壓力鑄造成形是一種先進(jìn)高效的制造成形技術(shù)，在汽車、通訊、家電等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。近年來，隨著全球?qū)?jié)能減排、產(chǎn)品輕量化技術(shù)的大力開發(fā)和重視, 壓鑄件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，尺寸越來越大，精度越來越高。因此大型復(fù)雜精密壓鑄件的生產(chǎn)技術(shù)已成為國內(nèi)壓鑄企業(yè)的一個(gè)新挑戰(zhàn)。
壓鑄生產(chǎn)中，模具溫度對(duì)鑄件質(zhì)量有很大影響，是必須要控制的重要參數(shù)之一。壓鑄模的模溫控制通常采取水冷方式。雖然國內(nèi)外對(duì)壓鑄模具冷卻有較多的探討，但對(duì)于大型復(fù)雜壓鑄模中細(xì)小芯針的冷卻方法卻缺乏研究。因此，筆者開發(fā)了一種基于高壓循環(huán)水冷卻+ 風(fēng)冷的壓鑄模型芯針冷卻控制裝置，并對(duì)此應(yīng)用效果進(jìn)行了測試。
1. 壓鑄模型芯針冷卻控制系統(tǒng)的工作原理
壓鑄模型芯針冷卻控制裝置的工作原理如圖1所示。該控制裝置包括制冷系統(tǒng)、高壓循環(huán)水冷卻系統(tǒng)和吹氣冷卻系統(tǒng)。主要工作過程如下：
1) 制冷原理。壓縮機(jī)9、冷凝器10、制冷劑儲(chǔ)液器11、壓力調(diào)節(jié)器12、干燥過濾器13、蒸發(fā)器等部件構(gòu)成一個(gè)完整的制冷循環(huán)通路。當(dāng)水箱中的冷卻水溫度超過設(shè)定溫度時(shí)， 制冷通道中的制冷劑R22 經(jīng)由壓縮機(jī)9 形成高溫高壓氣態(tài)狀，流經(jīng)設(shè)置在裝置頂端的冷凝器10 進(jìn)行冷卻( 由強(qiáng)制流動(dòng)的空氣冷卻) 后,形成常溫高壓液態(tài)狀。冷凝后的制冷劑液體通過干燥過濾器13，除去混入系統(tǒng)中的水分與雜質(zhì)， 再由膨脹閥或毛細(xì)管( 壓力調(diào)節(jié)器12) 形成低壓低溫氣態(tài)制冷劑。 這種低壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)入設(shè)置在水箱1 中的蒸發(fā)器14 后即開始進(jìn)行吸熱工作( 即制冷) ，從而將水箱中的高溫水冷卻至預(yù)定溫度。制冷劑蒸發(fā)吸熱后又由壓縮機(jī)吸入，再開始下一個(gè)制冷循環(huán)。當(dāng)水箱中冷卻水的溫度達(dá)到合適的設(shè)定溫度時(shí)，制冷系統(tǒng)自動(dòng)停止。
2) 循環(huán)水冷卻原理。 在正常壓鑄生產(chǎn)中， 由于高溫鋁液和模具不斷的熱交換， 模具溫度會(huì)不斷升高， 模具上型芯針部位的溫度非常高， 因此要對(duì)型芯針部位進(jìn)行冷卻。 水箱1、高壓輸送泵2、單向閥3、出水電磁閥4、節(jié)流閥5、截止閥6 及8、壓鑄模7、進(jìn)出水管道27 及26 組成一個(gè)完整的循環(huán)水冷卻通路。 冷卻水流經(jīng)型芯針內(nèi)部通道時(shí)與型芯針進(jìn)行連續(xù)熱交換， 從而使型芯針部位的溫度降低。
3) 吹氣冷卻原理。 由于型芯針內(nèi)的冷卻管道直徑僅有1- 2 mm，且模具溫度在100℃以上， 冷卻水在里面極易氣化形成氣阻， 導(dǎo)致冷卻水很難進(jìn)入管道內(nèi)， 從而極大影響冷卻效果， 所以采用吹氣方法將殘留的水蒸氣吹出， 以保證冷卻管道的暢通。 空氣壓縮機(jī)18、截止閥19 及6、氣動(dòng)三聯(lián)件20、電磁閥21、單向閥22、進(jìn)出水管道27 及26、水箱1 構(gòu)成一個(gè)完整的吹氣冷卻通道。
2. 壓鑄模型芯針冷卻控制裝置的設(shè)計(jì)
