德国压铸厂的镁压铸件应用新成型工艺提供了轻质金属的新视角及质量优势

作者：ASHLEY STONE和EDO MEYER，多伦多，加拿大

概述：

Ashley Stones的愿景是，通过发明新的金属成型工艺、新的注射成型机以及新的自我学习型铸造厂，使铸造行业成为适应21世纪“绿色”产业要求的行业。1999年以来，来自加拿大的Jacobsen Real-Time X-Ray Machinery一直致力于将触变成型以及冷热室高压压铸机的优势结合到由Ashley Stone研发且在此期间获得了专利的Maximolding工艺中，除此之外，它也在一直致力于消除这些工艺及机器的缺点。这就是用Maximolding机制造孔隙率小于0.5%的组件，下一步是开发一个全自动、自学习铸造单元，在这个铸造单元里，Maximolding机和带图片自动评估（ADR）功能的X射线检测系统可协同工作。通过两个独立回路的实时X射线反馈，可以实施优化工艺过程。这本文主要介绍流变铸造工艺。

早在5000多年前，人们就已经在使用具有相同原理的铸造工艺。将金属置于锅中加热，使其变成液体。然后，用勺子将其倒入模具中，使其发生凝固。

时至今日，20世纪90年代以来陆续出现了HPM USA（Yizumi-HPM中国）、JSW日本及加拿大Husky注塑成型系统等机器制造商。尽管这些Thixmolding机器具备许多工艺优势，但事实证明，它们的建设和维护也非常复杂且成本相对昂贵。与此同时，近十年来，工程师和设计师在铸造轻量化部件方面也面临着苛刻的新任务和质量要求。一种垂直方向的新型环保半固态熔体金属注射成型机适合被用于解决这些问题。

这两个问题解决方案的目标：制造具备高度完整性的轻质金属零件，以及避免将危险气体排放到大气中。这样做是为了改进目前不可持续的方法。根据这种方法，浇铸、检查、区分好坏并最终进行重熔。为了满足可持续性相关要求，Maximolding工艺最初的开发目的针对的是适合作为未来用金属的镁。

为何选择镁

随着人们对轻质化的不断追求，镁合金成为了在技术方面最具发展前途的材料。镁是地壳中第八丰富的元素，也是地球上第四丰富的元素。镁是所有结构金属中最轻质的金属。

1、 低密度，

2、 高比强度，

3、 刚性，

4、 高导电性，

5、 高散热

6、 和振动吸收

构成的独特组合使镁成为了从几乎每个方面支持人们活动的出色备选金属。

除此之外，简单加工及非常简单的回收方式也使镁可能成为未来用材料。即使不回收利用，氧化镁也会随时间成为大自然中的一部分，并且不会释放污染物。与在过去50年里发展巨大的塑料相比，镁具有许多优势特性。镁既不会对人类和动物产生不利影响，而且很容易获得。只需耗费初始开发能量的4%就可以使其得到重复利用，从而有助于实现气候目标。

如果在使用周期结束后将材料回收再利用，则企业可以因避免初级生产过程而获得“配额”。在假定的封闭回收循环中，铝和镁的配额尤其高。与其他材料相比，这可以显著改善净排放量。现在，镁在其整个使用寿命中的排放量最低。聚酰胺和聚丙烯几乎不具备配额潜力，因为塑料的热回收利用配额相对较低。然而，为了能够使镁的诸多优势得到利用，必须重新考虑铸造行业的一些基本东西。长期以来，铸造厂认为镁的处理过程非常复杂，与此同时，它们也缺乏使镁得到更有效利用的适当技术。

铸造-成型-锻造

在进行轻金属熔化时，基本上会采用两种不同工艺：

1、在熔炉中加工铸块，然后，将液态熔体导入铸造室：在这里，占主导地位的是热室和冷室压铸机；

2、直接在机器上将材料加工和加热成半固体、浆状熔体，不需要使用外部熔炉：在这里，流变（流变成型）和触变成型（触变成型）工艺占主导地位。

压铸是一种针对系列或批量生产的工业铸造工艺。低熔点金属材料通常会被用于此用途中。在镁合金零件铸造工艺中，目前占主导地位的是压铸工艺。

冷室和热室压铸

冷室压铸通常被用于铸造重量比较大的组件中。锁模力范围在2000吨至4000吨之间的机器主要被用于生产变速箱或曲轴箱。镁在大型坩埚（大于500千克镁）中会强烈过热（高于680°C）并且需要大量能量。在将熔体导入冷铸造室时会产生树枝状结构，而这会导致出现铸造缺陷。注入过程中高湍流会导致发生气体夹杂。坩埚炉中的熔体与铸造室内金属之间的温度损失超过50℃。

