关于冷室压铸机
内田正志 古屋博幸
关键词:铸造品质、高响应高稳定射出结构、半凝固铸造法、远程保养
1、 前言
形状复杂的金属零件的一体化铸造是制造的理想形式,当中轻金属压铸法以高尺寸精度以及出色的生产效率为武器,在近年的轻量化需求背景下汽车与二轮车发展的同时发展各种各样的零件,尤其是反映起源于环境问
题
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的减少尾气排放与安全性指向,要求压铸做到更薄、更轻、更强、质量更优。
另一方面,中国的经济发展与欧洲经济圈的统一,市场的扩大以及生产基地的全球化,与其他制造业一样日本压铸的环境也在剧变。现在的状况是生产技术的海外转移的同时,通过颠覆旧常识的技术开发,迫切谋求降低原价等彻底的降低成本。
在这样的背景下介绍压铸机如何发展,再者压铸的将来怎样做出贡献。
2、 压铸方法以往的概念
以铝合金为代表的铸造,有低压铸造法、重力压铸法、压铸铸造法。低压铸造(LPC)是指在模具下面配置的炉内加气压,通过压室使溶液流入模具内部的方法。重力铸造(GDC)是指利用重力使溶液流入模具内部的方法,能够生产出没有卷气、耐压以及耐热的高品质铝制压铸件。但是因为低压力注入溶液较慢,模具温度必须保持400~500?的高温。缺点是铸造后的凝固耗时长而生产效率低。同时也存在高温下凝固耗时长而共晶合金内的Si结晶体积增大无法伸展的问题。
相对这些,压铸铸造法是指高速把溶液注入到温度较低的模具,通过凝固的瞬间加高压(70~100MPa)成形,生产周期非常快,但无法避免高速压铸导致卷气与凝固收缩的气孔,主要用在有一些气孔也没关系的缸盖类产品。
因此高品质铸造是低压铸造或者重力铸造,以及有气孔也没关系的低品质铸造,这里所说的压铸就是过去的基本概念。
3、 压铸铸造的发展
然而生产效率高,也就是说有成本优势的压铸铸造与前面叙述的概念无关,适用于高品质产品(气密、耐压、耐热)进行反复改善,这些说是压铸铸造的发展历史也不为过。这个品质改善的主要目标有以下三项内容。
(a)消除卷气气孔
(b) 消除收缩气孔
(c) 提高溶液流动铸造性
一般,冷室压铸机的铸造条件是为了防止套筒内发生卷气,低速射出溶液填充套筒后,为确保
低温的模具型腔内的流动性高速射出浇铸,射出分为这2个阶段进行。必须快速填充模具(输出功率是最终金属成形压力的30~40%),完成填充时为防止凝固收缩引起气孔必须使用高输出功率。
期望的射出特性因产品的品质要求有所变化,但要求大型薄壁产品应具备相应的溶液流动性,射出高速速度大而对模具压力小。另外,耐压产品讨厌卷气气孔,所以低速的同时为防止产生缩孔必须施加高模具压力。
要求压铸机灵活实现这些射出特性。控制填充中的速度,完成填充后转化为控制输出功率的方法,采用各种各样的射出结构。(如图Fig.1的所示例子)
4、 为得到高品质铸造特性的关键点
从压铸铸造法得到高品质的方法大体可以分为以下两种。
(a) 提高溶液流动性与尺寸精度,表面冷却层范围内停止机械加工。
(b) 排出空气防止凹陷,减少内部缺陷。
这些方法利用以下所示的各种途径,推广运用到高品质产品铸造法。
? 减少卷气气孔
?为防止套筒内产生卷气气孔,提高低速射出性能的射出系统
?提高射出高速转换位置控制与高速到达目标值能力
?提高输送溶液的精度
?减压铸造、真空铸造
? 减少凝固收缩气孔
?缩短升压时间的射出系统登场
?高模具压力铸造(提高射出最终输出功率)
?控制部分加压
?
