文：安徽三联学院 牛海侠
摘 要：半固态金属成形技术具有较多优点，比如半固态金属成形件形态平整光滑，力学性能高等。同时，半固态压铸模具还具有寿命长的优点。但该技术中的模具设计研究还是目前为止研究的重点和难点。文章就针对铝合金半固态浆料的特点，进行半固态压铸模型设计研究。
关键词：铝合金；半固态；压铸模具设计
0 引言
金属半固态成形主要是利用金属介于固态与液态之间的半固态区时，金属具备的良好的流变特性，帮助金属实现成形的技术。这一工艺一经提出一直占据金属加工成形方面研究的热点位置。铝合金半固态成形技术是一种创新技术，但目前的铝合金成型工艺还保留着传统技术中液态压铸和固态挤压铸造的特点，这对于实际应用来说具有一定的局限性，还需进一步发展。而半固态金属流变成形则能够避免铝合金成形工艺的应用限制问题，因此也具有较大发展前景。本文通过重点分析模具加热系统和内浇口截面积大小与半固态压铸成形的影响，来进一步探究铝合金标准试样半固态压铸模具设计的具体影响因素及注意事项。
1 国内外半固态压铸工艺发展现状
半固态金属浆料与传统过热的液态金属相比处于固态和液态之间的一种形态，既具有初生固相，也含有非枝晶形态。所以，半固态成型技术也具有一定优
点。能增强压铸件的致密性和硬度。相比液态金属压铸件强度高、承压能力强，便于成形，物理性能好，生产效率高等优点。同时，半固态成形工艺也存在一定缺点，包括半固态金属胚料制备费用较高，搬运成本高，胚料表面氧化严重，成形工艺流程较长等缺点。与传统液态压铸技术相同，半固态金属成形技术也关注压射速度和浇注温度对压铸件质量产生的影响。目前，半固态铝合金镁合金成形技术的实际应用已经趋于成熟，并在很多国家的实际商业领域得到应用。其中，美国在这一方面的研究及应用处于领先地位，意大利和日本等国家也相继发展起来。我国随着科学技术的发展也在不断赶超世界领先水平。其次，意大利也是应
用半固态成形技术较早的国家之一。我国半固态金属成形技术尚在发展阶段，要想达到大规模的工业化生产还需要一定时间。虽然我国的半固态坯料压铸成形
技术已经能够支持生产汽车上的涡轮和连杆等重要零部件，但从长远发展和工业化生产角度来看，要实现工业化应用还需要更加成熟的技术和工艺。就我国的半
固态金属成型技术的发展现状而言，工业化生产的发展前景是指日可待的。从广义上将影响我国半固态金属压铸技术发展的重要原因在于能源，浆料的制备方
法、定量浇注技术、压铸工艺参数的选取、浇筑工艺控制等都是直接影响因素。
2 半固态压铸模具设计工艺
半固态压铸技术与传统的液态压铸技术不同，由于半固态浆料相对液态浆料的物理温度不同，在金属液凝固时已经释放了部分结晶潜热量，这也就直接影响了模具的温度，从而减轻金属温度对模具的热冲击，这个特性能够帮助延长模具寿命。下面就针对铝合金半固态浆料的物理特点，对压铸模具结构、模具加热系统、内浇口截面积大小等的设计细节进行分析。同时，对压铸模具加热系统和内浇口面积大小选择设计对半固态压铸件质量及强度的影响进行重点探究，以此为半固态金属压铸成形工艺的成熟发展提供有利理论依据。
2.1 压铸件结构分布
压铸件尺寸的选择应该按照国家标准 GB/T13822—92标准测试压铸有色合金的抗拉强度和硬度的试样。同时，应采用1模具4件的原则，两侧的2件为
拉伸试样，中间2件是硬度试样。结构组成三维造型。其中，需要注意的是，为了让半固态金属浆料在进入内浇口前的流动情况保持一致，应重点关注1模4
件的压铸构件分布设计。
2.2 压铸模具设计
2.2.1 压铸机
压铸机的选择应遵循压铸件的结构特点，以及合金成形技术要求来对比压进行针对性选择，结合模具结构估算出压铸件、浇注系统和溢流槽的投影面积，最终得出压铸件所需要的压铸机锁模力。然后根据使用要求选取压铸机。
2.2.2 浇注系统
