高压铸造快速抽真空方法研究 - 图文

高压铸造快速抽真空方法研究

重庆大学硕士学位论文

学生姓名：干雪梅 指导老师：龙思远 教授 专 业：材料加工 学科门类：工学

重庆大学材料科学学院

二零一一年四月

Research and Development of Fast Vacuuming for High-pressure Casting

A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the

Degree of Master of Engineering

By Xuemei Gan

Supervisor: Prof.Siyuan Long Major: Material Engineering

College of Materials Science and Engineering of Chongqing University, Chongqing, China

April, 2011

重庆大学硕士毕业论文 中文摘要

摘 要

随着铸造技术的发展，市场对铸件产品质量要求越来越高，真空辅助铸造工艺得到越来越广泛的应用。抽真空系统是真空铸造技术有效应用的关键设备，其可靠性和稳定性直接影响铸件质量。

高压铸造用真空系统的关键技术之一是如何使型腔内气体在极短时间内排出；二是如何在充型过程中及时关闭真空通道，避免金属液进入真空系统。目前市场上已有高速有效的国外产品如方达瑞真空压铸系统能快速对型腔抽真空，型腔真空度在充型后期可达100mBar，并且及时的关闭真空通道，有效阻止金属液进入真空系统造成堵塞。但是其成本较高，价格昂贵，而国内抽真空系统可靠性低，充型末期型腔真空度一般为500mBar，性能和铸件质量不稳定。

本课题是在研究现有真空铸造技术的基础上，针对现有国外高速有效抽真空辅助系统成本过高，而国内真空系统减小铸件气孔缺陷效果不明显的瓶颈，以镁合金轮毂真空高压铸造生产为研究对象，进行了系统的理论研究和技术开发，取得了以下成果： 1. 2. 3. 4. 5.

在深入分析现有商用真空技术的基础上，根据高压铸造工艺特征，提出高速用型腔排气数学模型讨论了工艺参数对型腔真空度的影响，为模具抽真空通开发了真空实时检测硬件系统和检测程序，实现了型腔真空度与抽气时间曲提出了真空通道快速开关液压系统和实现方法，形成了拥有自主知识产权、对常规和真空高压铸造镁合金轮毂进行的组织和性能对比分析结果表明：采

实现模具型腔抽真空的新思路和新方法；

道的设计与优化真空泵和真空罐组合奠定了理论基础； 线的实时检测显示；

性能稳定可靠的真空压铸系统，并通过了镁合金摩托车轮毂的实验性生产验证； 用真空辅助工艺后，铸件内气孔缺陷基本消除，可以进行固溶热处理；真空高压铸造镁合金轮毂的力学性能较普通轮毂有明显的提高。

本课题研制的抽真空系统具广泛的适应性，可满足除轮毂外的其他铸件的真空高压铸造生产的要求。

关键词：镁合金，真空压铸，真空度，组织性

I

重庆大学硕士学位论文 英文摘要

Abstract

With the development of casting technology, the demand of market for quality of casting products is increasing, The vacuum-assisted casting process have been applied more extensive. Vacuum system is the key factor of vacuum casting technology, stability and reliability of vacuum system will affect the vacuum casting technology directly.

One of the key technologies for vacuum casting technology is how to pump air of cavity in a very short time; another is to close vacuum channel in time so as to avoid leaking liquid metal into vacuum system when filling mold finished. At present, the systems made by Fondarex occupy the market, which has stable and high pumping ability to make the pressure of cavity to be 100 mbar, also close the vacuum channel in time. But this system requires high equipment purchase and maintenance costs. Compared to the former, the vacuum systems in home have low reliability, its performance and the quality of vacuum die castings are not stable.

Combining with the base research of vacuum casting technology which is expensive or unreliable, this paper makes magnesium alloy wheel with high-pressure vacuum casting productions to be the research object, studies theoretical research and technology development, and gains some results as follows: 1. Based on the analysis of the existing commercial vacuum technology, according to the features of high-pressure casting process, the new idea and methods of fast vacuuming have been proposed;

2. The process parameters affecting the cavity vacuum degree have been analyzed through cavity exhaust mathematical model, to make the theoretical basis for the design of exhaust channel and the combination of vacuum pump with vacuum tank;

3. The innovated and real-time system of detecting for cavity vacuum degree have been developed, combing the transmitter and collector, the curve of cavity vacuum degree and pumping time was displayed, to achieve the real-time detection and conformity;

4. Fast switching of hydraulic system in exhaust channel and its

II

重庆大学硕士学位论文 英文摘要

implementation have been proposed, vacuum casting system which has independent intellectual property right and high reliability has been developed and validated by experimental production of magnesium alloy motorcycle wheel;

5. The results of comparative analysis between the ordinary and vacuum magnesium alloy motorcycle wheel castings on the microstructure and mechanical properties shows : compared with ordinary magnesium alloy wheel castings, the size and amount of gas defects have been improved apparently, and can use heat treatment to improve casting’s quality; the mechanical performance of vacuum casting also have been enhanced obviously.

The vacuum system of this paper has wide range of adaptability, can be expanded to other castings besides motorcycle wheel to meet the production requirement of vacuum high-pressure casting.

key word: magnesium alloy，vacuum die casting, vacuum degree, organization and performance.

III

重庆大学硕士学位论文 目录

目 录

摘 要 ....................................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................... II 1 绪论 ....................................................................................................................................... 1

1.1铸造成形技术及合金的铸造性能 ................................................................................... 1 1.2真空压铸技术................................................................................................................... 4 1.3真空压铸辅助系统研究现状........................................................................................... 6

1.3.1 国内外真空压铸技术的发展 ............................................................................. 6 1.3.2 各种真空压铸系统分析比较 ............................................................................... 7 1.3.3 真空压铸技术广泛应用的瓶颈 ......................................................................... 12 1.4 本课题研究的意义........................................................................................................ 12 1.5 课题研究内容................................................................................................................ 12

2 气体流动分析 ................................................................................................................... 14

2.1 气体流动理论................................................................................................................ 14 2.2 真空系统的抽气方程.................................................................................................. 14 2.3型腔气体流动分析......................................................................................................... 15

2.3.1 排气道截面积对排气时间的影响 ..................................................................... 15 2.3.2 气体流速与型腔容积对排气时间的影响 ......................................................... 16 2.4 型腔气体流动对排气道的要求 .................................................................................... 18 2.5 小结 ............................................................................................................................... 19

3 高响应抽真空方案确定及抽真空系统设计 ................................................... 20

3.1 确定抽真空方案............................................................................................................ 20 3.2 真空系统设计................................................................................................................ 20

3.2.1 系统设计原理 ..................................................................................................... 21 3.2.2 真空压铸真空度范围界定 ................................................................................. 22 3.2.3 系统零部件选型 ................................................................................................. 22 3.3 小结 ............................................................................................................................... 26

4 真空压铸系统在轮毂上的应用和抽真空性能测试 ................................... 28

4.1 控制系统原理设计与实现............................................................................................ 28 4.2模具密封要求................................................................................................................. 29 4.3抽真空性能测试与参数优化......................................................................................... 29

IV

重庆大学硕士学位论文 目录

4.3.1 型腔与负压罐内真空度的测试 ......................................................................... 29 4.3.2 压铸工艺参数对型腔真空度的影响 ................................................................. 33 4.4 小结 ............................................................................................................................... 35

5 真空压铸件组织性能分析 ......................................................................................... 36

5.1铸件内部气孔缺陷形成机理及防止措施 ..................................................................... 36

5.1.1 铸件组织气孔缺陷形成机理 ............................................................................. 36 5.1.2 气孔缺陷的防止措施 ......................................................................................... 36 5.1.3 真空铸造工艺优点 ............................................................................................. 37 5.2真空铸造工艺对铸件组织的影响 ................................................................................. 37 5.3 真空压铸工艺对铸件力学性能的影响 ........................................................................ 40 5.4 断口分析 ....................................................................................................................... 44

5.4.1 断口截取与保存 ................................................................................................. 44 5.4.2 断裂类型............................................................................................................. 45 5.4.3 试样断口分析 ..................................................................................................... 45 5.5 小结 ............................................................................................................................... 46

6 结论与展望 ......................................................................................................................... 47

6.1 结论 ............................................................................................................................... 47 6.2 展望 ............................................................................................................................... 48

参考文献 ................................................................................................................................... 49

致谢 .............................................................................................................................................. 52 附录 .............................................................................................................................................. 53

V

重庆大学硕士学位论文 1 绪论

1 绪论

1.1 铸造成形技术及合金的铸造性能

在金属材料成形工艺的发展历史进程中，铸造成形技术是时间最为悠久的一种成形方法。由文献记载与实践考察研究表明，铸造技术的发展主要可以分为两个阶段，第一个阶段是以青铜铸造为主，后阶段则是以铸铁为主。据历史文献记载大概在五千年前，古人就开始学会用铸型模子来浇铸铜件，但铜件形状结构都较简单，我国的青铜铸造技术在商末周初时期达到了成熟，得到了广泛的应用。殷商祭器司母戊鼎出土于河南安阳，其重量超过了700公斤，长高也均超过了一米，四周均装饰有精美的蟠龙纹和饕餮纹。位于湖北的隋县出土了一大批青铜器，品种繁多，纹饰细致且精美；其中的六十四件编钟铸造是特别的精致、音律精确、声色优美。这些饰品充分证明了殷商时期铜合金的冶炼和铸造技术已到达了很高的技术水平。我国还在公元前六世纪就发明了生铁的冶铸技术并得以应用，进入隋唐以后，随着社会经济的发展铸造技术有了很大的进步，表现于公元974年铸造的河北沧州大铁狮高6.1 m，长5.5 m，重达50 t。明朝永乐年间铸造的永乐青铜大钟重达40 t，钟体内外遍铸经文十余万字[1]。今天，铸造成型已成为工业生产中最主要的成形方法之一，正朝着高效率、高品质与低能耗的方向发展。

铸造成型是一种将液态金属（一般为合金夜）浇入铸型型腔，待金属液冷却凝固来获得与铸型型腔结构形状相同的毛坯或零件的成形工艺。铸造成形工艺的特点如下[2]：能适用于成形结构形状复杂，特别是内腔形状复杂的零件，如箱体、阀体、泵体、叶轮及螺旋桨铸件等；适用于铸造工艺成形的零件大小范围很广，小到精致的钟表零件，大到重量达到数百吨的轧钢机机加；铸造工艺使用的铸造材料也几乎不受到限制，凡是能高温熔化成液态的金属材料几乎都可以用于铸造。而对于某些塑性很差的金属材料（如铸铁），采用塑性变形方法不易成形零件，铸造即成为其零件或毛坯唯一的成形工艺。在工业生产中，铸铁件的应用最为广泛，其产量达铸件总产量的70%以上。一般来说，与塑性成形的零件相比，液态金属直接凝固成形的零件，其内部组织均匀性，致密度及力学性能都较低。

