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我国挤压铸造与日美等国的主要差距是设备,开发和生产自己的挤压铸造机系列是发展我国挤压铸造产业的关键所在。
关键词挤压铸造;
设备;
铝合金;
镁合金
1产业规模的发展状况
挤压铸造工艺是1937年由前苏联发明的,20世纪50和60年代,先后传入我国和世界各国。
20世纪80年代,日本宇部公司开发成功HVSC和VSC系列挤压铸造机,使挤压铸造工艺在日本及欧美得到迅速的发展。
截至目前,日本宇部公司已销售挤压铸造机307台,设备最大合模力达35000kN。
日本丰田公司的轮毂生产厂拥有14台VSC15002VSC1800挤压铸造设备,已形成年产400万只高档汽车铝轮和120万只复合材料活塞的生产能力,并已在23种车辆上得到使用[1~3]。
此外,日本的日产汽车、马自达、Art、U2mold和Tosei等公司及美国SPX、Amcast等公司也拥有挤压铸造生产厂或车间[4]。
在我国,挤压铸造是从20世纪60年代开始发展的。
20世纪90年代,随摩托车行业大发展,出现一次大飞跃,仅铝轮毂就形成了年产300万只的能力。
但由于市场、利润和当时技术、品质等原因,挤压铸造的生产规模又很快下来了。
近10年来,我国挤压铸造业稳步发展。
当前,国内有100多台挤压铸造设备在运行。
国内外主要产品见表1[5,6]。
笔者自60年代开始研究挤压铸造工艺,到目前为止与其同事开发并批量生产的产品,已有80多个品种,200多种规格,图1为其中部分挤压铸件照片。
目前,国内外采用挤压铸造生产的大型受力零件有质量为25~50kg的坦克铝合金负重轮,外廓尺寸为1200mm@400mm@300mm的汽车底盘铝横梁,以及大型载重汽车铝轮毂等。
2挤压铸造工艺技术的发展
近年来,挤压铸造工艺技术的发展,仍离不开提高产品质量和扩展挤压铸造的应用范围这一主题,较为突出的创新点有如下几个方面。
2.1双重挤压铸造工艺的发展
双重挤压铸造是继直接挤压和间接挤压之后,一种正在发展的挤压铸造新工艺,它实际上是将直接挤压和间接挤压两种形式结合起来,靠间接挤压法成形毛坯,用直接挤压法(闭式模锻)压实铸件,以达到其组织致密、形状尺寸精确、表面光洁度好的目的,由于其兼有直接挤压和间接挤压的优点,近年发展很快。
图2为一种杯形件的双重挤压铸造示意图,它是靠下挤压冲头5将浇入料缸4中的液态金属推入已预闭合锁模的上模2、中模3和预留有一定压下量(h)的上挤压冲头1组成的型腔中,并继续保压(此称为第一次挤压),然后,上挤压头1再下行施以高压,即对凝固中的铸件实施第二次挤压(锻压)直至将铸件压实并完全凝固。
此种工艺,目前有多种名称,如连铸连锻,铸锻双控成形和二次补压等,其定义的范围也有所区别,这里将其统称为双重挤压铸造[7~10]。
图2一种杯形件的双重挤压铸造示意图)图3局部补压方式生产汽车铝轮毂的工艺过程示意图
1.上挤压冲头2.上模3.中模(阴模1.上模2.上挤压杆3.侧模滑块4.下模5.下挤压头
4.料缸(压室)5.下挤压冲头6.料缸
双重挤压铸造已发展有多种工艺形式,如局部补压、带供料系统的双重挤压及镁合金双重挤压等。
图3为局部补压方式生产汽车铝轮毂的工艺过程示意图[11]。
其第二次挤压主要实施在其轮毂中心的厚大部位。
使用此项技术的,还有A356铝储气罐体件[12]、美国SPX公司的铝泵体件[4]和笔者研制的空压机高硅铝缸体件等。