浇注系统用来将金属液导入压铸件的型腔内。而浇注系统的主要结构由直浇道、内浇口和横浇道组成。在压铸模具设计时应根据标准试样压铸件的特点进行选择设计。在半固态金属压铸模具设计和应用过程中，浇注系统的设计是重要环节。浇注系统与排气溢流系统和浆料在型腔内的流动状态有直接关联。通过浇注系统还能够控制浆料的充填速度、时间及温度等条件。
（1）直浇道。压铸机的压室和浇口套组成了直浇道，而压室的结构尺寸在选择购买压铸机时就已经确定。直浇道在设计时为了满足拆装方便的硬性需求，将压室和浇口套的同轴度设计偏差缩小。对浇口套和压射冲头的间隙选择也应满足压铸模具应用需求，间隙过大或过小都会影响金属浆料在压腔内的运动状态。所以，浇口套的配合和压射冲头的配合间隙应按照实际要求合理选择。
（2）横浇道。横浇道在压铸模具中的设计用途主要在于稳定层流流动，采用T
型横浇道结构，横截面积的大小应是内浇口面积相加之和，横截面积的灵活设计目的在于防止半固态金属浆料在流动时出现负压，从而减少或者防止出现涡流卷气现象。
（3）内浇口；内浇口的尺寸设计关系到平稳的充型流动过程。半固态压铸件的质量在同等情况下要优于液态压铸件质量。所以，将内浇口设计在铸件的端部也能够降低涡流卷气现象的发生，有利于提高压铸件的凝固速度和质量。
2.2.3 排溢系统
排溢系统的设计主要是为了提高铸件的质量，通过排溢系统排除型腔内的气体和冷污浆料。在排溢系统的设计中，应注意溢流槽和排气槽的设计位置和结构的合理性。不合理的排气槽和溢流槽会阻碍气体在压铸过程中的排除，同时也不利于冷污金属和集存混有气体残渣排除。
2.2.4 成形零件结构
成形零件结构的使命寿命直接与压铸模具的寿命相连。成型零件结构与高热金属液直接接触，在此过程中成形零件会受到高温和高压的冲击。所以，半固态压铸模具中的成型零件结构应选择镶拼式结构和主体式结构。在简化加工工艺的同时，也提升了压铸模具的使命寿命和制造效率。在压铸过程中更便于零件的更换和修理，以此提升工业化工作效率。
2.2.5 推出机构
推出机构的原理主要是在半固态金属压铸成形过程中，压铸件表面会受到不同程度损坏，为了避免损坏在溢流槽上设计推杆，通过推杆的推力作用将半固态铸件带出压铸模，以此保证压铸件表面不受损坏。这样的设计处理过程能够最大限度提升压铸件的质量。
2.2.6 加热系统
加热系统的设计主要是为了对模具进行预热。半固态金属浆料相比普通的液态金属浇注温度也较低。所以，对模具的提前预设是必要环节。在进行预热后，还应保持压铸过程中的温度恒定环境，使压铸合金保持流动性和成形性，以此保证压铸件的质量。其中电热棒加热应用较普遍，具有加热升温快、操作简便的优点。在加热过程中应使压铸模具均匀受热，应选择在动模套板、定模套板、支撑板和定模座板等部位加设电加热棒。同时，注意在套版上安装测温孔，以便于实时准确地控制加热温度。
2.2.7 压铸模材料选择
金属液在压铸过程中直接接触的工作零件压铸模具的重要部分，这部分的材料选择也非常严格。半固态压铸成形过程中压铸模具与压铸金属的温度差应适当控制合理范围。压铸不同金属所需要的模具材料性能要求也不相同。铝合金的压
铸模材料就需要高回火抗力和高冷热疲劳抗力这两种性能要求。因此要选择具有良好渗氮性能的材料。成型工作零件也是与金属液直接接触的结构材料，在铝合金半固态成形中，成形零件选材应用耐热钢，以体现其重要物理性能。需要注意的是，在改材料使用前应该进行热处理，热处理的方法可以选择盐浴。
2.2.8 模具整体结构
结合压铸件结构和浆料的压铸性能要求，模具的整体尺寸应根据压铸件结构的相关参数以及压铸件所需特性要求来决定。
2.3 内浇口截面积分析
本文为了探究不同内浇口截面积对半固态压铸件力学性能的影响，因此选择通过压铸不同工艺参数的压铸件，对模具内浇口的尺寸进行试模。
3 压铸工艺对压铸件质量的影响
