高真空（熱室）壓鑄工藝的設計及試驗

李海林發表于2025/3/21 11:05:16 熱室壓鑄機高真空壓鑄

原標題：基于熱室壓鑄機的高真空壓鑄工藝設計與試驗的研究

壓鑄件廣泛應用于汽車、五金、通信等行業。提升壓鑄件的生產制造工藝以提高壓鑄件的制造品質，對壓鑄業十分重要。研究者們總結了提升壓鑄件品質的兩種生產工藝法：真空截止閥法和激冷排氣槽法，并闡述了其結構原理，在此基礎上介紹了兩種國外高真空壓鑄工藝：Vacuum GolveBox 法和MFT法。在普通壓鑄機上通過壓射過程中壓射沖頭的位置控制抽真空過程中真空閥的開閉，避免合金液流入抽真空系統。通過在模具型腔末端設計牙型排氣槽與真空排氣槽相連，使液態合金經牙型排氣槽的阻擋作用后停止流動，避免合金液流入抽真空系統。在模具型腔末端設計了一種主副雙通道的抽真空通道，主通道的排氣截面大，由真空閥控制其開閉，副通道截面小且形狀為齒狀，以此增加液態合金流入其中后的流動阻力，避免合金液進入抽真空系統。在實際工程應用上，為了提高壓鑄件的成形品質，克服壓鑄件氣孔和縮松缺陷，提高壓鑄件的力學性能，企業普遍采用高真空壓鑄工藝，但存在的問題是模具型腔的密封性欠佳，同時伴有少量合金液被抽入抽真空系統，導致生產的穩定性不高，后續維護成本高。

本研究以MFT法和Vacuum GolveBox法為基礎，在普通熱室壓鑄機上實施高真空壓鑄。通過對熱室壓鑄模具密封裝置、抽真空口通氣阻料裝置及抽真空壓鑄工藝流程進行設計，確保密封箱與模具型腔內的真空度，從而實現穩定的高真空壓鑄工藝。結合試驗和實際生產，分析該工藝方法對鑄件斷面特征及力學性能的影響，為制備高質量壓鑄件提供參考。

圖文結果

實現高真空壓鑄工藝的關鍵技術有以下3點：一是模具密封；二是模具中抽真空口機構設置；三是抽真空流程設計。對于模具密封技術，目前國內普遍采用的方法是在模具上圍繞模具型腔進行密封機構設計，常用的方法其關鍵是在模具分型面上、模具推出機構及模具與壓鑄機射壓機構等部位設計密封圈進行密封，避免空氣進入模具型腔。這種方法的優點是無需單獨設計和制造密封裝備，其缺點是增加了模具的生產制造難度，縮短了模具的使用壽命。對于抽真空口機構設計，目前主要的方法有兩種：第1種是由基于杠桿原理的抽真空口控制裝置，該裝置是在模具抽真空口處設計由連桿連接的主從動活塞，抽真空時，型腔內的氣體通過模具抽真口抽離，壓鑄時，當合金液流經主動活塞時，主動活塞通過連桿機構帶動從動活塞閉合抽真空口，從而避免液態合金進入抽真空系統。這種機構的優點在于結構相對簡單、制作方便，缺點是生產時不斷有少量合金累積在主動活塞與活塞孔之間，造成活塞動作的不靈敏，導致合金液溢入抽真空系統，從而造成生產的中斷。第2種是在模具抽真空處設置由液壓缸帶動的擋板開閉裝置，抽真空時，液壓缸帶動擋板打開抽真空口，當模具型腔真空度達到要求時，液壓缸帶動擋板關閉真空口。這種結構能極大地簡化模具結構，缺點是由于各種原因導致的液壓缸運動不及時，使液態合金容易進入抽真空系統，從而造成生產中斷。抽真空的流程一般是在合模狀態下，先對模具型腔抽真空，當真空度達到要求后，停止抽真空，然后再啟動壓射流程，將熔融合金壓入模具型腔中。其優點是在壓鑄過程中，真空系統停止了對模具型腔的抽真空，其能有效避免合金液進入真空系統，其缺點是熔融合金在填充過程中，可能會混入少量氣體，從而影響鑄件成形品質。

圖1為設計優化后的熱室高真空壓鑄工藝結構圖。其中，將模具整體密封于矩形密封箱內，密封箱主體結構由定模密封箱底板1，定模密封箱套板2，動模密封箱底板14，動模密封箱套板13，圓環密封圈15、32、33，圓長條密封圈22、27、31等零件組成。其密封方案如下：將熱室壓鑄模具定模板3通過螺釘固定在定模密封箱底板1上，在其接觸面上設置圓環密封圈32、33；將動模底板16固定在動模密封箱底板14上，在其接觸面上設置圓環密封圈15；在動模密封箱底板14底端開設頂出孔，并在孔內設置矩形密封圈18，壓鑄機推桿19經頂出孔后再推動模具的推出機構將壓鑄件推出模具型腔外；在定模密封箱套板2和動模密封箱套板13的接觸面上設置圓長條密封圈27；在定模密封箱底板1與定模密封箱套板的接觸面上設置圓長條密封圈31；在動模密封箱底板14與動模密封箱套板13的接觸面設置圓長條密封圈22，通過上述位置的密封設計，除了模具與壓鑄機噴嘴接觸的進料口外，基本實現了對模具其余部分的整體密封。