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
可以指向性凝固的模具冷却
? 提高薄壁产品铸造的溶液流动性
?比以往的机器射出速度更高,为确保实际压铸时的速度,提高高速射出中的填充力的射出系统。
(最终输出功率的40~50%)
?防止高速填充完成时产生冲击的速度控制功能
?保持模具稳定高温的模具调温机
?为缓和输送溶液套筒内的低温绝热套筒与热套筒
?具有优良保温性的离模剂
?减压铸造、真空铸造
5、 介绍提高铸造品质的具体手段
5.1 压力、真空铸造法
通常压铸模具型腔内的空气与喷射产生的气体被填充溶液挤出,一部分则从分型面排出,被卷进高速溶液残留在产品内部的也很多。(10~15 cc/100gAl)
因此模具型腔通过抽真空等减压减少本来存在的空气,关于这个减压、真空铸造法的手段,人们提出了各种各样的
方案
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。以高速注入的溶液惯性关闭排气阀门的GF法(真空法),空气与氧置换后射出溶液的酸化反应,真空型腔的PF法(无孔法)已经得到广泛应用。
(a) 因为填充中阻碍溶液流动的气体非常少,溶液流动性变好。
(b) 因为卷气气孔的基础气体少,大幅度的卷气气孔缺陷得到改善。
具有以上特征。如图Fig.2所示,简单说明我司开发的GF法。
最近更提高了模具的真空度(100Torr以下),视野扩大到薄壁铸造与T6热处理、焊接,开发了超真空技术,克服模具的密封以及排气阀门的闭合时间等课题的同时,一部分在实际应用中做出贡献。
5.2 部分加压法
这个方法是对于容易出现收缩气孔的部位(如图Fig.3所示壁厚的部位),预先在模具内增设加压用的气筒,射出填充后启动这个加压气筒,通过补充收缩部分消除气孔的方法。
(a) 实现了消除收缩气孔。
(b) 通过压散卷气气孔,外观上消除卷气气孔。
加压气筒的控制方式是从射出完成信号到计时器停止后开始,一般是以一定的压力在设定时间内加压。更有依据加压后的冲程判别合格品,也有学习控制调节加压起始时间。壁厚产品也有对比超时挤压冲程与设定样式进行实时反馈控制。
5.3 挤压铸造
挤压铸造有如图Fig.4所示的套筒倾斜对接的方式(我司做法)与套筒一分为二的方式。
这些设备的特征是可以在内部基本没有缩孔与卷气气孔存在的状态下生产产品。为实现T6热处理,高强度零件从铁铸件(FCD)置换到铝合金铸件就是有力的手段。
铸造手段是减慢射出速度进行铸造。(相对射出速度是1,3m/sec的一般压铸,速度为0.05,0.3m/sec),溶液挤进模具内实现消除卷气(层流填充)。纵式套筒因为填充率高以及保温性出色比起一般的压铸机,没有失去流动性而填充活动的溶液。更有为降低模具内溶液的温度,使用保温性出色的离模剂。
5.4 超低速射出压铸机
一般的横式压铸机套筒内溶液温度急剧降低的原因在于横向套筒细长,溶液保持细长以及传热面积扩大。以图Fig.5所示的方式改良这部分。在模具固定板钻大孔,通过极端缩短套筒并加热套筒减少降温。
5.5 超高速射出压铸机
模具内部急剧降温容易失去流动性,为铸造镁合金与薄壁产品,比以往机器的射出高速能力明显提高的设备登场了。希望极力缩短通过浇口后的型腔填充时间,一般可以实现10m/s以上的空打射出速度。这种机器的必要功能并非只是空打高速,还要求能够短填充距离内响应短时间的加速、减速以及抵抗浇口阻力实现高速填充能力。如图Fig.6所示为我司特制超高速射出机的照片。
为实现高响应性,在射出缸体的推杆侧是不可调节的,配置自动阀是代表性的结构。(图Fig.7)在射出缸头侧施加储能压力,用自动阀在推杆侧增加油压释放到油桶控制打开角度。因此自动阀本身的响应性以及控制模块的响应性是关键。
6、 最新铸造设备(新标准设备)的介绍
6.1 高响应、高稳定射出结构
实际情况是一般的模具因为浇口的限制以及与既有设备共用,出乎意料的是超高速压铸的例子非常少。重点是溶液在通过浇口时转变为高速,即高速达到目标值的早晚左右填充时间的长短。高
速区间在短的中小型机器上的这种倾向很明显,事实上超高速射出机等响应性高的射出系统的优势就在这里。
然而以10m/s为基础设计的超高速射出较低速范围(一般是1~3m/s左右的压铸区域)以及急剧减速时推杆压力高达20MPa。因此这个压缩性表现为速度的超出目标值与目标值以内,必须简易控制补偿响应延迟,相反牺牲达成目标值的响应性。
因此介绍我司以出色的速度稳定性“以测量值来控制以及结合其他因素来控制”为基本,提高响应性的中型iS系列机器Fig.8作为新标准设备投入市场。 了
6.2 UB—iS系列机台的概念
以射出结构的防止溶液喷溅为中心的iS系列的基本概念如图Fig.9所示。射出高速达到目标值性能是旧设备的2倍,射出高速速度提升20%,增压速度也加倍。(所有项目都是与本公司的旧设备相比)
