用曲肘機(jī)構(gòu)。

上述兩種機(jī)型的最大特點(diǎn)是其立式擠壓系統(tǒng)均采用斜擺動(dòng)式結(jié)構(gòu)。即擠壓缸處傾斜位置時(shí)進(jìn)行澆注，然后擠壓缸快速擺正上升并實(shí)施擠壓，參見圖3。對(duì)VSC立式機(jī)的擠壓速度最大達(dá)80mm/s，并可分為3段調(diào)速。HVSC臥式機(jī)則可在30～1 500mm/s范圍內(nèi)可分4段調(diào)速。

兩種機(jī)型均配有自動(dòng)澆注、自動(dòng)噴涂、自動(dòng)取料系統(tǒng)，并配有獨(dú)立的液壓系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)模具的抽芯、分型、2次補(bǔ)壓及沖料餅等操作。而上述的全過程均由計(jì)算機(jī)編程，并進(jìn)行精確控制和重要工藝參數(shù)的顯示，以確保生產(chǎn)過程全自動(dòng)進(jìn)行并確保工藝參數(shù)的穩(wěn)定性。此外，設(shè)備還配有快速模具更換，模具的液壓鎖緊，模具加熱及水冷配套裝置，因而系統(tǒng)設(shè)置是比較完善的。

4.2 日本東芝公司DXHV和DXV擠壓鑄造機(jī)系列

日本東芝公司株式會(huì)社開發(fā)的擠壓鑄造機(jī)系列，也有兩大類型。一是DXHV臥式合模、立式擠壓設(shè)備，目前已生產(chǎn)的有鎖模力為3 500和5 000KN兩種機(jī)型，其合模機(jī)構(gòu)均為曲肘式；另一類是DXV立式合模立式擠壓設(shè)備，已開發(fā)出的有合模力分別為1 350～15 000KN等5種機(jī)型，東芝臥式機(jī)動(dòng)作原理參見圖17。

此兩類機(jī)型的最大特點(diǎn)是配置了輸送金屬液的電磁泵裝置，電磁泵裝置縮短了金屬液充型至開始擠壓的時(shí)間，減少料缸中因凝固結(jié)殼給鑄件帶來的夾渣、冷隔等缺陷，另一方面金屬液改由管道輸送，不與空氣直接接觸，可減少氧化夾雜的產(chǎn)生，以確保金屬液的內(nèi)在質(zhì)量。在擠壓系統(tǒng)中，東芝機(jī)用兩個(gè)油缸自由控制其增壓時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)超高速或超低速壓射。此外，兩機(jī)型還配有自動(dòng)噴涂、自動(dòng)取件、擠壓頭潤(rùn)滑、模具快速更換及自動(dòng)鎖緊、模具的2次補(bǔ)壓等裝置，從供液到取件，整機(jī)也均由計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程，全過程精確控制并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。用先進(jìn)的T0SCAST系統(tǒng)可以鎖定最佳工藝參數(shù)，保證從頭1件到最后1件所有鑄造條件基本一致。

圖14 日本宇部VSC立式擠壓鑄造機(jī)

圖15日本宇部HVSC臥式擠壓鑄造機(jī)

圖16 日本東芝DHXV350CL-T 型臥式擠壓鑄造機(jī)

圖17 東芝DHXV臥式擠壓鑄造機(jī)動(dòng)作原理圖

1、鋁液輸送管  2、電磁泵  3、靜模   4 動(dòng)模   5擠壓頭   6、擠壓缸

 

但是，我國(guó)擠壓鑄造設(shè)備與日、美等國(guó)有相當(dāng)差距，現(xiàn)工作的一百多臺(tái)擠壓鑄造設(shè)備中，近80%以上是經(jīng)改裝的通用油壓機(jī)，進(jìn)口的先進(jìn)設(shè)備只有十幾臺(tái)，因而我國(guó)擠壓鑄造的生產(chǎn)效率，產(chǎn)品檔次與國(guó)外相差較大。

例如：在日本用3工位大噸位的VSC機(jī)，45秒鐘即可擠壓鑄造成一只小轎車或大卡車鋁輪轂，并早已形成每年百萬只的生產(chǎn)規(guī)模。而我國(guó)仍未形成批生產(chǎn)能力，對(duì)此設(shè)備宇部公司是禁止出口的，因而一直是日本獨(dú)家壟斷的局面。又如一只5V16氣缸體，用日本東芝機(jī)約30秒生產(chǎn)一只，而用我國(guó)經(jīng)改裝的通用油壓機(jī)須3分鐘才能做一只，而且質(zhì)量的穩(wěn)定性還有差距。

因而發(fā)展我國(guó)擠壓鑄造產(chǎn)業(yè)的最關(guān)鍵問題是應(yīng)開發(fā)和生產(chǎn)自己的擠壓鑄造機(jī)系列。由于國(guó)外的專機(jī)都是有專利的，價(jià)格又特貴，特殊的又不賣。因此，我們的擠壓鑄造機(jī)開發(fā)還是應(yīng)走我們自己的路。

隨著國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)高檔有色金屬鑄件需求的不斷增加，我相信，擠壓鑄造產(chǎn)業(yè)仍會(huì)有一個(gè)大的發(fā)展。

 

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