論述了傳統(tǒng)壓鑄和擠壓鑄造工藝與裝備的應(yīng)用現(xiàn)狀,介紹了擠壓壓鑄工藝的工藝 特性及其經(jīng)濟性,提出了在普通壓鑄裝備上應(yīng)用擠壓壓鑄工藝的方法。
關(guān)鍵詞：擠壓鑄造 擠壓壓鑄工藝 擠壓壓鑄機 模鍛
一、擠壓鑄造工藝與裝備應(yīng)用現(xiàn)狀
擠壓鑄造技術(shù)發(fā)明了 65 年，它所具有強大的技術(shù)優(yōu)勢，已為機械制造工藝 行業(yè)所重視?？上軅鹘y(tǒng)思維方式和裝備研制滯后的制約，擠壓鑄造的優(yōu)勢仍 未得以最充分的展現(xiàn)。
現(xiàn)時擠壓鑄造工藝基本以開式澆鑄立式擠壓方式進行， 與工效最高的臥式冷室壓鑄工藝未能實現(xiàn)兼容。近年發(fā)展起來的立式閉模充型 擠壓鑄造，與 40 年前發(fā)明的"精、速、密"壓鑄原理一樣，都是以壓射機構(gòu)進行 補縮，其公稱壓力有限，并未達到擠壓鑄造的補縮比壓要求，嚴(yán)格來說，還不 能算作真正意義上的擠壓鑄造。
與壓鑄技術(shù)相比，現(xiàn)有擠壓鑄造設(shè)備工效不高，零件成形尺寸精度低，成 本相對較高。由于設(shè)備的自動化程度低，對工人的技能要求較高，操作難度較 大，勞動強度高。同樣的零件，擠壓鑄造工藝的車間成本約為壓鑄工藝的 2--3 倍。加上壓射系統(tǒng)不完善，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件難以生產(chǎn)出來，限制了擠壓鑄造工 藝的廣泛應(yīng)用。
擠壓鑄造工藝推廣應(yīng)用所存在的問題，是由于裝備發(fā)展的滯后產(chǎn)生的。現(xiàn) 時傳統(tǒng)的擠壓鑄造工藝與裝備，最大的癥結(jié)在于未能真正與傳統(tǒng)壓鑄裝置的壓 射系統(tǒng)有效結(jié)合，合模、鎖模與擠壓如何很好地結(jié)合起來是其關(guān)鍵的問題。不 突破這一點，擠壓鑄造的工藝潛能就不能完全發(fā)揮出來，其對傳統(tǒng)壓鑄工藝的 替代性優(yōu)勢也就難以充分表達，傳統(tǒng)壓鑄技術(shù)也不能借此技術(shù)進行復(fù)合而躍上 一個新臺階。
二、 在傳統(tǒng)壓鑄機上應(yīng)用擠壓壓鑄工藝的優(yōu)勢
傳統(tǒng)壓鑄工藝與裝備技術(shù)已相當(dāng)完善，特別是臥式冷室壓鑄機及臥式壓鑄 工藝，它的壓射與合模鎖模裝置，具有極強的工藝適應(yīng)性。因此，擠壓鑄造工 藝如果不能與傳統(tǒng)壓鑄裝備相結(jié)合，將制約它的廣泛應(yīng)用?？绯鲞@一步，擠壓 鑄造技術(shù)將出現(xiàn)另一個分支，這就是擠壓壓鑄技術(shù)。換言之，在傳統(tǒng)壓鑄機的 基礎(chǔ)上應(yīng)用擠壓鑄造技術(shù)，就是擠壓壓鑄技術(shù)。根據(jù)擠壓壓鑄自身工藝的特 點，對傳統(tǒng)壓鑄機進行相應(yīng)的完善改造，這套設(shè)備就是一臺全新的擠壓壓鑄機 了。
1． 正確而全面認識壓鑄工藝與傳統(tǒng)壓鑄機的功能
把握擠壓鑄造工藝的原理，在傳統(tǒng)壓鑄機上地簡單應(yīng)用擠壓壓鑄工藝并不 是件難事，關(guān)鍵的是突破傳統(tǒng)觀念。它需要對傳統(tǒng)壓鑄機所擁有的性能有全面 充分的認識，也要對傳統(tǒng)壓鑄工藝有深刻的理解，還要清除那些先入為主的模 糊認識。
事實上，現(xiàn)時傳統(tǒng)的壓鑄機，其功能已相當(dāng)齊備，它不但能進行普通的壓 鑄，還能進行擠壓壓鑄、帶型芯擠壓壓鑄；不但能進行各種的低壓鑄造、差壓 鑄造、重力鑄造，增加抽真空裝置后，還能進行真空吸鑄、真空壓鑄、真空擠 壓壓鑄。如果思想再放開一點，將半固態(tài)加工、模鍛的技術(shù)與之相結(jié)合，形成 連鑄連鍛的工藝，也是可以有效實現(xiàn)的。
