文：德宝压铸技术公司 黄奇德
真空压铸是当前高质量铝压铸件的必要生产条件，像缸体、自动变速箱壳体、阀体等。特别是汽车结构件，需要做T6热处理和焊接，铸件的含气量要控制在0.5cc/100g以内，这对整个充型过程中的高真空度有严格的要求（真空度在50毫巴以下），要在充满挑战的压铸生产环境下稳定地实现更不容易。这些大型而且形状越趋复杂的压铸件，要保证模腔能达到高真空状态，除了要模具密封性好之外，压室也要密封；还需要很好的整体冲头系统（包括冲头、料管、润滑、分流锥）才能保证压射速度的稳定性、快速的生产周期和最低的气体产生量。当然还要优化的压射工艺和浇道系统来避免卷气，高效的模具温度热平衡控制来减少喷涂量和局部过热，铝液除气除渣来减少含气含渣量等。此外，还要避免在压射过程中让铝液和残留的润滑油产生气体进入铸件。
含气量是影响铸件焊接性的重要因素。脱模剂的有机物残留直接粘污铸件表面，此外，和铝液的接触使脱模剂在高温下热分解出氢气并溶入铝液，在铸件凝固时又析出成为微气泡。同样有害的是过多的冲头润滑油，因为压室的润滑油更会直接和铝液接触，产生气体。太多的残留会堵塞排气通道和影响阀芯滑动，也导致毛刺出现，损坏密封条。
在生产过程中，标准冲头和压室之间的空隙增大慢慢降低了整体系统的密封性，普通的喷雾器和冲头润滑系统容易过度使用剂量，令型腔气体含量增加，都不利于高真空压铸。间隙太大在抽真空时，会令铝料过早被吸进型腔，造成真空阀的堵塞。以上所讲的都是真空压铸的难点。
冲头料管相关的生产问题
要实现高真空压铸的连续生产，首先要面对在压铸生产时，经常碰到的冲头问题，包括：
冲头和压室间隙的控制，压室的变形，机器模具的对中，冲头的润滑，都会导致生产不畅顺，像冲头料管寿命短，速度不稳定，冲头顶出铸件时卡锤等。特别是大型压铸件，情况会较严重。发生的背后原因很多，主要原因离不开模具/料管/冲头的间隙公差，冲头润滑，冲头/料管的温度控制等问题。压室受热不均而变形，压室、模具和冲头的间隙公差控制，铝料跑进压室堆积，压室/冲头润滑出现问题等。
-温度不均，压室变形
导致压室变形的因素，包括给汤量、填充比率、合金温度、周期时间，压室的设计也会影响变形，好像料管壁厚、长度、汤口大小等。压室在生产周期中被倒入的铝液加热，又在增压和铸件冷却阶段受到料饼在顶出端的加热，因此局部位置出现过热；特别是压室的顶出端和铝料倒入位置，温度很高。譬如料管底部温度达300C，上部是150C，如果伸出长度是400mm，那上下的长度差别就有0.8mm，成香蕉形。再看模具孔和料管的尺寸：温度升高使模具孔变小如果四个方向的模具温度不同，内圆变成椭圆。如果没有适当的温度控制，会造成很多生产问题，如间隙过小造成磨擦，令速度不稳或阻力太大等。
-冲头料管间隙控制
铝液流动性好，在高压状态下，空隙要在0.1mm以内，才能避免铝料跑进料管，以免造成磨损。特别是料管在高温膨胀下，料管/模具、料管/机板之间的公差会间接影响料管内部间隙的变化，因此料管的公差控制很重要。尤其是大直径的料管，140mm的料管比70mm的膨胀要大一倍，如果冲头的冷却正常，那间隙会加大一倍，更容易跑料。请咨询我司有关生产公差要求。
-冲头润滑不均匀
由于冲头油一般添加在加料口或冲头上，压室如果太长，在模具端容易卡锤。#p#分页标题#e#
要应付以上冲头密封性和生产连贯的问题，这里我们介绍欧洲Alrotec公司生产的密封环冲头，冲头润滑系统和温控料管的配套技术，来实现高真空压铸生产。
Alrotec冲头系统
标准的冲头材料除了H13模具钢外，还可以用耐磨的铍铜冲头；对冲头行程长、料管充满度高的大型压铸件生产有很大的好处。铍铜合金有很高的导热性和润滑性，冲头的冷却很快，磨擦系数低，确保冲头温度不会过高，运行时不会卡锤，是很好的冲头材料。铜合金冲头可以选用不同的材质，含镍铬硅的铜合金硬度较低(HB180-220)，价格较便宜。含铍(<1%)的镍钴铜合金硬度较高(HB220-280)，价格较高。而含铍(>1%)高的镍钴铜合金的硬度最高(HB>300)，但价格最高。都是常用的冲头材料。
