CN1270863A - 压铸方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种制造铸件的压铸方法,有一水平布置的铸造腔和一压铸活塞,开始压铸之前其腔室处于真空状态。熔化的材料在压入之前是加速进入模具中的,前面的材料和后面的材料在到达模具浇口时一直处于受压状态。熔化的材料在加速之前进入圆柱形模中,并在该处处于流体动力学稳定状态,此时在圆柱形的材料体中温度和压力分布均匀。当压铸模填满之后,把结晶着的金属补送给特殊构成的熔融体,在附加的特定的压缩力作用下形成铸件。此外,实施上述压铸方法用的装置,其铸造腔设有一反压力活塞和压缩活塞,以便使熔化的材料进入到圆柱形模中。熔化的材料沿着铸造腔加速流动并在压铸模中把已结晶的金属压缩成铸件。

Description

压铸方法及其装置

本发明涉及一种用来制造铝镁合金铸件的方法，它有一个水平布置的带有铸造活塞的铸造腔，从铸造过程开始铸造腔内就维持真空状态，并且，把进入铸造腔内的熔体冷却到半凝固状态，借助电磁场作用对熔体进行搅拌。使熔体加速进入铸造腔并在压力状态下先后到达压铸模的浇口。

铸造腔基本上可以成水平或垂直布置。这样一种布置方式对铸造过程带来一定的优缺点——这些优缺点是由在到达压铸模腔进入浇注口之前各个时刻熔体的流动特点而造成的。

把采用水平布置铸造腔的压铸方法作为典型，其特征是形成一种流体的不稳定熔融流动，并以很高的流动速度注满压铸模。此时，注满过程与其说是流动，不如说是喷射。这样就会使空气和氧化物进入到铸件中，就会在铸件的内部产生裂缝以及在表面上形成气泡。

诸如在实际中经常碰到的情况那样：浇注的金属仅注满水平的圆柱形铸造腔的一部分，并且形成一个活动的非圆柱形的几何形状，它的一个侧面受其铸造活塞限制，其处在流动方向的另一个侧面，因为，没有受到几何特征的尺寸限制可以看成自由面，由此可以推断出：预先给定的不变的，对非稳定接触面“铸造活塞—熔融浇注”起作用的流体力，其在接触面上分布是不均匀的，由此产生一种运动，这种运动导至了进入浇注口之前熔融体的流体动力学状态，同时也产生了流动的阻塞。在这种铸造方法前期所产生的不稳定状态的流体动力学过程，也不能在下一个阶段达到稳定。由流出截面流出的涡流状液流的溅散进一步延续到下一个工作阶段，在此阶段随着相应的压力活塞速度这种涡流将活动的砂箱半边的箱壁上造成冲击。此时，由于横截面变得狭窄，从而形成极高的流入速度。

由专利EP0733421A1得知，应用熔液压铸模浇铸能达到层流流动，但熔液的温度要略高于液相温度，在铸造腔内熔液被冷却，然后再加热，使熔液成为金属悬浮体，并在压力作用下压注到模腔内。对于保持压铸所需要的注满砂箱时间(5-10ms)来说，分层流动的条件是不能满足的。它没有指明在铸造腔内是否达到或怎样保持均衡流速。在沿着铸造腔流动的流体中也呈现一种紊流特征，在活塞区形成涡流，并且生成金属状态。熔融体冲击活动砂箱半边的壁上(视其结构布置而定)，并且是以一种飞溅式的自由喷射方式进入压注模中。按照所述的这种结构布置，要想取得质量上的改善，例如通过再压缩已经成为晶体的铸件，是不能达到其目的的。因此，这样一种熟悉的方法在实际运用上受到一定限制，并且，不可能制造出较佳的最终产品。

本发明的任务在于，提供一种按照主权利要求中前序部分所述的压铸方法，在这种压铸方法中用流体动力学稳定的熔液流注满压铸模。在附加的压缩力作用下促使铸件结晶，而不致于造成熔液流入时出现的溅散现象。

本发明是通过下述方式来解决前面所提到的方法的问题的，进入铸造腔中的熔融流体在加速之前就形成一个液体的圆柱体，并且使该圆柱体形状一直保持到流体动力学稳定、温度均衡和在其最初材料中压力分布均匀的程度。此时，生成结晶的金属在填满铸造模之后，形成具有特殊构成的熔融体，并且在附加的特定的压缩力的作用下进行铸件固化。

