黄志垣 

摘要：局部加压工艺是压铸中用于消除铸件厚壁处缩孔、缩松缺陷的一种有效方法。本文针对汽车类压铸件结构复杂、壁厚不均匀，压铸时易形成缩松缺陷的生产现状，自主开发了能和压铸机配套的简单可靠、价格低廉的移动液压式局部加压装置。探讨了模具中加压杆与杆套的配合公差对加压杆使用寿命的影响，得到了直径Φ8和Φ12两种加压杆的合理公差，确保了生产的稳定可靠。研究了局部加压工艺参数对铸件内部质量的影响，当局部加压压力越大时，缩松缺陷越少；在加压压力一定时，局部加压开始时间越早，铸件内部密度越致密。生产实践表明：采用局部加压技术后，铸件的试压渗漏率均由原来的5~12%左右降到了0.3~2.8%以下。

关键词：压铸，铝合金，局部加压，缩松

Development and Application of Die Casting Process with Local Pressurization for Aluminum Alloys

Huang Zhiyuan¹  Wan Li²  Chen Liang¹  Chang Yiqian¹  Xu Feiyue¹  Zhang Baizai¹

Lai Daojin¹  Zhou Haijun¹

（1 Guangdong Hongtu Technology Co. Ltd. , Gaoyao, Guangdong, 526108, China. 2 State Key Laboratory of Materials Processing and Die ＆ Mold Technology, Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China.）

Abstract：An effective method named local pressurization in the die casting was successfully used to eliminate shrinkage porosity occurred at the thick section of the casting. A movable local pressurization apparatus was fabricated and adopted to die castings in the paper, which owns such as simple and cheap characters. The effects of the tolerance between pin and hole on the pin life were investigated. The optimized tolerance for the pin with 8mm and 12mm diameter was attached and the production reliability was guaranteed. The influence of local pressurization parameters on the inner porosity at the castings was analyzed again. The results showed that bigger pressure from pin, less porosity. The inner density is bigger when the local pressurization timing is earlier. The leakage ratio of the castings is less than 0.3~2.8% after local pressurization was adopted in the plant owing to different castings.

Keywords：die casting, Al alloy, local pressurization, shrinkage porosity

近年来，随着产品轻量化、高集成和高性能化的发展，出现了越来越多的结构、形状非常复杂，性能要求很高的零件。当这些铸件采用压铸生产时，给企业带来了新的挑战。因压铸一般要求零件尽可能壁厚均匀，以确保同时凝固，所以当生产壁厚差别非常大的零件时，就无法避免压铸件厚壁处缩孔或缩松等缺陷的产生。为了消除压铸件厚大断面处产生的缩孔、缩松缺陷，采用局部加压技术是一种行之有效的方法。

所谓的局部加压方法就是在金属液压铸充型之后，经过一定时间亦即在铸件凝固过程中，在厚壁处通过一加压杆施加一压力以强制补缩来消除该处的缩孔、缩松缺陷，图1所示为压铸局部加压方法的原理示意图^[1~3]。局部加压法对提高压铸件试压渗漏检测的通过率有很好的效果。虽然一些压铸机制造厂为扩大局部加压工艺的应用，在压铸机的液压系统中附设了局部加压功能（预留油管接口），但由于压铸时其它工序如抽芯缸、压射缸、合模油缸等消耗了大量的液压油，从而在局部加压的实际过程中，因系统供油原因导致了加压压力不足、不稳定现象，限制了直接从压铸机实施局部加压工艺的应用。所以本文自主研发了一种可移动式的局部加压装置，并研究了局部加压参数对铸件质量的影响。

 1.   局部加压装置的开发                                                                                                                                                                                               

1.1 局部加压装置的液压工作原理

局部加压装置实际为一小型液压站，给加压油缸提供足够流量和压力的高压压力油。装置下面装有转轮，可推动其在压铸机之间移动。图2所示为自主设计的局部加压装置的液压工作原理图。其工作过程为：液压泵输出的高压油经三位四通电磁换向阀的右位进入加压油缸（安装在模具上）的左侧，油缸活塞前进带动加压杆实现局部加压。加压完毕后三位四通电磁换向阀切换到左位，加压杆后退。每一回路加压杆的局部加压压力由减压阀4等控制。系统的工作压力由溢流阀13决定，而当系统长时间不工作时，则由两位两通电磁阀2对系统卸荷。

1.2 局部加压装置与压铸机的连接及控制方法

因局部加压装置设置在压铸机外，所以局部加压装置与压铸机必须协调动作。压铸时，局部加压动作是在压射完成以后进行的，为此加压装置需要获得压铸机的压射信号。另外，开模后局部加压杆需要伸出接受喷涂润滑，所以需要获得压铸机的顶出信号。为简化控制程序，当加压装置接受到压铸机的上述两个信号后，其各个动作由时间继电器控制，根据铸件结构的不同，调节继电器的时间设定即可获得不同的加压参数。局部加压杆的动作循环示意如图3所示。

由图3可知，首先接入压铸机顶出信号，经过T1延时，加压杆伸出进行接受喷涂，延时T2后，加压杆后退，完成加压杆的喷涂工作。随后接入压铸机压射信号，延时T3后加压杆工作，对铸件厚壁部位实施强制补缩，保压T4时间后加压杆退回，完成压铸局部加压整个工作。当加压杆后退到位后经过T5计时，若压铸机还依然没有顶出或压射信号给过来，加压装置将自动卸荷，以减少功率消耗。

