本文關(guān)鍵詞：擠壓鑄造的發(fā)展和應用現(xiàn)狀，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

專題論述——擠壓鑄造的發(fā)展和應用現(xiàn)狀　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　3 1998 中國鑄造裝備與技術(shù)

擠壓鑄造的發(fā)展和應用現(xiàn)狀
唐靖林　曾大本 ( 北京市: 100084　清華大學) 常安國 ( 河北石家莊市: 050054　河北科技大學)
摘　要: 綜述了擠壓鑄造技術(shù)的概況。 主要介紹了直接擠壓鑄造工藝和間接擠壓工藝的現(xiàn)狀、

發(fā)展和應用情況。
Tang J ingl in, Chang Anguo, Zeng Daben. D evelopm en t & Appl ica tion of Squeeze Ca sting. Genera l techn ique of squeeze ca st ing ha s been described of w h ich the d irect and ind irect p rocesses and developm en t and app lica t ion have been included.

主題詞: 擠壓鑄造　現(xiàn)狀　發(fā)展　應用 　　擠壓鑄造 ( squeeze ca st ing ) , 也稱液態(tài)模鍛 ( liq2 擠壓成形 ( squeeze fo rm ing ) 、 壓 u id m eta l fo rg ing ) 、 力下結(jié)晶 (p ressu re crysta lliza t ing ) 和模壓鑄造 ( ex 2 t ru sion ca st ing ) 等, 于本世紀 80 年代開始在歐洲和 日本進行商業(yè)化生產(chǎn), 用于生產(chǎn)高質(zhì)量的鑄件。 擠壓 鑄造將液態(tài)和固態(tài)金屬成形原理有機結(jié)合起來, 使 液 態(tài)金屬以低速充型, 在高壓 ( 50～ 100 Pa ) 下凝 M 固, 最終獲得致密的可以熱處理的鑄件。 擠壓鑄件的 主要特點是: 尺寸精度高、 無內(nèi)部縮孔和氣孔; 力學 性能與模鍛件接近; 生產(chǎn)率與壓鑄相當。 擠壓鑄造分 為兩大類: 直接擠壓鑄造 (d irect squeeze ca st ing ) 和 間接擠壓鑄造 ( ind irect squeeze ca st ing ) 。直接擠壓 整個面上; 間接擠壓工藝與壓鑄接近, 壓力通過澆道 間接作用于液態(tài)金屬上。 擠壓鑄造工藝的主要用途: ①實現(xiàn)接近凈形化 (nea r net shap e ) 成形, 生產(chǎn)高質(zhì) 量鑄件, 用于取代鍛件。 ②擠壓鑄造工藝被認為是一 種理想的生產(chǎn)鋁基復合材料的工藝[ 1～ 4 ]。
1　擠壓鑄造工藝簡介 111　直接擠壓工藝

圖 1　直接擠壓鑄造工藝生產(chǎn)錠料和空腔鑄件
( a ) 將定量液態(tài)金屬澆入下模; ( b ) 上沖頭下移至下

模對液態(tài)金屬施加壓力; (c) 開模; ( d ) 頂出鑄件

( 2) 能精確復制模具內(nèi)腔的細節(jié)。 ( 3) 在壓力作用下, 鑄件在凝固過程中經(jīng)歷了類

工藝類似于金屬模鍛, 壓力直接施加于液態(tài)金屬的

似于模鍛的塑性變形, 因此可獲得高致密度的鑄件。 直接擠壓工藝存在的主要問題是: ( 1) 必須精確定量澆入液態(tài)金屬。 ( 2) 要求鑄件向沖頭方向單向凝固, 以保證壓力 的有效傳遞。 ( 3) 控制沖頭的插入過程, 以使液態(tài)金屬以非湍 流的方式向上移動, 從而避免氧化夾渣等缺陷。 ( 4 ) 在提高生產(chǎn)率以及制造形狀復雜鑄件方面 存在一定困難。 ( 5 ) 擠壓鑄造金屬模具通常由高質(zhì)量的模具鋼 制造, 而且要求有足夠大的壁厚以經(jīng)受高壓。
112　間接擠壓鑄造