从0.02m/s的超低速,一般铸造中常用的1~4m/s的高速区域采用最能发挥性能的射出机器。
另外,为了有效利用射出高性能,形成高速射出无须减速、溶液难易溅出,压铸机与模具连结
部位更具刚性的结构。与各国通用设备的前提一致,多用绘图文字提高操作性,用颜色改善视觉确认性并标准装备操作盘。
6.3 UB—iS系列机台的射出油压线路
UB—iS机台采用整体控制回路,以测量值来控制以及结合其他因素来控制,射出气缸的缸头压与推杆压联动的同时,只负载射出前进必要的压力。(图Fig.10)
通过射出气缸的流入以测量值进行控制与流出结合其他因素进行控制这两条线路的一体构成S—DDV(作为驱动伺服发动机的速度调节油压阀),实现实时反馈调节。与储能气压无关,低速射出抵抗小时控制模块为低压,高速达到目标值以后浇口抵抗变大时细线为高压。因没有超过必要的潜在能源,所以很难引起超出目标值以上或低于目标值,实现稳定的射出速度控制。(图Fig.11)
射出?增压的转换采用了机械联动阀来替代以前的油压整日控制阀。因此转换时不再出现杂乱无章,还能缩短增压时间。(还是参照图Fig.11)再者,通过另设增压储能器(2—ACC) 确保了缸头压的稳定性,即模具压力的稳定性。
6.4 低压铸造的适用
设计增压专用的储能器,射出中的储能消耗可以忽略模具压力的影响。利用高压充电的储能器可以实现增压。因此不但减小了射出气缸的直径,还减轻了可动部位的重量。同时实现了强力射出填充能力与填充完成时的低冲击化。近年来作为降低成本的最右翼,备受瞩目的低压铸造(50MPa
以下的模具压力铸造)的适用也成为可能。
此外如前面所述“与储能气压无关,低速射出抵抗小时细线为低压,高速提升以后浇口抵抗变大时细线为高压”的iS机台的特性是降低储能压更有可能向低压铸造发展。
7、 不久将来的新技术、半凝固铸造法(NRC)的介绍
在卷入空气的同时与融化了的铝合金注入模具中进行压铸铸造不同,半凝固(半融化)状态下经过处理的料浆一边与空气置换一边进行层流填充。因此,如图Fig.12所示,把用刀子能够简单切断的固液共存状态的金属料浆注入到模具型腔内。本程序的优点如下。
?因为不是液体所以没有卷气
?因为是半凝固状态所以凝固收缩非常少,不易形成缩孔
?凝固收缩过程中很少出现龟裂纹,使高张力铝合金的铸造成为可能。
?共晶硅很小所以显现出高拉伸力。
?凝固气化热释放很少,所以凝固时间非常短,能够缩短铸造周期。
正如前面所述,拥有优良特性从而实现了以往铸造法无法得到的产品。但是在首先运用到实际的半溶解铸造中成本是个重大的课题。为了解决这个问题我司开发了新半凝固铸造法(NRC)。这种程序的特征是从溶液直接在容器内把半凝固状态的金属料浆分成一次次的注射进行生产。
具体如图Fig.13所示,过热度在30?以下的熔点正上面的溶液平稳地注入金属容器,到目标成形温度为止,从容器外部用吹气以设定的速度进行冷却。刚注入溶液的温度因原本温度低的部位为
在保温的同时积极冷却温度高的部分。这段期间,以容器内壁产生结晶为起点球状绝热材料所以要
结晶在溶液中产生及发展。料浆温度在接近目标值阶段利用高频率诱导装置进行最终的温度调整实现温度的均一化。初晶粒子因呈现球状(图Fig.14),与以前的树枝状结晶组织相比也有极高的流动性。
有效利用这样的特征,用以前的压铸铸造是不可能的。在要求强度与拉伸能力的重要保安零件(指关节与下臂等)与耐压零件(ABS箱等)开展。
8、 远程保养构想
高效率地生产高品质、价格低廉产品的铸造设备以日新月异的开发成果运用到实际中,确保设备的生产效率是保管生产设备车间最重要的事。然而实际状况是随着生产据点的全球化,铸造技术的传授也无法随心所欲,可以说近年设定越来越自由的设备在遥远的海外工厂无法完全运用自如。
铸造参数的优点是电子化计算机管理的现在的压铸设备上,国内试行数据反映到海外的生产,实现数值管理。铸造趋势是总括这些庞大的射出数据进行管理,而我司开发的软件可以做到。进一步发展,设备计算机通过网络等实现远程监控的可行性功能的进化。(图Fig.15、16)
发生铸造不良时,熟练的技术员根据射出波形与铸造条件特别指定出原因,设备的异常处也可以通过监控推断出来。
9、 结语
我司作为轻合金铸造系统的厂家,基本上具备这些各种各样的技术。随着全球化的剧烈变化,与铸造技术、模具技术等高度技术力的融合的必要的高品位压铸铸造,我确信这些技术将会是下一个重大发展。
参考资料
1) 内田正志:铸造工学
指南
验证指南下载验证指南下载验证指南下载星度指南下载审查指南PDF
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7) 安达充、佐藤智、佐佐木宽人、原田康则、明本晴生、阪本达雄:98日本压铸会议
论文
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