論述了傳統(tǒng)壓鑄和擠壓鑄造工藝與裝備的應用現(xiàn)狀,介紹了擠壓壓鑄工藝的工藝 特性及其經濟性,提出了在普通壓鑄裝備上應用擠壓壓鑄工藝的方法。
關鍵詞：擠壓鑄造 擠壓壓鑄工藝 擠壓壓鑄機 模鍛
一、擠壓鑄造工藝與裝備應用現(xiàn)狀
擠壓鑄造技術發(fā)明了 65 年，它所具有強大的技術優(yōu)勢，已為機械制造工藝 行業(yè)所重視?？上軅鹘y(tǒng)思維方式和裝備研制滯后的制約，擠壓鑄造的優(yōu)勢仍 未得以最充分的展現(xiàn)。
現(xiàn)時擠壓鑄造工藝基本以開式澆鑄立式擠壓方式進行， 與工效最高的臥式冷室壓鑄工藝未能實現(xiàn)兼容。近年發(fā)展起來的立式閉模充型 擠壓鑄造，與 40 年前發(fā)明的"精、速、密"壓鑄原理一樣，都是以壓射機構進行 補縮，其公稱壓力有限，并未達到擠壓鑄造的補縮比壓要求，嚴格來說，還不 能算作真正意義上的擠壓鑄造。
與壓鑄技術相比，現(xiàn)有擠壓鑄造設備工效不高，零件成形尺寸精度低，成 本相對較高。由于設備的自動化程度低，對工人的技能要求較高，操作難度較 大，勞動強度高。同樣的零件，擠壓鑄造工藝的車間成本約為壓鑄工藝的 2--3 倍。加上壓射系統(tǒng)不完善，結構復雜的零件難以生產出來，限制了擠壓鑄造工 藝的廣泛應用。
擠壓鑄造工藝推廣應用所存在的問題，是由于裝備發(fā)展的滯后產生的。現(xiàn) 時傳統(tǒng)的擠壓鑄造工藝與裝備，最大的癥結在于未能真正與傳統(tǒng)壓鑄裝置的壓 射系統(tǒng)有效結合，合模、鎖模與擠壓如何很好地結合起來是其關鍵的問題。不 突破這一點，擠壓鑄造的工藝潛能就不能完全發(fā)揮出來，其對傳統(tǒng)壓鑄工藝的 替代性優(yōu)勢也就難以充分表達，傳統(tǒng)壓鑄技術也不能借此技術進行復合而躍上 一個新臺階。
二、 在傳統(tǒng)壓鑄機上應用擠壓壓鑄工藝的優(yōu)勢
傳統(tǒng)壓鑄工藝與裝備技術已相當完善，特別是臥式冷室壓鑄機及臥式壓鑄 工藝，它的壓射與合模鎖模裝置，具有極強的工藝適應性。因此，擠壓鑄造工 藝如果不能與傳統(tǒng)壓鑄裝備相結合，將制約它的廣泛應用?？绯鲞@一步，擠壓 鑄造技術將出現(xiàn)另一個分支，這就是擠壓壓鑄技術。換言之，在傳統(tǒng)壓鑄機的 基礎上應用擠壓鑄造技術，就是擠壓壓鑄技術。根據(jù)擠壓壓鑄自身工藝的特 點，對傳統(tǒng)壓鑄機進行相應的完善改造，這套設備就是一臺全新的擠壓壓鑄機 了。
1． 正確而全面認識壓鑄工藝與傳統(tǒng)壓鑄機的功能
把握擠壓鑄造工藝的原理，在傳統(tǒng)壓鑄機上地簡單應用擠壓壓鑄工藝并不 是件難事，關鍵的是突破傳統(tǒng)觀念。它需要對傳統(tǒng)壓鑄機所擁有的性能有全面 充分的認識，也要對傳統(tǒng)壓鑄工藝有深刻的理解，還要清除那些先入為主的模 糊認識。
事實上，現(xiàn)時傳統(tǒng)的壓鑄機，其功能已相當齊備，它不但能進行普通的壓 鑄，還能進行擠壓壓鑄、帶型芯擠壓壓鑄；不但能進行各種的低壓鑄造、差壓 鑄造、重力鑄造，增加抽真空裝置后，還能進行真空吸鑄、真空壓鑄、真空擠 壓壓鑄。如果思想再放開一點，將半固態(tài)加工、模鍛的技術與之相結合，形成 連鑄連鍛的工藝，也是可以有效實現(xiàn)的。