直接擠壓鑄造設(shè)備具有垂直的結(jié)構(gòu), 壓力直接 作 用 于 液 態(tài) 金 屬 的 整 個 面 上, 可 以 生 產(chǎn) 出 接 近
100% 致密的鑄件。 根據(jù)成形過程中有無液態(tài)金屬運

動, 直接擠壓工藝分為兩類, 見圖 1。 前者主要用于 生產(chǎn)錠料; 后者生產(chǎn)帶有空腔的鑄件。 生產(chǎn)過程中, 首先將定量的金屬液傾注入下模, 隨后上模 ( 即沖 頭) 壓向液態(tài)金屬。 在鑄件凝固過程中, 壓力保持在
50 150M Pa 之間, 其主要作用: ～ ( 1) 使金屬與模具內(nèi)腔表面緊密接觸, 加速傳熱

在間接擠壓過程中, 液態(tài)金屬是通過澆注系統(tǒng)

引人型腔的。 擠壓設(shè)備通常采用較大的壓射筒, 壓射 擠壓活塞可以控制液態(tài)金屬的射入速度。 在注射后 期, 壓射活塞通過澆道對型腔中的金屬施加高壓。 通 常, 確定壓力是否有效傳遞和合理設(shè)計澆注系統(tǒng), 是 間接擠壓鑄造工藝兩個主要的問題。 與直接擠壓鑄 件相比, 間接擠壓鑄件在一封閉型腔中成形, 十分容 易控制鑄件尺寸, 因此不必精確定量液態(tài)金屬。 間接 — 3 —

過程, 得到微觀組織非常細小的鑄件。

收稿日期: 1997—12—08

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擠壓鑄件內(nèi)部質(zhì)量低于直接擠壓件而高于壓鑄件。 另外, 與直接擠壓相比, 間接擠壓工藝采用了澆注系 統(tǒng), 因此材料利用率低于前者。 根據(jù)壓射筒位置, 間接擠壓鑄造設(shè)備分為水平 式和垂直式兩大類。水平式間接擠壓過程見圖 2[ 5 ]。

圖 2　水平式間接擠壓工藝示意圖
( a) 將液態(tài)金屬澆入壓射筒; ( b ) 壓射活塞移動; ( c ) 液

態(tài)金屬充型; (d ) 充滿型腔后壓射活塞施高壓

目 前, 日 本 U B E 開 發(fā) 出 所 謂 傾 轉(zhuǎn)2對 接 式 [ 2、～ 8 ] 7 , 主要用于生產(chǎn)高質(zhì)量的鋁合金 HV SC 和 V SC 汽車零件, 工作原理見圖 3。V SC 具有如下特點:

圖 3　垂直間接擠壓鑄造示意圖
( a ) 澆注液態(tài)金屬; (b ) 壓射筒傾轉(zhuǎn); ( c) 壓射筒與

鑄型對接; ( d ) 充型、 施高壓

( 1) 采用了所謂的傾轉(zhuǎn)2對接式注射裝置, 與非

傾轉(zhuǎn)式注射裝置相比周期縮短。 ( 2) 另外還采用了分離式壓射室, 活動部分有利 于保溫以保證液態(tài)金屬低速充型; 固定在鑄型上的 另一部分則起冷卻作用, 以加速成形件出型時間。 ( 3) 低速充型的液態(tài)金屬可有效地將氣體排出。
( 4) 型腔、 澆道以及注射活塞排列在一條線上,

可以有效地傳遞壓力。 垂直式間接擠壓設(shè)備采用垂直位置的壓射筒, 在活塞作用下, 液態(tài)金屬向上慢速充型; 通過控制模 具的熱梯度以實現(xiàn)順序凝固; 沖頭對凝固過程中的 鑄件施加高壓以強化補縮, 有助于獲得無收縮缺陷 和氣孔的氣密性鑄件, 使鑄件可以熱處理和焊接。 當前, 商業(yè)化的垂直間接擠壓設(shè)備有兩大類[ 6 ]: 一類設(shè)備采用垂直合型、 垂直注射 ( in ject ion ) , 簡稱 — 4 —