在使用热室压铸机时，铸造室直接位于坩埚中。在喷嘴和鹅颈区域，预固化程度明显小得多。这意味着无需对熔体进行过度加热（大于630℃），并且可以制造出壁厚更薄的组件。但是，由于铸造室所处的温度条件始终受到最大可能铸造压力的限制，最大为350巴，这就对组件尺寸造成了严重限制。在压铸过程中，浇道系统和溢流口必须适应相应组件的几何形状。这导致产生了相对较高的材料消耗。例如，在冷室压铸过程中，紧凑型壁厚组件注射重量所占的组件比例范围在40%至60%之间。对扁平薄壁组件而言，其比例范围优势只能达到30%。图1示出的是铸造工艺在注射重量和能源消耗方面的对比。

由于熔体必须过热，因此，两个过程均会产生高能量损失，并且为防止熔体表面氧化，还会产生对环境有害的必要反应性气体（主要是R134a：温室效应潜力是二氧化碳或二氧化硫的1300倍：有毒、腐蚀性）。

触变成型

镁铸件的另一种生产技术是触变成型。半固态金属注射成型是一种用半熔融金属填充的成型工艺，在这种工艺中，固体颗粒均匀分布于熔体中。半固态（半液态）状态和半固态（半干半湿）铸造的金属合金的触变性（例如，在搅拌时，凝胶发生液化，在静置时，凝胶变稠）是由Merton C. Flemings教授与其同事一起于20世纪70年代在美国麻省理工学院（麻MIT）发明的。

这个工艺的特点在于其极好的熔体温度控制性、较小的熔体体积、较短的保留时间以及熔体加大的剪切力。人们可以在部分液体区域内实现对熔体的处理。在巴伐利亚州立研究中心Neue Ma¬terialien Fürth GmbH，Dr. Andreas Lohmüller证明了触变成型工艺相较于经典压铸工艺存在的优势，例如，在较低孔隙率的情况下，具有更好的机械性能。然而，迄今为止，该工艺的最大可能固相比例被限制在了大约30%至40%之间。注射重量也受到了限制（最大约为3至4千克），因此，到现在还无法制造出较大的厚壁组件。目前似乎不太可能进行简单的纵向扩展（升级）。为了节省材料，可以认为优化的浇道系统与目前使用的热浇道系统相似，在触变成型工艺过程中可以实现直接喷射或制造出紧凑型组件。较低温度条件对热通道系统时有利的。

目前触变注射成型机制造厂家很少，而机器却非常复杂。它们需要密集而非常昂贵的服务，因为许多复杂的移动零件会与熔融镁发生直接接触（图2）。

由Springer出版社出版的《镁注射成型》这本书的作者Dr. Frank Czerwinski写道，只有在精确加热或精确控制温度情况下才能在熔体中形成非树枝状结构。也不会出现发生在触变成型机的挤出机中的熔体剪切问题。这种挤出机构是最昂贵的机器部件，因为它需要由适合在高温和高压条件下运行的特制钢合金制成。但是，众所周知，前面安装有止回阀的螺杆非常容易发生泄漏和不稳定地运行。这些单元仅在500,000次循环后就需要进行维护，并且在维护时，需要用到特殊拆卸工具，其清洁过程还会用到对环境有害的盐酸或磷酸。虽然这个工艺过程在高品质零件生产过程中是一个进步，但其维护过程却是复杂而又费时费力的。