为了实现这样一种制造法，按照本发明其铸造腔是这样构造的，即，使它具有一个反压力活塞及一个压缩活塞，该腔不中止于浇口前，而且同时又构成一个几何尺寸上受限制的腔室，借助于特殊的制造方法，这种铸腔是可以得到的T字型的形状结构腔。为能实现这一点，可令该铸腔为T字形结构腔。在该T字形结构腔中，浇铸活塞和反压力活塞相对设置，而压缩活塞被支撑在垂直的通道中。

这种活塞结构布置具有很重要意义，确定了最重要的工艺技术上的优点。其一在于：处于铸造腔的熔融体由相对布置的活塞的移动首先会生成圆柱形状，这样，可在“铸造活塞一熔融浇注”—接触面上实现均匀的压力分布。此外，在共同压力作用下的圆柱形熔融体中，会出现弹性—流动波，该流动波会激发已经在铸造腔内形成的球状初结晶体的生成。另外，本发明的方法借助于合适的手段，能使用不稳定的熔融浇注生产出其流变特性能被具体确定的流体动力学稳定的金属悬浮体。通过引入金属冷却粉可产生并保持流变效应。

在铸造腔内形成的结晶条件是：组织形态并不主要取决于铸造腔壁的热传导，而是取决于新的固态的外来结晶胚体周围一圈，该结晶胚体在很短的时间间隔内使熔液成为半凝固状态，并且使结晶速度得到保持，这种结晶同时且均匀地出现在整个熔融体的固化阶段，而且使产生的金属悬浮体的温度保持均衡。

当铸造腔中形成微孔度时，在熔融体上增加外部压力具有特别重要性，因为在该阶段存在制造微孔铸件基础。如果气压和熔液压力之差由熔融体表面张力形成的毛细管压力时，则由于结晶胚芽形成过程即产生的微孔能稳定地存在于熔液中。因此，为了阻止凝固期间的气孔的萌芽形成，要增大对熔液的压力。按照本发明的方法，其增加压力则是在铸造腔内通过压缩材料的体积来实现的。在金属悬浮体内产生的压力等于当时的流体动压力和内部流体静力压力之和。它几乎不可能形成微孔的萌芽，从而创造了基本上具有较高致密度值的最终产品的结晶条件。

当活塞工作中在对熔融体进行处理时，在封闭的被压缩的熔融体内同时有下面的过程进行：流体动力学保持稳定、温度均衡以及压力在整个圆柱形材料体中呈均匀分布。但是，按照本发明，跟随着稳定阶段的材料加速度并不受到压注活塞的流体动压力影响，而是通过使用反压力活塞产生的流体动力反压力来实现。这与铸造腔的特殊结构有关，在该结构中其又取决于反压力活塞的返回行程一直到浇注口打开部位的横截面。由于活塞移动迅速，从而在流动的圆柱形的自由接触面上形成压力降，进而推动熔融体流入到打开的铸腔内。温度保持均衡及流体动力学稳定的熔融体通过反压力活塞的作用，朝浇口方向流动。这种运动能够通过它的正面位移形成注入，该注入方式因从浇口侧面出来而实现注满的，因此具有层流浇注之特点。该阶段具有十分重要意义，因为在注满过程不产生涡流熔融体喷射。

本发明工艺的另一个结构优点还在于，浇注活塞和反压力活塞的相对的端面是这样构成的：它们被制成凹的椭圆状，并且能侧面对换的型面。这样，位于中间腔室的该型面就形成了一个具有两个球形部分的圆柱体。进而言之，在共同压力作用下的熔融体的形态，就可能呈现出圆柱体，即圆柱形体积之特征。

这种特殊的活塞结构还有其它工艺上的优点：

当压力很快减少时—由于反压力活塞返回而造成的，浇注活塞移动使压力回复到等压。在压铸活塞加速时的流体的压力作用下，压铸模早已由下一个熔融体所填满。随着与反压力活塞耦合的结束，活塞运动也就在浇注口区中止，从而产生一个小的圆柱形的熔融体，该熔融体位于浇注口下部及压缩活塞上部。在共同压力作用状态时，熔融体有一个与浇注口及压缩活塞公共的轴线。靠近压铸模及注口截面处，由此产生一个附加熔融体，该熔融体可以补充到还没有最后形成凝固状态而已经生成结晶的铸件中去。

借助压缩活塞通过熔融体的压入，会产生一个附加的针对结晶的铸件的挤压。为了使所叙述的工艺过程能够实现，压缩活塞要这样置入到T型铸造腔的垂直件中，使它能够在浇注口区的方向上进行垂直移动。根据这样结构布置，在压铸活塞与反压力活塞之间形成的熔融体，即可通过压缩活塞的加速，借助相应的流体动力，被压入压铸模。