不过冲头使用时间长了会被料管磨损；此外如果冲头和压室之间的空隙大，在高压的射料过程中，铝料会跑进空隙和残留在内壁上。长时间运行再加上料槽内的润滑性不均，造成冲头和料管进一步磨损和卡锤。为了解决空隙变化的问题，我们有了密封环冲头的设计，即在冲头前端加上密封铜环。经过不断的优化，发展为双密封的钢环+铜套的ATS-RS钢冲头设计，提高了耐用性和性价比。
密封环冲头工作原理
Alrotec的密封环冲头是组合式设计，包括前端的开口钢环、钢冲头、铜套和本体。开口的钢环直径比压室的额定内径稍大，使钢环能紧贴压室。在压射过程中，前端的开口钢环和钢冲头受到铝液的正面冲击，由于钢环和钢冲头之间有空隙，铝料在压射时会在A位置跑进空隙，把钢环进一步撑开，使钢环和压室更紧密，因此密封性很高，不会在压室内壁形成毛刺。
铜套是高强度有弹性的铜合金材料，也是开口的设计，它除了提高冲头密封性外，也提高冲头和压室之间的润滑性。附图显示使用密封环冲头的料饼，可以看见毛刺不会在外围出现，而是在内圈出现。
冲头的设计要有足够强度来抵抗正面的高压冲击，也要考虑冲头的冷却，因为温度太高会縮短冲头寿命，而且也拖长了料饼的冷却时间。Alrotec的钢冲头经过优化的设计，冷却效果好，在正常生产情况下冲头表面温度保持在70C以下。保证冲头的使用寿命。寿命可达5-6万。
密封环冲头的另一好处是钢环更换容易，利用专用钳子，不需拆下冲头也能快速更换钢环。在合适条件和正常使用下，D120mm以上的钢环寿命超过1.5万模次。
压室设计和温度控制
要解决料管的密封性，温度控制至管重要，和模具/机板的公差控制。当压室不同位置的温差超过50C，压室会变形，太大的变形度令冲头的移动不畅顺，也令冲头和压室的寿命降低。特别是大型压铸机的冲头行程长，铝液填充比率高，压室容易变形。最好能在压室设置冷却管道来控制温度。如果料管温度是以冷水控制，需要打冷模来预热，同时要在压室安装热电偶和温控器连接。相对来说，用热油模温机来控制料管温度会更理想，运作成本虽然比较高，但使用简单。热油可以预热料管，和调节平衡整体温度，使整体压室的温差低于50C，压室的寿命可以延长3-5倍。压射的稳定性提高了，冲头和钢环的寿命也提高。冷启动的报废率也降低。
料管的设计是整个压射套件的核心部分。要使用密封环冲头，最好是用一体化料管。优点是寿命长，工艺稳定性高，料管/机器/模具的对中容易，还有公差和内置管道温度控制。成功的料管设计对使用密封环冲头非常重要。
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压室设计要考虑的因素还有热膨胀、强度、对中。
A: 料管近模具位置的温度高，要避免和浇口套一体化设计，影响变形。
B: 使用一进一出的油管加工布置，管道分布在料管的下半部，分布面积要考虑铝液的填充比率，才能有效冷却受热位置。
C: 放置中心环，使生产时料管容易对齐。
D: 料管和模具/机板之间要有足够间隙，允许料管能向外热膨胀。如果间隙太小，压室受热无法向外膨胀，会反向内膨胀，使内径变小，冲头和压室的摩擦增加，大大縮短寿命。
E：压室厚度需要为冲头直径的1/3，保持压室强度。
分流锥随型冷却
要减少脱模剂喷涂，和缩短生产周期，分流锥的冷却很重要，因为这部分是明显的热节。要尽快冷却，只能是在这位置大量喷涂，但这样会提高铸件含气风险。另一个方法是在分流锥做随性冷却管道。这种设计的特点是管道形状不受传统机加工的限制，而是根据分流锥的复杂外形来设计的。随性冷却管道布置能接近模具表面，而且热交换面积大，大大提高了镶块的冷却速度，无需过多的喷涂。这种技术对即使形状复杂的模具也能做到平衡的热场分布，避免了整体喷涂过多、缩孔、粘铝、模具寿命短的问题。