現(xiàn)有不少型號的壓鑄機，其壓射系統(tǒng)的壓射力、壓射速度都是"連續(xù)無級可 調"的。就低壓鑄造、差壓鑄造、重力鑄造的工藝特性來說，在普通壓鑄機上進 行上述工藝是沒有任何問題。在壓鑄機上安裝這種模具，也不是人們想象中那 么昂貴，因為它并非一定設計得如傳統(tǒng)壓鑄模一樣復雜。遺憾的是在實踐中我 們難見相關的應用及報道。這是我們對傳統(tǒng)壓鑄機及傳統(tǒng)壓鑄工藝的一個認識 誤區(qū)、觀念誤區(qū)和應用誤區(qū)。
2．傳統(tǒng)壓鑄工藝與裝備的特點及與擠壓壓鑄工藝的適應性
傳統(tǒng)壓鑄機分兩類，一類是全液壓主缸合（鎖）模壓鑄機，另一類是曲肘 機構鎖模壓鑄機。由于曲肘機構鎖模的設備制造成本較低，現(xiàn)時市場上該類機 型已占主導地位。
傳統(tǒng)壓鑄機有一個重要的特征，就是它的型號都是以鎖模力為主體參數(shù)命 名的，我們現(xiàn)在常說某臺壓鑄機是多少噸，就是指鎖模力的噸數(shù)。而擠壓壓鑄 機，它不但有鎖模力的參數(shù)要求，還必須有一個擠壓補縮力的參數(shù)要求，且這 個擠壓力參數(shù)還是最主要的指標。
如上所述，由于傳統(tǒng)壓鑄機有全液壓式和曲肘式兩種不同的機型，在進行 傳統(tǒng)普通壓鑄時沒有分別，但如果用作擠壓壓鑄時就不同了。擠壓壓鑄與普通 壓鑄的分別在于，鑄件在充型之后，擠壓壓鑄增加了一個主缸動力向前推進進 行補縮的工步，而普通壓鑄則只是自然冷卻，沒有補縮的工步。
在此還要細分和明確兩個概念，即合模力和鎖模力（或稱鎖模抗力）。合 模力是指推進動模所需的向前的動力，鎖模力則是為抵抗充型、脹型所需的抗 力，它可以只是一個靜力（反作用力）。因此，以傳統(tǒng)壓鑄機直接應用擠壓壓 鑄工藝，只能利用其合模力，也只有合模力才是一個向前推進的動力。合模力 的大小，決定了擠壓補縮力的大小。因此，全液壓式傳統(tǒng)壓鑄機，其最大合模 力就是其最大的鎖模力，也可作為其擠壓補縮力。而曲肘式壓鑄機的最大向前 擠壓力等于其合模油缸力乘以鎖模機構的杠桿比，但最大也不能超過其鎖模機 構所能承受的抗壓強度。用這種設備進行擠壓壓鑄，由于其合模初期位置并未 到達合模機構的自鎖"死點"，而擠壓終結位置才是其最大鎖模抗力的"死點"， 若以同樣壓鑄比壓充型，所能生產的零件的投影面積有所減少。
3．界定擠壓鑄造的主體技術特征
擠壓壓鑄最高的擠壓補縮比壓約為普通壓鑄壓射比壓的 5-10 倍。以擠壓壓 鑄的擠壓比壓衡量，現(xiàn)時除了用四柱油壓機改造的立式開模澆注擠壓鑄造機符 合擠壓鑄造主體技術指標外，其余裝置實現(xiàn)的，還只是屬于傳統(tǒng)壓鑄所屬工藝 范圍，還不是真正意義上的擠壓鑄造。這個概念，我們是要界定清楚的。
4．以傳統(tǒng)壓鑄機壓射裝置進行擠壓壓鑄工藝的不可行性