对于这种必要的结构条件是：压缩活塞的正面直径，必须与由压铸活塞同反压力活塞形成圆柱形轮廓的内径相适应。这样不仅可以避免进流飞溅，而且也可减少金属损失，因为，不会在浇注口形成金属残余。此外，还可以对凝固的铸件进行再压缩。

由下面的最佳实施例的描述并结合附图可获得有关本发明其它优点、特点及细节的进一步说明，这些附图是：

图1表示按照本发明表示的真空—压铸机，在装配的T—形结构中，具有铸造腔、压铸活塞、反压力活塞及压缩活塞。

图2表示熔融体注满压铸腔时的活塞所处位置。

图3表示当使熔融体成为圆柱形并处在共同压力状态时的活塞位置。

图4表示流体动压力作用下，所形成金属的中间体流入到压铸模时的活塞位置。

图5表示处在浇口下面形成“储料区”时的活塞位置。

图6表示正在形成结晶的铸件的加料及压缩时的活塞位置。

图7表示在注满过程结束之后已经填满模腔的截面。

图1表示的压铸机设有一个熔融体容器1，该容器借助一个吸气管2与一个“T-形—铸造腔”3(以下简称：铸造腔)相连。该铸造腔通过浇口4与压铸室5相连，该压铸室位于一活动的砂箱半边6及一个固定砂箱半边7之间。位于铸造腔3的水平区，有压注活塞8及反压力活塞9，而在垂直浇道内有一压缩活塞10。吸气管2及铸造腔3是由粉粒配料装置11和一个电磁搅拌装置12组成的，该电磁搅拌装置环形地布置于铸造腔3周围。

图1至7所示的结构显示出本发明的实用特征。熔融体13，即预先规定量的熔融体14，由熔融体容器1中出来，借助吸管2到达T形压铸腔3。熔化了的材料在此是与吸管2中的冷却粉混合在一起的。它是通过粉粒配料装置11(图2)完成混合的。粉粒起到冷却效应，由此使熔融体的过热区及低温区保持温度均衡，改善了结晶过程，以及最终使铸件质量达到均匀性。冷却了的熔融体到达压铸活塞8前面的铸造腔3中，该活塞处在P8-1部位，经过短暂时间之后即开始形成初级结晶体，该结晶体多为一种圆形状。但是，在熔融体进入之前，反压力活塞9位置发生变化。随着沿铸造腔3移动，活塞8可能从它的排出位置P9-1向后移动，以便达到位置P9-2。由此在铸造腔3中构成一个几何尺寸上受限制的空腔，其封闭住处在压铸活塞与反压力活塞之间的熔融体，不会与浇注口4接触。

在通常的方法中，熔融体注入到铸造腔时会出现很强的压铸流体动力学不稳定性，当压力升高时，则更加不稳定。按照本发明，通过压铸活塞8的移动不仅使压铸稳定，而且在熔融体中还能达到温度均衡。压铸活塞8是朝前运动，与反压力活塞9移动方向相反，达到P8-2位置。压铸活塞以不变的驱动力作用到不稳定的熔融体上，使该熔融体朝前运动并且由此强制性地使它(图3)

——成为一个圆柱形状；

——流体动力学稳定；以及

——由于压力增强促进结晶过程。

在促进结晶过程时，在熔融体内产生弹性压力波，使密度和能量增高，由此激发结晶生长。但是，其前题是：在铸造腔3中必须形成稳定流动的熔融圆柱体，并且压力分布应均匀。

通过电磁搅拌使温度达到均匀，为此设有围绕铸造腔3的环形搅拌装置12，使业已通过冷却粉冷却的熔融体形成环状运动，加之在圆柱形的材料体中有一个均衡的温度，从而为圆形(球状)晶体的结晶生长创造了条件。下一个工艺阶段是反压力活塞由位置P2-2返回到初始位置P9-1。由于浇注口4是打开的(图4)，此时活塞朝后急停，其活塞断面同浇口断面相靠在一处，温度均衡及流动稳定的中间体移向空着的腔室内并且转向到朝着浇注口4的反压力活塞9上。该工作阶段在于，