图4为低压铸造方式充型的双重挤压(连铸连锻)原理图[8]。
图5为一种摩托车发动机镁合金外壳双重挤压(铸锻双控成形)工艺过程示意图,所用材料为AZ91D镁合金。
为满足上述工艺要求,厂方专门设计制造了铸锻双控成形机[9]。
必须指出,为实施双重挤压,其模具须设计成具备可预合模、锁模、并可实施两次挤压的功能,其挤压铸造设备须是有3个独立操控的油缸的液压机,以便可实现预合模并锁模、第一次挤压和第二次挤压动作。
此液压机必须用电脑(PLC)控制,可精确掌握浇注至第一次挤压、第二次挤压的时间间隔。
双重挤压是挤压铸造形式的一种新发展,它为复杂高质量的或铸造性能差的变形合金的铸件生产,提供了一种有潜力的工艺形式。
图4低压铸造方式充型的双重挤压原理图图5镁壳体双重挤压(铸锻双控成形)工艺过程示意图
1.上压头2.凹模3.铸件4.模板5.压套
6.下压头7.输液管8.低压铸造炉9.合金液
2.2挤压铸件的热处理技术
一般情况下,只要工艺、工装设置合理,挤压铸件是可以进行固溶处理的,但在实际生产中,尤其是间接挤压铸件,在固溶处理时往往会出现起泡缺陷,使热处理无法进行。
20世纪90年代后期我国挤压铸造摩托车铝轮产量急剧下滑,其重要原因之一是当时热处理技术尚未过关。
对此国内外进行了不少研究,笔者也做了相关工作[13,14]。
为控制热处理起泡缺陷,即尽量减少气体及夹渣卷入液态金属中,采取的主要措施如下。
¹
严格控制液态金属的充型速度(浇道速度),以018m/s以下为宜。
对直接挤压铸造,充型速度由挤压冲头速度来控制,一般在011~014m/s之间,间接挤压铸造由浇道速度或铸件最窄处速度来测算,一般控制在015~110m/s之间。
使用水剂涂料,禁止用油剂或蜡基涂料,而且浇注前,一定要将料缸、型腔中的水气吹干。
»
解决好模具的集渣、排气问题,对挤压铸造模具,采用模具的配合间隙、排气槽、集渣包、顶杆等进行排气,对于形状复杂又要求严格的铸件,有的还需使用排气块、排气阀,甚至真空等方法排气。
¼
在对模具的进料系统及内浇道设计时,尽量采用自下而上的立式挤压充型(进料)系统,减少液态金属流对型芯和模腔壁的正面冲击,使液态金属的浮渣和已凝固的硬壳尽量挡在料缸内,形成料饼或进入渣包中,并使型腔中气体能顺利排出。
图6为一种典型的挤压料缸与内浇道的设计图,多数情况下,自下而上的中心进料比侧面的横向进料更有利于排气并减少气体的卷入。
图6挤压料缸与内浇道设计图图7UNRC半固态流变挤压铸造工艺示意图
1.分流锥2.浇口套3.内浇道4.集渣腔1.浇勺2.储液器3.陶瓷盖4.空气
5.液态金属6.挤压头7.料缸5.感应圈6.挤压料缸
2.3半固态挤压铸造技术
半固态加工是当前快速发展的一项新技术,由于挤压铸造产品的优质特性,使半固态挤压铸造(或称半固态锻造)受到产业界的关注,近年也有一定的发展[15,16]。
日本宇部公司开发的UNRC半固态流变铸造新工艺,与该公司生产的VSC、HVSC挤压铸造机相结合,即形成一整条半固态挤压铸造生产线,其工艺流程见图7。
此种工艺可适合于生产铸造铝合金、变形铝合金和镁合金铸件,其力学性能略高于挤压铸件,而且生产成本还低于挤压铸造(见图8),是一种低成本的半固态工艺[3,17,18]。
图8UNRC工艺与挤压铸造、触变铸造生产成本的比较图9日本东芝半固态挤压铸造机经改装的料缸示意图
(产品:
质量为115kg的铝合金万向节)1.料缸外套2.料缸内套3.冷却水4.挤压头5.铝液6.惰性气体入口7.感应圈8.缝隙