為 V SC (V ert ica l C lam p ing Squeeze Ca st ing M a 2 垂 ch ine ) 。 另 一 類 采 用 水 平 合 型、 直 注 射, 簡 稱 HV SC (Ho rizon ta l C lam p ing Squeeze Ca st ing M a 2 ch ine ) 。此類擠壓工藝可以生產(chǎn)大至 80kg 的鋁合金
RV SC 由一個液態(tài)金屬注射裝置對安裝在輸送轉(zhuǎn)盤

鑄件。 應用于商業(yè)生產(chǎn)的擠壓設(shè)備主要采用旋轉(zhuǎn)式 垂 直 擠 壓 ( ro ta ry vert ica l squeeze ca st ing, 簡 稱 RV SC ) 和倍傳輸 ( doub le shu t t le, 簡稱 D S ) 機構(gòu)。 上的三個鑄型供料。D S 則由一個注射裝置向兩副 鑄型供料。 SC 可年產(chǎn) 4 百萬個鋁合金輪轂, 而且 RV

在同一設(shè)備上, 可同時生產(chǎn)三種不同種類的鑄件。 生 產(chǎn) 中 還 采 用 了 被 稱 為 PA SCON ( Pa rt ia l squeeze con t ro l system ) 的由電腦控制的液壓系統(tǒng), 實現(xiàn)對 擠壓頭的控制。 通過合理設(shè)計鑄型, 澆注系統(tǒng)在鑄型 中就與鑄件分離, 以減少鑄件的后續(xù)加工。 另外, 操

作者可借助此系統(tǒng)設(shè)計壓頭的沖程, 具體結(jié)果可以 顯示在監(jiān)視器上。 113　工藝參數(shù) 擠壓鑄造的主要工藝參數(shù)包括: 金屬液的冶金 質(zhì)量、 澆注溫度、 金屬型的溫度、 金屬液向鑄型的輸 說, 采用低澆注溫度有利于獲得良好的鑄件質(zhì)量; 同 時, 比壓要足夠大, 以消除縮松。 擠壓鑄造的比壓范 圍是 50 150M Pa, 在某些情況下, 尤其是鑄件形狀 ～ 十分簡單時, 比壓為 50M Pa 就足以獲得無缺陷的鑄 件。 鑄型溫度一般為 200 300℃。 ～ 另外, 可以通過改 變鑄型涂料厚度以調(diào)節(jié)鑄型不同部位的傳熱。
2　擠壓鑄造的優(yōu)缺點[ 9～ 11 ]

送方式、 選擇合適的鑄型涂料、 沖頭速度, 比壓大小、 施加壓力的開始時間和壓力保持時間等。 對于不同 的合金系以及不同形狀和大小的鑄件, 均須對這些 參數(shù)進行優(yōu)化和嚴格控制, 以充分發(fā)揮擠壓鑄造工 藝的優(yōu)勢。 通常情況下, 對于寬結(jié)晶范圍的合金來

目前, 機械制造業(yè)的目標是: 通過實現(xiàn)真正凈形 ( net shap e ) 成形使材料消耗降低到最低限度; 生 化

產(chǎn)高強度的成形件, 使零件輕量化。 與傳統(tǒng)鑄鍛工藝 相比, 擠壓鑄造因本身具有一系列優(yōu)點, 成為一種有 很大應用潛力的成形工藝。 主要優(yōu)點有以下幾方面: ( 1) 在使用材料方面, 擠壓鑄造工藝有其簡便 性、 經(jīng)濟性和高效性。 ( 2) 力學性能顯著提高。 與傳統(tǒng)鑄造合金相比,

屈服強度提高 10%～ 15% ; 延長率以及疲勞強度提 高 50%～ 150% ; 力學性能與變形合金接近。由于晶 體結(jié)構(gòu)致密化, 擠壓鑄件質(zhì)量亦明顯優(yōu)于重力金屬 型鑄造和低壓鑄造。 擠壓鑄造和變形鋁合金的力學