压铸用的随型冷却镶块可以用三维积层制造(3D Additive Manufacture)，或金属熔接技术(Metal Fusion Bonding)生产，视乎镶件大小、形状和生产成本。分流锥的冷却管道不太复杂，可以用金属熔接技术生产，成本较低。由于冷却分布均匀，大大减低镶件的内应力，寿命比传统的分流锥长很多，超过十多万模次。此技术也可用于冷却复杂的型腔。有需要可向我司咨询。
冲头润滑系统
冲头的运行顺畅，才能保持压射速度稳定，因此冲头润滑很重要。有了良好的冲头润滑系统就能保证冲头料管的寿命。必须做好以下的工作：
-投放在适当的位置，如施放在钢环，直接润滑整个冲头。这适合较短的行程。普遍用在<500T压铸机。
-使用质量好、粘度合适的润滑油。杂质多质量差的冲头油，在和铝液接触会产生过多气体和有机挥发物。如果挥发时间长，特别是在合模情况下还有气体产生，很容易会沾污排气通道和令铸件含气量增加。
-最少的润滑油使用量，能减少机器和环境的污染。雾化的润滑油喷涂是个好方法。
对于冲头行程较长的情况，一般会把冲头油或冲头珠滴在料槽里，受热后流体化挥发充满料槽内壁，来润滑冲头。但对整段行程的润滑不够均匀（前端润滑较好，末端较差），需要用偏高量的润滑油，因此不利于高真空压铸。
为配合钢环冲头的顺畅使用，钢环的润滑很重要。特别是长料管，末端润滑不足会增大摩擦或卡冲头；润滑油多了又沾污铸件，更差的是润滑油和铝液直接接触而燃烧气化，增加了铸件含气量。最理想的是只用少量的润滑油也能应付长料管的润滑，办法是在料管全程均匀喷上雾化的润滑油。我们建议在冲头后部的连杆位置安装喷雾头，使用分段喷油雾，这样整个压室都能均匀润滑，不会出现冲头在压室前端容易卡，而且只需少量喷雾。控制系统可以根据压室的直径和长度，输入喷雾的时间和间隔时段，并精确调节润滑油剂量（精度在0.2毫升以内），提供最小量所需的润滑油。以直径120mm，长800mm的压室为例，每周期的润滑油总量只需约1毫升。
真空阀的配合
在真空压铸的过程中，要保证型腔和料管保持在高真空状态，铝料才能填满盲孔位置和减少含气量，因此在多滑块的模具（容易漏气）使用高效的真空阀（大抽气面积）是非常重要的。一般高效的真空机械阀有很多移动部件，需要经常保养清理才能保证生产畅顺，使用很不方便。虽然以平面搓衣板抽真空在使用上很方便，但抽气面积小，真空度不够，还需要配合密封条防漏气。我司建议使用澳洲开斯特三维搓衣板，它的抽气面积和机械阀相近，在使用上又无需像机械阀般经常清理，生产效率得到保证，是很好的选择。#p#分页标题#e#
总结
生产薄壁结构件时，型腔内的真空度需要控制在<50毫巴气压，需要以下条件配合：
- 冲头压室的密封性要高，减少漏气。
- 不能喷过多的脱模剂，避免水分残留型腔。
- 喷涂器雾化要好，最好是微量喷头。
- 脱模剂喷量要少，避免堆积残留在排气道，影响真空阀的动作或降低排气道面积。
- 使用少腊、高纯度精炼脱模剂。避免过多残留在模面，导致毛刺出现，损坏密封条，影响生产。
- 生产薄壁件的压射速度高，需良好的冲头润滑性 。
- 避免冲头油直接放入压室，影响铸件含气量。应使用连杆脉冲式喷雾方式。
- 冲头必须长时间冷却，要保证水压和流量。
- 料管的公差控制和温度控制非常关键，需要小心计算和做好温控。
要达至以上的效果，冲头的密封、料管的设计、冲头润滑、真空阀等必须同时配合处理。Alrotec公司的密封环冲头系统是创新的技术，并提供全方位的解决方案，使真空压铸生产更稳定和减少废品；提高机器使用率，从而减低成本；而且压铸机油污减少，令车间环境更清洁。是汽车结构件真空压铸生产的必然选择。
