何海平
广西科创新材料股份有限公司
【摘要】过去应用的传统压铸件通常存在卷气、缩松缩孔的缺陷，伴随科学技术的发展，真空压铸技术在原有的技术基础上增加抽气系统，很好地解决成型过程快速抽取型腔气体的问题，也解决了合金液在真空中充型产生气体的问题。本文结合笔者多年的研究与实践，探讨真空压铸技术的研究现状以及应用的关键技术，以供参考。
【关键词】真空压铸技术;研究现状;关键技术
长期以来，人们使用的镁合金压铸技术填充时间较短，型腔的气体无法及时排除，容易溶解在铸件或形成弥散分布的气孔，这些问题又会受高温影响膨胀，最终导致铸件变形，表面鼓包。真空压铸技术是获得高性能镁合金压铸件的一种重要方法，其主要技术特点是利用辅助设备将压铸型腔内的空气抽出形成真空状态，并压射金属液成形，从而获得高性能镁合金压铸件。 真空压铸主要优点有：减少压铸件内部气孔、减少型腔内表面反压力与压射比压、延长模具寿命、提高铸件表面质量、提高铸件的致密度和降低气孔率、 增加压铸件的可热处理和可焊性。
1.真空压铸技术的研究现状
1.1真空压铸技术的实现
19世纪60年代，当时应用罩式真空装置进行真空压铸。但是罩式真空装置存在操作不便、动作程序与一般压铸机不完全相同、投资大耗能高而有效性低等缺点，未能实现工业化。上个世纪70年代国内曾推出过引气压铸法， 即由模具内的排气槽迷宫布置的尾部接上真空来强化金属充填时的排气作用。配用这些系统实现真空压铸时，模具外边不需要罩子，动作程序与一般压铸机相同[1]。进入上个世纪50年代末期，真空压铸得到快速发展，各个国家竞相进行研究试验，也取得一些突破性的进展。美国哥德哈默的真空压铸系统，其工作特点是没有受控的抽气截流阀。型腔、压室由波形转折的薄片通道连接真空源，薄片通道成 90°多次转折并有外冷却。优点是金属液充填型腔进入薄片通道内逐渐失去流动能力而关闭真空源， 缺点是排气通道面积小，抽气量受限制。上个世纪90 年代，真空压铸以抽除型腔内气体的形式为主流，将真空阀装在模具上，其最大的优点在于模具的设计和结构基本上与常规压铸相同，分型面、推杆配合面、模具型腔镶拼接合面和冲头压室配合面等各处都不必加密封填料，只有排气道的设计和计算有所不同。
近年来，真空压铸技术的研究与应用主流转向快速可靠抽除型腔内气体上。国外研究了几种以模具内设置排气槽和抽气截流阀为特征的真空压铸系统，当压射冲头越过压室浇料口时，模具型腔与真空管道由排气截流阀接通大流量真空泵，合金液在型腔具有一定负压的情况下充型。其工作特点是当金属液开始填充型腔时，真空系统及时对型腔进行大排量的抽气，当金属液通过沟槽进入真空阀时，首先冲击真空启动阀芯从而触发连锁机构，在极短的时间内关闭真空排气阀芯实现断流。这种双阀芯的主要优点是在填充过程能够实现全程排气，真
空阀在型腔充满的极短瞬时可靠地关闭，同时实现全程排气和及时防止金属液进入真空管道阻碍抽真空的进行。
国内压铸行业看到真空压铸技术的发展趋势，专业技术人员以及一些研究单位也相继对真空压铸技术进行了研究。有专家自主研发设计了一种高真空截止阀， 其主要特点是利用金属液流动的惯性力使杠杆及时关闭阀门，防止熔融金属液堵塞排气管道。还有专家发明了一种真空高压铸造方法与带补压功能的高压铸造模具型腔抽真空方法及装置。真空高压铸造方法涉及一种轮盘类真空压铸件的高压铸造方法。其实现方法是：在真空辅助下浇注熔体完毕后，通过断环型横浇道和切向内浇口实现先轮缘、轮辐，后轮心的顺序充型；填充完成后，通过压头和位于型心外延渣包上的补压头一起加压补压，直到铸件全部凝固，最终获得充型良好，轮缘和轮心热节上均无凝固收缩和气孔的高质量轮盘类铸件。
1.2真空压铸工艺研究现状