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性能見表 1, 不同鑄造工藝在鑄態(tài)和熱處理態(tài)的力 學性能對比見表 2。
表 1　擠壓鑄造合金、 變形合金在完全熱處理狀態(tài) 下的力學性能對比
　　力學性能 變形合金 ( 縱向) 變形合金 ( 橫向) 擠壓鑄造 抗拉強度 Ρb M Pa
372 260 272

屈服強度 Ρ012 M Pa
360 146 135

延長率 ?% ?%
2 2 3 6 2 3 5 617 614

　　 ( 6) 容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn), 制造接近凈形化高質(zhì) 量零件。 以往, 厚壁鑄件通常采用重力鑄造以及低壓鑄 造。 為防止鑄件收縮, 鑄件加工余量和澆冒口往往較 大, 鑄造后須進行大量機械加工。 而擠壓鑄造工藝在 鑄造厚壁鑄件方面顯示出極大的優(yōu)越性, 厚壁處有 利于壓力傳遞, 可以有效防止收縮缺陷。 據(jù)報道, 整 個產(chǎn)品成本會下降; 減少切屑以及機械加工后, 鑄件 成本為重力鑄件的一半。 擠壓鑄造的主要缺點有如下幾方面: ( 1) 不能使用砂芯。 ( 2) 側(cè)壁厚≥5mm 。 ( 3) 適宜的鑄件尺寸取決于施加的壓力, 對于現(xiàn) 行 最 大 的 設(shè) 備 ( 15000kN ) , 設(shè) 計 面 積 不 大 于
1200cm 2。 ( 4) 投資高。 擠壓鑄造工藝適宜于大批量生產(chǎn)。 ( 5) 與壓鑄相比, 鑄型壽命低。 ( 6) 鑄造形狀復雜件有一定限制。 ( 7) 由于具有較陡的溫度梯度, 鑄件有時出現(xiàn)所

表 2　不同鑄造工藝 A Z91 鎂合金鑄件的力學性能
力學性能 砂型鑄造 低壓鑄造 壓鑄　　 擠壓鑄造 砂型鑄造 低壓鑄造 擠壓鑄造 抗拉強度 Ρb M Pa
154 176 190 200 230 240 260

屈服強度 Ρ012 M Pa
83 96 96 115 127 130 150

延長率

鑄 態(tài) 熱 處 理 態(tài)

　　 ( 3) 成形件的缺陷少, 可以經(jīng)過 T 6 ( 淬火和完全 人工時效) 處理。 擠壓鑄件的微細組織以及高致密度 得益于緩慢充型以及高壓下的凝固, 從而使氣孔、 縮 孔減少; 使晶核數(shù)目大大增加, 微觀組織顯著細化。 ( 4) 適宜于制造金屬基復合材料。 擠壓鑄件的組 織致密, 微觀孔洞極少, 能夠充分發(fā)揮纖維、 顆粒等 增強材料的作用。 產(chǎn)品主要有: 活塞、 活塞桿、 連桿、 閥體、 汽缸頭、 汽缸襯套等。 ( 5) 適用合金范圍廣。 因采用加壓措施, 可削弱 對材料高流動性的要求, 可淡化合金固有的可鑄性; 適用于常規(guī)鑄造合金, 還適于變形鋁合金, 見表 3。
表 3　2000 系列合金和 6000 系列合金不同 成形工藝的對比
合金 種類 成形工藝 擠壓鑄造
2014

熱處理
T6 T6

屈服強度 Ρ012 M Pa

抗拉強度 延長率 Ρb M Pa
467 434 434 445 427 335 262 262 405 345 285 295

436

模鍛
( 最小值)

379 ( 縱向) 372 ( 橫向) 310 276 325

　
T4

擠壓鑄造
2024

模鍛 擠壓鑄造

—
T6 T6

6061

模鍛
( 最小值)