合金在熔炼、浇注、充型和冷却成形的铸造过程中获得尺寸精确、结构完整的铸件的能力称为合金的铸造性能。性能指标主要包括以下方面：合金液的充型能力、合金夜的冷却收缩性、吸气性以及液态金属中成分偏析倾向等性能[3]。液态合金填充铸型的过程简称为充型。液态合金的充型能力是指液态合金充满铸型容积，获得

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重庆大学硕士学位论文 1 绪论

轮廓清晰，形状结构准确铸件的能力。若液态金属的充型能力不足，即型腔角落无法完全填充，铸件将产生浇不到，冷隔等缺陷。合金液的体积或尺寸在浇注、充型、凝固直至冷却到室温的过程中产生缩减的现象，称为收缩。液态金属在型腔内的凝固过程中，如果外部金属液不能及时补充由液态收缩和凝固收缩所引起的体积缩减，就会在最后凝固部位将形成孔洞，由此产生的集中孔洞称为缩孔，而细小分散的孔洞则称为缩松。

在金属液熔炼浇注和充型的过程中，若在冷凝过程中不能把液态金属吸入的气体从液体内逸出，滞留在金属中，将在铸件内形成气孔。金属材料的连续性遭到气孔破坏，其内部可以承载负荷的有效截面积减少，并将在气孔的周围引起应力集中，从而使得铸件的质量和力学性能降低。一些弥散性气孔还会促使形成大量的 显微缩松，降低铸件的气密性和致密度。

铸造成形工艺依据不同的铸型材料、造型工艺和浇注方式，可分为砂型铸造与特种铸造两大类。压力铸造是特种铸造的主要方法之一，也可以称其为有色金属铸造行业里面的一种革命，该方法的诞生在很大程度上提高了铸件产品的生产效率，降低了产品的生产成本，为压铸件在各行各业的更广泛应用奠定了技术基础[5-6]。压力铸造简称为压铸，是指将金属材料从固态加热熔炼成熔融状态或半熔融状态，然后将金属液浇入压铸机的压室内，关键是在获得高压的压头作用下，使液态或半液态金属快速流动充填压铸模型腔，并在压力下成型和凝固冷却而获得铸件产品的方法。压铸与其他铸造方法最本质的两大区别在于高压和高速充填压铸模具型腔。压力铸造时，所用的压铸力一般为30-70Mpa，充填速度达到5-100m/s，金属液在高压作用下以高速度充填压铸模型腔，是压铸工艺区别于其他铸造工艺的主要不同点[7]。压铸由于工艺的改进，的确克服了砂型铸造的许多缺点，但同时其独特的工艺也带来了一些新问题，如透气性差，铸件产品较容易出现气孔缺陷；导热快且退让性低，易出现浇不到，冷隔和裂纹等缺陷；其耐热性不如砂型好，在金属液的高温高压作用下，型腔比较容易损坏，使用寿命受到影响。金属液充填模具型腔的时间长短与铸件的大小和壁厚有关，一般在几十个毫秒范围内。与其他铸造方法相比压铸新工艺有许多明显的优点[8]：压铸工艺产品生产率高，铸件成形率高，易于实现机械化与自动化生产，为自动化生产一条线的实现提供了可能；能压铸薄壁，形状结构复杂但轮阔清晰的产品；铸件产品的尺寸精度和表面质量高，尺寸稳定；可压铸出形状复杂的镶嵌件，还可以压铸出图案、线条、文字、螺纹、符号等；压铸件的加工余量少，只需要去水口，一般无需再对铸件进行机械加工，材料的利用率得到提高。

压铸技术虽然拥有上述的诸多优点，但从它的发明之日起就带有严重的先天不

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足——压铸件存在较严重的气孔缺陷。与传统的金属固定模重力铸造和砂型铸造相比，压铸的高速高压喷射比依靠金属液的重力而自然流入有着更好的充型效果，但也正是因为高温高压高速的金属喷射和金属液流态的不稳定，使金属液与型腔内的空气，以及热金属和型腔内残留润滑剂所产生的烟气与高速流动的金属液有更大结合的可能性。因为充型速度很快，型腔中的大部分气体来不及排出而不可避免的被卷入进金属液中，在铸件凝固冷却后以气孔形式残留于铸件内，导致铸件致密度下降，本体材料的力学性能降低。压铸产品经常存在一些缺陷，如冷隔，流痕，气孔或充型不良等缺陷，但其中最重要的缺陷就是气孔缺陷。

压力铸造靠其高速的工艺特点能够有效提高金属液的充型流动性能，利于合金液充型，而高压的工艺条件将改善铸件的缩孔缩松状况。但同时也导致金属液内气体不能在短时间内排出而残留于铸件内部形成气孔缺陷。

图1.1 压铸产品主要缺陷的产生原因 图1.2 压铸件加热后出现的气泡 Fig1.1 Main cause of die casting defects Fig1.2 The air hole of heated casting

主要缺陷 缩孔 缩松 卷气孔 冷隔 填充不足

产生原因 凝固不均 补缩不足

残留气体

气孔缺陷的存在不仅减少了铸件产品的有效截面积，而且还可能在局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源，尤其是形状不规则的气孔，不仅增加了铸件的缺口敏感性，而且还可降低零件的疲劳强度[9-10]。传统压铸件还要避免机械加工，以防止机加后内部空洞外露。图1.1显示的是普通压铸件常存在的缺陷及其产生原因。同时，在后续改善铸件性能的热处理过程中，由于铸件的含气量高，铸件加热后表面会出现气泡（如图1.2所示）。所以普通压铸件难以通过热处理实现组织、性能调整，使压铸工艺长时间来局限于非承载性零件的生产，由于内部疏松，压铸件塑性，韧性差，大大地限制了压铸件产品在重要或大型复杂受力部件上的应用[11]。

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1.2真空压铸技术

真空压铸技术是在传统压力铸造技术的基础上辅以对型腔抽真空技术，即先将型腔内的气体抽出，金属液在相对真空的条件下充填型腔[12]。如图1.3所示：当压头封闭浇口后，压室与型腔形成一密闭容积，外部真空系统的真空阀打开后，压室与型腔内的气体通过真空通道被排到外部真空源。此时，模具型腔内的气体含量降低，型腔真空度迅速升高，压头遇到如快速感应开关等一类的控制元件时，真空阀关闭，将抽真空系统与型腔断开并密封。同时，金属液在压头作用下继续对型腔进行充型，如图1.4，直到熔体完全充满整个型腔。因此，真空压铸工艺是在极短的时间内将型腔内的气体抽出，避免了熔体在充型时将气体卷入造成气孔缺陷，熔体在高真空度条件下冷却凝固得到的铸件致密度能显著增高，气孔缺陷大大降低[13-14]。 以传统压铸工艺为基础，真空压铸技术保持了普通压铸法高速高压的优点，且通过对型腔抽真空降低型腔气体含量，使得真空压铸件内气孔缺陷少，可以进行后续热处理甚至焊接[15]。经过热处理的压铸件综合性能得到显著改善，应用范围更加广泛可用于结构件与承载件。

图1.3 抽真空示意图 图1.4 真空压铸示意图

Fig 1.3 Exhausting of vacuum die casting Fig 1.4 The process of vacuum die casting

在传统压铸技术中，如图1.5所示，由于金属液在内浇道口处的喷射效应，大量的金属熔液将与型腔内的空气和烟气充分接触，型腔内的气压在充型的最后末点将达到3000 毫巴以上甚至 4000 毫巴；而在真空压铸中，型腔内气体先被抽出，

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型腔充型后期的气压只有大约为几百至100 毫巴以下，只有极少残存的空气和烟气与充型的金属液接触，所以可以有效避免气孔缺陷的产生[16]。

图 1.5 普通压铸与真空压铸型腔气体压力曲线

Fig 1.5 Cavity pressure curve of ordinary die-casting and vacuum die casting

真空压铸工艺对金属熔体的充型效果有着重要的影响[17]：一是充型前的型腔抽真空为充型压差建立了一较低的压力起点，易建立较大的充型压差，因此充型时流动阻力得到降低，利于金属熔体的充型；充型速度也得到提高，利于充填结构复杂异难填充的零件部位；金属液表面张力较小，也利于复杂薄壁铸件成形；二是真空浇注前型腔内气体被抽出，金属液不易被氧化，且合金熔体在较小的阻力下充型，填充效果良好可得较好的铸件表面亮度与光泽度。

真空压铸技术的主要优点[18-19]：降低铸件产品的气孔率，提高铸件尺寸精度，改善铸件表面的光洁度和内部组织均匀性，因型腔压力减小。压射时比压可降约40%，能提高模具的寿命，还可以提高铸件的热处理性和可焊性，调整真空压铸件性能，增大压铸件的应用范围。实验研究结果表明，真空压铸件与普通压铸件相比，具有更低的气孔率、更均匀的内部组织及更加光洁的铸件表面。

高真空压铸成形技术是近年来工业化国家以实现压铸件产品高质量，广应用为目标而竞相研发的一种新技术。辅以真空压铸系统是解决复杂压铸件充型困难，提高产品质量与合格率的重要手段，真空压铸技术是进一步扩大压铸件的应用领域，

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促进压铸件质量普遍达到高档次的关键性技术措施。

1.3真空压铸辅助系统研究现状

1.3.1 国内外真空压铸技术的发展 [20-23]

真空压铸技术的具体实施方案就是将型腔内（包括压室）的气体抽出或大部分抽出，实现高真空条件下的充型，然后金属熔体在压头压力作用下充填模具型腔，冷却凝固成形。但其抽真空过程的控制以及抽真空截止后续的真空系统维护仍存在着各种各样的问题，还不能很好的符合真空压铸过程期望的要求。真空压铸技术的诞生与发展经历了一个较曲折的历程，进展较为缓慢。在压力铸造的历史过程中，在1872年真空压铸技术进行了最早的首次尝试，但由于早期工作条件不成熟和其他原因，没能获得实际成功。