DXHV和DXV型挤压铸造机基础上,将其挤压料缸(ShotSleeve)增加冷却控温系统(见图9),使由电磁泵经管道输入的液态金属在此挤压料缸中经冷却控温,成半固态后由冲头挤压充型并在压力下凝固。
此设备是在不增加其他装置的条件下,实现了半固态挤压铸造的全过程生产。
用此工艺开发的A356、A357合金汽车零件性能良好,并已在尼桑(Nissan)汽车上使用[19]。
一般情况下,用各种方法制备的半固态浆料(坯料),都是可以用挤压铸造工艺成形零件的。
目前,国内外研究开发的半固态挤压铸造铝合金的产品有A356铝轮毂、A357汽车转向节、ZL117高硅铝活塞、Y112汽车中间轴螺塞以及空气压缩机铝活塞、斜盘、连杆等[20,21]。
2.4计算机技术的应用
计算机技术在挤压铸造工艺中的应用开发,主要在以下两方面。
一是进行挤压铸造过程的数据模拟(CAE),实现挤压铸造工艺参数及模具设计的优选。
文献[22~24]中,分别介绍了用MAGMAsoft,Angcasting和Jscast铸造软件对摩托车镁合金轮毂、铝合金支架和汽车空调铝合金缸体进行铸造过程的数据模拟,给出铸件充型和凝固过程的任何时刻的温度场、速度场、压力场和凝固顺序分布图等,由此可分析判断实际铸造过程中出现缩松、缩孔、裂纹及卷气的可能性,对工艺参数、模具结构设计进行优化。
事实上,使用CAE技术后,可大大减少工艺试验的次数,节省了时间和资金的投入,提高了产品质量。
二是建立挤压铸造模具设计的专家系统和标准件图库以实现模具的虚拟设计及智能化设计,文献[25~27]分别介绍了在挤压铸造模具设计中,由于上述技术的应用,明显地提高了设计效率,降低了设计成本。
三挤压铸造新材料应用技术的发展
基于挤压铸造可成形厚壁复杂铸件,内部组织致密,且又能进行固溶热处理,因而当前此工艺已发展成为一种高档铸件,如耐磨、耐压、高强韧铸件等的重要生产手段。
一些新材料,如高硅铝合金,高强韧铝,镁、锌基合金及其复合材料等,也越来越多的被用于生产[28]之中。
3.1高硅铝合金挤压铸造
由于压力下结晶有利于初晶硅细化,可消除缩松气孔缺陷并可固溶热处理,因而挤压铸造不失为高硅铝合金成形的一种较理想的先进工艺。
图10是用日本东芝DHXV350挤压铸造机生产的空调压缩机缸体铸件照片,合金材料为日本ADC14高硅铝合金,目前的生产批量已达每年数十万只[29]。
图10高硅铝合金缸体铸件照片图11半固态挤压铸造的比压对ZL117高
1.料饼2.内浇道3.缸体4.集渣及排气系统硅铝合金初晶硅等效直径的影响
文献[30]研究了半固态流变挤压铸造对高硅铝合金组织和性能的影响,表明挤压压力的升高,可明显细化初晶硅(见图11),提高材料的力学性能,这为高硅铝合金优质铸件的生产提供了一条有效的新途径。
3.2镁合金挤压铸造
镁合金铸件大多用压铸工艺生产,但对于有高品质和高力学性能要求的铸件,压铸就有困难了,因而镁合金挤压铸造有了快速的发展。
重庆大学用其专利的挤压铸造新技术,将摩托车镁轮毂成功地投入了批生产[31],其工艺过程见图12。
与传统挤压铸造相比,新型挤压铸造工艺有几点创新:
采取加热浇管进行封闭定量浇注,将镁合金熔体与外界隔绝,解决了镁合金熔体浇注过程中的氧化和降温问题;
采用低压充型和高压凝固分离的模式,有效地减少了压室料饼,提高了工艺收得率;
»
改传统的3片2开型结构为两片单开型结构,在一次工艺循环中只需一次开合型就可以实现浇注和取件,缩短了工艺流程,将工艺循环时间从4~5min降低到2min左右,大幅度提高了生产效率。