241 ( 縱向) 241 ( 橫向) 385

　
T6 T6 T6 T6

擠壓鑄造
6066

1610

謂的反偏析; 以至于表面偏析較嚴重時, 表面結(jié)晶溫 度低于隨后所要求的熱處理溫度。
3　應用情況

目前, 擠壓鑄造工藝主要用于汽車零件制造等 方面, 以輕合金擠壓件取代黑色金屬鑄件, 從而實現(xiàn) 汽車的輕量化。 日產(chǎn)、 馬自達、 福特和通用等大型汽 車制造商均采用了擠壓鑄造工藝, 擠壓設(shè)備大多是 垂直注射間接擠壓。 例如, 日產(chǎn)公司采用此工藝制造 羊角 ( steering knuck le ) , 具 體 參 數(shù) 如 下: 材 質(zhì) 為
A 356 鋁合金, 熔爐保溫溫度為 750℃, 凝固時施加

的壓力為 80 Pa, 熱處理采用 530℃鹽浴保溫 4h, M 隨后水淬, 最后在 180℃時效 6h, 最終獲得具有優(yōu)良 性能的鑄件。 采用垂直間接擠壓工藝生產(chǎn)的其它汽 車 零 件 包 括: Su sp en sion a rm s、 ro ss m em bers、 C B rake ca lip ers、 racket s 和 Bou sing s 等, 最成功的 B 復合材料擠壓鑄件是纖維增強發(fā)動機活塞。 在英國以及其它一些國家, 已有數(shù)家生產(chǎn)廠采 用直接擠壓工藝生產(chǎn)高質(zhì)量的汽車零件以及常規(guī)工 程零件; 另外, 纖維增強復合材料擠壓鑄件也投入使 用。 由于擠壓鑄造工藝適用于很廣泛的金屬材料系 列, 預計, 經(jīng)過研究開發(fā), 將能生產(chǎn)出更多具有優(yōu)良 性能的鑄件。
4　結(jié)束語

模鍛 ( 最小值) 擠壓鑄造

310 ( 縱向) 260 255

6082

模鍛

?%
3 6 2 10 12 8 7 5 5 8 7 8

雖然擠壓鑄造工藝具有很大的優(yōu)越性和應用潛 — 5 —

專題論述——沖天爐熔煉智能控制技術(shù)的新進展　　　　　　　　　　　　　　　　　　　3 1998 中國鑄造裝備與技術(shù)

沖天 爐 熔 煉 智 能 控 制 技 術(shù) 的 新 進 展
南　海　魏華勝　修吉平　林漢同 ( 湖北武漢市: 430074　華中理工大學)
摘　要: 鑄造業(yè)為了在下個世紀迎接激烈的競爭, 更好地為社會作出貢獻, 發(fā)展沖天爐熔煉控 制技術(shù)就顯得極其重要。 本文通過論述人工智能控制技術(shù)中的專家系統(tǒng)、 模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡怎樣 應用于沖天爐熔煉中, 以及怎樣結(jié)合其它控制方法獲得最優(yōu)的控制效果, 提出人工智能控制技術(shù)必 然是沖天爐熔煉控制技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。 Nan Ha i,W e i Hua sheng, X iu J ip ing et a l. New D evelopm en t of In tell igen t Con trol Technology of Cupola M elting. It is very im po rtan t to develop cupo la m elt ing techno logy in o rder to be com p et it ive and to con t ribu te to society in the 21st cen tu ry. In th is p ap er how to u se exp ert sys2 tem , fuzzy con t ro l, and neu ra l netw o rk in cupo la m elt ing and how to ob ta in op t im a l con t ro l resu lt s by com b in ing d ifferen t con t ro l m ethod s have been d iscu ssed of w h ich to app ly a rt ificia l in telligen t . t ro l con t ro l techno logy m u st be one of the m o st im po rtan t develop ing tendency of cupo la m elt ing con 2

主題詞: 沖天爐熔煉控制　人工智能　專家系統(tǒng)　模糊控制　神經(jīng)網(wǎng)絡

　　現(xiàn)代鑄造業(yè)淵遠流長, 新的鑄造技術(shù)層出不窮, 為社會生產(chǎn)出無數(shù)優(yōu)質(zhì)鑄件, 廣泛地應用于汽車業(yè)、
收稿日期: 1997—12—02