1932年，真空压铸方法被研究学者Former归纳为两种方案，第一种是在模具内设计排气道，从模具型腔内直接抽气；第二种是置模具在真空箱内，对真空箱进行抽真空，即将压铸置于真空环境中进行。但因当时抽真空系统存在许多技术问题且都未付诸实际实践而使得真空压铸系统的研究工作遭到截止。在五十年代末，真空压铸技术的研究呈现出“苏醒”的势头，而且很快在世界范围内形成了竞相研究实验的高潮。真空压铸系统上的研究在这个阶段得到了前所未有的突破性进展，但因为需要研究克服的技术性问题和高昂的成本代价而再次转入低谷。60年代一度兴起用罩式真空装置来实现真空压铸，经过国内外真空压铸生产实践证明通过该方案将模具型腔及压室内气体排出，形成稀薄气体状态，在粗真空状态下充填成型对减少及消除压铸件内部的气孔缺陷，改善组织致密度与铸件产品表面光洁度，提高铸件产品质量和压铸件的成品合格率等确实具有一定的效果。但是因罩式真空装置过于庞大带来操作上的不便、动作程序与一般的传统压铸机也不完全相同、投资成本过高、耗能大而有效性低，所以真正实际应用的较少，到后来几乎被完全淘汰。

近几十年来，真空压铸系统的研究与应用的主流是抽除型腔内气体的形式。仅仅就这种抽真空形式而言就有许多方式，有将真空阀安装在模具上且与型腔排气道连接的；也有在压室浇道料口上装真空阀的；有通过压室抽出型腔气体的；还有在型腔抽气的同时吸入氧气（或其他惰性气体）的等。其中，将真空阀装在模具上与排气道连接然后从型腔处抽气的方法最为简便实用，其最大的优势在于模具的设计和结构基本上与常规传统压铸模具结构类似或相同。模具分型面、推杆配合面、型腔镶拼接合面和冲头压室配合面等各处需保证较好的密封性，只有排气道（也就是传统模具内的溢流槽）的设计和计算会有所差别，排气道的设计需要考虑型腔气体

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的流速。在压铸过程开始时，当冲头运动越过压室的浇料口时（即浇料口封闭，型腔压室形成密闭空间后）启动真空系统，型腔压室内气体被抽出，在冲头运动停止前（即充型完成前）关闭真空系统。此真空系统要求模具表面质量高，光滑度好，动模与静模之间密封性能良好，型腔能取得较好的真空效果，有效减低压铸件内部的气孔缺陷，增加铸件致密度。

国外研究发展了几种以模具内设置排气道与抽气截流阀为特征的真空压铸系统，动作程序与传统普通压铸机相同，压射冲头越过压室浇料口的同时，型腔及压室通过排气道由抽气截流阀接通大流量真空泵。金属液的充型过程在40%-80%的粗真空状态下完成。压铸件内部组织致密度得到显著提高，成型外观质量得到有效改善，飞边减少，为高效益高成品率生产优质零件提供给压铸研究者及工作者一个现实的技术可能性。在传统压铸系统的基础上辅以真空压铸系统来提高压铸件的质量，已成为压铸行业产品质量提高、技术进步的标志之一， 对铸件质量要求不断提高和竞争意识强的工业国家的压铸公司已竞相研究与推广应用。

1.3.2 各种真空压铸系统分析比较

真空压铸系统研究现状：真空排气按真空截止阀的关闭时间主要分为全过程真空和半过程真空排气。真空系统一般包括的元件有真空阀、真空管路、真空截止阀、负压罐、真空泵。目前主要有以下几种典型系统：

（1）依靠真空阀半过程排气的真空压铸系统[24-25]，如图1.6所示。

其工作特点是压射冲头越过浇料口时，冲头遇到感应开关，型腔及压室接通真空源，型腔气体被抽出。冲头继续前进，在第二级快压射开始之前，依靠行程开关

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或时间计时器提前关闭真空排气，压铸机控制阀由传感器起作用使模具内的抽气截流阀将真空源关闭。这种系统的阀不会粘金属液，因为提前关闭，使得金属液不会进入真空系统，压射的金属容量也是一定的。但由于对真空排气切断过早，型腔排气并不充分，在金属充填型腔的后半段及影响铸件质量的关键瞬时真空度较低。此类真空压铸系统对模具质量和型腔密封性要求高，且真空阀模块等较易损耗的部件价格也较为昂贵，定期真空阀的更换也将使其生产成本的增加。

（2）用排气冷却块（“Z”形冷却快）全过程排气的真空压铸系统[26]，如图1.7所示。

其工作特点是没有受外部时间或行程开关控制的抽气截流阀，型腔和压室由波形转折的薄片齿状通道连接外部真空源。齿状薄片通道的形状是成90度多次转折并有外冷却。型腔内气体由齿状排气道排出，金属液充填型腔后跟随气体进人薄片通道内会因受冷凝固逐渐失去流动能力，堵塞薄片排气道而关闭上真空源。这种系统结构最简单、投资小，且型腔气体抽真空过程持续到型腔完全充填。但是像排气糟似的薄片形通道截面小，抽气量受到限制；且齿状薄片的充填程度变化不定，不

（3）目前性能较好的抽真空系统是既不存在小截面的排气瓶颈，能快速抽除气体；且在金属液到达抽气截流阀时是依靠金属液流动惯性力将真空阀关闭，实现全过程抽真空。如：瑞士方达瑞公司推出了双芯真空阀的真空压铸系统[27-28],如图1.8所示。

够稳定，影响压射最终比压建立的作用时间，也影响型腔内真空度的稳定性。

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当压射冲头越过浇料口时，压室与型腔内部形成密闭容积，其中的气体通过较大截面的排气流道和通气节流阀与外部大容量真空源接通，型腔实现快速排气。真空阀设置启动和排气双阀芯，两阀芯之间通过开设沟槽连接。金属液充满型腔后，在压射冲头的压力作用下进一步要进入真空系统前，金属液到达真空阀启动阀芯处触发机械连锁，在极短的时间内关闭排气阀芯。当金属液通过沟槽达到排气阀芯处时，排气阀芯已经完全关闭，从而实现断流，避免金属液进入真空系统管道和造成系统堵塞。该抽气截流阀设计构思独特且取得国际专利。阀内的各种零部件由弹簧力、合模力、液流惯性、压缩空气力等自动地、安全可靠连锁地实现各个程序动作。型腔内的真空度将实时显示在监示仪上以便操作人员检测与控制。其特点是真空阀将开启一直到压铸过程结束，阀在型腔充满的极短瞬间可靠地关闭，在充型结束时型腔内真空度最高，最终铸造压力及时作用在型腔内部，获高致密度铸件。该系统的排气沟槽与阀芯截面积大，排气能力高，能使型腔获得较高的真空度。同时也可省去集渣包，节约重熔渣包的成本。阀在型腔充满的极短瞬间可靠关闭，最终比压能及时作用在高真空的型腔内部。该系统工作可靠性高、耐用性强、稳定性高，且有小、中、大、特大等多种规格，可以方便地与各种型号及合模吨位的压铸机一起配套使用，是迄今较为完善且适用的真空压铸系统[29]。但由于该系统一次性投入成本高，且需要配备相应的真空机来实现其他的功能，阀也需要定时的停机维护，维护费用较高，系统的使用对人员素质要求也较高，这些因素限制了该系统在铸造行业中的广泛应用。

（4）国内压铸行业也看到真空压铸技术的重大发展趋势，行业内的技术人员及一些高等院校也对真空压铸技术进行了研究，积极自主研发真空压铸系统。如华中

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科技大学教授万里，赵芸芸等自主研发和设计了高真空压铸用的真空截止阀和真空系统，真空截止阀如图1.9。实验结果表明该具有独立知识产权的真空截止阀与真空系统在实际真空压铸生产中有一定的应用意义[30-33]。

1—动型，2—定型，3—排气口，4—复位导杆，5—定型压板，6—从动活塞套，7—从动活塞，8—弹簧，9—复位挡板，10—容置槽，11—限位板，12—杠杆，13—主动活塞，14—主动活塞套，15—导液通路，16—进料口

图1.9 真空截止阀结构示意图 Fig 1.9 Schematic of vacuum valve

压铸开始初期：压铸模具闭合，动型1推动复位导杆4，4则压缩弹簧8使得杠杆12 处于活动状态。液态金属充满型腔后在压射冲头作用下进入进料口16，首先接触并冲击主动活塞13，主动活塞推动杠杆12，杠杆12带动从动活塞7向右运动，而使得从动活塞左端的锥形阀口关闭。该真空截止阀是采用主动、从动两个活塞，通过杠杆方式连接起来的驱动机构，利用金属液流动的惯性冲击力来关闭通气道。其特点是：当金属液充填型腔冲击到主动活塞时主动活塞受到冲击力，且将受到的力通过杠杆传递并带动从动活塞将锥形通气口密封，抽真空持续整个充型过程是该真空阀的优点。但是该结构存在一些弊端，当金属液达到主动活塞时，可能因为压力不足而无法推动主动活塞动作，导致截止阀作用失效，金属液直接流入从动活塞的真空通道而堵塞气路，所以必须在真空阀中设置额外的动力来关闭阀芯。

由以上的分析对比可知，全过程真空排气可以使最佳真空状态持续到填充型腔全过程，型腔在影响铸件质量的关键充型后期达到高真空度，真空阀由合金液的流动惯性关闭，压射外形的改变对真空阀的功能无影响，该种方式达到的型腔真空度最高，可达到100mBar（如图1.10）。

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重庆大学硕士学位论文 1 绪论

各类真空系统的排气效果如图1.10所示：齿状排气道为形式真空排气，其最佳抽真空状态也持续填充全过程，真空停止由薄片齿状排气道内金属液受冷凝固堵塞通道来实现，但其真空排气量小，且冷却块中金属液凝固位置不易准确判断，其真空度低，为“全真空”的50%[34]。半过程真空排气的真空系统工作稳定，在金属液进入型腔进行充型前关闭真空通道，可以防止金属液进入真空系统。不足之处在于一旦压射铸件改变，用于关闭真空阀的计时器或行程开关将随之加以调整，且对模具密封性要求较高，金属填充型腔之前型腔真空度可以达到100mBar[35]，但因为真空源截止过早，充型后期未排出的残余气体被挤压到未填充空间，在影响铸件质量的充型关键后期，型腔内气压急剧增加，但真空度却较低。