为了提高压铸件生产效率，缩短工艺定型时间，在保证压铸件质量优良的前提下，首先应用压铸模拟软件进行压铸过程的模拟，从模拟结果中提取最佳压
铸工艺参数。
3.1 充型速度
金属液在模具型腔内的平均上升速度就是充型速度。而充型速度的数值选择也直接影响着压铸件的质量问题。若充型速度过大会造成金属液充型不平稳，可能会出现涡流卷气现象。而在满足压铸件型腔充满的情况下选择下限的充型速度就能够有效避免金属液出现喷射飞溅或者紊乱流动的现象。
3.2 压射比压
型腔内金属液体单位面积上所承受的压力可表示为压射力，而压射力和压射冲头横截面面积之比则称为压射比压。如果压铸过程中采用了较高的压射比压，就容易得到高质量的压铸件。在高比压条件生成的压铸件尺寸精准、外表光滑、轮廓清晰，并且还带有图案文字。这些压铸件的致密性也比在比压低的情况下生产的要高很多。根据这个特性就能够有效提高压铸件的硬度和强度。
3.3 浇注温度
液态金属从压射冲头进入模具型腔内的平均温度视为浇注温度。在压铸成形过程中测量压室内液态金属温度是不容易实现的，所以通常用保温炉内的温度来表示。若浇注温度显示过低则不利于金属液充型，这样生产出的压铸件表面容易产生花纹和冷隔等缺陷问题。在浇注温度过高的情况下则有可能导致压铸件产生毛刺飞溅和裂纹的缺陷问题。可见，浇注温度过高或者过低都会降低压铸件的力学性能，金属液对压铸模具的冲击力也会相应加重。所以，选择合理的浇注温度是生产优质压铸件的重要前提。合理的浇注温度既能够改善充型能力，也能够减少或杜绝压铸件缺陷问题的发生。
4 标准试样半固态压铸实验分析
随着工业技术的不断发展，半固态溶体流变压铸工艺也实现了新的突破。半固态溶体流变压铸工艺相比传统压铸工艺而言具有一定技术优势和成本优势。而影响半固态流变铸件质量的原因则是多方面的。从微观角度来看主要是由于半固态浆料的组织结构变化，其中突出的是压铸件圆整度和晶粒大小等。而从宏观角度来看主要是受到外部客观条件影响和内部工艺参数的作用，能否生产出高强度和致密结构的压铸件，主要受到熔炼工艺、浆料制备工艺和压铸工艺参数的合理性。保证上述工艺参数合理性和精确性就能够有效保证半固态流变压铸成形的刚
性要求和强度要求。
4.1 压铸实验工艺流程
本实验就采用自动操作手法进行研究。对压铸机的相关时间参数进行参数详细设置。压铸机压射速度的选取和设定需要通过快压手轮控制压铸模具预热温度来达到对加热系统的控制。其次，半固态浆料的制备选择电磁搅拌法。对于ZL104
合金的熔炼，首先应清理干净与合金有直接接触的坩埚等工具，并注重对精炼剂的选择。最后进行标准试样半固态压铸实验，对压铸模具记性电加热棒预热，事先准备压铸冲头及脱模剂，防止压铸时出现黏模现象。将半固态浆料注入 J1118F
型卧式冷室压铸机内，选取工艺参数后，对抗拉强度和延伸度进行测定。
4.2 半固态压铸实验结果分析
结果证明，模具加热系统对半固态压铸件充型产生一定影响。在没有预热情况下进行压铸半固态压铸件难以充满型腔，造成压铸件缺陷。而模具预热良好的情况下生产出的压铸件质量良好。数值模拟优化结果具有一定正确性和合理性，能帮助优化压铸件的力学性能。其次，压射速度对压铸件力学性能的影响，抗拉强度、硬度和延伸率随着压射速度增大呈现先增大后减小的趋势。而内浇口截面积对压铸件力学性能的影响则主要表现在，内浇口截面积大的铸件抗拉强度和力学性能要好于内浇口截面积小的铸件。相对于普通铸件，半固态压铸件在力学性能方面有一定优势。
5 结语
综上所述，根据对铝合金标准式样半固态压铸模具设计研究，可了解到，半固态压铸模具应符合标准试样成形要求。半固态压铸模的内浇口尺寸要明显大于液态压铸内浇口截面积尺寸，内浇口截面积越大压铸件质量越能得到保障。半固态压铸模具必须设计加热系统，加热装置设置均匀对压铸件的充型和凝固能产生保障作用。最后，压射速度过大会降低铸件的力学性能。