触变成型机的缺点：

1、 该技术来自于塑料注射成型工艺，因此，在高运行温度下对于金属注射成型来说不够牢固可靠，

2、 需要特殊材料来支撑镁（司太立12号合金或编号为1.2888的特制钢套管），

3、 不能随意加厚气缸壁厚，因为加热外部的热量不会渗透到内部，

4、 具有超过2.5米的复杂加热和输送路径，

5、 使用未加热螺杆，以沿熔体路径向前移动材料，

6、 必须拆下酸洗螺杆（需要另外两个主机维护系统），才能停止，

7、 螺杆更换成本非常高。预计会超过100,000美元，

8、 维护密集型，

9、 操作需要大量的培训和经验

可以进一步改善这个工艺过程么？为了找出这个问题的答案，人们必须从触变成型的不足出发。

Maximolding

问题在于，如何从头开始制造一种新的、简单而又结实的混合动力机器，以极快地的速度制造出几乎无缺陷的高度集成零件，同时，这些零件不仅能量和材料消耗低，还不会排放对环境有害的气体。第一个明显改进是混合机器的垂直方向。重力使切屑和半固态熔体更容易从上向下流动，同时方向还不会发生改变。通过将热质量大、温度控制精度高的主反应器设计为旋转结构，可以省去触变成型机中的油缸和螺杆等复杂且维护密集型零件的使用。仔细观察就会发现，这些变化的影响更为深远（图3）。

理念核心

我们从起始材料和准备工作开始。对于Maximolding成型工艺，金属屑（也称为切屑）被送入悬浮预处理器进行清洁处理，在氩气环境中通过精确的温度控制将其加热至200℃。充入氩气的目的是为了避免发生氧化。然后，将切屑连续定量输送到立式成型机中，并从上到下进行加热处理。将从铸模中回收利用的热量用于预热起始材料（切屑）。然后，将来自预处理器并经过预热的镁切屑以旋转方式在热反应器中进一步加热。这个过程是通过安装于气缸外壁上的几个加热区完成的。接着可以将半固态浆料收集到腔室中。然后，通过两个正向阀门，将粘稠状物质通过安装于中心的高压（1000巴）和高速（高达12米/秒）注射活塞精确注射到铸模中。整个过程仅需1.5米长的垂直路径，由此，铸造厂整个生产线的尺寸都被缩小了。这反过来又使工艺过程更容易控制（图4）。

Maximolding的优势

所有半固态工艺的第一个明显优势在于其能量消耗更低。在使用Maximolding机时，浇铸温度都为540℃，注射重量为540克，净重量为430克，能量消耗为340千焦。这些都是一些保守估计数字，因为在热通道使用和直接喷射过程中，能量消耗还将进一步下降。相比之下，铸造室温度为670℃。在这种情况下，我们假定热室压铸过程使用的浇道系统与Thixomolding工艺过程中使用的浇道系统相似（无热浇道）（约30%）。由于铸造温度较低，热浇道系统（约16%）有望被用于Maximolding工艺过程中（图5）。

Maximolding既不需要螺杆也不需要旋转。没有必要为了制造在熔体中包含球状固态颗粒的半固态熔体（浆料）而对切屑进行剪切处理。触变浆料的形成过程可在仅受热影响的热物质反应器中进行。省去剪切螺杆在很大程度上简化了工艺过程（图6）。

该工艺过程被称为“固体到固体”成型，因为它开始于固体切屑，然后被制成了半固态浆料，最后从铸模中制成了几乎接近成品模的零件。这就是整个工艺过程。它仅需使用极少的氩气来防止芯片发生氧化。旋转气缸构成了材料导向气缸中的大量表面，因此可以快速加热切屑。通过对外表面进行温度控制，可以同时对包括喷射活塞（在中间）在内的气缸内部进行加热处理。

Maximolding系统非常容易维护。由于没有任何材料会粘附在光滑汽缸盖内表面上，并且半固态浆料也被完全包含在Maximolding机内。相较于其他压铸工艺，Maximolding的一个重要优势在于，无需再使用单独的熔炉和坩埚制造熔体。所有工作均在为时14到60秒的快速循环周期内并在同一台机器内完成的。铸模冷却过程是通过一个水雾系统（80%空气，20%水）实现的，这个系统以非常高的冷却速率直接在模具表面底下发生循环。在封闭冷却通道内产生的水空气可以从固化零件中吸收大量热量，进而可被用于预加热进入的镁切屑。这又进一步带来了非常大的过程节省。当前技术水平是，所有被提取出来的热量都会释放到环境中。

这款机器的开发为无气体排放的轻质组件的制造开辟了全新的可能性。最初是由镁制成的轻质金属，以后也可以采用铝制造。由此，气候目标得以实现。这样机器用户还可以使用二氧化碳证书进行交易。其他任何一款机器都无法使用标准或特制合金生产大平面薄壁零件。同样地，这也适用于质量非常好的重量达10千克甚至是20千克的厚壁大组件。表1对这些工艺之间的主要区别进行了汇总。