图1.10 不同真空系统的排气曲线图 Fig 1.10 Exhausting curve of different system

机械真空阀对应的“全过程真空”对型腔的排气效果最为理想，型腔压力急剧降低，并在充型阶段高真空继续保持，充型末期真空度达到最高值；冷却块对应的“形式真空”，其效果约为“全过程真空”的一半。提前关阀的“半过程真空”的排气曲线表明在抽真空前期，型腔内压力也急剧降低，真空度达到较高值；但在填充后期，却因抽真空不能持续整个过程而残留气体被挤压使型腔压力急剧反弹上升，效果甚至比“形式真空”还差。

资料来源：秦芸.《真空技术在压铸工艺的应用》.2008年6月

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重庆大学硕士学位论文 1 绪论

1.3.3 真空压铸技术广泛应用的瓶颈

由上述对真空压铸技术的发展分析可知，真空压铸技术的关键是对型腔快速抽真空与及时关闭真空通道，防止金属液进入真空系统。通过对国内外现有的真空压铸系统进行对比分析可得，瑞士方达瑞的真空压铸系统性能可靠稳定，型腔内真空度高（100mBar），但其价格昂贵，一般企业无法承担。而国产真空压铸系统（包括冷却块和时间行程开关控制阀）性能效果不稳定，可靠性不高，型腔内达到的真空度不高（500mBar）,无法满足高质量真空压铸件的生产要求。

1.4 本课题研究的意义

目前的真空系统普遍存在可靠性较差、设备购置和使用成本高的问题，与其他成型工艺相比，在综合技术经济性上缺乏明显的竞争优势，推广应用受到限制。一般压铸厂的普通压铸件不合格率在20%以上[36]，为了提高铸件产品的质量，提高收得率，国外压铸厂已大量推广使用各类真空系统。但国内在传统压铸上辅以真空压铸系统的厂家还很少，且大部分依赖进口，价格昂贵。当前国内真空压铸系统的发展应用中还存在的主要问题如下：（1）国外可靠性高的真空压铸技术受专利保护，真空压铸系统成本较高，价格昂贵，其广泛应用受到了限制；（2）国内真空技术研究发展起步较晚，真空系统主要还是依靠齿状冷却快进行排气，该系统排气能力不足，排气状态不稳定，未能很好的体现出真空压铸技术的优势；（3）真空压铸系统在使用过程中，常出现真空截止不及时导致金属液进入真空阀，冷却后造成堵塞，需常停机检修。开发高可靠性，低成本的真空系统成为真空压铸技术广泛应用的关键。研发高可靠性的真空压铸技术，充分发挥压铸的技术及成本优势，生产高强度、高韧性的压铸件，对促进真空压铸技术在我国压铸工业中的广泛应用有重要意义。

本课题源自国家973“镁合金挤压铸造”课题，得到重庆市科委，东莞宜安电器制品有限公司，香港生产力促进局的大力支持。旨在研究真空压铸系统的关键技术，然后开发出具有自主知识产权，符合实际生产要求的新型真空压铸系统，实现经济可靠性，克服国内真空压铸技术应用的瓶颈，通过该技术应用提高压铸件产品质量，增强企业竞争力。

1.5 课题研究内容

针对传统压铸件气孔多、致密度差、不能热处理和焊接，而现有真空压铸系统可靠性差，装备购置和使用成本高的问题，进行下述真空压铸技术研发。 （1）针对压铸充型速度快的特点，突破真空截断技术瓶颈，开发高动态响应能力

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重庆大学硕士学位论文 1 绪论

的经济真空截断方法；

（2）针对现有真空设备依赖进口的现状，自主开发新型真空系统，为高品质压铸生产提供装备保障；

（3）真空排气方式选择与真空系统设计，包括模具排气道、真空抽气管路、真空截止阀以及抽真空机组。要求模具内排气道排气能力大，能在瞬间快速排出型腔内气体，模具内真空截止动态快速响应，避免金属液进入真空系统造成堵塞； （4）针对压铸品质依赖于工艺参数配置的现实，用 “虚拟现实”与“生产性实验”相结合的方法，通过模拟与实际生产结合进行参数工艺的优化；

（5）研究工艺参数与铸件品质的关系，确定高品质铸件稳定生产条件及优化调控方法。

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重庆大学硕士学位论文 2 气体流动分析

2 气体流动分析

2.1 气体流动理论[37]

高速流动的气体流经模具内排气管道时，如果管路不长，则壁面摩擦影响不大；同时若气体与管壁间或管壁与环境之间没有进行充分热交换的条件；或因气体通过管路的时间较短而来不及与管壁进行充分的热交换；或气体与环境的温差不大，这时气体与外界进行热交换的影响可以忽略。这些绝热的无摩擦运动均可以视为等熵的气体流动。

一元恒定等熵气流的基本方程组： 质量守恒：

d???dvdA??0 （2.1） vAv2能量方程： u???C （2.2）

?2p运动方程：

?dp?p?vdv?0 （2.3）

等熵状态方程：

?k?C （2.4）

其中：?—密度，g/cm3；v—速度，cm/s；A—管路截面积，cm2；P—压力，Pa；u—内能，J/kg。

对于一元恒定气流，尽管在实际流动中有摩擦会造成机械能的损失，但只要所讨论的系统与外界不发生热交换，则所损失的机械能仍以热能的形式存在于系统中，所以一元气流的能量方程既可使用于理想气体的可逆绝热流动（等熵流动）又适用于实际流体的不可逆绝热流动。在本课题中，等熵运动有其实际意义，因为气体是在短管中进行高速流动，管壁摩擦与热交换的影响很小。在型腔真空排气过程中，可将气体流动视为等熵运动。通过上述等熵气流的基本方程（2.1—2.4）结合实际真空泵抽出型腔气体过程，推导出气体排气时间与抽气速度，管道截面积，排气容积以及末态型腔压力的关系。

2.2 真空系统的抽气方程

真空排气的目的是将被抽容器内的各种气体抽出，而一个真空系统中需要抽出

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重庆大学硕士学位论文 2 气体流动分析

的气体负荷量为：抽真空容积中的漏气量+抽真空容积材料表面释放出来的气体流量+抽真空容积外部大气通过壁材料渗透进入的气体量+工艺过程中抽真空容积内产生的气体量+抽真空容积本身存在的大气量

Q?Q1?Qf?Qs?Qg?Qa （2.5）

当真空系统对被抽气容积抽气时，真空系统对容积的有效抽速若以Se表示，抽真空容积内压力用P表示，则单位时间内系统所排出的气体流量即使SeP。被抽容

dp器容积用V表示，抽真空容积内压强变化率为，抽真空容积内气体减少量即是

ddtVp。根据动态平衡方程，可列出以下方程： dtdpV??SeP?Q1?Qf?Qs?Qg （2.6） dt即容器内气体减少量等于容器内气体抽出的量与气体各种泄露量之和。 对于一个设计，加工制造良好的真空系统，抽气方程（2.6）中的放气、渗气、蒸汽和漏气的气流量都是微小的。在抽气初期，真空系统的气体负荷主要是容器内原有的空间大气，随着容器中压强的降低，原有的大气迅速减少，到了后期容器中残存的气体主要是漏气和放气，而且主要的气体成分是水蒸气。在低真空条件下，真空系统本身内表面的出气量与系统总的气体负荷相比，可以忽略不计，在低真空条件下计算抽气时间可以不考虑表面出气的影响，当系统内漏气、放气很小以致极限压力可以忽略，且与白抽容器间的连接管路较短，其流导影响也可以忽略，可得真空系统的抽气方程为：

Vdpdt??SgP??SegP （2.7）

积分得： t??

Vlnp?C （2.8） Sp2.3型腔气体流动分析

2.3.1 排气道截面积对排气时间的影响

在等熵的条件下来分析型腔中的气体流动。抽气管路的流通能力和流通特性决定了单位时间内流过的空气量（质量或体积），是判断型腔真空能否快速实现的重要依据[38]。有效截面积As表示单位时间内流过的空气量，As由一元等熵方程组和系统抽气方程推导得出表达式为：

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重庆大学硕士学位论文 2 气体流动分析

As?12.9Vp1?0.1013273 （2.9） lgtp2?0.1013T1其中：V—容器容积，m3；P1、P2—初始压力和残余压力，Pa；T1—初始温度，K；t—时间，s。

从（2.9）式可以看出有效排气截面积As与排气时间t成反比，大排气面积有利于型腔内的气体快速地抽出，排气面积越大，抽气时间越短，型腔越容易达到极限真空度。在初始压力P1=100Kpa，所抽容积体积V=6L的情况下（针对实际轮毂生产的型腔及压室容积）分析排气道截面积对排气过程的影响。

型腔压力P/1Bar 具型腔气体压力

时间T（s）

图2.1 不同抽真空排气道直径，型腔压力随抽真空时间的变化曲线 Fig 2.1 Cavity pressure for different venting cross section

从图2.1可得（1）型腔内气体压力并不是线性减小的，气体压力开始降低迅速，随着压力本身值的减小，其降低速度逐渐变缓；（2）大排气截面更利于气体流动，在相同的抽气时间内，型腔达到的真空度更高，或是要达到同一真空度需要的抽气时间更短。

2.3.2 气体流速与型腔容积对排气时间的影响

型腔内排气时间的表达式为[38]：

t?2.3PiVlog （2.10）

PSe 16

重庆大学硕士学位论文 2 气体流动分析

Se?CSpC?Sp （2.11）

其中：V—型腔与排气道容积，m3，表示合模后所需要抽出的气体量；Se—有效抽速，L/s；Pi—型腔初始压力，Pa；P—型腔残余压力，Pa；Sp—泵抽速，L/s；C—排气管道的流导（在单位压差下，流经管路的气流量的大小），m3.s 。

从（2.10）式可以看出，影响真空排气时间的主要因素是有效抽速Se和型腔与排气道容积V，从（2.11）式得出有效抽速Se主要受管道流导C的影响，大截面的大流导利于有效抽速Se的增加。在初始压力P0=100Kpa，型腔容积V=6L的情况下分析真空泵抽气速率对型腔排气过程的影响。

型腔压力P/1KPa

时间T（s）

图2.2. 不同抽气速率，型腔压力随抽气时间的变化曲线 Fig 2.2 Cavity pressure for different exhausting speed

