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真空壓鑄的工藝選擇

發布日期 : 2016-01-27     來源 : www.iwsdu.tw

     生產高質量低成本的壓鑄產品,從來都是壓鑄商一貫追逐的目標。由于其具體的所處地域,機器裝備,員工素質,管理理念,原材料供應渠道,產品服務對象的不同,盡管他們的最終理想相近,但得到的結果卻千差萬別。

  壓鑄是一個看似簡單,但個中工藝卻交織相錯的生產過程。壓鑄商面對的問題,并不是簡單用教材所說的方式就能迎刃而解的,如:產品有包渣---需要合金去渣凈化;內部有不規則縮孔---必須改變模具局部溫度分布;出現冷隔---確保合金溫熱流動;模具有飛料---檢查模具密合/壓鑄機合模力;表面或內部存在氣孔---增加排氣等。現實的問題要復雜的多,拿排氣來說,是被動排氣呢?還是真空排氣呢?具體怎樣去做真空壓鑄工藝選擇呢?

一、真空壓鑄工藝應用是產品的自然選擇

  就像重力鑄造用冒口排氣一樣,傳統的壓鑄采用排氣槽被動排氣;但與之不同在于壓鑄的壓射速度快,除了難免出現合金熔液比型腔的氣體和煙氣跑的快形成裹氣以外,壓室內的裹氣現象也必須面對,這就出現充型前的低速和多段低速控制。但排氣受制于諸多因素,時間,路徑,氣槽位置與大小,鑄件的幾何形狀等等。尤其在壓射瞬間,型腔內氣壓會大于大氣的壓力,這對于高質量低氣孔的傳統壓鑄生產,無疑是個大難題。

  真空的引用是對型腔氣體控制的一次革命,在總體降低氣體含量的同時,對于某些局部的氣孔率也可進行有效的控制。隨著與壓射周期同步的全過程真空排氣技術的出現,生產低氣孔率的壓鑄產品再也不是一種技術挑戰。在日趨激烈的市場競爭中,人們即使是選擇最低廉的產品,質量也總會是重要的考量之一一。至于為什么壓鑄需要用真空排氣,什么時候必須采用真空排氣,這要看壓鑄商生產什么樣的產品了。對于壓鑄商而言,迎合市場就要滿足產品的要求;產品有低氣孔率要求的,真空排氣隨時都是一種最實際的選擇。

二、真空壓鑄生產的基本要求

  就高質量的壓鑄生產而言,真空的應用并無特殊要求:性能良好的壓鑄機;精密的模具;緊密配合的壓室與沖頭;高質量的合金材料和熔化保溫過程;精確的模溫控制;良好的工藝潤滑等等。與傳統工藝不同的是:型腔要相對封閉,以形成真空排氣環境;還需要有優化的排氣設計。

  型腔相對封閉是真空應用的最基本要求。從外觀上看,型腔分型面飛料,壓室沖頭處不倒泄料。滿足了最基本的要求,真空排氣就一定會有效果!真空解決的是排氣問題,無論模具和壓鑄機的品牌檔次如何,面臨的排氣要求是一樣的。市場上除了進口模具和壓鑄機引用真空的成功實例外,也不乏國產模具和壓鑄機用真空同樣生產出高質量產品的事實。但反過來講,真空的應用可以改善但解決不了其它條件的不足,尤其是基本條件不具備帶來的問題。比如,盡管真空會使壓射力相對降低,壓射速度降低,但這不是使用真空排氣的主流目標。

  三、真空系統的選擇

  這是個非常有趣的話題。包括知名的和不知名的,國內壓鑄真空系統供應商大概有20余家:歐美4~5家;日韓臺灣的5~6家;國產的約10家。價位從幾萬人民幣到幾十萬人民幣。至于衡量良莠的標準,除了系統的品質,性能以及技術含量外,應用服務很重要,最有發言權的還是最終用戶。由于缺少一個統一的界定,壓鑄商在選擇壓鑄真空系統時常常會非常迷惑。 壓鑄真空系統包含了真空機和排氣元件。其中排氣元件的選取決定了整個壓鑄真空排氣的性質和結果。而真空機的選擇完全是在系統排氣能力要求下,為了配合排氣元件而考慮的。許多壓鑄商在初始選擇上往往反其道而行。

  完備的真空系統應具備:真空制造能力;系統排氣能力;自動控制能力;真空度檢測能力;系統自潔能力;故障診斷能力;廣泛兼容能力。

  ●真空制造能力---真空泵的高真空度維持能力和真空罐的真空儲存能力,這與所生產的鑄件的大小存在一定的內在比例關系;如不考慮經濟性匹配,當然越大越好。

  ●系統排氣能力---這是指排氣元件的最小排氣面積和與之連接管件的阻力。這還涉及到真空工藝要求:真空排氣始于真空機連接處,還是從排氣元件處開始,對于有苛刻排氣要求的工藝差別很大。排氣元件的匹配很重要,一定要適中,過大過小都無益。