現(xiàn)有不少型號的壓鑄機，其壓射系統(tǒng)的壓射力、壓射速度都是"連續(xù)無級可 調(diào)"的。就低壓鑄造、差壓鑄造、重力鑄造的工藝特性來說，在普通壓鑄機上進 行上述工藝是沒有任何問題。在壓鑄機上安裝這種模具，也不是人們想象中那 么昂貴，因為它并非一定設(shè)計得如傳統(tǒng)壓鑄模一樣復(fù)雜。遺憾的是在實踐中我 們難見相關(guān)的應(yīng)用及報道。這是我們對傳統(tǒng)壓鑄機及傳統(tǒng)壓鑄工藝的一個認識 誤區(qū)、觀念誤區(qū)和應(yīng)用誤區(qū)。
2．傳統(tǒng)壓鑄工藝與裝備的特點及與擠壓壓鑄工藝的適應(yīng)性
傳統(tǒng)壓鑄機分兩類，一類是全液壓主缸合（鎖）模壓鑄機，另一類是曲肘 機構(gòu)鎖模壓鑄機。由于曲肘機構(gòu)鎖模的設(shè)備制造成本較低，現(xiàn)時市場上該類機 型已占主導(dǎo)地位。
傳統(tǒng)壓鑄機有一個重要的特征，就是它的型號都是以鎖模力為主體參數(shù)命 名的，我們現(xiàn)在常說某臺壓鑄機是多少噸，就是指鎖模力的噸數(shù)。而擠壓壓鑄 機，它不但有鎖模力的參數(shù)要求，還必須有一個擠壓補縮力的參數(shù)要求，且這 個擠壓力參數(shù)還是最主要的指標(biāo)。
如上所述，由于傳統(tǒng)壓鑄機有全液壓式和曲肘式兩種不同的機型，在進行 傳統(tǒng)普通壓鑄時沒有分別，但如果用作擠壓壓鑄時就不同了。擠壓壓鑄與普通 壓鑄的分別在于，鑄件在充型之后，擠壓壓鑄增加了一個主缸動力向前推進進 行補縮的工步，而普通壓鑄則只是自然冷卻，沒有補縮的工步。
在此還要細分和明確兩個概念，即合模力和鎖模力（或稱鎖模抗力）。合 模力是指推進動模所需的向前的動力，鎖模力則是為抵抗充型、脹型所需的抗 力，它可以只是一個靜力（反作用力）。因此，以傳統(tǒng)壓鑄機直接應(yīng)用擠壓壓 鑄工藝，只能利用其合模力，也只有合模力才是一個向前推進的動力。合模力 的大小，決定了擠壓補縮力的大小。因此，全液壓式傳統(tǒng)壓鑄機，其最大合模 力就是其最大的鎖模力，也可作為其擠壓補縮力。而曲肘式壓鑄機的最大向前 擠壓力等于其合模油缸力乘以鎖模機構(gòu)的杠桿比，但最大也不能超過其鎖模機 構(gòu)所能承受的抗壓強度。用這種設(shè)備進行擠壓壓鑄，由于其合模初期位置并未 到達合模機構(gòu)的自鎖"死點"，而擠壓終結(jié)位置才是其最大鎖模抗力的"死點"， 若以同樣壓鑄比壓充型，所能生產(chǎn)的零件的投影面積有所減少。
3．界定擠壓鑄造的主體技術(shù)特征
擠壓壓鑄最高的擠壓補縮比壓約為普通壓鑄壓射比壓的 5-10 倍。以擠壓壓 鑄的擠壓比壓衡量，現(xiàn)時除了用四柱油壓機改造的立式開模澆注擠壓鑄造機符 合擠壓鑄造主體技術(shù)指標(biāo)外，其余裝置實現(xiàn)的，還只是屬于傳統(tǒng)壓鑄所屬工藝 范圍，還不是真正意義上的擠壓鑄造。這個概念，我們是要界定清楚的。
4．以傳統(tǒng)壓鑄機壓射裝置進行擠壓壓鑄工藝的不可行性