由图2.2可知：抽气速度越大，型腔压力降低得越快，型腔达到极限真空所需要的时间也越短。此处指的抽气速度是指对型腔内气体的有效抽速，即：考虑了管路沿程压力损失之后的实际抽速，由式（2.11）可以看出有效抽速Se受泵抽速Sp和排气管路的流导C的共同影响，大截面管路的流导C大，有效排气速度Se也越大，型腔更容易达到高真空。

在初始压力P0=100Kpa，有效抽速Se=30L/s的情况下，分析型腔容积对型腔排气过程的影响。

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重庆大学硕士学位论文 2 气体流动分析

120100V=5L型腔压力P/1KPa80V=10L604020000.511.522.53时间t/s

图2.3. 不同型腔容积，型腔压力随抽气时间的变化曲线

Fig 2.3 Cavity pressure for different volume

由图2.3可知：型腔容积越大，所需要抽出的气体量越大。在相同抽气时间内，型腔里的真空度越低，型腔达到极限真空所需要的时间也越长。所以一方面增加排气管路截面积以增大流导，提高有效抽速，缩短排气时间，另一方面应尽量缩短排气管路的长度，避免因截面积增大造成所抽容积的增大而增加排气时间。

由上述分析可知：提高有效抽速Se或减小容积V都可以缩短排气时间，对于真空系统的排气管路，增大排气截面积，缩短管路长度利于减小沿程压力损失，提高排气速度，都可以缩短排气时间，使型腔快速达到高真空。采用直通排气道，尽量增大管路截面积和减小管道长度利于型腔气体的快速排出。

2.4 型腔气体流动对排气道的要求

在国内现有的真空压铸系统中，模具内排气冷却块及排气道设计大多数采用的是齿状结构。其原理在于通过在模具上设置有外部助冷的集渣包，呈齿形，用齿形集渣包将所有的排气槽都连接起来，然后再将齿形集渣包与外部真空系统相连接。型腔内气体即由排气槽流经齿形排气道到外部真空系统所在的真空源，实现排气。

齿形的薄片通道结构设计是多次转折呈锯齿状，金属熔体进入薄片通道后，受冷温度降低凝固慢慢失去流动能力而停止流动，在齿状排气道内凝固下来，堵塞薄片通道关闭真空源。设计的冷却块最顶端的间隙通常尺寸小到0.2mm，以便于金属

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重庆大学硕士学位论文 2 气体流动分析

液的冷凝；最底端的尺寸设计成0.8mm或更大[39]。但是无论齿状排气道底部间隙尺寸有多大，顶端的最小间隙必将成为型腔排气快慢的瓶颈，真空压铸中要求的气体快速流通将被小截面的通气道严重阻碍，排气量受到限制，真空排气能力低。同时，该排气元件所占投影面积也较大而且有飞料危险，还无法精确的控制排气量，模具型腔所达到的真空度稳定性差；而且金属液冷却后易粘结在波纹状排气通道的表面，不便于脱落，导致重复使用的精度无法保证；压射比压最终建立时间也会受薄片的充填程度变化不定的影响。

由此分析得出，齿状薄片通道对生产高真空压铸件是不合适的，其狭小的截面是整个真空排气的瓶颈，无法在极短的压铸时间内使型腔快速获取高真空，不符合生产高真空压铸件的要求。

2.5 小结

本章首先简单介绍了气体流动理论和等熵运动的形式。气体是在短管中进行高速流动，管壁摩擦与热交换的影响很小，所以型腔真空排气中将气体流动视为等熵运动。利用真空排气数学模型分析了排气道横截面积、型腔容积大小和排气速度对真空排气时间的影响。通过分析可得直通道排气能力高于齿状排气道，直通道大排气面积，大抽气速度以及小抽气容积利于型腔快速达到高真空。

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重庆大学硕士学位论文 3 确定抽真空方案及真空系统设计

3 高响应抽真空方案确定及抽真空系统设计

3.1 确定抽真空方案

真空压铸技术是在金属液填充型腔之前将型腔内的气体抽出，相对真空状态下进行充型。在真空压铸排气过程中，当冲头过浇口封闭浇口后，压室、型腔以及排气道形成一个密闭空间，真空抽气系统的作用就是金属液充满型腔之前尽可能多的将该密闭空间中的气体抽出。目前对型腔气体的抽出方式一般有2种，其一是用真空泵直接对密闭空间进行抽气，将真空泵连接在型腔上；其二是在模具型腔和真空泵之间增加一个大容积负压罐，真空泵先对负压罐进行抽气，将负压罐预先抽到一定的预定真空度，在压铸过程中接通模具型腔与负压罐，用负压罐作为真空源对型腔抽气。这两种方式的区别在于模具型腔抽真空效率和真空泵的工作时间。

方案一，用真空泵直接抽型腔真空，理论排气时间主要受型腔容积和真空泵抽气速率的影响，通过减小型腔容积或增大真空泵抽气速度可以缩短型腔理论排气时间。如果用真空泵直接抽取型腔内气体，在压铸极短的时间内要达到所需要的真空度要求真空泵的抽气速率必然很大，增加成本，另外在每个金属液填充模具型腔的周期之间有较长的一段不需要抽真空的时间，势必将造成真空泵功率的浪费。

方案二，用负压罐代替真空泵对型腔直接抽气，型腔理论排气时间主要受型腔容积和排气管道横截面的影响，真空泵的抽气速度的大小只影响负压罐达到预先达到目标真空度的时间，减小型腔容积或增大排气道截面积可以缩短型腔理论排气时间。该方案可以利于压铸周期中不需要抽真空的时间对负压罐预先进行抽气，将真空泵的运行启动和停止设定在一个合适的真空度范围内，减少真空泵的工作时间。

通过比较可知：在相同初始条件下方案二抽真空效率大于方案一。

3.2 真空系统设计

真空压铸技术的关键：一是在压铸极短的时间内将型腔与压室的气体快速抽出，使型腔达到高真空，这就要求尽量缩短真空排气道长度，增大真空排气道横截面来增大管路的流导。二是防止金属液进入真空系统，凝固后造成系统堵塞，实现快速真空截止，要求真空系统的真空截止阀快速响应，在金属液进入真空系统前及时的关闭真空通道。由第二章的分析结论可知直通排气道的排气效率大于齿状排气道的排气效率，在本课题压铸镁合金摩托车轮毂的模具内设计为直通道排气。

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重庆大学硕士学位论文 3 确定抽真空方案及真空系统设计

3.2.1 系统设计原理

真空压铸技术是在普通压铸的基础上，将型腔抽成相对真空的情况下进行浇注充型，使得压铸件气孔率降低，压铸件质量提高的新型压铸工艺。因为压铸的高速高压，充型时间短，将型腔内气体快速抽出是真空压铸件的关键[40]。

设计思路为：电机——真空泵——电磁充气阀——抽气管道——负压罐——过滤器——抽气管道——电磁挡板阀——压力变送器——模具排气通道——型腔。真空泵对负压罐抽气，在第一个压铸周期前需要抽取的是整个负压罐中的气体量，先将负压罐气体抽出，接着压铸过程中将型腔和压室内的气体排入真空的负压罐内。压铸结束后，负压罐中只包括型腔和压室排进去的气体，其气体含量等于压室与型腔所容纳的气体。所以从第二个压铸周期开始，真空泵每次需要抽出真空泵的气体量即为型腔和压室的气体量。由于型腔压室的容积远小于负压罐的容积，所以真空泵的需要抽速可以降低至最低以减小成本。真空泵、负压罐、型腔三者之间的管道连接应该符合尽量缩短管道长度，增大管道横截面的原则。

1—浇口，2—压头，3—型腔，4—外力驱动的柱塞，5—真空通道，6—真空阀，7—负压罐，8—真空泵。

图3.1 真空系统工作原理示意图

Fig 3.1 Working principle diagram of vacuum system

设计原理图如上图3.1所示，工作原理为：合模，浇注完成，通道外的真空阀（6）阀芯打开，对被柱塞阻断的真空通道抽真空；在压头（2）封闭浇口（1）后，压室与型腔形成一密闭空间，高速油缸控制的柱塞（4）立即后退打开真空通道，型腔（3）内气体排入负压罐（7），压头驱动熔体充填型腔、熔体流动前沿抵达真空

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重庆大学硕士学位论文 3 确定抽真空方案及真空系统设计

通道口（5）前，柱塞（4）顶出，封闭真空通道，阻止熔体进入；如需要，柱塞可继续前行，为柱塞前的熔体加压，补偿凝固收缩。

3.2.2 真空压铸真空度范围界定[41]

真空技术中应用到的真空度范围很宽，常常被分为几个区域，在真空压铸技术中模具型腔内的气体压力一般在10KPa-101KPa之间，从表格3-1中的真空划分范围来看属于低真空。

表3.1 真空度范围

Table3.1 division of vacuum degree

真空度（Pa）

真空区域

105 ~100 100~10- 中真空

1

10-~10- 高真空

15

＜10- 超高真空

5

低真空

3.2.3 系统零部件选型

该真空系统包括的元件有：真空泵、电磁充气阀DDC-JQ、负压罐、GDC高真空电磁挡板阀、真空变送器、数据采集器以及其它管路元件组成。 ① 真空泵选型：

负压罐容积1000L，负压罐目标压强为50——100Pa ，抽气时间要小于铸件周期90s

piVt?2.3log Sp p (3.1)

式（3.1）中：V—负压罐的容积；Sp—真空泵抽气速率；Pi—负压罐初始压强；P—负压罐目标压强。

P=50Pa时，抽气时间：

P=100Pa时，同理

Sp?2.3*1000*log(100000/100)?76.7L/s90Sp?t?2.3pVlogi?90Spp2.3*1000*log(100000/50)?84.34L/s90由此可以看出需要选择大流量真空泵，选择抽气速度Sp=100L/s， 因为负压罐目标压强为50-100Pa较低，选择真空泵的极限真空要相对较高。根据上述选型依

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重庆大学硕士学位论文 3 确定抽真空方案及真空系统设计

据多次选择为X-100A单级旋片式真空泵，抽气速度Sp=100L/s，极限真空度=1Pa。根据式（3.1）可计算该真空泵将负压罐抽气达到50-100Pa的时间。

pVt?2.3logi?2.3*1000/100*log(100000/50)?75.92s Spp

t?2.3pVlogi?2.3*1000/100*log(10000/100)?69sSpp抽气时间满足一个压铸周期内，极限真空度较高，负压罐可以达到50-100Pa的目标压强。