  ●自動控制能力---指的是與壓鑄機機械手等的無間隙接口控制,也許這不是所有用戶都有的要求,但作為良好真空系統而言應是必須具備的。

  ●真空度檢測能力---是指型腔壓射時的真空度的檢測,這是個實時反饋控制。真空罐的真空度與之相差甚遠,極端的情況下可能會相差300毫巴以上,千萬不可用真空罐的壓力代替型腔壓力。

  ●系統自潔能力---除了在開模時進行污染度檢測外,管路的反吹也是必要的,可以在很大程度上延長真空元件和管路的維護間隔。

  ●故障診斷能力---操作員會即時得到故障信息,直接解決問題或把信息馬上反應給維護人員,以減少停機時間;而不是簡單的報告說:“真空系統停止了”。

  ●廣泛兼容能力---排氣元件林林總總,對于不同的壓鑄商生產不同要求的壓鑄產品時,會采用不同的排氣元件,機械閥,冷卻塊,電動或液壓閥等。在不換真空機的情況下,真空機必須可以兼容。

  壓鑄真空系統的選擇與壓鑄商采用排氣方案有直接的關系,在此以冷室真空排氣結束為分界,加以介紹和討論: 3.1 半過程真空排氣

  在收到真空閥關閉信號時,采用電動或液壓關閉真空閥。這種方式往往裝備較大尺寸真空排氣管路和較大排氣面積的真空閥,由計時器或行程開關或傳感器發出的合金熔液到達充型點前某處信號,將真空閥關閉,結束排氣過程。看得出,這時候壓射并未結束,充型時的煙氣無法排除。由于任何電氣元件的信號相應都存在著幾毫秒到幾十毫秒的滯后,所以真空必須在充型前結束,以致無法實現全過程排氣。該方式總排氣效率低下,最終型腔氣壓可能會上升至大氣壓以上,甚至數倍于大氣壓。

  3.2 全過程真空排氣

  這里指結束真空排氣是靠金屬自身的動能關閉真空閥,或金屬自身的凝固封閉冷卻塊排氣間隙,實現與壓射同步。分為以下幾個方式: 3.2.1 簡單排氣

  真空開始于沖頭越過倒料口,真空在排出型腔氣體前,需要先將管路的氣體排出。以件重10公斤的鋁鑄件為例,雙通道排氣,管路直徑25毫米,長6米,沖頭直徑120毫米,排氣行程600毫米,沖頭越過倒料口0.3秒,排氣時間1.2秒。所需排出的氣體為6.8升;額外管路氣體為6升;型腔容積為3.7升;有效排氣率為28.9%。這種方式可靠,可重復率高。缺點是在給定的壓射周期內,排氣負擔相對較重。 3.2.2 管路預抽全過程真空排氣

  在簡單全過程排氣情況下,先預抽管路氣體。管路真空排氣開始于關模甚至關模后瞬間;型腔真空排氣同樣開始于沖頭越過倒料口,這樣一來真空直接作用于模具排氣元件所在處,以2.1同例,壓射周期前預抽了管路氣體,有效排氣效率為54.4%。這種方式與2.1同樣有運行可靠,可重復率高的特點,而排氣效率大大得到提高。

  半過程真空排氣的管路預抽,由于半途而廢的排氣過程,效果基本看不出。 3.2.3 特殊全過程排氣

  首先說明的是,這種方式對壓室和沖頭配合要求很高,壓室需要特殊改造,已超出獨立的壓鑄真空系統排氣概念,應用并不為廣泛接受,又細分為: 3.2.3.1 壓室底部氣壓進料式

  當關模后,合金熔液從壓室底部由氣壓壓入后,真空即開始,類似于熱室進料方式。優點是省卻倒料口開放不能真空排氣的缺陷,排氣時間較長,至少長約普通倒料時,沖頭越過倒料口的時間,在2.1例中為0.3秒。做一個簡單計算:在2.1的情況下,排氣時間為1.5秒,則效率約為36.1%。這種方式的連續性好,效率較高,但需要很好氣壓保溫爐和特殊的壓室。請注意:為了防止堵塞,壓室下面的進料口可能會有保溫要求!可重復率的關鍵就在此。 3.2.3.2 壓室頂部輔助真空排氣

  不是新概念,但是新嘗試。關模,倒料,沖頭越過倒料口,此時真空開始于壓室頂部的排氣,模具上的排氣元件可與其共同開始。還是以2.1為例,輔助排氣按單通道計算,時間為0.6秒,但也額外增加了3升的管路氣體,總效率約為29.3%。此方式會使開始的排氣比較均衡,但壓室頂部的排氣點很快將被沖頭覆蓋。該排氣點的設置應遠離充型點,一般設在起始點和充型點中間。缺點是壓室需要改造,壓室頂部的排氣點容易堵塞。其它變化還有,沖頭越過倒料口后稍作停留,壓室頂部的排氣與模具排氣元件排氣分開控制:壓室頂部排氣可視為預抽,但這樣會增加壓射周期時間;或直接先用壓室頂部排氣,過了該點后再由模具排氣元件排氣,這樣做時,系統連續性也許會不好。突出的缺點是可重復率不高。(圖七)