現(xiàn)時傳統(tǒng)壓鑄機無論是哪一種鎖模機構，受帕斯卡定律的制約，設計的壓 射力約是鎖模力的十分之一?，F(xiàn)行壓鑄工藝一般要求壓射比壓大致在 80MPa 至 130MPa 之間，每100 噸鎖模力能承受壓鑄的投影面積約 150--250 平方厘米。 由于擠壓鑄造工藝所要求的是補縮比壓而不是壓鑄比壓，擠壓補縮比壓最高要 求在 500MPa 至 1000MPa 之間，對于小尺寸內澆口的壓鑄件，我們不能采取用 壓射缸或輔助缸擠壓或"加壓"的方式進行冷卻補縮，必須由主缸動力擠壓補縮 才有實效。若真以"精、速、密"壓鑄方式進行擠壓壓鑄，就要加大內繞口尺 寸，使之具有順序凝固的特征。由于內澆道一般先于鑄件冷卻，不加大內澆口 尺寸，擠壓補縮就根本不可能實現(xiàn)。這種方法對于很多壓鑄件是不適用的。如 要達到上述擠壓補縮比壓，壓鑄機所能生產的擠壓壓鑄件投影面積，就只及原 來的十分之一。傳統(tǒng)壓鑄機生產的毛坯本來"可壓鑄投影面積"已經不大，再減 少九成，顯然是不經濟的，實踐上就失去了其應用的意義。現(xiàn)時的壓鑄機都有 壓鑄充型后期的"加壓"環(huán)節(jié)，但壓鑄件氣密性缺陷依然如故，用加大機型生產 小件零件這種"大牛拉小車"辦法，效果也好不到哪里去，所謂"精、速、密"壓 鑄，還只是一個漂亮的名字，40 年來都未見有實質性進步，生產這種壓鑄機廠 家的商業(yè)性宣傳，倒強化了工程技術和應用人員的認識誤區(qū)，使人迷失了方 向。
5．認識擠壓壓鑄技術的主體技術特征及其強大的技術經濟優(yōu)勢
擠壓壓鑄的主體技術特征，是體現(xiàn)"普通壓鑄充型，擠壓鑄造補縮"原理， 它是利用現(xiàn)有壓鑄機完善的壓射系統(tǒng)進行充型，同時又盡最大限度避開金屬液 相充型時帕斯卡定律對充型條件（零件可充型面積）的制約。這一點具有很重 要的意義，它也是擠壓壓鑄工藝的重要特征：擠壓壓鑄工藝強調的是在滿足充 型條件下，盡可能采用最低的充型比壓和速度，這種工藝思想，對要低壓充型 的各種厚大零件和成功實現(xiàn)帶型芯壓鑄是一個莫大的優(yōu)勢。這是它能替代低 壓、差壓、重力鑄造及部分帶型芯翻砂鑄造工藝的原因。擠壓壓鑄工藝的提 出，極大地拓展了傳統(tǒng)壓鑄機和壓鑄工藝可應用的范圍，其重大的經濟性還在 于，一臺傳統(tǒng)壓鑄機如以 1.4Mpa 的低壓充型，所生產零件的投影面積是原來的 80----100 倍，可以說，現(xiàn)有設備的工作臺能安裝的模具有多大，就能生產多 大尺寸的零件。用一臺傳統(tǒng) J1140 型全液壓 400 噸壓鑄機改造為同時具有 400 噸擠壓補縮力的擠壓壓鑄機，基本可以滿足擠壓壓鑄一般的汽車、摩托車輪轂 這種大規(guī)格零件的工藝要求了。以擠壓壓鑄的工藝性推測，一臺同時具有 500 噸鎖模力和 500 噸擠壓力的擠壓壓鑄機，即可對付現(xiàn)時九成以上的壓鑄件生 產，使用 500 噸以上鎖模力的傳統(tǒng)壓鑄機，已是一個很不經濟的做法，對小型 壓鑄廠來說，則具有極大的投資風險。