現(xiàn)時傳統(tǒng)壓鑄機無論是哪一種鎖模機構(gòu)，受帕斯卡定律的制約，設(shè)計的壓 射力約是鎖模力的十分之一。現(xiàn)行壓鑄工藝一般要求壓射比壓大致在 80MPa 至 130MPa 之間，每100 噸鎖模力能承受壓鑄的投影面積約 150--250 平方厘米。 由于擠壓鑄造工藝所要求的是補縮比壓而不是壓鑄比壓，擠壓補縮比壓最高要 求在 500MPa 至 1000MPa 之間，對于小尺寸內(nèi)澆口的壓鑄件，我們不能采取用 壓射缸或輔助缸擠壓或"加壓"的方式進行冷卻補縮，必須由主缸動力擠壓補縮 才有實效。若真以"精、速、密"壓鑄方式進行擠壓壓鑄，就要加大內(nèi)繞口尺 寸，使之具有順序凝固的特征。由于內(nèi)澆道一般先于鑄件冷卻，不加大內(nèi)澆口 尺寸，擠壓補縮就根本不可能實現(xiàn)。這種方法對于很多壓鑄件是不適用的。如 要達到上述擠壓補縮比壓，壓鑄機所能生產(chǎn)的擠壓壓鑄件投影面積，就只及原 來的十分之一。傳統(tǒng)壓鑄機生產(chǎn)的毛坯本來"可壓鑄投影面積"已經(jīng)不大，再減 少九成，顯然是不經(jīng)濟的，實踐上就失去了其應(yīng)用的意義。現(xiàn)時的壓鑄機都有 壓鑄充型后期的"加壓"環(huán)節(jié)，但壓鑄件氣密性缺陷依然如故，用加大機型生產(chǎn) 小件零件這種"大牛拉小車"辦法，效果也好不到哪里去，所謂"精、速、密"壓 鑄，還只是一個漂亮的名字，40 年來都未見有實質(zhì)性進步，生產(chǎn)這種壓鑄機廠 家的商業(yè)性宣傳，倒強化了工程技術(shù)和應(yīng)用人員的認識誤區(qū)，使人迷失了方 向。
5．認識擠壓壓鑄技術(shù)的主體技術(shù)特征及其強大的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢
擠壓壓鑄的主體技術(shù)特征，是體現(xiàn)"普通壓鑄充型，擠壓鑄造補縮"原理， 它是利用現(xiàn)有壓鑄機完善的壓射系統(tǒng)進行充型，同時又盡最大限度避開金屬液 相充型時帕斯卡定律對充型條件（零件可充型面積）的制約。這一點具有很重 要的意義，它也是擠壓壓鑄工藝的重要特征：擠壓壓鑄工藝強調(diào)的是在滿足充 型條件下，盡可能采用最低的充型比壓和速度，這種工藝思想，對要低壓充型 的各種厚大零件和成功實現(xiàn)帶型芯壓鑄是一個莫大的優(yōu)勢。這是它能替代低 壓、差壓、重力鑄造及部分帶型芯翻砂鑄造工藝的原因。擠壓壓鑄工藝的提 出，極大地拓展了傳統(tǒng)壓鑄機和壓鑄工藝可應(yīng)用的范圍，其重大的經(jīng)濟性還在 于，一臺傳統(tǒng)壓鑄機如以 1.4Mpa 的低壓充型，所生產(chǎn)零件的投影面積是原來的 80----100 倍，可以說，現(xiàn)有設(shè)備的工作臺能安裝的模具有多大，就能生產(chǎn)多 大尺寸的零件。用一臺傳統(tǒng) J1140 型全液壓 400 噸壓鑄機改造為同時具有 400 噸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 這種大規(guī)格零件的工藝要求了。以擠壓壓鑄的工藝性推測，一臺同時具有 500 噸鎖模力和 500 噸擠壓力的擠壓壓鑄機，即可對付現(xiàn)時九成以上的壓鑄件生 產(chǎn)，使用 500 噸以上鎖模力的傳統(tǒng)壓鑄機，已是一個很不經(jīng)濟的做法，對小型 壓鑄廠來說，則具有極大的投資風(fēng)險。
擠壓壓鑄工藝所蘊含技術(shù)經(jīng)濟能量是令人驚嘆的。一個同等規(guī)模的擠壓壓 鑄廠，其設(shè)備投資將可比傳統(tǒng)壓鑄廠減少三分之二以上，其工藝適應(yīng)性卻能覆 蓋除翻砂鑄造外絕 6．?dāng)D壓壓鑄工藝與傳統(tǒng)壓鑄裝備的切入口 以臥式壓鑄機為例，這種傳統(tǒng)裝備不用新增加機械裝置，也能應(yīng)用擠壓壓 鑄工藝，也能生產(chǎn)擠壓壓鑄件，只是所生產(chǎn)的零件結(jié)構(gòu)稍為簡單，零件的厚度 尺寸精度受到一定的限制。 