目前对压铸件内气孔的研究主要集中在铸造工艺对气孔的影响上，由于真空压铸过程充填速度快，很容易卷入气体而形成气孔，气孔的存在直接影响着铸件的表面质量、强度和抗疲劳寿命。比如对镁合金压铸件孔洞的分布和形态对铸件性能的影响。有国外学者采用超真空压铸技术提高了镁铝锰合金的挠曲疲劳和抗腐蚀性能，同时也通过应用高真空技术将铸件气孔消除，比如第一阶段利用真空装置在很短时间内将型腔内的气体抽出；第二阶段抽真空的同时填充熔液；第三阶段在抽真空和保持高压条件下，将熔液高速压射，同时对铸件加压，获得组织致密的铸件。通过实验验证对比3种压铸方法的铸件性能，得出高压真空压铸能够得到表面质量好、组织致密、焊接性好、可热处理的铸件。有学者通过正交实验研究真空压铸过程中慢压射速度、快压射速度、封口堵塞长度(即压头封闭浇口后与一速感应开关间的距离)3个影响因子对型腔真空度的影响，3个因子间独立、无交互作用。得出慢压射速度较小，慢压射长度较长的情况下，慢压射所用的时间越长，型腔真空度就越高。得出获得高真空度最佳工艺参数：浇注温度680 ℃，慢压射速度 0.1 m/s，快压射速度 5.0 m/s，补压压力 1.2 MPa，封口长度为 10 mm。随着计算机技术的快速发展，采用计算机实现对铸造工艺参数、设备与生产过程的精确快速检验和控制，利用计算机辅助进行铸造工艺的优化设计，预测铸造缺陷，则能保证铸件质量，缩短生产周期，降低生产成本，提高铸造生产的经济效益。有人[2]运用有限元模拟仿真软件对镁合金 AZ91D 壳形件进行多组正交试验真空压铸过程的数值模拟，找出最佳的压铸工艺参数。采用真空压铸镁合金工艺，同时结合CAE思想，对熔融金属充型和凝固过程作出评估，并从液态金属充型和凝固过程的基本特点出发，采用有限元进行网格划分，用铸造仿真软件Procast对两种浇注系统设计进行压铸和真空压铸工艺充型、凝固过程模拟，观察流场和温度场分布，预测缺陷出现部位。还有人[3]通过仿真模拟软件Flow-3D对镁合金压铸件 480sc 发动机罩盖的充型凝固进行了模拟仿真，分析了缺陷形成原因是由于压射速度过慢，合金液提前凝固不利于补缩，通过数值模拟，确定了充型凝固过程中流痕、缩松、缩孔等缺陷形成机理与分布。并利用正交试验分析压铸工艺参数对铸件性能的影响，根据实验的结果确定优化的工艺参数为压射速度6 m/s、模具温度220 ℃、浇注温度700 ℃。
2.真空压铸关键技术分析
2.1设置推进式双层排气槽
当金属液开始填充型腔时，真空系统及时对型腔进行大排量的抽气。模具设计双层内置排气槽，沿着业态合金流动方向，首先设计多管浅层排气槽，进行一次排气，同时大量气体被挤压到尾部，此处设置深层排气槽，连接真空阀，进行快速抽空，实现全程排气。
2.2设置波浪形溢料管
本模具采用双道波浪形溢料管设计， 双道波浪形管道之间设有较深的溢料槽。采用双道波浪形面连接，可通过曲面实现合金密封，同时防止气体渗入，双道型面之间设有深槽，可用于存储溢出液体，防止金属流入真空管道。
3.结束语
综上所述，目前我国的专家学者对真空压铸的理论与实践普遍缺乏系统、深入的研究，抽真空辅助系统存在抽气效率低、真空阀关闭不可靠等缺点，而国外抽真空辅助系统价格昂贵使之不能得到广泛应用。因此，如何科学的实现快速抽气、制订真空压铸工艺还需要进一步实践摸索。另一方面，随着真空压铸应用越来越广泛，压铸模具越来越复杂，合理改进模具结构极为关键，亦可通过加强计算机数值模拟，实现屏幕试浇预测铸件的卷气、缩松缩孔等缺陷，方便设计人员开发设计模具，缩短反复试模、修模的时间，提高生产效率。
【参考文献】
[1]熊守美.高压铸造发展趋势及高真空压铸关键技术[J].第十四届中国国际压铸会议第5届有色合金及特种铸造技术国际研讨会.2020,3（5）：1-2.
[2]郑会芬.高动态响应真空压铸技术与系统的研究[D].重庆大学,2013.
[3]朱鹏.真空压铸辅助装备关键技术的开发与应用[J].华中科技大学,2014.