但考虑到真空泵仅仅在第一次时对负压罐的抽气量是整个负压罐容积气体，当抽过一次之后，从第二个压铸周期开始，真空泵所需抽出的气体量为型腔+压室+排气道+泄露的气体量之和，这些气体量总和相对负压罐来讲很小（针对本课题的摩托车镁合金轮毂而言，抽气量在60L以内）。所以为了避免真空泵的功率浪费，考虑采用小功率抽气真空泵。

因为真空泵在正常实际压铸生产中要抽取的气体负荷量约为负压罐的十分之一，所以采用单级旋片式真空泵X-30：抽气速率30L/s，极限真空为1Pa，电功率为3KW，进气口径为65噪音88分贝。

X-30抽气速率可行性验证，根据式（3.1）计算抽取负压罐达要求真空度的时间：

t?2.3pVlogi?2.3*1000/30*(100000/100)?230sSpp该时间为在真空压铸的第一次抽负压罐气体所要消耗的时间，在真空压铸启动前，先气动真空泵对负压罐进行抽气，将其抽成目标压强在进行压铸生产。 正常压铸其间抽取型腔：

pV

t?2.3logi?2.3*60/30*3?13.8sSpp

从第二个压铸周期开始，真空泵每个压铸周期所要抽取的气体量即为型腔+压室+排气道+泄露的气体量之和，需将进入负压罐的气体量总和抽出来即可。抽气时间为13.8s远小于一个压铸周期（80），满足生产要求。

通过上述分析：用x-30的旋片式机械泵满足要求，且节约功率成本和购买成本，噪声也小些，避免x-100的富余过多造成浪费。

② 负压罐选型定制 计算负压罐体积：

P1为负压罐（含电磁真空挡板阀后的管路系统）起始真空度（被真空泵抽气后

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重庆大学硕士学位论文 3 确定抽真空方案及真空系统设计

抽取型腔气体前的压力值）；V1为负压罐的体积；V2为需要抽真空的型腔、压室和真空阀前的管路体积；P0为抽真空末期希望获得的型腔的真空度（型腔目标真空度）。根据理想气体方程有[42]：

(3.2) Po?V1?V2??P2V2?P1V1

(P?P)VV1?202P?P 0 1 (3.3)

由上式可得：

其中：型腔内原始真空度：P1 = 0.1 MPa = 100,000Pa；真空罐内目标真空度： P2 = 50?100 Pa；型腔目标真空度：P0 = 1000?5000 Pa。

在型腔与真空阀后管道体积V2 = 6升（压室+型腔）的条件下，讨论各参数变化对负压罐体积大小的影响。

1）负压罐初始真空度对负压罐体积的影响

如果型腔目标真空度为1000 Pa，型腔为6升，表3.2给出负压罐体积与其起始压力的关系。

表3.2 负压罐压力与体积的关系

Table3.2 Relationship between pressure and volume of negative pressure tank

P2(Pa) 50 V1(L)

625

150 699

250 792

350 450 550 650 750 850 950

913 1080 1320 1697 2379 3960 11880

表中数据表明：负压罐的起始压力越低，达到需要的型腔真空度需要配置的负压罐体积也越小。正常情况下，负压罐起始压力可以达到 100-200 Pa，所以负压罐体积在600-1000之间即可满足要求。

2) 模具型腔泄漏对负压罐体积的影响

如果型腔目标真空度为1000 Pa，型腔为6升，并假设抽真空过程中模具分型面和抽芯滑块缝隙的泄漏系数?为0.5（即：抽真空能力的50%被泄漏消耗掉），这等同于需要抽真空的型腔体积增加了一倍。这时，负压罐体积与其起始真空度的关系如下：

V1?(P2?P0)V21? (3.4)

P0?P?1

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表3.3负压罐体积与其起始压力的数值关系

Table3.3 Relationship between pressure and volume of negative pressure tank

P2(Pa) 50 V1(L)

150 250 350 450 550 650 750 850 950

1250 1397 1584 1827 2160 2640 3394 4752 7920 23760

如上表3.3可见，负压罐的体积随被抽真空体积的增大而比例增大。因此：需要严格控制模具加工精度和合模面的闭合程度，在有限负压罐体积的前提下，最大限度地获得高的真空度。

3) 型腔目标真空度对负压罐体积的影响：

如果设定负压罐的起始压力为100 Pa、型腔与阀后管道体积为12升（泄漏系数为0.5），下表给出负压罐体积与型腔目标真空度之间的关系：

表3.4 负压罐体积与型腔目标真空度之间的关系 Table3.3 Relationship between cavity pressure and tank volume

P2(Pa) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 V0(L)

如上表3.4可见，随着型腔真空度要求的降低，负压罐的体积会急剧减小，并逐渐趋于200升。

负压罐的选型结果为：在型腔真空度在1000—5000Pa、型腔与阀后管道体积为6升、模具泄漏系数为0.5时，负压罐体积取值在一个立方米（1000升）是比较合理的，可以获得95%—99%的真空度。负压罐材质：碳素结构钢Q235A。

③ DDC电磁充气阀

DDC-JQ型电磁真空带充气阀是机械真空泵安全阀，安装于机械真空泵的进气口，并与泵同步开启和关闭。当泵停止工作或电源突然中断时，阀门自动关闭。使真空系统保持真空并将大气充入泵腔内，从而避免泵油逆向流动而污染真空系统。该DDC电磁充气阀安置在真空泵旁其作用为保护真空泵，防止泵油的反向流动。选择该电磁阀门时主要考虑与真空泵吸气口的连接，以及排气的快速选择大口径的阀门，与泵的吸气口匹配；另外一个关键因素是响应时间短。

根据上述要求：选型DDC-JQ65公称通径：65，适用范围：0.01Pa——100Kpa，响应时间：0.1s。

④ GDC高真空电磁挡板阀

高真空电磁挡板阀是以电磁力为动力直接带动阀板动作，达到阀门开启或关闭

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1320 844 619 488 401 341 295 260 232 210

重庆大学硕士学位论文 3 确定抽真空方案及真空系统设计

的目的，在真空系统中用来切断或导通气流。

该挡板阀安置在模具排气口出来的端口上，在充型结束时截止真空管路，避免金属液进入真空系统，起到保护作用。因为压铸的快速充型的特点，所以要求该阀门的响应时间极短。为减小对气体流动的阻碍，在满足时间要求的前提下选择大口径的阀门。

根据上述要求：选型GDC-J适用范围：0.01Pa——101KPa（一个大气压），响应时间：0.1s，挡板阀与管道的连接是变径法兰CF65-40。

⑤ 数显压力变送器+数据采集器[43]

为了动态的测量型腔和负压罐内的实时真空度，采用压力传感器进行实时检测显示，并通过数据采集器记录整个压铸周期内的压强变化情况，便于后续的分析。

数显压力变送器是由压力传感器、专用信号放大电路、数字显示器组成。它能将接收的气体、液体等压力信号转变成标准的电流信号，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节，后边所接的数字显示器可以实时显示测量结果。

所选的数显压力变送器——智能工业数显压力变送器CYB603T采用进口优质压力传感器芯片，内置的特性修正存储器E2PROM对传感器的环境温度、压力及输入/输出特性修正、经CPU微处理器运算，进行温度自动补偿，非线性校正、信号放大、V/I转换与A/D转换，输出4～20mA的标准信号，可取代普通的压力变送器。

采集控制卡负责将传感器的电量模拟信号转换为数字信号传送到 PC机上，PC机对数据进行转换，并显示到监视器上，采集控制卡加电初始化后，将 USB接口插入PC机后，PC机自动加载应用处理软件，从USB接口读取数据，并对数据进行基本处理，通过应用处理软件可以向采集控制卡发送命令，采集控制卡将命令通过输出控制接口输出，控制其它外设。 输入信号形式为电流（4-20mA），并能够以曲线和数据表格的形式显示并保存传感器采集数据变化，界面直观，易于观察。选用采集硬件为LabjackU12，分别将负压罐和型腔变送器传输的电压信号转换成对应的压力信号，并且以数据列表和曲线形式显示与保存下来。

3.3 小结

首先在气体流动理论的基础上，通过分析比较两种抽真空方案的抽真空效率，确定采用负压罐代替真空泵对型腔抽气的方案，即在真空泵与型腔之间加负压罐，先对负压罐抽真空，使负压成为对型腔抽起的稳定真空源。描述了真空系统的设计

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思路与动作原理，对系统各个部件的选型，参数以及性能进行了详细的介绍，针对压铸镁合金摩托车轮毂的实际应用，选择合适的真空系统零部件。

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重庆大学硕士学位论文 4 真空压铸系统在轮毂上的应用和抽真空性能测试

4 真空压铸系统在轮毂上的应用和抽真空性能测试

4.1 控制系统原理设计与实现

真空压铸与传统的普通压铸相比，在模具设计上并无太多的差别，不同之处在于真空压铸是利用真空系统将型腔内气体抽出，形成负压后进行金属液的充型，是主动排气；后者则是利用金属液的流动而将型腔内的气体驱出，是被动排气[44]。真空度高的负压型腔有利于金属液的充型和减少气体的卷入铸件，铸件内气孔缺陷大大降低，产品内部组织致密，气密性好，力学性能得到提高。由第二章的叙述可知模具内应采用横截面较大的直通排气道来排出型腔气体。

真空压铸系统控制原理：补压油缸的三个工位：打开真空通道（后端位）、关闭真空通道（中段位）、补压杆前进补压（前端位）。通过补压缸的三个工位来实现对型腔真空通道的打开、关闭和对轮芯部分进行补压的作用。

合模到位，模具密封完成 浇注镁液的同时外部真空阀开，排气道压头封浇口，补压杆后退打开真空通道，型腔开压头遇快压射感应开关，补压杆前进封口，型腔抽充型完成，延迟瞬间后，补压杆进一步前进对轮芯外部真空阀关，铸件冷开模，清理模具进入

图4.1 真空压铸动作流程图 Fig4.1 Flow chart of vacuum die casting

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真空压铸系统的动作程序如图4.1所示：合模之前的处于开模后的初始状态，补压活塞杆处于封闭排气口的位置（中段位），真空阀关闭，两个阀口处于关闭管路的状态；合模到位，模具密封完成后，开始往浇口浇注金属液，同时外部真空阀打开，模具内的排气道与外部负压罐连通，模具排气道首先预抽真空；压头推着金属液前进封闭压室的浇口（要感应开关吗），补压杆受补压阀感应后的作用而后退打开真空通道，此时型腔、排气通道与负压罐连通，型腔开始抽真空；压头继续前进遇到快压射感应开关，补压阀再次感应使得补压杆前进到中位，封闭住真空通道口，型腔抽真空停止；真空通道口封闭完成后进行快压射，快压射完成后补压杆前进对轮毂轮芯处进行补压，铸件冷却凝固后开模，补压杆继续向前推进辅助顶杆推出铸件，接着后退回到封闭真空通道口的中段位置上，再对模具进行清理、喷模具涂料，然后进入下一个周期。