由于傳統(tǒng)臥式壓鑄機并沒有一個專用的擠壓補縮機構(gòu)，合模機構(gòu)須同時承 擔(dān)合模和擠壓補縮功能，所用的擠壓壓鑄模具，設(shè)計的凸模是必須是整個零件 投影面積，實質(zhì)是一個"沖頭"，與開式擠壓鑄造機所用模具相似，是一種最傳 統(tǒng)、典型的擠壓鑄模具結(jié)構(gòu)。 因此，在傳統(tǒng)臥式壓鑄機上應(yīng)用擠壓鑄工藝，需要控制好其合模的尺寸精 度。最簡單的辦法，可通過所謂的"實時控制"控制好合模的準(zhǔn)確位置。通過在 壓鑄機上增加一個"位置電控"開關(guān)，并對壓鑄機的邏輯電路作相應(yīng)的調(diào)整。壓 鑄件厚度精度，受制于這個"位置電控開關(guān)"的可控精度。通過這樣改進，整個 擠壓壓鑄工藝與現(xiàn)有的立式閉模（沖頭式模具）反壓充型擠壓鑄造工藝極為相 似。 用普通臥式壓鑄機進行擠壓壓鑄生產(chǎn)，由于是閉模充型，它不但可生產(chǎn)比 傳統(tǒng)立式擠壓鑄造機開模澆注方法生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，而且由于壓射系統(tǒng)也 比用四柱油壓機改造而成的擠壓鑄造機更完善，它也比立式閉模反壓擠壓鑄造 方法可生產(chǎn)出更復(fù)雜的零件，其復(fù)雜系數(shù)與傳統(tǒng)壓鑄工藝是一樣的。
7．?dāng)D壓壓鑄的模具頂出裝置與傳統(tǒng)壓鑄模具的異同 用傳統(tǒng)臥式壓鑄機應(yīng)用擠壓壓鑄工藝，還有一個很不同的特征是其頂出裝 置。傳統(tǒng)壓鑄機一般使毛坯留在動模，而擠壓壓鑄工藝則是留在動?；蜢o模兩 種情形都可存在，它對模具結(jié)構(gòu)、模具承力和模具成本產(chǎn)生決定性影響。新設(shè) 計生產(chǎn)的擠壓壓鑄機必須充分考慮這個問題。 值得注意的是，擠壓壓鑄模承擔(dān)高壓擠壓補縮，它比傳統(tǒng)壓鑄模應(yīng)具有更 高的機械強度，應(yīng)參考鍛壓模具的設(shè)計規(guī)范進行承壓強度設(shè)計，其頂出桿所需 強度也比傳統(tǒng)壓鑄模具的大。要更好解決擠壓壓鑄模具的強度和剛度這個問 題，必須簡化擠壓壓鑄模具的結(jié)構(gòu)，這就要按擠壓壓鑄工藝對傳統(tǒng)壓鑄機進行 徹底的改造，或應(yīng)用真正的擠壓壓鑄機了。
三、新型擠壓壓鑄機的設(shè)計 和傳統(tǒng)壓鑄機的改造簡述 在傳統(tǒng)壓鑄機的基礎(chǔ)上改造擠壓壓鑄機，有兩種途徑： 一是生產(chǎn)壓鑄機的廠家，按擠壓壓鑄工藝的特征，設(shè)計生產(chǎn)適應(yīng)性廣的全 能的擠壓壓鑄機。壓鑄機生產(chǎn)廠家按該技術(shù)思路設(shè)計生產(chǎn)的具有相同鎖模力和 擠壓力的擠壓壓鑄機，整機的制造成本只比普通壓鑄機高 3%左右。具體改進方 案可參考該技術(shù)相關(guān)的專利文獻介紹。 二是現(xiàn)有的壓鑄廠家對其自有壓鑄機自行改造。 改造傳統(tǒng)的全液壓式鎖模壓鑄機為擠壓壓鑄機，成本是最低的，它只要在 設(shè)備上加上鎖模機構(gòu)，成本在 5000 元至 1 萬元左右，設(shè)備型號噸位大小，相差 并不大。 曲肘式鎖模壓鑄機在一般機械廠都能完成改造工作。改造費用一般為設(shè)備 價值的 5%左右。將一臺鎖模力為500 噸的曲肘式壓鑄機改造為一臺同時具有 500 噸鎖模力和的擠壓補縮力的擠壓壓鑄機，成本約 3 萬元。 兩種不同類別壓鑄機改造成的擠壓壓鑄機，其擠壓壓鑄模具結(jié)構(gòu)會有所差異，這是設(shè)計人員需要留意的。有關(guān)擠壓壓鑄模具的特點，將另文介紹。