圖1 熱室高真空壓鑄工藝結構圖
1.定模密封箱底板 2.定模密封箱套板 3.定模板 4.定模鑲件 5.微孔塞 6.型腔抽真空管 7、18、25、28.矩形密封圈 8、9.抽真空接口 10.動模鑲件 11.動模板 12.支撐板 13.動模密封箱套板 14.動模密封箱底板 15、32、33.圓環密封圈 16.動模底板 17.推桿 19.壓鑄機推桿 20.推板 21.推板固定板 22、27、31.圓長條密封圈　23.分流錐 24、30.接水管 26、29.冷卻水接口 34.澆口套 35.發泡塑料密封塞

模具抽真空口是與模外抽真空系統的連接通道，其作用是對模具型腔抽真空，同時避免壓鑄合金液被吸入抽真空系統中，對高真空壓鑄生產的穩定性起決定性作用。為了避免在模具中設計復雜的抽真空口開啟和閉合裝置，本工藝抽真空口的設計方案見圖1。在模具抽真空口前設置了具有通氣阻料功能的微孔塞5，其作用是抽真空時能讓模具型腔中的氣孔快速通入其中被抽離，壓鑄時能有效阻擋合金液進入其中，避免合金液進入抽真空系統，該部件由酚醛樹脂加熱至熔融狀態后與細砂均勻混合后壓制而成，具有耐高溫、抗變形、透氣性好的優異性能。

在生產實踐中，為了便于安裝，將微孔塞制成梯形圓臺狀。在動模鑲件10靠近產品型腔末端溢料槽位置的后面設計一個梯形圓孔，如果是大型的壓鑄件可在型腔多個位置設置多個梯形圓孔，將微孔塞放置其中，在圓孔的底部開設抽真連接通道，再通過型腔抽真空管6與動模密封箱套板13上連接抽真空系統的抽真空口8相連，同時在動模密封箱套板13上開設了專用于對密封箱內部抽真空接口9。抽真空時，模具型腔內的氣體通過抽真空接口8抽離，密封箱內的氣孔通過抽真空接口9抽離。為防止外圍氣體進入密封箱內，在型腔抽真空管6上設置矩形密封圈7，在用于控制模具溫度的接水管24、30上設置密封圈25、28。這種抽真空口設計的特點是通過對模具型腔及模具外圍同步抽真空，能有效地提升模具型腔的高真空度，同時進一步簡化模具結構設計與生產制造難度。

由于方案是在普通熱室壓鑄機上實施高真空壓鑄工藝，因此，在進行高真空壓鑄生產前，需將抽真空系統與壓鑄機控制系統進行系統集成。抽真空系統硬件結構主要由電氣控制系統、電機、真空泵、真空罐、真空閥、真空度表、過濾器、傳感器、真空管道等零件組成。控制部分由PLC控制變頻器對三相異步電機的啟停及轉速進行控制，從而控制真空泵實施抽真空工藝。

圖2為系統集成后的壓鑄工藝流程，分普通壓鑄模式和高真空壓鑄模式。在普通壓鑄模式下，按照壓鑄機現有壓鑄流程進行壓鑄；在高真空壓鑄模式下，在壓鑄機開合模機構的作用下，使密封箱及模具合模，當傳感器檢測到合模完成信號后，傳輸信息至PLC控制系統，當PLC控制器接收完信息后，啟動電機運轉并通過帶傳動機構帶動抽真空泵對模具密封箱及模具型腔抽真空。當真空度達到要求后，由PLC控制系統的數據通信功能與壓鑄機控制系統進行信息交互，從而啟動壓鑄機的壓射流程。合金液在壓射機構的作用下，經模具直澆道、橫澆道、內澆口后注入模具型腔內，保壓結束后通過真空閥停止抽真空，待壓鑄件冷卻后，通過在壓鑄機開合模機構的作用下，使模具密封箱及模具處于開模狀態。通過壓鑄機推桿經模具推出機構將壓鑄件推出模外，再通過壓鑄機使模具密封箱及模具進行合模，至此完成一個生產周期。

圖2 抽真空工藝過程

為了檢測上述高真空壓鑄工藝方案的實際效果，設計一截面形狀為梯形的S型壓鑄件，以較好地測試合金液在不同壓鑄環境下的流程，同時方便后續的質量檢測。圖3為S型壓鑄件及S型鑄件模具與真空箱。其中，梯形的S型壓鑄件截面尺寸為5.5 mm×5 mm×3.5 mm，見圖3a。此外，為制取S型壓鑄件試樣，設計并制造S型鑄件的熱室壓鑄模具及其密封真空箱，定制了發泡塑料密封塞和微孔塞，將發泡塑料密封塞放置在模具的直澆道內，將微孔塞放置在模具抽真空口處的梯形圓錐孔內，實際獲得S型鑄件的配套模具與密封箱見圖3b。

