间接挤压铸造的基本工艺设计.doc

间接挤压锻造工艺设计1间接挤压锻造工艺特点挤压锻造是对低速进入铸型内液态(或半固态)金属、金属基复合材料施加高机械压力，使其在压力下成形和凝固，从而获得铸件(或铸锭)一种成形办法。挤压锻造工艺低速充填型腔，避免了老式压铸容易卷气而产生铸件气孔问题，金属型内高压下强冷使得铸件基体组织细化，并抑制了割裂基体有害相生长。铸件可获得比普通压铸、重力锻造、低压锻造件更加致密和均匀组织，以及更为优秀综合力学性能，可进行焊接、阳极氧化、高温固溶等后续解决，性能接近或达到锻件水平，故该工艺又称为液态模锻。挤压锻造件具备较高尺寸精度和表面光洁度，是一种精密成形办法。挤压锻造产品涉及铝、锌、镁、铜、高温合金及复合材料。随着汽车、轨道交通、通讯、航空、军工等行业对轻量化、高性能、高品质追求，高强度轻合金零部件市场需求迅速增长，挤压锻造件性能优势在工程上得到了发挥。本文基于作者长期从事间接挤压锻造工程实践，从挤压锻造工艺性分析，间接挤压锻造机构造、工艺要素、生产控制等方面出发，讨论挤压铸件开发流程中需要注意若干核心要素，并提出具备可操作性技术解决方案。挤压锻造按压力作用方式分为直接挤压锻造和间接挤压锻造，如图1所示。国内大多使用油压机直接挤压锻造进行生产，获得了良好经济效益和社会效益，但由于设备功能及其控制系统局限性，需要作业人员有较高操作技术水平，铸件质量稳定性和生产效率有待提高。当前，融入了间接挤压锻造工艺通用挤压锻造机在装备能力、工艺控制水平、生产效率、产品性能和应用领域等方面都达到了较高水平。先进挤压锻造系统不但可以生产致密性、力学性能、抗腐蚀性能优于重力锻造、低压锻造、压铸产品，并且具备了可与压铸相媲美规模生产效率和工艺控制能力。如图2所示，卧式挤压锻造机生产单元重要由合型机构、动模板、模具、定模板、浇注机及保温炉、压射系统和工控机等构成。可实现模具清理、喷涂、合模、锁模、浇注、挤压压射、开模取件等全过程自动化，某些重要工艺参数，如合模力、压射力、压射速度、开始补压时间、保压时间等均可进行优选和存储。2铸件材料及构造工艺性分析21铸件材料挤压锻造工艺对不同合金牌号具备广泛适应性，常规砂型、金属型、压铸用铝合金都适合于该工艺。如：ZL101、ZL101A、AC4CH、A03560、A1Si7Mg3、ZL1021ZL104、ZL105、ZL107、ZLl11、ZL114、ZL1l5、ADC12、ADC10、A1Si12(Cu1、A383、A380、A390等；变形铝合金6061、6063、6082、7075也可以通过挤压锻造工艺成形。生产中要严格监控铝液中Fe、Si、Mg、Cu等元素含量，在其含量超过规定范畴后，要及时进行成分调节，否则也许导致一批产品性能不合格。对需要通过后续固溶强化进一步提高力学性能铸件，Mg、Cu含量更应严加控制。锻造镁合金材料同样合用于挤压锻造工艺，如：AM50、AM60、AZ91D等；金属基复合材料也合用于该工艺，如SiCpA1复合材料和ULTALITE复合材料等。22铸件构造工艺性分析产品构造与否符合顺序凝固原理，与否存在孤立热节需要补缩，与否存在影响出模内形式侧凹。铸件基本壁厚和最小壁厚与否符合挤压锻造工艺规定。挤压锻造工艺特点决定了其适合于生产厚壁铸件，可铸出铸件最小壁厚与铸件形状、金属液流动距离、模具温度、充型速度和浇注温度等均有直接联系。