  四、高真空和超高真空系統

  如果按照一般意義上的等級定義,高真空是指壓力介于1.3x10-8至1.3x10-12毫巴之間;超高真空是壓力低于1.3x10-12毫巴;壓鑄真空的范圍在50至500毫巴之間,按照以上定義最多算粗真空。在這里提到的是壓鑄工藝上的高真空和超高真空:50至100毫巴為壓鑄高真空,

  50毫巴以下為壓鑄超高真空。

  對于高真空,具備前面所述的高質量的壓鑄件生產條件實現起來并不難;但超高真空的挑戰很大,首先除了上面條件外,需要有至少比普通匹配要求兩倍以上能力的真空機;高精度的模具需要設置抗300oC溫度的耐壓密封;頂針至少要有40~50毫米的精密導向;采用卡環式的沖頭并保證與壓室緊密配合的高重復率;沖頭和型腔的潤滑要做到精確,并保證每個周期壓射前型腔的干爽和清潔。

  超高真空系統并不只是個獨立的真空概念,而是一個高效真空系統,加上其它與之相關連接部分的高效密封和精準潤滑。如果這是產品的要求,這個投資再大可能也要承受,比如要求鑄件要有精良的氣密性,T6處理,鑄后高焊接性等,否則實在是沒有必要。尤其是超大模具,真空系統外的投資可能是幾何倍數的增長。對于超出常規的要求,真空系統的投資已變成次要的了,相對的其它方面的成本要求卻高出太多。

  考慮到系統的兼容性和產品排氣的特殊性,綜合各種特點可以衍生和組合成更多不同類型的真空系統。在此,一定還要考慮到真空系統選擇的經濟性:無非是把真空系統的投資,加上能源消耗和維護成本,以及在超高真空下帶來的額外投資,一起按系統折算壽命打入每個壓鑄件中,看看所提高的成品率和省卻的廢品回收成本是否能在短期內抵消以上的費用,這是眾所周知的。真空不是萬能藥,使用得當只能減少由于排氣問題帶來的廢品率。一般來說,提高5~10%的成品率是正常的。在其它條件具備的情況下,一次成品率應該在97%~98%。為了再提高1~2%的成品率,引入超高真空顯得并不劃算。

五、綜合性比較(略)

六、其它成形工藝和處理 6.1 熱室壓鑄工藝

  真空在熱室壓鑄的應用與冷室相似,只是由于熱室的壓射時間短,有效排氣時間也短,所以對熱室壓鑄機的穩定性有一定的要求。另外,由于壓差的作用,熱室真空壓鑄工藝更容易將合金熔液過早的“吸入”型腔,這都要求參數的設定要更精準。值得注意的是,熱室壓鑄產品,如鋅合金鑄件,一般都需要做表面后處理工藝過程,對氣孔率更敏感,但就目前國內市場來看,真空壓鑄工藝還遠沒有引起國內熱室壓鑄商足夠的重視。 6.2 半凝固和擠壓成型

  這些工藝過程基本可以排除了“壓室”內的裹氣現象,但充型時一樣會有氣體和煙氣排出問題,就如熱室壓鑄一樣。運用真空要注意模具溫度控制,相匹配排氣面積的冷卻塊是經濟適宜排氣元件選擇。 6.3 低壓和低速壓鑄

  真空的應用是可行的,但排氣元件的選擇要慎重,比如靠金屬動能關閉的機械閥在此并不適用。與高壓壓鑄相比,該工藝應用真空排氣時,需要對相關的參數做很大的調整。 6.4 浸滲處理

  作為鑄后化學處理不乏為提高成品率的亡羊補牢之策。以下是壓鑄商在采用浸滲處理時需要額外考慮的:浸滲處理需要單獨的工藝生產線,設備,耗材,環保,額外工時和人工等等。而且并不是所有產品都可以接受這種處理。關于投資成本,計算并不復雜。

  七、小結

  真空壓鑄的工藝選擇要以產品的要求為依據,真空系統的選擇要點在于它的實用性和經濟性。簡單說真空泵+真空罐+冷卻塊就可以稱作是個真空系統,但問題是作為用戶,要知道真正需要的是什么,或者誰提供的系統是適合自己產品要求的。要在實用的基礎上找最經濟的,反過來可能就會有問題。這是兩者的次序性。

  在追求實用性的同時,要以滿足追求最大成品率為前提,但不能犧牲生產率,比如延長壓射周期或過多維護間隔;也不能只片面追求型腔真空度,高真空和超高真空只適用于對路的產品。這里說的兩者的同一性




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