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1、真空技術真空技術-在壓鑄工藝的應用在壓鑄工藝的應用相關搜索相關搜索: : 真空技術, 工藝, 壓鑄, 應用真空技術真空技術-在壓鑄工藝的應用在壓鑄工藝的應用瑞士方達瑞 (Fondarex SA) 駐亞洲技術銷售經理 秦耘 (Qin Yun)瑞士方達瑞真空應用技術經理 閻愛米尼哥 (Jan Emmenegger)一、前言壓鑄作爲有色金屬鑄造業的一種革命，大大的提高了鑄件生産的生産率，成型率，降低了生産成本，也爲鑄件在各行各業的應用奠定廣泛的基礎。現在，即使那些對壓鑄一無所知的人們也無時無刻不在日常生活中得益于壓鑄技術的應用。然而，壓鑄工藝從它的誕生起就帶有嚴重的先天不足-型腔内的氣體影響。與傳統
2、的砂型或金屬固定模重力鑄造相比，壓鑄在澆口的高速噴射比重力自然流入的高溫液态金屬有着更好的充型效果，但也正是由于高溫高壓高速的金屬噴射，使金屬與型腔内的空氣和熱金屬與型腔内殘留潤滑劑所産生的煙氣有更大可能的結合。因此，傳統壓鑄件的金屬結構遠遠不如砂型或固定金屬模的鑄造件是一個不争的事實。爲改善壓鑄的這種緻命缺陷，業内人士早在大半個世紀前開始就對其工藝進行了不斷的改進，諸如在模具上開排氣槽，盡量采用小壓室的壓射，低速壓射，以及現代壓鑄機采用的多段多速壓射技術。但真正堪稱革命性的改革是 1956 年瑞士方達瑞第一次将真空技術引用到壓鑄生産工藝中。成立于 1942 年的瑞士方達瑞起先也是一個壓鑄工廠
3、，随着成功的将真空應用到壓鑄工藝中，方達瑞逐漸将研究和發展方向完全轉移到壓鑄真空應用當中來，曆經 60 餘年的不斷發展和完善，使方達瑞的真空技術和應用日臻完善。作爲這個行業的先驅和領航者，方達瑞始終走在壓鑄真空技術和應用的最前端。二、爲什麽要在壓鑄工藝中使用真空技術在壓鑄時存在于行腔中的氣體由空氣和壓射時産生的煙氣組成。我們來看看無排氣傳統壓鑄和采用方達瑞真空系統的型腔内氣體壓力圖。在傳統壓鑄中，由於在注流口處的噴射效應，50%到 90%的金屬熔液将與型腔内的空氣和煙氣充分接觸，氣壓在最後充型點将達到 3000 毫巴以上至 4000 毫巴；在真空壓鑄中，最後的氣壓隻有幾百至 100 毫巴以下，
4、隻有極少的空氣和煙氣與金屬接觸。滞留在型腔内的空氣和煙氣越多，就越難形成無缺陷的金屬結構鑄件。所以排氣就成爲決定壓鑄件質量的重要因素。這就不難理解真空排氣對壓鑄工藝的重要之處了。有些人認爲真空作爲一種有效的排氣手段是可以由其它方式替代的，諸如多段壓射，模具上開排氣槽或采用冷卻塊集中排氣等等。果真如此嗎？很多壓鑄機廠商的許諾-他們的壓鑄機本身就可以根本解決排氣問題，比如多段多速可調節壓射系統應用。不可否認的是，多段多速壓射将解決一些在壓室内由于金屬流動所産生的裹氣問題，剩下的即是寄希望于理想的金屬流動将氣體由内向外全部排除出型腔。但事實上，壓射的噴射效應不可能在瞬間轉化成理想的金屬流動，無法保證
5、金屬流動于氣體之後，推動氣體排除型腔。氣體與金屬的充分結合也無可避免，型腔内的氣壓上升也是事實。用新壓鑄機解決不了排氣問題，最後聯手與方達瑞合作采用真空排氣的情況，在歐洲和亞洲客戶中屢見不鮮。印度市場的進入就是方達瑞與布勒（Buhler）合作，通過幫助 Sundaram Clayton 解決 Volvo的汽車備件氣孔率問題而實現的。傳統的積渣包和排氣槽設計-被動排氣的過程就是金屬與氣體緊密接觸的過程，随着排氣的進行，型腔内的氣體壓力會逐漸增高，更加大了氣孔的形成的可能。部分氣體能從氣槽中排出，說明型腔内的氣壓大于大氣壓力，而最後充型點的壓力将是最終型腔氣壓的極限點。另外衆所周知的問題是，被動排