普通可实现壁厚6-50mm铸件生产，如平板类铸件尺寸在100mm100mm以内仍可实现壁厚2mm铸件生产。铸件不适当存在锐角，内圆角也不适当过大；其最小铸出孔尺寸应在3mm左右，且深度不不不大于直径4倍。此外还需考虑铸件强度、气密性、功能、工程实验规定，后续加工解决需求，需方年、月产品订单数量，铸件原有毛坯生产方式及公司既有生产资源配备等因素。3间接挤压锻造设备选取31锁模力选取锁模力是选用间接挤压锻造机型号决定性参数。锁模力作用重要是为了克服金属液挤压时反压力(即涨型力)，锁紧模具分型面，防止因模具松动引起金属液飞溅，影响铸件尺寸精度和内在致密度及引起人身事故。锁模力按式(1)计算：式中：F锁为间接挤压锻造机锁模力；K为安全系数，普通取125；P为压射比压力，依照铸件不同规定在60-40MPa之间选用；A件为铸件在分型面上投影面积，多型腔为各型腔投影面积之和；A浇为浇注系统在分型面上投影面积之和，由式(2)计算得到：A溢为排溢系统在分型面上投影面积之和；A侧芯为侧向活动型芯成形端面投影面积之和；为活动型芯座在模具楔紧处压力角度。式中：A直为直浇道在分型面上投影面积之和；A横为横浇道在分型面上投影面积之和；A内为内浇道在分型面上投影面积之和；A余为余料在分型面上投影面积，按式(3)计算。A余=DL(3)式中：D为挤压压室直径；L为挤压余料长度，普通取值20-40mm。32压室容量选取压室容量应可以满足每次锻造所需金属量(涉及产品、浇注系统、排溢系统等)总和规定。即：G室G浇(4)式中：G室为挤压压室容量，挤压压室容量可从设备制造商规格书中查得；G浇为每次浇注金属总质量。33容许模具厚度核算在考虑必要安全裕量条件下，设备所容许最小模厚应不大于拟使用模具厚度，设备所容许最大模厚应不不大于拟使用模具厚度。即：式中：H模为拟使用模具厚度；Hmax为设备所容许最大模厚；Hmin为设备所容许最小模厚。34开模行程核算开模行程即压铸机开模后模具分型面之间最大距离。要实现开模后顺利取出拟生产铸件和浇注系统，须满足如下条件：式中：L取为开模后分型面之间可取出铸件最小距离；L行为设备所能提供开模行程。4轻合金间接挤压锻造工艺设计41铸件收缩率铸件收缩率受合金成分、铸件构造、铸件壁厚、浇注温度、模具温度、涂料种类、铸件留型时间等诸多因素综合影响，普通在05-15内选取，设计时在模具上要留有调节余量。42拔模斜度在挤压铸件自身缺少构造斜度时必要设计拔模斜度。拔模斜度选取可参照普通压铸件进行设计。由于间接挤压锻造件壁厚普通均较厚，存在较大凝固收缩和固态收缩，因而在容许范畴内，宜采用较大拔模斜度，减小所需顶出推力或抽芯力，以防挤压铸件粘模、拉伤或变形。43加工余量铝、镁合金挤压锻造件加工余量(RMA)可在BD级范畴内选用。44分型面位置挤压锻造分型面位置亦即锻造时铸件在挤压铸型中位置，应综合铸件构造特点、尺寸、质量、合金牌号、技术规定后加以拟定。合理分型面位置应能保证获得外观健全光整、尺寸稳定、内在组织致密铸件。对于间接挤压锻造分型面应考虑如下因素：1)保证在开模时铸件能跟随动模从定模内顺利脱出。可通过侧抽芯机构、合理设计成形部位斜度、合理铸件顶出设计、合理浇注系统分割位置等办法来实现。2)铸件重要加工面、尺寸精度规定较高孔系平面、加工定位面、尺寸精度规定较高部位应置于同一半模内。3)分型面与内浇道匹配应有助于定向顺序凝固实现，且便于浇注系统布置。