何文卿，阮 毅，胡国颖，郭 滔，杨建庭

（广东省机械研究所有限公司，广州 510705）

0 引言

压铸是一种将液态或半固态的金属注入压铸机的压室内，并在高压力的作用下，以极高的速度充填铸模（压铸型）的型腔而获得铸件的高效益的精密铸造方法[1]。压铸是一种较为先进的铸造技术，具有尺寸精度高、稳定性好、互换性好、原材料可循环利用等优点[2]。铝合金具有比强度高、导热性能良好、密度小、高温熔体流动性好等优良特性[3]。铝合金压铸件结合了压铸与铝合金两者的优点，应用日益广泛，如航空航天、汽车、机械等行业。

压力铸造技术涉及机械制造、材料、冶金等多种学科，并且正在向交叉的学科发展。国外压铸先进技术随着人工智能、数字信息化的深度融合，能更加清晰地通过流场、温度场进行铸件质量的分析，优化铸造工艺[4]。我国压铸行业经历了50多年的锤炼，已经成长为具有相当规模的产业，但总体来看与西方工业强国还有一定距离，需要从设备、模具、从业人员、工艺水平等方面进行加强[5]。其中在传统的压铸压铸生产中，对压铸工艺的形成过程一般只是基于经验和一般理论上的控制，一项较为复杂的流程，不但需要一定理论基础、一定的实践摸索和经验积累，更重要的是，要契合现在数字化、智能化的潮流，对工艺方面的研究更多地引入数字化进行分析[6]。

铝合金压铸件的表面缺陷，如缩孔、冷隔、气孔等，使零件在使用时易于产生引力集中，降低力学性能[7]。同时表面缺陷会削弱零件的抗冲击能力、可靠性，甚至使零件在使用过程中发生脆裂或脆断。因此，表面质量是压铸件整体质量的重要组成，目前国内对表面质量的研究大部分集中在慢压射阶段如何保持熔体平稳避免卷入气体，从而减少或消除气孔这方面，对于快压射过程参数与气孔、缩孔、冷隔等的表面缺陷之间的关系的研究很少[8]。因此研究在快压射阶段产生或加剧表面缺陷的影响因素及成因，进而改进生产工艺，提升铸件质量，具有非常积极的意义。

1 实验方法

本文主要目的是探索快压射阶段压射速度-时间，压射加速度-时间及压射行程对铝压铸件表面质量的影响，采用3台卧式冷室铸造机进行实验，3台压铸机编号分别为#A1、#A2、#A3，其中#A2、#A3是同一型号且进行试验时使用的是同一套模具，#A1使用结构类似、复杂程度相当的另一套模具进行铸造试验。3台均为1000 t以上的压铸机，虽然#A1压铸机略小，但3台压铸机在压射力方面没有显著差异，具体如表1所示。

表1 三台压铸机压射力参数

冷室压铸机是一种压射室和压射冲头不浸于熔融金属内的压铸机，它的工作原理是将熔融金属注入压射室内部，然后进行压射[9]。卧式冷室压铸机压射过程的分级、分段明显并容易实现，能够较大程度地满足压铸工艺的不同要求，以适应生产各类型和要求的不同铸件的优点，应用广泛[10-11]。

卧式冷室压铸流程如图1所示[12]。

图1 压铸流程

在压射流程中，压射冲头的运动过程是压铸工艺的关键，对压铸件的质量有重要的影响。压射冲头的运动过程一般可以分为3个阶段[13]：（1）慢速压射，即压射冲头慢速推送金属熔体，使金属熔体以堆积形体充满压射室前段及内浇口前沿；（2）快速压射，即压射冲头快速推送金属熔体，使金属熔体迅速流经浇道进入模具，充满型腔；（3）增压压射，压射冲头压力迅速增大，向前压实模具内部的成型金属熔体。

压铸机在快压射阶段的实际压铸参数是铸件的表面质量形成的关键[14]。在快压射阶段，金属熔体完成模具型腔的填充、结晶凝壳、成型的过程。在凝壳初始阶段至凝壳稳定阶段，是表面质量的形成时期。