6、氣還極可能會造成金屬飛料，降低壓射效率，污染環境并帶來安全隐患。無真空被動排氣冷卻塊-由于最頂端的間隙通常設計成 0.2 毫米，以增大金屬冷凝的機會，盡管底部被設計爲 0.8 毫米或更大，這個最窄處截面也就成爲排氣的“瓶頸口”，所以該形式排氣能力遠遠小于預想中的情況。另外波浪闆型的設計中，忽略金屬和氣體流動特性的組合優化，也會給排氣和金屬冷凝帶來困難，金屬充不滿或飛料就難以避免。更有由此帶來的投影面積增大的問題。在這裏要說明的是，被動排氣的種種形式确實能多多少少排出部分型腔氣體，但并未從根本上解決排氣問題，因爲此時的型腔氣壓會是大于大氣壓的“正壓”，與真空壓鑄的小于大氣壓的“負壓”相比，效果是
7、差别很大的。三、何時需要采用真空排氣采不采用真空排氣，完全取決于對鑄件質量要求的程度。對于那些低端産品而言，由于利潤低薄，質量要求不高，真空排氣帶來的益處并不彰顯；而對于其它高端産品而言，1%的成品率的提高就可能帶來豐厚的回報，就能在極短時間内收回真空系統的投資，創造更大的效益。以德國寶馬 6 缸發動機缸體爲例，1%成品率的增加意味着每天多 15 萬人民币的收益，所以其壓鑄生産 100%采用真空工藝。在下列情況下，廠商應考慮采取真空技術以提高壓鑄質量：型腔充注不完全在下道工序出現空氣和氣體氣孔率氣孔率造成抗拉強度減弱鑄件内部組織松弛，氣密性差焊接性差或無法焊接在噴塑或電鍍或塗粉等工藝後鑄件表面
8、出現氣泡充型不好是因爲殘留在型腔内的氣體占據了充型空間，産生表面缺陷；當在下道工序，如加工或打磨時暴露出表層下的氣孔時，将造成二次廢品率；氣孔還會造成金屬結構不密實，鑄件強度達不到要求；由氣孔率産生的氣密性問題将會帶來内部氣體或液體的洩漏；焊接處如果有氣孔将使焊接失效；鑄件表層的氣孔還将使噴塑或電鍍或塗粉脫層。四、真空系統的選擇衆所周知的真空系統是由真空機和排氣元件組成。壓鑄真空發展時至今日，所謂的真空系統林林總總，技術訣竅各具所長，投資成本也相差很大，但壓鑄商真正所關心的哪種技術更适合于自己的壓鑄工藝，哪種系統能産生更大的效益，一句話性價比高的才是最終的選擇。從真空機來講，大緻分爲三類：1、
9、由繼電器和手動開關控制真空機，多爲國産真空泵。價格低廉，操作簡單，可由計時器關閉真空，但不具備工藝參數控制要求，用于低端質量要求産品排氣，與冷卻塊匹配，無兼容性。2、由 PLC 控制，國産真空泵或進口真空泵。可與單芯閥或冷卻塊匹配，由于排氣元件的限制，無法測量真實的型腔真空度，由計時器或行程開關信号關閉真空，無法控制純機械真空閥。3、由 PLC 加觸摸屏控制，參數控制，故障顯示，即時型腔真空度曲線和真空值顯示，工藝菜單存儲，多語言界面；可兼容機械閥，時間/路徑控制的單芯閥以及冷卻塊。進口真空泵及所有控制元件。從真空排氣元件分，爲對應的以下三類：1、冷卻塊2、由時間或路徑控制關閉的單芯真空閥3、
10、由金屬流動能機械關閉真空的雙芯真空閥從真空技術角度看以上分類的對應組合：1、真空冷卻塊排氣：所謂的“形式真空”排氣，用于低質量排氣要求優點: 啓動真空排除空氣和煙氣直至金屬充滿型腔不同數目的冷卻塊可以被合并入一個模具(如一模多件)造價相對低廉維護簡單容易可與最簡單的真空機匹配缺點: 真空停止由冷卻塊中金屬凝固來實現真空排氣能力非常低所占用的投影面積相對過大有飛料的危險無法精确的控制排氣量金屬容易粘結在表面重複使用精确度無法保證通道污染度高(與采用的脫模劑有關聯)真空應用需要訣竅2、由液壓或氣動驅動的，依靠路徑/時間提前關閥的真空排氣：所謂的“半過程真空”排氣，用于一般質量排氣要求優點: 排氣能
11、力高節省重熔成本投影面積占用相對較小集渣包較小缺點: 隻可達到很小的真空度，因爲真空在充型過程前很早時就已結束，模外的空氣由于壓差将滲入型腔，同時高溫金屬流将與不潔表面接觸而産生千倍以上的煙氣，因此不是所有的空氣和煙氣被排除一旦壓射外形改變，用于關閉真空閥的計時器或極限開關必須加以調整一次性投資成本較高需要維護需要備件需要與之匹配的真空機3、由機械閥靠金屬動能關閥的真空排氣：所謂的“全過程真空”排氣，用于高質量真空排氣要求優點: 真空閥将一直開啓至壓鑄過程結束，低真空度将得以獲得排氣能力高節省重熔成本投影面積占用相對較小可省卻集渣包真空閥将由合金動能關閉，壓射外形的改變對真空閥的功能無影響真空