未来的智能化工厂

半固态铸造工艺的优化并不是唯一的创新之处。其目标是整体解决方案。智能化工厂是工艺4.0的核心所在。智能化工厂这个概念本质上指的是联网并与价值创造网络相连的自适应生产系统。运营商首先受益于数据的快速传播和使用。与此同时，实时网络和可扩展性都是确保相关设备之间信息交换的重要因素。其目标在于，将这些方面应用到铸造单元中，从而实现安全和自主生产。图7示出的是用于计件产品生产的智能生产链方法。

车轮的整个生产过程可能如下：操作员从3D数据库中选择要铸造的零件，并为喷射铸造机供电。然后检查是否符合材料供应和安全检查清单要求，接着启动机器。Maximolding机给出建议启动工艺参数，并在操作员确认后设置启动工艺参数。开始铸造第一个车轮。在铸造完成后，机器会在带自动图像（ADR）功能的X射线检测系统上对车轮进行检测。同时确定车轮质量并生成可识别组件的标识符。如果生产出来的零件结果良好，则相关工艺参数就会被保存到数据库中，并被标记为“良好”。同样地，不良品的参数也会被保存起来，以便能够对工艺参数进行迭代调整。例如，检查显示车轮尚未完全成型，这表明原材料不足，这种情况通常被称为短射。系统识别出需要更长的喷射时间，并反复指示参数发生器延迟关闭喷嘴。然后，下一个机器循环周期就会被执行、序列化并传输到检测系统中。

与数字3D模型相比，检测系统数据的连续循环以及合格品和不良品数据记录的加速趋同反过来可以进一步改进铸造车轮的质量。借助集成X射线反馈控制电路和机器学习算法开展生产活动可以实现高度完整性和最低废品率车轮的全自动制造过程。

全球化云处理

由于当今产品的开发速度越来越快，因此，必须不断对生产过程做出相应调整。为了缩短创新和产品周期，公司必须能够灵活地采取行动。在这条道路上，确定各种跨企业网络生产能力可能是一个充满前景的做法。

跨公司生产网络能够灵活应对波动的市场条件或订单形势。这种集成到生态系统中的智能工厂还可以确保利用效率油漆膏，从而可以降低成本并促进实现高资源效率生产过程。企业A与满负荷运转的企业B共享自己的闲置产能。如果企业B能够利用这一提议，那么它不仅可以暂时扩大自己的生产系统规模，而且可以让企业A实现更好产能利用率。这样一来，两家企业的订单波动都会被降至最低。此外，还可以主动执行以工艺过程和机器数据评估为基础的维护过程。

Maximolding工厂可保证合格零件的快速计件生产，同时还可以确保稳定的自动化过程控制。工厂仅由机器人和图像系统等基于COPA-DATA统一工厂软件的专利机器构成。COPA-DATA是一家独立软件制造商，它将其自动化方面的丰富经验与数字化转型新可能性进行了结合。将全球相同或相似零件的过程数据记录进行了云处理。这样任何人都可以使用这些数据来改进镁成型工艺过程。

结论

在避免生产错误方面，Maximolding和整体解决方案的集成是一个开创性工艺。其目的是服务于客户核心问题。生产过程应进行优化，应避免出现错误。

重心并非产出本身，而是实现产出的生产过程。通过将铸造机器与X射线系统相结合，以生产出几乎无缺陷的零件。

将从X射线检查技术领域中获得的知识与高压铸造和高压喷射技术相结合，应该可以产生新一代喷射铸造机。制造几乎无缺陷量产铸件是可以实现的，从虚拟 3D 零件到使用合适合金制成的成品铸件之间的路程很短。目前市场上还没有出现可与之相比拟的整体系统。镁铸造工厂可靠、能源高效并且环保，可确保无工厂参数范围之外的气体排放。所有喷射铸造机和X射线检测机以及被集成到了半固态成型工艺过程中的专有线性机器人和图像处理系统均可以保证实现合格零件的快速生产，以及连接控制电路稳定的自动化过程控制。

要想取得更大的进步，就需要改变思维方式。能够输出的不仅仅是机器和产品，还有集成到全球生态系统中的整体和智能工厂？一个自身不断改善的生态系统可以减少产量过剩和排放问题，并未每个市场参与者带来更多的理论——一种现代化数字商业模式，对所有市场参与者都充满吸引力，并让他们可以得到相应回报。