为了减少工艺试验、模具设计和生产调试的工作量,用MAGMA软件对新型挤压铸造过程进行了模拟和数值优化,获得了优化的工艺参数组合,确定了模具工艺结构。
a)模具清整、合型(b)低压充型(c)高压凝固(d)开型取件a)试样的密度(b)试样的硬度
图12镁合金轮毂新型挤压铸造工艺示意图图13不同工艺条件下AZ91D镁合金试样的密度与硬度
A.镁合金锭;
B.液态挤压铸造成形;
C.半固态挤压铸造成形
镁合金半固态铸造,尤其是半固态压铸成形已成为新的亮点。
为此,日本制钢所设计制造了镁合金触变成形机[32]文献[33]研究比较了双螺杆机械搅拌法制备半固态桨料再经挤压铸造的AZ91D镁合金的组织与性能,与普通挤压铸造相比有了明显的提高(见图13)。
3.3铝基复合材料的研发与生产
由于压力下凝固有利于液态金属对陶瓷增强剂的浸渗与润湿,增加其对金属嵌镶件表面的界面反应及夹紧力,因而挤压铸造也是一种较理想的提供低生产成本的复合材料铸件和双金属铸件的重要方法,在国内外已进行了大批量的生产。
东南大学用挤压铸造压力浸渗工艺,研究生产了复合材料局部增强铝活塞,并已在多种型号汽车发动机上广泛应用[34]。
其使用增强剂为氧化铝短纤维(D型)和硅酸铝短纤维(高铝型),基体铝合金用ZL108、ZL109。
复合材料与基体铝合金性能见表2。
五二所也在此领域进行了多项研究,在复合材料活塞和履带板方面已取得多项研究成果,并已在挤压铸造生产上得到使用[35,36]。
3.4锌基合金及钢铁材料的研发
高铝锌基合金(如ZA27,ZA43等)在压力下凝固可明显细化其合金组织,克服其严重的缩松和偏析倾向,因而挤压铸造也是此类合金高质量铸件的优选生产工艺。
表3分别列出了ZA27合金挤压铸件与金属型铸件力学性能与耐磨性的比较,可见挤压铸件有明显的优势。
对ZA43合金也有类似的研究结果。
可以预计,
挤压铸造高铝锌基合金在耐磨件、冲压模具件上将会有工艺。
表3分别列出了ZA27合金挤压铸件与金属型铸件力学性能与耐磨性的比较,可见挤压铸件有明显的优势。
可以预计,挤压铸造高铝锌基合金在耐磨件、冲压模具件上将会有很好的应用前景[37]。
钢铁材料挤压铸造产品的开发生产,国内外虽进行了大量工作,但都因模具寿命问题,而不能形成大的生产批量,近年北京交通大学与企业合作在模具、涂料、工艺等方面进行了研究,并在煤矿设备、电气化铁路配件上进行产品开发,已取得一定的进展[38]。
四挤压铸造设备的发展
早期的挤压铸造多用直接挤压铸造形式,所使用设备为摩擦压力机,后改用通用油压机和普通型挤压铸造机,到20世纪80年代后随着下顶式间接挤压铸造方式应用的增多,日本宇部公司开发成功VSC和HVSC系列挤压铸造设备(见图14,图15),使挤压铸造机水平有一个大的进步,使国际挤压铸造产业也有一个大的发展[39]。
20世纪90年代以后,挤压铸造机呈现多方向发展的趋势:
¹
随着计算机控制系统及铝液自动输送等技术的发展,出现了更新型的挤压铸造机,东芝公司DXV立式机和DHXV卧式机,即为其中的代表;
随着实时控制系统的开发成功,使传统的卧式压铸机也可以实现挤压铸造生产,率先开发此项技术的是瑞士布勒公司,其后美国、欧洲等多家公司也都在压铸机上实现了挤压铸造生产[40];
随着半固态铸造技术日趋产业化,一些适应半固态挤压铸造的设备也相应发展起来,包括上述宇部及东芝设备等都能适于铝合金、镁合金半固态挤压铸造生产。