本次实验，#A2压铸机使用长行程进行压铸；#A3压铸机采用短行程压铸；#A1的行程居于#A2、#A3的行程之间。

快压射阶段的压射过程可以通过压射速度、压射加速度及压射行程-时间来表征。对于压射速度-时间、压射加速度-时间及压射行程-时间的测量，需要采用示波器对位置传感器的信号进行采集，并对示波器采取的电压信号如下处理：（1）先测量机台单位距离-脉冲数量来标定距离与脉冲数量的关系；（2）对采集的电压数据进行二值化0、1处理，并计算脉冲数量；（3）利用示波器的采样频率与时间的关系，计算时间及脉冲的数量之间的关系；（4）再通过已经标定的距离与脉冲数量的关系，可以得到压射行程-时间的关系；（5）有压射行程-时间的关系可以采用差分的方法得到压射速度-时间关系，再用拟合的方法得出函数表达式；（6）通过压射速度-时间的函数可以很方便地得到加速度-时间的表达式，从而完成快压射阶段压射性能的测量。

在压铸的快压射期间冲头的运动时间很短，要采用较高的采样频率，会产生较大记录行数的电压数据集，需要对数据进行处理后再进行分析，本试验的数据处理采用Python3.9.4软件。

在压铸实验完成后，从各机台生产的压铸件中各随机抽样30件，进行铣面处理及对表面缺陷进行测量与统计，从而判断铸件的表面质量是否符合质量要求。

2 实验结果

对快压射阶段的速度-时间的测量，3台设备的测量参数及数据处理结果如表2所示。

表2 三台冷室压铸机最大压射速度测量记录表

为了直观地表达各机台速度、加速度-时间的关系，将函数绘制成曲（直）线形式，具体如图2～4所示，根据速度与时间的关系，绘制压射行程-时间的曲线。

图2 各机台速度-时间

图3 各机台加速度-时间

压铸机在快压射阶段从初始速度加速至最高速度的时间段，是金属熔体对模具型腔进行填充的时间。不同初始速度加速到最高速度的时间及趋势如表3和图5所示。

图5 快压射从初始速度加速至最高压射速度的时间

表3 快压射阶段从初始速度（0.3～0.6 m/s）至达到最高压射速度的时间

本次试验#A1、#A2、#A3使用同一模具分别生产相同时长，再随机各取30件样品对外观质量进行测量、检验，具体取样结果如表4所示，外观质量评判标准：（1）φ10区域内，φ0.5～φ0.7砂孔不超过3个或φ1.5至多1个；（2）表面不允许超过φ1.5砂孔缺陷；（3）气孔是内壁较为光滑，形状为圆形或椭圆形的孔，缩孔是内壁粗糙、形状不规则的孔。缺陷形式如图6～7所示。

表4 表面质量取样结果

图7 缺陷-缩孔

3 结果分析

本次试验主要是为了验证压射速度、加速度及压射行程对铝合金铸件的表面质量的影响，铝合金铸件的表面质量以出现砂孔（光滑形为气孔、非光滑形为缩孔）及孔的数量作为检验的标准。

冷室压力铸造在铸造过程中，熔体是经浇道填充进入型腔，从慢速在浇道口堆积、排气到快速运动推动金属熔体充满整个型腔，是熔体填充期及凝壳产生与生长期，对于表面质量的形成是至关重要的，具体可以表述如下。

（1）熔体在慢速堆积期，进入模具型腔的前端，此时熔体温度较高，与模具接触产生激冷，迅速凝壳，此时熔体的温度高，同时后部熔体的热量会不断传递至凝壳，初生的凝壳强度小、厚度薄。

（2）慢速推进达到设定位置时，推杆快速推动熔体填充模具型腔，熔体填充的过程中，温度会随着填充的距离、时间不断下降。

（3）理论已经表明，在熔体凝壳初期，凝壳并不是紧贴着模具表面进行热传递的，在凝壳形成时，由于激冷且凝壳的强度较小，壳体表层凝固收缩，导热能力下降，次表层区域受热重熔回糊状区，凝壳减薄强度减小[15]。在压力的作用下壳体与模具再次接触，凝壳会形成类似高频振动的状态。在高频振动下，如果凝壳不具有抵抗外力的作用的强度，会出现破裂。

