唐永艳
随着模具行业的迅速发展，压铸技术的应用越来越广，充氧压铸法可有效避免在压铸件中产生气孔等缺陷，在Al、Mg及Zn合金的压铸件生产中尤其得到广泛的应用，如：液压变速器壳体、加热器用热交换器、液压传动阀体、计算机用托架等对于需热处理或组焊、要求气密性高和在较高温度下使用的压铸件，充氧压铸具有技术和经济上的优势。充氧压铸又称无气孔压铸。该法在金属液充型前，将氧气或其他活性气体充入型腔，置换型腔内的空气，金属液充型时，活性气体与充型金属液反应生成金属氧化物微粒弥散分布在压铸件内，从而消除压铸件内的气体，使压铸件可热处理强化。在对现有的一套压铸模具充氧排气系统进行分析的基础上，下面设计出一种新的高效实用的充氧排气系统结构方案。
l 现有的充氧压铸模排气系统
如图1(详情请查阅《中国压铸》杂志)所示为现在使用的一套充氧压铸模具示意图。
模具1由2与3构成(为了简化，对各零部件只用代号表示)。当2和3闭合时，在两者之间就形成了型腔4。型腔4与闸道5相连通，该闸道5经由流路6而与套管7连通。在套管7内部，设有可往复移动的注射杆8及冲头9。另外在3中设有圆筒10。在圆筒10内部，设有能够相对于闸道5伸入-退出的出入部件l1。
该模具的工作过程如下：在模具本体2、3闭合以后，使冲头9沿如图中虚线前进，在封闭了套管7的注液口7a的状态下，通过氧气供给口7b向型腔4内送入作为置换气体的氧气，将型腔4内的空气置换为氧气。氧气传感器12用来判断型腔4内的空气是否由氧气置换完毕。型腔4经过氧气置换完毕后，使冲头9后退，将金属熔液从注液口7a向套管7内注入，并使冲头9前进，由此来将套管7内的金属熔液送人流路6。此时，使出入部件l1向闸道5伸出，闸道5的流路面积变小，金属熔液通过闸道5向型腔4内喷射并与氧气反应，在型腔4内形成真空，防止铸件中气泡的残存。然后，型腔4及闸道5内的金属熔液压力增加，直到套管7内金属熔化液的压力达到一定值以上的时候，使出入部件11从闸道5退出来，扩大闸道5的流路面积，推压套管7内的金属熔液进而向型腔4内的金属熔液施加足够的压力。这样就完成了型腔4内空气的置换，并向金属熔液施加足够的压力，从而能够制作不会产生气孔的铸件。
在上述排气系统中由于间隙l3始终开放，当送入型腔4中的金属熔液通过该间隙13喷出的时候，会导致氧气传感器12的损坏。因此，将间隙13设定为金属熔液难以通过而空气或氧气等气体能够流通的尺寸，此外在通路中途还设有用于促进金属熔液冷却并防止喷出的冷却排气口14。然而，在上述的模具中，为防止金属熔液的喷出，间隙13比较狭窄，而且设置了冷却排气口14，这样型腔4中的空气或氧气也难以通过间隙13，用氧气对型腔内的空气进行置换所需时间较长。
2 新的充氧压铸模排气系统
如图2、图3(详情请查阅《中国压铸》杂志)所示分别为新的充氧压铸模排气系统氧气置换结束前、后的状态。
与图1所示结构不同的是：在24中，设有用于将型腔25内的气体向模具外排出的气体排出通道34；气体排出通道34形状弯曲，其通路人口34a连接于排气缝隙26中的冷却排气口26a的上游部分，通路出口34b开口于24的外表面。在通路出口34b的旁边，设有用于检测置换结束的氧气传感器35；在24中设有不用闭塞排气缝隙26即可开闭气体排出通道34的闭合机构36；闭合机构36具有圆筒37，以及沿圆筒37往复移动而相对于气体排出通道34伸入-退出的开闭栓38。根据实际的铝合金压铸模的使用情况，压铸铝合金的排气系统取值深度0．15、宽度为20。根据排气阻力的相关理论，排气空气流动的阻力有两种，一种是由于空气本身的粘滞性及其与排气壁间的摩擦而产生的沿程能量损失，称为摩擦阻力或沿程阻力；另一种是空气流由于流速的大小和方向变化以及产生涡流造成比较集中的能量损失，称为局部阻力。我们在这里只考虑以摩擦阻力为主。根据流体力学原理，空气在横断面形状不变的管道内流动时的摩擦阻力按下式计算：
式中：λ为摩擦阻力系数； 为排气空气的平均流速，m／s；
ρ为空气的密度，kg／m3 ；l为排气道长度，m；R 为排气道的水管半径，m；
式中 f为管道中充满流体部分的横断面积，m2 ；P为湿周，排气道的周长，m；
摩擦阻力系数λ与空气在排气道内的流动状态和排气管壁的粗糙度有关。