4)应使型腔具备良好溢流排气条件，在金属液最后充填部位设立分型面以利该部位成形。5)分型面位置选取应保证铸件外观规定，避免曲面、台阶分型或过长分型痕迹。6)分型面应避免设立在测量基准表面，铸件机加工面应尽量选作分型面。7)分型面选用应便于清整时浇注和溢流系统去除。45内浇口位置内浇口位置选取对液态轻合金充型流态、铸型温度场分布、铸件内部应力、铸件尺寸精度、铸件内在品质、铸件清整工作量等均有影响。对于间接挤压锻造内浇口引入位置应考虑如下因素：1)内浇口应开设在铸件厚壁处，形成由远及近温度渐高梯度分布，有助于铸件顺序凝固，畅通补缩通道为生产致密挤压锻造铸件创造了条件。对于构造较复杂铸件可按“弱顺序凝固原则”进行，即对每一种需补缩区域按顺序凝固规定采用内浇道分散充型，这样可使铸件各热节部位得到充分加压补缩，避免缩孔、缩松产生。2)内浇口应开设在平直表面上以便浇道去除；避免曲面分型和台阶分型所引起分型面跑料、泄压，增长清理模具工时。3)内浇口开设应有助于开模后铸件留于动模，以利开模取件。4)内浇口开设应有助于合金液平稳充型，尽量避免直冲溢流槽口，否则会堵塞排气通道引起气孔缺陷：尽量避免直冲型芯或型腔内凸台，否则这些部位在长期热作用后会引起粘模和磨损。5)内浇口开设应尽量在铸件浇注位置最下方，且至铸件左右两端有相近较短距离，避免因内浇口至铸件局部距离过远，或铸件局部位于内浇口下方而产生冷隔和夹渣。6)尽量开设单个内浇道，以免多股金属流产生冲击而卷气；内浇口要尽量短，弯曲次数要少，以减少合金液热量损失；内浇口设计时应防止铸件在凝固时产生收缩变形。46内浇口尺寸间接挤压锻造按顺序凝固成形，即凝固方向为产品、内浇口、横浇道、直浇道、料柄。其内浇口厚度比普通压铸厚。内浇口比例经验公式如式(7)：式中：Rg为内浇口比例；A1为挤压柱塞截面积；Ag为内浇口截面积。47排溢系统良好排溢系统设计、干净熔体解决、自下而上低速层流充填是减少气体侵入，实现固溶解决无鼓泡核心。模具中除需设计溢流槽、集渣包、排气道外，还可设立集中排气板、专用大气快排装置，甚至真空排气系统。排气道离开集渣包尺寸也可按(长深)10mm05mm、30mmx03mm、100mmx015mm三段设计。48型腔内铸件数间接挤压锻造为低速充型、高压补缩，对锻造条件合理性、均一性有较高规定，在与设备能力相匹配条件下一型一件较为合理。在铸件投影面积小、质量轻和抽芯条件允许状况下可作一型多件设计，工艺设计时要尽量保证每个铸件具备相似充型、排气、冷却、凝固条件。型腔数推荐采用2、4、6等偶数。49铸件尺寸公差铝、镁合金挤压锻造件尺寸公差按GBT6414一l999中CT5-CT7选用，而铸件壁厚公差可在尺寸公差基本上降一级选用。当客户有特殊规定期按双方商定原则执行。410铸件质量公差铝、镁合金挤压锻造件质量公差按GBT113511989中MT5MT7选用，当客户有特殊规定期按双方商定原则执行。5间接挤压锻造生产控制51充型速度及位置间接挤压锻造挤压柱塞动作可分为低速充填铝液至内浇口、充填型腔、保压凝固三个阶段。在低速充填铝液至内浇口期间，挤压柱塞宜以较低速度运动以排除型腔内残留气体。充填型腔过程完全按照流体力学流量守恒原理。