四、結(jié)語 擠壓壓鑄工藝與裝備技術(shù)的提出，使擠壓鑄造技術(shù)大大向前邁進了一步， 但它還是一個新生事物，有待同行們在實踐中豐富和提高. 德國寶馬公司在 SAE 2006（2006年 4 月 3 日～6 日，美國底特律）上，發(fā)表了 面向直列 6 缸發(fā)動機的鎂合金氣缸體（在論文中標(biāo)記為“曲軸箱”）的生產(chǎn)工序 （演講序號：2006-01-0069）。 該生產(chǎn)工序采用將鋁合金缸襯嵌入金屬模具后用鎂合金注入成形的方法。 配備采用該工藝制成的氣缸體的直列 6 缸發(fā)動機被配備在了“6 系列”及“3 系列” 上，“此次尚屬首次發(fā)表整個生產(chǎn)工序”（該公司負責(zé)輕金屬鑄造的總經(jīng)理 Michael Hoesch）。展會上，該公司展示了該氣缸體的分解樣品（圖 1）。 圖 1：鎂合金氣缸體的分解樣品。左半部分去掉了缸襯的鋁合金部分。 該生產(chǎn)工序的第一步是制造鋁合金缸襯。其成分組成為 AlSi17Cu4Mg。利 用低壓鑄造工藝制造，不過硅的含量較高，因此與普通壓鑄法相比，在優(yōu)化工 序的各參數(shù)方面難度較大。為了模擬鋁熔液的狀態(tài)，使用了 MagnaSoft 公司的 FDM（有限差分法）軟件。 第二步是在缸襯表面涂裝用以提高與鎂合金的密著性的鋁硅合金。其成分 組成為AlSi12。 “能否提高與鎂合金的密著性是生產(chǎn)工序中最難的部分”（Hoesch）。具體來 說，在并排配置兩根 AlSi12 金屬絲后，通過施加高電壓使金屬絲熔化，然后再 利用壓縮空氣噴涂在缸襯表面。由此形成的涂裝膜厚約 0.1mm。 由于該涂膜為多孔質(zhì)膜，而且在成形時是通過對鎂合金進行壓鑄來將缸襯 包裹起來，因此 AlSi12 層就會因這時產(chǎn)生的熱量及壓力而進入反應(yīng)進程，從而 便可達到使鋁合金與鎂合金密著的作用。鎂合金的種類采用的是“AJ62”。 該公司已在蘭茨胡特（Landshut）工廠建起了鎂合金冶鑄塊熔爐。每臺容 量為 3.5T，共 5 臺。為了搬運鎂合金熔液，開發(fā)了容量為 600kg 的專用熔爐， 利用叉車運至壓鑄機以供使用。 鎂合金的壓鑄成形工序如下。首先將經(jīng)過涂裝處理的缸襯升溫至 400℃以 上，利用機器人將其插入壓鑄機的金屬模型內(nèi)。然后利用鎖模力為 400T 的壓鑄 機向 700℃的鎂合金每次施加 30kg 的鎖模力。 然后打開模具，利用機器人將氣缸體取出，在趁熱刻印所需信息、去除毛 刺后進行機械加工，這樣整個工序即可完成。在沙眼的檢測上使用 X 線檢查裝 置。 提出了新的非破壞檢查法 在質(zhì)檢方面，特點是確對鎂合金及鋁合金的接合部位進行檢查的方 法。現(xiàn)有的非破壞檢查法包括 X 線、超聲波及 CT 等，這些方法由于無法檢測出 因熱膨脹的不同而導(dǎo)致的微小缺陷，因此該公司新開發(fā)了使用超聲波的熱成像 法（Ultrasonic-stimulated Lock-in Thermography）。 新的非破壞檢查法的原理是：通過向部件照射超聲波，就會誘發(fā)缺陷部分 的微小振動，使缺陷部分產(chǎn)生摩擦熱，從而便可利用熱成像儀高精度檢測在表 面?zhèn)鬟f的熱。這樣一來，便可實現(xiàn)對接合部的快速、高清度的質(zhì)檢。 寶馬公司表示今后將在直列 6 缸發(fā)動機上配備采用上述鎂合金的發(fā)動機部 件。在展會上，該公司展示了采用鎂合金氣缸體的直列 6 缸發(fā)動機，以及配備 該發(fā)動機、預(yù)定在今后 6 月份上市的“Z4 酷派”。