（4）凝壳破裂，在温度高的区域，金属液体流动性好，在收缩回弹时，会迅速得到补充。在温度较低的区域，凝壳回弹破裂重新凝固时，金属流动性不足，会无法进行补充或补充不足从而产生缩孔。

（5）压射期间，熔体需要保持平稳，否则会卷入空气，在铸件中形成气孔，气孔分布在整个截面中，在铸件表面也会存在[16]。

以上表明，在铸造时凝壳是否会产生破裂，金属熔体能否及时补充及熔体在快压射的行程中是否会将模具中的空气卷入是铸件表面质量的关键。本实验中，由于3台设备采用的铸造模具类型及复杂程度相当的模具，在铝合金熔体的牌号一致、快压射初始速度、浇注温度也基本相同的情况下，快压射阶段中金属熔体的填充时长、压射速度、压射加速度及压射行程是决定表面质量的主要因素。

从表2、图2、图4可知，#A2的最高压射速度要明显比#A1、#A3的高，在快压射阶段，#A2在快压射阶段熔体产生的凝壳所承受的冲击要比另外两台的大，尤其是快压射阶段的末期。同时快压射阶段的时间，#A2要显著多于#A1、#A3，时间过长，高温熔体经模腔热传递的热量比较多，熔体温度下降快，金属熔体的流动性会变差，在快压射阶段末期的凝壳在较高冲击力的作用下，产生破裂时，由于熔体的流动性下降，难以进行补充，易产生缩孔。同时从图4中可看出，#A2的压射行程要显著大于其他两台，意味着熔体从开始压射到达浇注口距离较长且存有较多空气，压射开始时，快速运动的熔体会卷入空气，从而在铸件中形成气孔。结合表4表明，压射行程过长、压射速度过快均对表面质量有负面影响，其中压射行程过长而引起的气孔对铸件质量的影响更大。

图4 压射行程-时间

#A1压铸机与#A3压铸机相比，快压射最高速度相差较小（#A3的要略大于#A1），但在加速到压射最高速度的时间、压射行程及初始加速度等方面，两台压铸机的有明显区别。

从表2与图2～4可以看出。#A3要比#A1的压射行程及压射时间要显著小，#A3要比#A1的初始加速度要显著大。过短的快压射时间，会导致金属熔体在快压射阶段形成的凝壳过薄，同时熔体的热量经模具传递较少温度较高，使凝壳的强度不足以抵抗高的加速度的冲击及凝壳因激冷产生的高频振动，容易发生破裂，在流动性较好的区域，高温熔体可以及时补充，但是对于流动性较差或热传递快速的区域，破裂的凝壳得不到完全的补充，从而产生缩孔等缺陷。从抽样结果来看，表面质量的缺陷发生在流动性较差、热传递较快的区域为多。结合表4表明，过短的压射行程与过快的初始加速度使得填充阶段的时间缩短，会对铸件的表面质量会产生不利的影响。

另外，从表3、图5可看出，快压射阶段的初始速度对于填充阶段的时长影响较小。在慢压射-快压射初始阶段的熔体推进速度，可以选择使熔体推进平稳避免大量卷入空气又与温度降低相匹配的适当的较慢速度。

4 结束语

本次实验的结果表明合理的压射过程对于铸件表面质量的影响具有关键意义。快压射阶段的时长、最高速度、加速度及行程之间是相互关联、互相影响的。总体而言，行程的长短可以显著影响铸件的表面质量，过长的行程易于高温熔体将气体卷入而产生气孔，气孔会降低铸件整体的力学性能，同时停留在表面的气孔属于表面缺陷；过短的行程，凝壳在压射阶段容易被破坏而出现缩孔。过高的压射加速度、速度均会破坏凝壳的稳定，加剧缩孔等表面缺陷的产生；过长的压射时间，会使铸件末端的熔体温度下降过多，降低流动性，从而产生缩孔等缺陷。在进行压铸的工艺设计时，既要对进行压铸金属熔体的凝固特性有深入的认识，又要对压射过程的各因素对铸件质量的影响有深入的理解，并且在实际生产中不断总结经验与积累数据进行分析，才能制定出合理的压铸工艺。