该自主研发的移动式挤压装置具有以下优点：

1）加压杆动作完全依靠时间控制，不需要行程开关检测加压杆是否到位。因此可以降低因行程开关引起的故障率，并且因为不需要安装行程开关，在节省成本的同时对空间有限的模具加装加压杆结构提供了更多有效空间。

2）每一加压回路可单独控制局部加压压力，满足不同工艺需要，获得最佳的加压效果。

3）与压铸机连接简单、可靠，装置投资少，收效大。如若在压铸机上增加一个加压杆，需要2万元左右；而自主开发的加压装置，投入在7000元左右即可，而且能提供三个挤压回路。因此节约了投资，经济效益良好。

2.       局部加压的结构形式

局部加压结构形式一般有两种，一种是在产品表面加压，加压部位比产品实际高度高出一部分，高出部分通过后工序去除；另一种是在产品的孔、凸台等部位设置加压杆，直接铸成产品底孔。

第一种加压结构方式即产品表面的局部加压结构形式见图4。图4a为加压杆工作前的位置示意图，铝液预先进入挤压杆套内，加压时局部加压杆则把杆套内的金属液体压入铸件内，杆的终点正好在铸件表面附近，如图4b所示。但是由于加压杆与杆套相互配合，加压中不可避免会有部分铝屑进入到杆套内；同时又由于杆与杆套受热膨胀及加压杆不易得到润滑，所以此种结构极易卡死。

第二种加压结构方式如图5所示。这种结构避免了杆套内壁直接跟铝液接触和加压杆不能被润滑的缺点。加压杆动作时只是把L处中间未凝固的铝液补充到H处，铝液不会进入杆套内部造成卡死或磨损问题。另外在涂料喷涂过程中，加压杆可以伸出接受涂料以得到充分的润滑，大大减少了杆与杆套之间的摩擦，实现局部加压工艺的连续生产要求。因此实际生产中主要采用第二种形式的加压方法。

3.       加压杆与加压杆套的配合公差

局部加压工艺中，加压杆与杆套的配合间隙是影响生产稳定性和加压杆使用寿命的关键因素之一。本文以顶杆与顶杆孔之间的配合间隙为参考，探讨了不同间隙对加压杆使用寿命的影响。表1是实际测得的数据，使用合金为ADC12（日本JIS标准牌号）。

表1  加压杆与孔之间的间隙对加压杆使用寿命的影响

一般而言，配合公差取太大，间隙太大，加压杆套内容易进铝卡死；配合间隙太小，加压杆受热膨胀容易磨损。从以上数据看出，Φ8的加压杆取杆套尺寸取Φ8+0.018  0，加压杆尺寸取Φ8-0.025 -0.052时，加压杆的寿命较长，其配合间隙在0.025~0.070mm之间。而Φ12的加压杆套取尺寸Φ12+0.018  0，加压杆取尺寸Φ12-0.032 -0.059，加压杆使用效果最佳，其配合间隙在0.032~0.077mm之间。

4.       局部加压的工艺参数研究

局部加压工艺参数如加压开始时间、加压压力等是获得致密铸件的关键^[4~8]。该工艺参数随铸件的不同而略有差异，本文以表2所示的汽车发动机零件为例进行了试验。

4.1 局部加压压力对铸件内部致密度的影响

    设定局部加压开始时间为5s，从90bar~150bar，每递增10bar做一次测试，其结果见表2。

由表2可见，随着局部加压压力的升高，X光片中局部加压点附近的白色点（孔洞缺陷）逐渐减少，表明产品内部质量逐步有了改善。可见加压压力越大，局部的补缩效果就越好，铸件内部越致密。当加压压力达到140~150bar时，通过X光检测铸件，发现内部已没有了缩孔、缩松缺陷（分散的白色点消失）。

表2 局部加压压力对缩孔/缩松的影响

4.2 局部加压开始时间对铸件内部致密度的影响

    设置局部加压压力为150bar，加压开始时间为2s~6s，其试验结果见表3。

由表3可以发现，当加压开始时间设置在2s时产品铸件内部的缺陷是最少的，局部加压效果最好。其原因在于此阶段时，金属液刚进入半凝固状态，枝晶形成的网络强度比较低，在压力下枝晶网络破碎，枝晶间的液体被挤出而产生补缩流动。而当加压开始时间越长，枝晶间的液体越少，流动性越差，因此在压力下补缩的效果就越差。

表3  局部加压开始时间对铸件性能的影响

5.       局部加压压铸技术的应用效果

通过使用局部加压工艺，铸件的质量提升有明显的效果，废品率大大降低。铸件的试压渗漏率由实施前的5~12%降低到0.3~2.8%左右，效果显著。图6是局部加压技术在部分汽车零件中的应用实例。

图6 局部加压技术在汽车零件中的应用

6.       小结

开发了一种可移动的液压式局部加压装置，并成功地应用于复杂汽车零部件的生产，对于消除厚壁处的缩孔、缩松缺陷效果显著。

1）移动式的局部加压装置具有使用、调节方便，价格低廉，简单可靠的优点。

2）局部加压技术适合于铸件孔、凸台等厚壁部位的缺陷消除，其加压杆的补缩效果好，使用寿命长。

    3）局部加压工艺参数如局部加压开始时间、局部加压压力对铸件内部的致密度有较大的影响。压力越高，加压开始时间较早时，铸件的致密度大。

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