擠壓壓鑄工藝所蘊含技術經濟能量是令人驚嘆的。一個同等規(guī)模的擠壓壓 鑄廠，其設備投資將可比傳統(tǒng)壓鑄廠減少三分之二以上，其工藝適應性卻能覆 蓋除翻砂鑄造外絕 6．擠壓壓鑄工藝與傳統(tǒng)壓鑄裝備的切入口 以臥式壓鑄機為例，這種傳統(tǒng)裝備不用新增加機械裝置，也能應用擠壓壓 鑄工藝，也能生產擠壓壓鑄件，只是所生產的零件結構稍為簡單，零件的厚度 尺寸精度受到一定的限制。 由于傳統(tǒng)臥式壓鑄機并沒有一個專用的擠壓補縮機構，合模機構須同時承 擔合模和擠壓補縮功能，所用的擠壓壓鑄模具，設計的凸模是必須是整個零件 投影面積，實質是一個"沖頭"，與開式擠壓鑄造機所用模具相似，是一種最傳 統(tǒng)、典型的擠壓鑄模具結構。 因此，在傳統(tǒng)臥式壓鑄機上應用擠壓鑄工藝，需要控制好其合模的尺寸精 度。最簡單的辦法，可通過所謂的"實時控制"控制好合模的準確位置。通過在 壓鑄機上增加一個"位置電控"開關，并對壓鑄機的邏輯電路作相應的調整。壓 鑄件厚度精度，受制于這個"位置電控開關"的可控精度。通過這樣改進，整個 擠壓壓鑄工藝與現(xiàn)有的立式閉模（沖頭式模具）反壓充型擠壓鑄造工藝極為相 似。 用普通臥式壓鑄機進行擠壓壓鑄生產，由于是閉模充型，它不但可生產比 傳統(tǒng)立式擠壓鑄造機開模澆注方法生產復雜結構的零件，而且由于壓射系統(tǒng)也 比用四柱油壓機改造而成的擠壓鑄造機更完善，它也比立式閉模反壓擠壓鑄造 方法可生產出更復雜的零件，其復雜系數(shù)與傳統(tǒng)壓鑄工藝是一樣的。
7．擠壓壓鑄的模具頂出裝置與傳統(tǒng)壓鑄模具的異同 用傳統(tǒng)臥式壓鑄機應用擠壓壓鑄工藝，還有一個很不同的特征是其頂出裝 置。傳統(tǒng)壓鑄機一般使毛坯留在動模，而擠壓壓鑄工藝則是留在動?；蜢o模兩 種情形都可存在，它對模具結構、模具承力和模具成本產生決定性影響。新設 計生產的擠壓壓鑄機必須充分考慮這個問題。 值得注意的是，擠壓壓鑄模承擔高壓擠壓補縮，它比傳統(tǒng)壓鑄模應具有更 高的機械強度，應參考鍛壓模具的設計規(guī)范進行承壓強度設計，其頂出桿所需 強度也比傳統(tǒng)壓鑄模具的大。要更好解決擠壓壓鑄模具的強度和剛度這個問 題，必須簡化擠壓壓鑄模具的結構，這就要按擠壓壓鑄工藝對傳統(tǒng)壓鑄機進行 徹底的改造，或應用真正的擠壓壓鑄機了。
三、新型擠壓壓鑄機的設計 和傳統(tǒng)壓鑄機的改造簡述 在傳統(tǒng)壓鑄機的基礎上改造擠壓壓鑄機，有兩種途徑： 一是生產壓鑄機的廠家，按擠壓壓鑄工藝的特征，設計生產適應性廣的全 能的擠壓壓鑄機。壓鑄機生產廠家按該技術思路設計生產的具有相同鎖模力和 擠壓力的擠壓壓鑄機，整機的制造成本只比普通壓鑄機高 3%左右。具體改進方 案可參考該技術相關的專利文獻介紹。 二是現(xiàn)有的壓鑄廠家對其自有壓鑄機自行改造。 改造傳統(tǒng)的全液壓式鎖模壓鑄機為擠壓壓鑄機，成本是最低的，它只要在 設備上加上鎖模機構，成本在 5000 元至 1 萬元左右，設備型號噸位大小，相差 并不大。 曲肘式鎖模壓鑄機在一般機械廠都能完成改造工作。改造費用一般為設備 價值的 5%左右。將一臺鎖模力為500 噸的曲肘式壓鑄機改造為一臺同時具有 500 噸鎖模力和的擠壓補縮力的擠壓壓鑄機，成本約 3 萬元。 兩種不同類別壓鑄機改造成的擠壓壓鑄機，其擠壓壓鑄模具結構會有所差異，這是設計人員需要留意的。有關擠壓壓鑄模具的特點，將另文介紹。