筆者設(shè)計(jì)的壓鑄模型芯針冷卻控制裝置包括電氣控制系統(tǒng)、制冷控制系統(tǒng)、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)和吹氣冷卻系統(tǒng)。 工作方式設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)模式。 圖2 為自動(dòng)模式的順序流程圖。
3. 壓鑄模型芯針冷卻裝置的效果評(píng)價(jià)
3.1 試驗(yàn)基本參數(shù)
圖3 為某轎車底盤后副車架三維實(shí)體圖， 外形尺寸1078mm×367mm×156mm，鑄件重量6.5kg。該件為汽車底盤中的重要保安零件，內(nèi)部質(zhì)量及力學(xué)性能要求高，其本體抗拉強(qiáng)度≥40 MPa，屈服強(qiáng)度≥145MPa，伸長率≥6% 。
3.2 試驗(yàn)所用模具裝置
后副車架細(xì)小針孔分布見圖3，定模上型芯針的分布見圖4。 型芯針內(nèi)部冷卻通道直徑1.8mm。
3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置了三組試驗(yàn)：第一組為不使用型芯針冷卻控制裝置;第二組為設(shè)置型芯針冷卻控制裝置處于手動(dòng)狀態(tài);第三組為設(shè)置型芯針冷卻控制裝置處于自動(dòng)狀態(tài)。 在這三組實(shí)驗(yàn)中，使用熱成像儀捕捉開模后后副車架定模上芯針溫度分布情況，通過三組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比，來評(píng)價(jià)型芯針冷卻控制裝置的冷卻效果。圖5 為不使用型芯針冷卻裝置時(shí)定模型針的溫度分布圖。圖6為使用手動(dòng)模式時(shí)的溫度分布圖。圖7為使用自動(dòng)模式時(shí)的溫度分布圖。
由圖5 可以看出，在不使用型芯針冷卻裝置時(shí)，型芯針及其周圍的溫度波動(dòng)范圍比較大，由圖中的溫度坐標(biāo)值可以看出，最低溫度為111.9℃，最高溫度為327.0℃， 溫度波動(dòng)范圍為170-190℃。
由圖6可知，當(dāng)設(shè)為手動(dòng)模式時(shí)，型芯針及其周邊的溫度下降很明顯，最低溫度為77.2℃，最高溫度為181.5℃。溫度波動(dòng)范圍為65-90℃。由圖7可知，當(dāng)設(shè)為自動(dòng)模式時(shí)，型芯針及其周圍的溫度雖然也有所下降，但下降幅度沒有手動(dòng)模式明顯。模具最低溫度為62.2℃，最高溫度為295.1℃，溫度波動(dòng)范圍為190-220℃。
圖8 別顯示了在三種模式下位置1 芯針的溫度分布對(duì)比圖。 位置1 在不冷卻時(shí)溫度為210-225℃， 自動(dòng)冷卻時(shí)溫度為100-125℃， 手動(dòng)冷卻為75-115 ℃。 雖然自動(dòng)模式和手動(dòng)模式都能使芯針溫度降低， 但降低幅度不一樣， 這是由于手動(dòng)模式時(shí)， 每一個(gè)壓鑄周期中冷卻循環(huán)水始終處于運(yùn)行狀態(tài)， 而自動(dòng)模式時(shí)只是在壓鑄周期的開合模期間運(yùn)行。 顯然， 芯針的溫度并不是越低越好。 當(dāng)溫度過低時(shí)， 鑄件針孔及周邊部位易出現(xiàn)比較嚴(yán)重的冷隔缺陷。
X光檢測結(jié)果表明，當(dāng)沒有冷卻時(shí)，型芯針底部及側(cè)壁和右上角部位的圓孔孔壁等處有明顯的縮孔缺陷;而在手動(dòng)冷卻模式下，由于芯針溫度下降，上述兩處的縮孔情況有了明顯改善，但仍有輕微縮裂;在自動(dòng)冷卻模式下，縮孔則完全消除。
4. 結(jié)束語
在大型復(fù)雜壓鑄件的技術(shù)開發(fā)及生產(chǎn)中，模具溫度的控制是不能忽視的重要工藝參數(shù)之一。筆者開發(fā)的基于高壓冷卻循環(huán)水的壓鑄模用型芯針冷卻控制裝置，對(duì)偏長、直徑較小的型芯針有良好的冷卻效果，可有效降低鑄件型芯針底部的縮孔/ 縮松缺陷的產(chǎn)生，提高了鑄件內(nèi)部質(zhì)量。