——在轴向移动的熔融材料中始终保持均匀比例的压力和温度变化；

——流体动力学的熔液流到达浇注口4，不造成固有的自由喷射束冲击到活动的砂箱半边的垂直壁上，即不使液流器处飞溅；

——同注满浇口那样，熔融体的层流方式填满浇注通道。

由于活塞9返回而造成的短暂压力减少，可借助压铸活塞移动到下一个阶段而得到补偿(图5)。位于烧口4之前结束P8-2朝P8-3位置的改变，此时活塞8的运动与反压力活塞9达到耦合。金属悬浮体充满浇注道及浇口，并且通过流体的动力学活塞作用使金属悬浮体朝后铸腔5内压去。因为压铸活塞8的正面完全与反压力活塞9的正面一样有一个凹形的椭圆状截面，所以在中间腔室就构成一个比较小的圆柱形材料区，该材料区位于浇口4的下方及压缩活塞10的上方部位，直接处于弹性的可塑状态。该“储料区”的作用在于，能够把原料补给已经结晶着的铸件。作为最终产品的再次压缩的最后一道工序，是使压缩活塞10在浇口方向进行垂直移动，随之压铸过程结束。压缩活塞离开它的出口部位P10-1，并且由浇口4排除圆柱形金属体，直到该活塞到达新的位置P10-2为止(图6)，由此完成对已经结晶着的铸件材料补给。通过处在浇口中的压缩活塞的正端面来预压半凝固的铸件。

图7为本发明金属流变形区的一个重要结构布置(φM-圆柱形熔融体的直径，φK-由压铸活塞和反压力活塞端头所构成的外形直径)。该外形封闭的结构能够形成一个无涡流的压铸模填充、进料及最终产品的再压缩。此外，它还能够明显地减少金属损失(减少压铸残余体)。

很明显，本发明的工艺方法的主要意图在于：

—通过空间上受限制的铸造腔、活塞的T形结构以及外形封闭式的活塞端部，改善了金属的流入。

—在铸件中主要为均匀的极小的峰窝状组织。

—通过对正在生成结晶的铸件材料补给及再压缩，从而减少了一般典型的铸件缺陷，如缩孔、凹空及疏松的组织。按照本发明工艺制造的铸件的密度指数可以提高到5倍。

Claims (10)

1.制造铸件的压铸方法有一水平布置的铸造腔及一压铸活塞，在开始压铸时，其压铸腔处于真空状态，熔化的材料在压入铸模之前被加速，并且，在到达铸模浇口时其前面熔液和后面的熔液皆处于压力作用下，其特征在于：

a)熔化的材料在加速之前送入到圆柱形的铸模中，在此处使其处流体动力学稳定状态，且圆柱形的材料体内温度和压力分布均匀；

b)铸满压铸模之后，把正在结晶的金属送向专门构成的熔融体；以及

c)是在附加的特定的压缩力作用下形成铸件。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，加速之前的熔化材料进入到圆柱形铸模中，其处于压铸活塞与反压力活塞之间共同挤压状态。

3.按照上述权利要求1或2的方法，其特征在于，通过把冷却粉加入到熔化的材料中，使之圆柱形的熔融体的流体动力学稳定及保持温度均匀，此时，在铸造腔内生成的金属悬浮体被激活，并且在压力作用下一直保持到加速。

4.按照上述权利要求1至3中任一项的方法，其特征在于，当反压力活塞迅速地返回到浇注口时，位于反压力活塞面与熔融体的自由面之间，沿着压力下降方向，材料开始加速，此时，在端部有一凹形椭圆状的反压力活塞稳停于浇注口，并在此形成浇口断面。

5.按照上述权利要求1至4中任一项的方法，其特征在于，借助压铸活塞的移动来影响已经加速的、仅处于流体动压力作用下的压铸模中的熔融体，并且压铸活塞与反压力活塞耦合，此时位于压铸活塞与反压力活塞的端部之间的中间腔室，形成一个小的圆柱形残余熔融体。

6.按照上述权利要求1至5中任一项的方法，其特征在于，圆柱形的残余熔融体处于浇注口的下方，残余熔体的轴线与浇口轴线一致。

7.按照上述权利要求1至6中任一项的方法，其特征在于，残余熔体是借助压缩活塞经过浇口压入到压铸腔内的，此时，通过处于浇口内的压缩活塞的端面，对半凝固的铸件进行预压，并且浇口与压缩活塞处于一轴线上。

8.一种实施按照权利要求1的压铸方法用的装置，其特征在于，铸造腔设有一反压力活塞及一个压缩活塞，以便使熔化的材料能够送入到圆柱形的压模中，熔流体沿铸造腔加速流动，并且在压铸模中使结晶着的金属压缩成铸件。

9.按照上述权利要求8的装置，其特征在于，铸造腔构成一T件形状，没有在浇注口前方中止，当压缩活塞被支撑在垂直腔道中时，压铸活塞与反压力活塞呈相对布置。

10.按照上述权利要求8或9的装置，其特征在于，压铸活塞和反压力活塞的前端面是这样设计的：它们是凹形的、椭圆状并且能够侧面对换的型面。

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