图14日本宇部VSC立式挤压铸造机图15日本宇部HVSC卧式挤压铸造机
4.1日本宇部公司VSC、HVSC挤压铸造机系列
日本宇部兴产株式会社生产的VSC立式挤压铸造机(立式合模、立式挤压)系列,有合模力为3150~35000kN的9种规格的设备。
而且8000~15000kN设备上可设置2工位机构进行生产,18000kN机已实现3工位生产。
此类机型均为4柱立式结构,合模力多直接由主油缸活塞实施。
HVSC卧式挤压铸造机(卧式合模,立式挤压)已经生产的有合模力为1400~8000kN的6种规格产品,其合模机构采用曲肘机构。
上述两种机型的最大特点是其立式挤压系统均采用斜摆动式结构,即挤压缸处倾斜位置时进行浇注,然后挤压缸快速摆正上升并实施挤压(见图3)。
VSC立式机的挤压速度最大达80mm/s,可分为3段调速。
HVSC卧式机则可在30~1500mm/s范围内分4段调速。
两种机型均配有自动浇注、自动喷涂、自动取料系统,并配有独立的液压系统,可实现模具的抽芯、分型、2次补压及冲料饼等操作。
其全过程均由计算机编程,并进行精确控制和重要工艺参数的显示,以确保生产过程全自动进行并确保工艺参数的稳定性。
此外,设备还配有快速模具更换、模具的液压锁紧、模具加热及水冷配套装置,因而系统设置是比较完善的。
4.2日本东芝公司DXHV和DXV挤压铸造机系列
日本东芝公司株式会社开发的挤压铸造机系列,也有两大类型。
一是DXHV卧式合模、立式挤压设备,目前已生产的有锁模力为3500和5000kN两种机型,其合模机构均为曲肘式;
另一类是DXV立式合模立式挤压设备,已开发出的有合模力为1350~15000kN的5种机型。
此两类机型的最大特点是配置了输送金属液的电磁泵装置,电磁泵装置缩短了金属液充型至开始挤压的时间,减少料缸中因凝固结壳给铸件带来的夹渣、冷隔等缺陷。
由于金属液改由管道输送,不与空气直接接触,可减少氧化夹杂的产生,以确保金属液的内在质量。
在挤压系统中,东芝机用两个油缸自由控制其增压时间,并实现超高速或超低速压射。
此外,两机型还配有自动喷涂、自动取件、挤压头润滑、模具快速更换以及自动锁紧、模具的2次补压等装置,从供液到取件,整机也均由计算机进行编程,全过程精确控制并实现自动化生产。
用先进的TOSCAST系统可以锁定最佳工艺参数,保证从第1件到最后1件所有铸造条件基本一致。
但是,我国挤压铸造设备与日、美等国有相当差距,现工作的100多台挤压铸造设备中,近80%以上是经改装的通用油压机,进口的先进设备只有十几台,因而生产效率、产品档次与国外相差较大。
例如:
在日本用3工位大吨位的VSC机,45s即可挤压铸造成一只小轿车或大卡车铝轮毂,并早已形成每年100万只的生产规模。
而我国仍未形成批生产能力,对此设备宇部公司是禁止出口的,因而一直是日本独家垄断的局面。
又如一只5V16气缸体,用日本东芝机约30s生产1只,而用我国经改装的通用油压机须3min才能做1只,而且品质的稳定性还有差距。
因而发展我国挤压铸造产业的最关键问题是应开发和生产自己的挤压铸造机系列。
由于国外的专机都是有专利的,价格又特贵,特殊的又不卖。
因此,我们的挤压铸造机开发还是应走我们自己的路。
随着国内外市场对高档有色金属铸件需求的不断增加,挤压铸造产业仍会有一个大的发展。
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