4.2模具密封要求[45-46]

真空压铸产品的模具设计取决于铸件结构、壁厚、质量等要求，需要考虑的因素与传统普通压铸的被动排气模具是一致的。真空压铸模具的型腔在抽真空时，模具分型面上不需要设计密封圈，但要求模具表面光滑而平整，无飞料。所有模具内部排气通道都要求汇合于排气元件的接口处，且除了与排气元件相连的接口外，不容许出现任意其它排气口。同时，真空元件的排气点应要求设置在定模块上，否则会造成外部排气管道频繁拖动而过早损坏。如对传统普通排气模具进行真空压铸模具的改造，除上述的要求外，需要将连通模具外的其它排气槽全部封死，来满足模具高度密封性的要求。

4.3抽真空性能测试与参数优化

4.3.1 型腔与负压罐内真空度的测试

本课题研制型腔与负压罐内真空度的实时检测与显示系统。在实际压铸镁合金摩托车轮毂的生产中，采用压力变送器实时检测型腔与负压罐内的真空度，负压罐配备的变送器为CYB3351GP，如图4.2所示；排气道处安装的变送器型号为CYB603T，如图4.3所示。

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图4.2 变送器CYB3351GP 图4.3 变送器CYB603T Fig4.2 Transmitter CYB3351GP Fig4.3 Transmitter CYB603T

CYB603T高温数显工业压力变送器采用进口高精度高温压力传感器，经激光调阻和一定的信号处理，直接用LED显示压力值并输出电压或电流信号。因型腔处不方便安装变送器的原因，无法准确测量型腔内的真空度值，型腔内真空度较排气道处的值偏低。但排气道处的真空度值可以反映型腔内真空度情况，排气道处显示真空度值增大，那么型腔内真空度将增加。在此安装方式下，将以排气道处显示的真空度值来优化压铸工艺参数得高真空度值。变送器显示的真空度值利用LABjackU12来读取与存储，如图4.4所示。

图4.4 采集器与程序显示界面 Fig4.4 Collector and the interface of program

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LabjackU12作为一个测量和自动化的外围设备，使个人计算机连接到外部真实物理世界。输入端与变送器的信号输出端连接，其输出端连接到计算机上[47]。计算机上同时利用程序来读取Lab jack所采集的数据并将电压信号转换为压力信号。该程序可以实时显示真空度的变化曲线， P1是负压罐内真空度；P2测量的是模具内排气道口。由于排气通道与型腔被补压杆隔离，且靠近负压罐侧。由此可以得出，排气道处的P2在补压杆未开真空通道时也处于高真空状态。

左侧纵坐标P1显示为负压罐内真空度，右侧纵坐标P2是型腔排气道口真空度大小，加去更正值12.5后为排气管道实际真实压力值（由于程序设计为0-50Kpa对应于输出0-5V，而型腔变送器的输出是1-5V，更正值为12.5），补压杆后退打开连通型腔，排气道口处的压力值P2先急剧增加随后降低，型腔内真空度增加；负压罐的真空度P1也发生对应的变化（压力先增加随后减小），其响应点对于P2有一定的延迟。将原始数据更正成实际值后的压力时间曲线如图4.5所示。

70Pressure \\ KPa6050403020100036 负 压 罐 排气道（型腔）91215182124273033time \\ s

图4.5 整压铸周期内时间压力曲线

Fig4.5 Time pressure curve of the whole die-casting cycle

时间t=0时合模完成，开始采集负压罐和排气道处的压力值。

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1）前边的1-3s内，浇料，真空阀开——首先预抽真空通道内的气体，P2略有降低，负压罐与排气道处的压力值均无明显变化；

2）压头封住浇口后，补压杆后退，打开真空通道，真空通道与型腔连通，P2测定的压力值瞬间增加，随后降低。此时型腔内压力值可近似为P2的值。

3）当补压杆前进到中位，封住真空通道口。负压罐与模具排气道处的压力值P2之后无明显变化。后边出现的高频变化视为系统不稳定造成。

将压铸周期内的前9s放大后的时间压力曲线如下图4.6所示。

70Pressure\\KPa6050403020100 负 压 罐 排气道（型腔）0246810

time \\ s图4.6 压铸前期（抽真空阶段）时间压力曲线 Fig4.6 Time pressure curve of the prophase in die-casting cycle

由上图4.6所得：

1）负压罐的压力值较平稳，在5Kpa左右；

2）排气道口处的压力值在补压杆后退会增加再随后降低，补压杆未复位到中位

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时，型腔与真空通道连通，型腔内压力值接近真空通道压力值P2。

4.3.2 压铸工艺参数对型腔真空度的影响

在保证模具高密封性条件下，采用直通排气道排气。模具内采用补压杆控制排气的开启与截止，模具外部在真空泵之前先用负压罐存储真空负压，当补压杆打开时型腔内气体快速排入负压罐。本实验针对慢压射速度、慢压射长度及快压速度对真空度的影响情况，在压铸镁合金轮毂的工艺上辅以抽真空；其他在特定的镁液温度，模温（模具温度在260℃时将出现卡针的情况，所以应该将模温取为250℃），保压压力以及二速感应开关位置条件下，针对慢速，快速，封口堵塞长度对型腔真空度的影响情况做正交实验。根据不同的工艺参数，测量型腔排气道内的真空度(由于排气管道存在沿程压力损失的原因，排气道内真空度与型腔内真空度有一定的偏差；但排气道内真空度值的大小可对型腔内真空度值起判断作用，排气道真空度高则型腔内真空度高，排气道真空度相对低则型腔真空度相对低)。

影响因子：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），针对上述影响因子做正交实验，正交表为L9（34），三个因子间独立，无交互作用。

表4.1因素水平 Table 4.1 Factor levels

水平

慢压射速度 A(百分比)

1 2 3

50% 60% 70%

实验因子 快压射速度 B(圈数)

9 10 11

压头封堵长度 C（mm）

10 20 30

在表4.1中：慢压射速度用压机的慢压射流量来调节，用流量百分比表示；快压射速度是通过压机的手轮转数来调节，单位是圈数；封口堵塞长度通过一速感应开关的位置来调节。在二速感应开关为定值的条件下封口堵塞长度的长短决定慢压射阶段的距离，封口越长，慢压射阶段距离相应缩短。

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表4.2 实验方案 Table 4.2 Experiment scheme

实验号

组合

水平

慢压射速油量

度

实验

度 C（mm）)

10 20 30 20 30 10 30 10 20

实验度（绝对值KPa）

2.7 2.8 3.0 2.9 3.1 2.9 3.2 2.9 3.0

快压射速压头封堵长最高真空

（50%-70%） (9-11圈)

1 2 3 4 5 6 7 8 9

表4.3实验结果

A1B1C1 A1B2C2 A1B3C3 A2B1C2 A2B2C3 A2B3C1 A3B1C3 A3B2C1 A3B3C2

50% 50% 50% 60% 60% 60% 70% 70% 70%

9 10 11 9 10 11 9 10 11

Table 4.3 Result of experiment

K1 K2 K3 k1 k2 k3 极差主次顺序 优水平 优组

A1B2C1

A1

B2

C1

8.5 8.9 9.1 2.83 2.96 3.03 0.2

8.8 8.8 8.9 2.94 2.93 2.96 0.02

C>A>B

8.5 8.7 9.3 2.83 2.9 3.1 0.27

Re=0.03

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实验结果如上表4.3所示。表中因素对应的R值大小表示该因素对真空度的影响程度，值越大，影响越大。另外第四列Re为误差极差，当某因素对应的R值小于Re时，可是为误差且忽略该因素的影响。由上述实验结果可知：在外部抽真空能力一定的条件下，型腔内真空度是上述的慢压射速度，快压射速度以及慢压射长度都会给真空度的大小带来影响；第四列误差的极差为0.03大于快压射速度的极差0.02，说明快压射速度在实验范围内对型腔真空度的影响极小，可以忽略；在型腔真空度的影响因素中，压头封口长度影响最大，再次是慢压射速度，快压射速度可以忽略；对该组实验而言，型腔达到高真空的最优组合为：A1C1，即慢速50%，封口长度10mm时可获得型腔的真空度最高。

结果分析：型腔抽真空时间主要受慢压射时间长短的影响， 慢压射时间越长将为型腔抽真空赢得更多的时间；慢压射阶段时间的长短决定于慢速，慢压射阶段的长度，在保证金属液流动性好的条件下，较低的速度，较长的慢压射距离，慢压射时间越长。所以慢速较小，慢压射长度较长（封口长度较短）的情况下的慢压射时间越长，为抽真空争取的时间越长，型腔内真空度越高。

4.4 小结

本章首先描述真空压铸控制系统的实现问题，真空压铸的实现原理及压机系统的动作程序。主要阐述真空压铸型腔真空度的测试方法，以及型腔真空度的实时记录与保存，通过正交实验分析了压铸工艺参数对型腔真空度的影响程度，得出获得高真空度的最佳工艺参数，浇注温度为680℃，补压压力为12Bar，慢压射流量为50%（0.1m/s），快压射圈数为11，即快压射速度为5.0m/s，封口长度10mm。

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重庆大学硕士学位论文 5 真空压铸件组织性能分析

5 真空压铸件组织性能分析

5.1铸件内部气孔缺陷形成机理及防止措施

5.1.1 铸件组织气孔缺陷形成机理[48]

金属在冶炼、浇注、冷却和凝固的过程中，炉料、铸型、浇包、空气及各化学反应产生的各种气体将会溶进到金属液体中，并随着温度下降而气体会因在金属中的溶解度明显降低导致其析出。但仍存在未能从金属中析出的气体会以分子的形式残留在固体金属的内部而形成气孔缺陷。气孔的存在除了会减少铸件的有效面积，而且还可能使局部造成应力集中形成为裂纹源。同时，一些形状不规则的孔洞则会增加缺口的敏感性，使金属的强度降低，也使零件的抗疲劳能力降低。