為制得梯形S型壓鑄件試樣以分析設計改進后的高真空壓鑄工藝對鑄件斷面特征及力學性能的影響，選擇ZA8鋅合金進行壓鑄。該合金具有良好的流動性和尺寸穩定性，抗變形能力高，常用于壓鑄尺寸小、精度和強度要求很高的鑄件。ZA8鋅合金化學成分見表1，物理性能見表2。

(a)S型壓鑄件 (b)S型鑄件模具與真空箱
圖3 S型壓鑄件及S型鑄件模具與真空箱

表1 ZA8鋅合金成分組成(%)

表2 ZA8鋅合金的物理性能

將S型鑄件模具安裝在密封箱內，再將密封箱及模具安裝在熱室壓鑄機的工作臺上，將抽真空系統與模具型腔抽真空口及密封箱抽真空口相連。為了使熔融合金冷卻凝固，需在密封箱上冷卻水接口為模具成形零件外接外圍冷卻循環系統。為了便于合金液在型腔內的快速填充，先通過柴油噴槍將模具溫度預熱至200 ℃左右，同步在壓鑄機上進行壓鑄工藝參數的設置。一般而言，對于壁厚大于5 mm的鋅合金壓鑄件，壓射比壓設置在50~60 MPa之間，合金液通過內澆口的填充速度設置為20~30 m/s之間，填充時間設置在0.048~0.072 s之間，澆注溫度設置在420~440 ℃之間。根據S型壓鑄件的結構特點，本試驗設定的工藝參數見表3。

采用以上相同的工藝參數分別對S型壓鑄件進行普通壓鑄試驗和高真空壓鑄試驗。普通壓鑄時，在模具處于開模狀態時，將微孔塞放置在動模鑲件抽真空口附件的梯形圓孔內，在0.1 MPa下進行常規壓鑄生產。高真空壓鑄時，當模具處于開模狀態時，將發泡塑料密封塞從模具分型面裝入模具直澆道內，當傳感器檢測合模完成信號后，啟動抽真空系統對模具型腔抽真空，當傳感器檢測模具型腔內壓力小于2 kPa時，啟動壓鑄。合金液在壓鑄機壓射機構的作用下，經模具澆注系統快速填充模具型腔，經保壓、冷卻凝固后開模，在模具推出機構的作用下將S型鑄件推出模外。為了分析不同壓鑄環境下鑄件的力學性能，分別對普通壓鑄工藝及高真空壓鑄工藝獲得的S型鑄件取不同的部位作為拉伸試樣，見圖3a位置1~4處。

為進一步分析設計優化后的高真空壓鑄工藝對實際工程應用的適應性，采用上述相同的工藝過程，分別制取普通壓鑄工藝下和高真空壓鑄工藝下的長條形壓鑄件。企業試制生產的鋅合金長條形壓鑄件外形尺寸為250 mm×70 mm×60m m，壁厚為3.5 mm，試制產品配套的長條形鑄件模具與密封箱見圖4。

表3 S型壓鑄件壓鑄工藝參數表

(a)定模部分 (b)動模部分
圖4 長條形鑄件模具與真空箱

圖5為不同壓鑄條件下所獲得的S型鑄件。可以看出，在普通壓鑄工藝下，由于模具型腔內氣體未能及時排出型腔外，導致合金液在充填過程中，受到來自型腔內氣體的反向阻力，使液態合金未能填充滿S型鑄件的末端，鋸開產品橫斷面發現，產品斷面特征中殘留少量氣孔缺陷。在設計優化后的高真空壓鑄工藝下，由于模具外圍及模具型腔內的氣體在壓鑄前被抽離至高真空，因此，液態合金在填充過程所受阻力小，能順利填充整個S型鑄件，鋸開產品橫截面未發現有氣孔及縮松缺陷，產品截面特征的致密性較好。表4為不同壓鑄環境下所獲得的S型鑄件在拉伸試驗后，由WE-100液壓式萬能測試機測得的抗拉強度及WILSON-UH4250型萬能硬度計測得的硬度數據。

為進一步分析設計優化后的高真空壓鑄工藝對實際工程應用的適應性，圖6為壓鑄企業針對不同壓鑄環境實際試生產的長條形鋅合金壓鑄件。采用普通壓鑄工藝時，由于產品外形尺寸較大，壁厚較薄，合金液在填充過程中，模具型腔內氣體未能在充填時間內排出模外，導致合金液受到較大的反向填充阻力，使試制產品左下端出現填充不足的缺陷。采用高真空壓鑄工藝后，抽真空系統在壓鑄前先對模具型腔及密封箱抽真空，液態合金在高真空狀態下填充模具型腔時，充填過程反向阻力小，試制產品能順利的充填完整，見圖6b。可見，在普通熱室壓鑄機上通過設計優化實現的高真空壓鑄工藝能大幅提高壓鑄件的成形品質。