機床制造業(yè)、 航空航天、 農(nóng)業(yè)水利機械等方面, 為現(xiàn) 代工業(yè)的發(fā)展作出極其重要的貢獻。 進入 20 世紀
90 年代以來, 隨著科技的發(fā)展和各行各業(yè)的激烈競

爭, 全球范圍內(nèi), 各個行業(yè)努力發(fā)展, 迎接挑戰(zhàn), 以滿 參　考　文　獻

力, 但是為了使擠壓鑄造工藝過程在最佳狀態(tài)下運 行, 仍須進行必要的研究開發(fā), 主要內(nèi)容如下: ( 1 ) 通過對擠壓鑄造條件下金屬的流動以及凝

1 　N eiland J. Squeeze cast p arts app roach p erfo rm ance of fo rg ing s .

～ M odern M etals, 1988 (2) : 52 60

固解析, 掌握擠壓鑄件的流動和凝固特性, 進一步優(yōu) 化模具結(jié)構(gòu)、 優(yōu)化施加壓力的方式和確定充型條件。 ( 2 ) 壓力下凝固會使合金的熔點以及固溶體的 固溶度產(chǎn)生變化, 因此有必要針對此過程設(shè)計合金 系列, 目的是從以上變化中獲得更大的益處。 ( 3) 為了減少廢品率, 應控制金屬進入型腔的過 程, 防止氧化和卷入氣體; 還要控制鑄型中金屬的溫 度梯度, 以達到順序凝固的目的。 ( 4) 在擠壓鑄造中, 涂料的作用有其特殊性: 通

2 　Chadw ick G A , Yue T M. P rincip les and app lication s of squeeze

～ casting. M etals and M aterials, 1989, 15 (1) : 6 12
41 42 ～

常期望它在注射充型時具有良好的隔熱性能, 以保

證慢速充型過程; 一旦金屬液充滿鑄型后, 則又期望 它具有較好的傳熱性能, 以使鑄件以較快的速度凝 固, 從而有利于獲得細小的微觀組織和提高生產(chǎn)率。 因此, 涂料工藝的研究是擠壓鑄造至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。 ( 5) 對工藝參數(shù)進行優(yōu)化, 以穩(wěn)定獲得高質(zhì)量、 再現(xiàn)性好的擠壓鑄件。 為了充分發(fā)揮擠壓鑄造工藝和設(shè)備的優(yōu)勢, 通 過對以上問題的研究, 生產(chǎn)單位應由單純性生產(chǎn)逐 步過渡到能夠自主開發(fā)的高度; 實現(xiàn)對不同材質(zhì)、 不 同種類擠壓鑄件的穩(wěn)定生產(chǎn)。 — 6 —

3 　張錦升, 羅寧清等 1 液態(tài)模鍛工藝與設(shè)備 1 鍛壓機械, 1985 (3) :

4 　呼延慶 1 國外液態(tài)模鍛設(shè)備的發(fā)展概況, 鍛壓機械, 1985 (3) : 43

～ 47

5　H an s J H eine. Found ryM anagem en t ” T echno logy, 1996 (12) : 41

～ 42

6 　 Kaufm ann H. A u tom o tive Com ponen ts— the Squeeze is on.

～ Found ry M annagem en t ” techno logy, 1996 (3) : 54 56

7 　D u rran t G, Gran t P S. T he M anufactu re of Squeeze Cast and Sp ray Fo rm ed A lMM C s. Key Eng ineering M aterials, 1995, 104: 155 174 ～

8 　 Shu SuZuK i P roduct Q uality by V ertical F illing Casting M a2 .

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9 　Ghom ashch iM R , Straffo rd D N. Facto rs Influencing the P roduc2 tion of H igh In teg rity A lum in ium Silicon A lloy Com ponen ts by 10 　H an s J H eine. Casting N onferrou s A lloys in M etal M o ld s and 11 　C legg A J. A Com p arison of the Squeeze Casting and Invest2 D ie and Sp ueeze Casting P rocesses. Jou rnal of M aterials P rocess2

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  本文關(guān)鍵詞：擠壓鑄造的發(fā)展和應用現(xiàn)狀，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。