设Qp为挤压柱塞处铝液流量，Qg为内浇口处铝液流量，则有：设内浇口面积为Ag，内浇口速度为Vg，柱塞面积为Ap，柱塞运动速度为Vp，则：间接挤压锻造在充填型腔阶段内浇口速度宜在100-600mms，由式(9)得出相应挤压柱塞速度：同样，基于液体不可压缩性，可以计算出金属液面分别到达不同位置时冲头在压室内位置。如此可以拟定金属液充填过程中冲头不同速度及相应速度切换位置，在设备上作出设定，实现高精度自动控制。保压凝固时间与铸件壁厚、质量、浇注系统设计、余料厚度等因素关于。保压时间过短，铸件未及凝固，余料有破壳泄压引起安全问题之忧。过长则铸件易浮现收缩裂纹、尺寸超差、出模困难、变形等问题。保压凝固时间普通在l025s。52挤压比压依照所生产铸件合金牌号、铸件壁厚、铸件构造、铸件技术规定综合考虑选用挤压比压。对结晶温度范畴大、流动性差合金，宜选用较高挤压比压；壁厚厚、构造复杂铸件，宜选用较高比压；浇道复杂、型腔散热快、铝液与模温温差大，宜选用较高比压；有气密性规定，有强度、功能或热解决规定，宜选较高比压。然而压力过高会带来设备和模具损耗大、能源消耗高和分型面飞边严重、容易跑料等问题，因而生产中应当依照产品特点，在满足其性能规定前提下尽量设定较低比压。挤压比压普通在6O-140MPa范畴内选用。在设备、每型锻造总质量、锻造投影面积一定条件下，可通过挤压比压在允许范畴内预设，或选取不同压室直径来满足工艺所需挤压比压。挤压比压调节前须重新核算胀型力与否在设备锁模力容许范畴之内。当铸件构造上有局部热节且难以规避时，可以考虑采用局部增压、型芯强冷等办法。局部增压比压可按挤压比压2-3倍设计；型芯强冷应采用软水，使用未经解决硬水，则冷却通路易堵塞。53浇注温度由于间接挤压锻造充型速度较慢，为防止冷隔需要比普通压铸有更高浇注温度和更精准、均衡模温控制。浇注温度过高容易带来跑料、飞边严重和铸件缩孔等问题，并增大粘模也许性，影响生产效率和模具使用；浇注温度过低，压室内易形成铝激冷硬化层，如激冷硬化层因挤压柱塞运动随铝液进入型腔，会在铸件上形成冷夹层缺陷【6。当铝液结晶温度范畴大、流动性差，铸件构造复杂、质量轻、壁厚较小，金属液流程较长、给料过程保温性差、给料循环时间长时，宜采用较高浇注温度，反之则可以恰当减少浇注温度。采用电磁泵给料时，为防止给料口堵塞宜采用较高铝液浇注温度，如ADC12铝液浇注温度宜在660-730；而采用摇晃压室铝液浇注温度则可在620-700。54余料厚度为满足轻合金液态挤压锻造顺序凝固加压补缩规定，需要一定厚度余料存在。余料过厚则减少工艺出品率、减少生产效率、增长收缩应力；过薄则易因补缩局限性导致缺陷。余料厚度普通宜在20-40mm。55模具温度为保证冲头压力在整个凝固过程中可以有效传递到型腔内各个位置，应有适当模具温度场分布。在方案设计时，通过设立环路冷却、点冷却、群冷却，故意识地将潜在缩孔转移至流道、料柄、渣包等非铸件位置或铸件上非重要部位。模具温度普通宜控制在180-250。对壁厚较薄或壁厚不均挤压铸件，在设计时可考虑配用模温调节装置，使用保温性良好脱模剂，缩短给料循环时间，设立合理喷涂时间和途径等办法。6结语间接挤压锻造工艺已成为获取高品质、高精度轻合金铸件重要工艺手段。随着通用挤压锻造机装备能力、工艺控制水平不断完善，间接挤压锻造工艺具备了强大产业竞争优势。间接挤压锻造工艺成功应用需要锻造工作者依照锻造产品规定及其工艺特点，从设备选型、铸件设计、挤压工艺设计、模具设计、生产过程控制、锻造辅料等各个方面不断加以完善。来自国际铸业网