12、壓鑄工藝過程得以精确控制極高的重複使用率最可能達到理想的金屬結構缺點: 一次性投資成本較高需要相配的真空機實現其諸多功能需要應用“訣竅”需要維護需要備件真空技術從應用到壓鑄工藝的第一天起就面臨一個排氣元件的問題。從排氣過程上看，“形式真空”排氣雖然簡單經濟，但無法實現工藝控制，換句簡單的話說，就是無法知道真空排氣的真實情況；“半過程真空”雖然可以強調在慢速階段或者說金屬在壓室時的真空排氣，通過加大真空閥和真空管路以及真空罐來達到超能力排氣，理論上在此時的真空度将達到一個非常低的數值，但随着真空在充型前的結束，姑且不論由模具間隙侵入的空氣，單單熱金屬射入時産生的煙氣就會因爲真空結束而無法排除。不
13、難了解到，一單位的殘餘液體将産生 1000 倍以上體積的煙氣，“半過程真空”至此可以說是前功盡棄了，這可以從圖 7 看出其結果；“全過程真空”是與壓射同步，實現全過程排氣，最大程度上滿足低氣孔率的唯一手段，也是方達瑞一直緻力于研究和推廣的排氣方式。五、影響真空排氣的因素一些應用了真空系統的壓鑄商經常被這樣的問題困擾：爲什麽壓鑄采用了真空系統後效果不明顯？不乏有人得出這樣的結論：用不用真空系統差别不大！爲了更好地說明和回答以上疑問，我們首先來看看壓鑄件的質量組成，可以說，任何一個影響質量的因素都可以一票否決最終的鑄件質量，這裏所說的組成是指綜合條件下的情況，任何人都可以對其組成持不同意見，但并不
14、影響用它來說明問題。從圖 8 可以看出，模具和壓鑄機将是影響鑄件質量的最關鍵因素。模具：包括型腔，澆口和流道以及排氣口的設計布置和加工精度；還有起模頂針和滑芯的設計布置和加工精度。對于重複使用率要求極高的模具來說，其質量的好壞直接影響了鑄件的質量，即模具質量差就根本談不上什麽産品的高質量了。有人說模具不好，真空起的作用有限，這是值得贊成的觀點；但對于另一些人說真空對模具要求很高，就不能這麽看了。應該說明的是，要想生産高質量的産品，模具必須要高質量，至于采用真空隻是在此基礎上解決排氣的問題。就是說提高模具的質量并不僅僅是因爲排氣，而是爲了提高整體的鑄件質量。這一點應該沒有疑問！模具的平整密合是最
15、基本要求，從現象上看，不飛料就可以滿足真空排氣的應用。還有人問：是否在模具間加密封？答案是不必，因爲我們要做的是盡可能排除型腔内的氣體，但不是要求一定得将型腔内的氣壓降至絕對真空零毫巴，這既不經濟也很不現實，況且密封的采用效果并不理想。再有，存在于型腔中的煙氣在大多數的時候會被低估，并在排氣設計中沒有被計算到。最後，模具的經常性的維護不僅對模具壽命有益，也對産品質量的連續性和真空排氣有利。壓鑄機：同樣的，好産品不大可能出自于狀況很差壓鑄機。即使最好的周邊設備的使用也并不能解決壓鑄機自身不良的狀況。所以壓鑄機的選擇也是出于對鑄件質量考慮，而不是真空應用的額外要求。模闆平行，鎖模力适宜，壓室和沖頭
16、的間隙不飛料，對于真空的應用已足夠。還有就是沖頭的速度過快的工藝過程，對真空排氣是個挑戰，可能使得排氣能力來不及充分發揮。其次，真空系統的選擇也會影響到其最終效果。選擇“形式真空”（黑線）還是“半真空”（棕線），還是“全真空”（藍線）将會直接影響到其壓鑄工藝結果。見圖 9，“形式真空”的最理想的排氣情況約爲“全真空”的 50%，而“半真空”就很難說了，多數情況下比“形式真空”還不理想。這裏還包括真空機和排氣元件的合理選擇。第三，真空應用的“訣竅”。即真空應用設計，包括排氣點的選取，排氣道的布置和截面積大小，等等。作爲一種理論也好，作爲一種經驗也好，真空應用有着它自己一定的規律可循。如果把真空技術簡單的理解爲一接上真空排氣問題就解決了，那不是被供應商誤導，就是對真空技術有誤解。對于真空系統的供應商來說，隻能提供設備而不能提供應用技術的，不可能會滿足壓鑄商的質量要求。真空系統供應商必須要将真空應用的“訣竅”傳授給壓鑄商，用以解決不同産品的排氣要求。第四正确理解真空排氣的效率