关于以下修正：(1)密度和粘度；(2)空气温度和大气压力；(3)管壁粗糙度。模具在排气的过程中没有改变，这里不再进行考虑。根据以上公式，重新设计排气的原理是：降低排气的阻力，以提高换气效率。虽则不能改变原来的排气通道长和宽，但是可以改变排气的距离(长短)和可以改变后端的通路大小以改变空气喷射速度。原来的排气长度是压铸模具本身根据强度要求设计的，原来的模具排气通道长度为0．08 m。现在的排气长度是在不改变原来模具强度的情况下，改变把原来的排气长度变短，变为0．0l m，紧接着设计了图二的结构。图二的结构是直径0．0l的孔。置换出来的空气、氧气空气混合物、氧气经过冷却，速度缓冲后，排除模具并被氧气探测检测、达到氧气标准后，即可控制冲头注射液态铝合金并同步关闭氧气供给。
在其他条件没有变化的情况下，根据公式 相应的空气阻力减小了八倍。
即：令则没有改造之前的设计的空气阻力为： ．新设计后的空气阻力为： 就是说，在其他不变的情况下，相应的排气置换时间减少为原来的1／8。
新的充氧压铸模的主要工作过程如下：23和24闭合以后，使冲头29如图2中虚线所示地前进，在封闭了套管27的注液口27a的状态下，通过氧气供给口27b向型腔25内送入作为置换用气体的氧气，将型腔25内的空气置换为氧气。氧气被送入型腔25时，此前存在于型腔25内的空气首先通过排气缝隙26及气体排出通道34向模具外排出。然后随着型腔25内的空气被氧气所置换，通过排气缝隙26及气体排出通道34向模具外排出的气体的氧气浓度逐渐增加。在这期间，氧气传感器35一直监测着从气体排出通道34所排出的气体的氧气浓度，检测到浓度超过规定值的时候，就判断为型腔25内已由氧气置换完成。由于型腔25内的气体不只通过排气缝隙26，还可直接通过排气通路34向模具外排出，同时，还由于气体排出通道34中没有金属熔液从其中通过，不必将流路做得狭窄，所以能够使气体排出通道34的流路面积比排气缝隙26的流路面积更大，从而可高效的排出型腔25内的气体，并在短时间内将型腔25内的空气置换为氧气，提高了压铸件的生产效率。
当判断出型腔25内的空气由氧气置换完毕时，通过闭合机构36将气体排出通道34关闭。即如图3所示，将开闭栓38南排气通路34的排气口向流路人口34a插入，隔断型腔25与模具外的连通。此后，使冲头29后退并通过注液口27a向套管27内注入金属熔液，再通过使冲头29前进将套管27内的金属熔液向流路30内送人。此时，使出入部件33向闸道31伸出，使闸道31的流路面积变小，由此使从闸道31内的金属熔液向型腔25内喷出并与氧气反应，形成真空。由此能够防止铸件中产生气孔。随着型腔25和闸道31内金属熔液的压力增加，套管27内的金属熔液的压力达到一定值以上后，使出入部件33从闸道31退出，扩大闸道31的流路面积，推压套管27内的金属熔液，进而向型腔25内的金属熔液作用足够的压力。通过型腔25内空气的置换，并向金属熔液作用足够的压力，就能够制作出不会产生气孔等缺陷的铸件。
另外，由于排气缝隙26中设有冷却排气口26a，金属熔液在冷却排气口26a处被冷却并固化，从而防止了喷出到模具外面。又由于气体排出通道34如上述那样由闭合机构36所关闭，也不会发生金属熔液通过排气通路34喷出到模具外面导致氧气传感器35损坏的情况。理论上需要氧气与充型金属液反应生成金属氧化物微粒弥散分布在压铸件内，从而消除压铸件内的气体。经过实际测试(使用合格的工业用氧气，纯度为99．2％)，性能对比如下表。
3 结束语
新充氧压铸模排气系统能有效的克服现有充氧排气系统的缺点，排气置换时间减少为原来的1／8，实际测试结果表明，氧气供给时间改进后比改进前缩短了50％ 以上，在短时间内将型腔内的空气置换为氧气，提高了压铸件的生产效率；由于排气的气流不是喷射形式排出，防止了金属溶液溢到模具外面，保护了传感器不受金属熔液的损坏；测试结果同时表明，产品气孔率低至0．01～0．06％ 。具有较大的实用价值。该系统已经在宜宾八一二股份有限公司试用，生产效率有明显的提高，氧气探测装置至今还没有发现损坏的情况，效果较好。该排气系统装置已于2009年2月申请并获受理实用新型专利。