四、結語 擠壓壓鑄工藝與裝備技術的提出，使擠壓鑄造技術大大向前邁進了一步， 但它還是一個新生事物，有待同行們在實踐中豐富和提高. 德國寶馬公司在 SAE 2006（2006年 4 月 3 日～6 日，美國底特律）上，發(fā)表了 面向直列 6 缸發(fā)動機的鎂合金氣缸體（在論文中標記為“曲軸箱”）的生產工序 （演講序號：2006-01-0069）。 該生產工序采用將鋁合金缸襯嵌入金屬模具后用鎂合金注入成形的方法。 配備采用該工藝制成的氣缸體的直列 6 缸發(fā)動機被配備在了“6 系列”及“3 系列” 上，“此次尚屬首次發(fā)表整個生產工序”（該公司負責輕金屬鑄造的總經理 Michael Hoesch）。展會上，該公司展示了該氣缸體的分解樣品（圖 1）。 圖 1：鎂合金氣缸體的分解樣品。左半部分去掉了缸襯的鋁合金部分。 該生產工序的第一步是制造鋁合金缸襯。其成分組成為 AlSi17Cu4Mg。利 用低壓鑄造工藝制造，不過硅的含量較高，因此與普通壓鑄法相比，在優(yōu)化工 序的各參數(shù)方面難度較大。為了模擬鋁熔液的狀態(tài)，使用了 MagnaSoft 公司的 FDM（有限差分法）軟件。 第二步是在缸襯表面涂裝用以提高與鎂合金的密著性的鋁硅合金。其成分 組成為AlSi12。 “能否提高與鎂合金的密著性是生產工序中最難的部分”（Hoesch）。具體來 說，在并排配置兩根 AlSi12 金屬絲后，通過施加高電壓使金屬絲熔化，然后再 利用壓縮空氣噴涂在缸襯表面。由此形成的涂裝膜厚約 0.1mm。 由于該涂膜為多孔質膜，而且在成形時是通過對鎂合金進行壓鑄來將缸襯 包裹起來，因此 AlSi12 層就會因這時產生的熱量及壓力而進入反應進程，從而 便可達到使鋁合金與鎂合金密著的作用。鎂合金的種類采用的是“AJ62”。 該公司已在蘭茨胡特（Landshut）工廠建起了鎂合金冶鑄塊熔爐。每臺容 量為 3.5T，共 5 臺。為了搬運鎂合金熔液，開發(fā)了容量為 600kg 的專用熔爐， 利用叉車運至壓鑄機以供使用。 鎂合金的壓鑄成形工序如下。首先將經過涂裝處理的缸襯升溫至 400℃以 上，利用機器人將其插入壓鑄機的金屬模型內。然后利用鎖模力為 400T 的壓鑄 機向 700℃的鎂合金每次施加 30kg 的鎖模力。 然后打開模具，利用機器人將氣缸體取出，在趁熱刻印所需信息、去除毛 刺后進行機械加工，這樣整個工序即可完成。在沙眼的檢測上使用 X 線檢查裝 置。 提出了新的非破壞檢查法 在質檢方面，特點是確對鎂合金及鋁合金的接合部位進行檢查的方 法?，F(xiàn)有的非破壞檢查法包括 X 線、超聲波及 CT 等，這些方法由于無法檢測出 因熱膨脹的不同而導致的微小缺陷，因此該公司新開發(fā)了使用超聲波的熱成像 法（Ultrasonic-stimulated Lock-in Thermography）。 新的非破壞檢查法的原理是：通過向部件照射超聲波，就會誘發(fā)缺陷部分 的微小振動，使缺陷部分產生摩擦熱，從而便可利用熱成像儀高精度檢測在表 面?zhèn)鬟f的熱。這樣一來，便可實現(xiàn)對接合部的快速、高清度的質檢。 寶馬公司表示今后將在直列 6 缸發(fā)動機上配備采用上述鎂合金的發(fā)動機部 件。在展會上，該公司展示了采用鎂合金氣缸體的直列 6 缸發(fā)動機，以及配備 該發(fā)動機、預定在今后 6 月份上市的“Z4 酷派”。