金属铸件中的气孔按形成原因可以分为三类：首先是析出性气孔，金属液在冷却凝固过程中，因随着金属液温度的降低，气体溶解度下降，析出的气体来不及从液面排除而残留于铸件内产生的气孔为析出性气孔。从金属凝固过程中的气体溶质再分配规律可见，在金属结晶前沿，特别是枝晶内液相的气体浓度大的聚集区将超过气体的饱和度，而在被枝晶密封的液相内，气体有着更大的过饱和浓度值，也就有更大的析出压力。固液界面处溶入的气体浓度值最高，所以固液界面处容易析出气泡，但此处因有其他溶质的偏析，更易产生一些金属夹杂物，这时产生的气泡却因其他偏析杂质的原因排除很困难，残留于固体金属内部形成气孔。

二是侵入性气体，该类气体主要是将金属液注入砂型中时，由于各种原因产生的大量气体。气体体积随着温度的升高而逐渐增大，造成金属-铸型界面上的气压不断增大。当界面上的局部气体压力超过一定值时，气体就能在铸件开始凝固的初期由于压力而侵入金属液中成为气泡，当气泡不能上浮逸出时就形成梨形气孔。

三是反应性气孔，液态金属与铸型材料等发生化学反应而产生的气体未能及时排出形成的气孔；或是金属液中元素之间的反应性气孔如水蒸气反应气孔，金属液中溶解的[O]和[H]，如果相遇就产生H2O气泡，金属液凝固之前来不及析出的话就会以气孔缺陷的形式留在铸件内。

5.1.2 气孔缺陷的防止措施[49]

从气孔的形成机理可知，金属液内的原始气体含量越高，气体就越容易在金属液充型时卷入而在铸件内部形成孔洞缺陷。所以应尽量减少金属液的原始吸气量，如采取烘干，除湿等措施防止炉料、空气、铸型、浇包等方面的产生气体进入金属液；也可以向金属液中通入不溶于金属液的气体，如惰性气体、氮气等使溶解的气

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重庆大学硕士学位论文 5 真空压铸件组织性能分析

体进入气泡而排除。同时，对于析出性气体采取提高铸件冷却速度和增大凝固时补压力的方法来减少析出性气孔的产生。

5.1.3 真空铸造工艺优点

从上述的气孔缺陷形成机理及其防止措施，可以看出在压铸工艺的基础上辅以对型腔抽真空是从根本上降低甚至消除原始气体含量的方法，减小气孔形成的可能性，另外在本课题的轮毂真空压铸中采用轮芯凝固补压的工艺，实现增大凝固时的补压力，减小缩孔缩松的形成，提高铸件致密度。

真空压铸工艺可以明显改善组织中的孔洞分布，提高铸件产品的致密度，但由于铸件产品中仍存在有部分孔洞，压铸态力学性能并没有得到明显的改善。对铸件产品进行热处理后，其表面气泡相对于普通压铸件有明显的改善，真空压铸件可以进行一定的后续热处理。

真空压铸工艺的优点[50-51]：（1）降低铸件产品中的气孔率，传统普通压铸件中的气泡缺陷是由于模具型腔中存在的空气和涂料等产生的气体引起的，采用真空压铸后，可有效降低由于气体卷入而造成的气孔缺陷；（2）铸件产品的表面质量可以得到显著的提高，在真空压铸工艺下型腔中的大部分气体都将会被外部真空系统抽走后，合金液在较小阻力下对型腔进行充填，填充效果理想可得较好的产品表面亮度与光泽度；（3）提高铸件产品的尺寸精度，在传统压铸情况下，巨大的充型阻力会使得有些铸件外形不清晰，尺寸偏差较大；而真空压铸工艺下的充型阻力较小，铸件的尺寸精度显著提高；（4）真空压铸件的内部组织更加均匀，在真空压铸工艺下铸件成形过程中不存在气体反压的影响，充型阻力小而使得铸件产品的尺寸精度高；（5）由于模具型腔内的真空度高，气压压射比明显降低，利于延长模具寿命。

5.2真空铸造工艺对铸件组织的影响

实验方法，分别对在抽真空与不抽真空的工艺下的铸件进行内部组织分析，其中抽真空时，利用如第4.4所述的最佳工艺参数获最佳真空度值；不抽真空时将真空阀门关闭即可消除真空系统的影响，实现不抽真空的普通压铸。压铸后，分别从轮毂的轮芯、轮辐及轮辋三处切取拉伸试样与金相试样，对真空压铸与普通压铸件进行室温力学性能测试与微观组织观察。

热处理后观察铸件表面气泡分布，显微组织采用光学显微镜观察。从真空压铸与普通压铸铸件的轮芯，轮辋及轮辐的位置分别取金相试样如图5.1所示，观察每个位置抛光态的金相组织，结果如图5.2所示。

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重庆大学硕士学位论文 5 真空压铸件组织性能分析

a 轮辋普通压铸

b轮辋真空压铸

c轮辐普通压铸

d轮辐真空压铸

e轮芯普通压铸

f轮芯真空压铸

图5.1真空压铸与普通压铸中孔洞分布对比

Fig 5.1 Distribution of holes between traditional and vacuum die casting

从上述5.1图中真空压铸镁合金轮毂与传统普通压铸轮毂的试样对比可可得：（1）取样的三个部位中，轮毂轮辋和轮辐处气孔率较低，而轮芯部位气孔缺陷比较多；（2）真空压铸工艺下的各部位气孔缺陷较普通压铸工艺下对应部位的气孔缺陷

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重庆大学硕士学位论文 5 真空压铸件组织性能分析

有明显的改善，压铸中辅以抽真空有显著的作用。

a轮辋普通压铸

b轮辋真空压铸

c轮辐普通压铸

d轮辐真空压铸

e 轮芯普通压铸

f 轮芯真空压铸

图5.2 真空压铸与普通压铸中金相组织对比

Fig 5.2 Metallographic organization between traditional and vacuum die casting

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重庆大学硕士学位论文 5 真空压铸件组织性能分析

镁合金轮毂采用真空压铸工艺后，铸件内部孔洞的大小以及数目都要比普通压铸的轮毂内部有明显改善。如图5.2可见，真空压铸方法对降低镁合金压铸件中的孔洞含量起到显著的作用。另外，真空压铸工艺能减小孔洞大小与数目，但对孔洞的分布严重程度影响却不大，普通压铸中轮芯处孔洞最严重，而真空压铸的轮毂同样也是轮芯处孔洞严重，只是孔洞的数量与大小相对于普通压铸轮毂而言有很大的改善。原因分析是气孔缺陷分布是轮毂的充型特点决定的，轮毂采用由轮辋向轮芯的充型方式，轮芯为最后充填部位，是充型后期的残余气体和合金充型前沿污染金属液的集中区域。轮芯部位残留的气孔缺陷较多，致密度不够，力学性能较差。

5.3 真空压铸工艺对铸件力学性能的影响

型腔内的真空压力值与补压力值是从不同的方面对铸件的力学性能产生影响的。对于压铸件而言，铸件内部包含的气孔缺陷情况（如：气孔总体积、数量与分布情况）是影响产品力学性能的最关键因素[52]。这些孔洞主要可分为两类：气孔和缩孔缩松。常规普通压铸中已经验证到，增加补压压力可以有效的减少缩孔缩松，从而提高压铸件的抗拉强度。但却很难对金属液包卷气体所产生的气孔起到减少作用，在真空压铸中型腔真空压力值是决定气孔缺陷的关键，只有降低型腔压力才能显著减少铸件内的气孔缺陷[53]。由于型腔压力与补压力参数分别作用于不同的空洞类型，因此这二者综合使用可以得到更为显著的强度提升效果，即在真空压铸的工艺条件下，增加铸造压力或补压力值，所得的轮毂力学性能提升更明显。

实验方法：利用本系统压铸是否抽真空与是否补压的轮毂，如表5.1所示，除了真空压力和补压力参数外，其余参数固定为第四章叙述的最佳工艺参数（浇注温度为680℃，补压压力为120Bar，慢压射流量为50%，快压射圈数为8，即快压射速度为4.0m/s）。然后将各个轮毂上轮辋、轮辐及轮芯部位作为拉伸实验部位，分别切取拉伸试样。

表5.1实验中采用的工艺参数对比 Table5.1 Process parameters comparison

编号 1 2 3

封口长度 （mm） 10 10 10

浇注温度 （℃） 680 680 680

是否抽真空 是 否 否

是否补压 是 是 否

40

重庆大学硕士学位论文 5 真空压铸件组织性能分析

对拉伸试样进行常规力学性能测试，按照GB/T6397-1986《金属拉伸试验试样》取样，在AG-X10KN电子万能材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速度为3毫米/分钟。

表5.2不同工艺下镁合金轮毂的力学性能

Table 5.2 Mechanical properties of mg wheel for different process

试样位置

轮辋 轮辐 轮芯

实验工艺 有真空有补压 无真空有补压 无真空无补压 有真空有补压 无真空有补压 无真空无补压 有真空有补压 无真空有补压 无真空无补压

抗拉强度（MPa）

221.2 207.5 194 214.6 207.4 186.8 209.4 185.6 164.9

屈服强度（MPa）

130.18 120.1 111.4 126.32 110.9 105 118.47 104.6 85

延伸率（%）

6.58 5.72 5.05 5.54 5.06 4.1 4.57 4.3 3.83

在表5.1工艺条件下的镁合金轮毂各部位力学性能测试结果如上表5.2所示。轮毂各部位力学性能结果显示：轮毂在有真空有补压的工艺条件下性能指标高于无真空有补压工艺，无真空无补压工艺下其型腔真空度与补压力均不良而导致轮毂力学性能最低。

将上述实验结果值用曲线图表示出来，如图5.3、5.4及5.5。变化曲线直观表明了不同工艺下轮辋，轮辐和轮芯处的拉伸性能指标（延伸率，屈服强度和抗拉强度），由于轮毂的充型方式是边缘充型，即具有从轮辋向轮芯充型的特点，合金液充型前沿及杂质将集中在轮毂中心，将严重影响该部位材料的质量及其力学性能。显示出轮辋处力学性能优于轮辐，轮芯处是最后充型部位显示出的力学性能最低。

同时，从曲线图还可以看出铸造工艺对轮毂力学性能的影响。轮毂各个部位在抽真空条件下的力学性能比较于没抽真空都有较大的提高，这是由于抽真空工艺提高了型腔真空度，降低型腔压力，减少型腔内气体含量及减少了铸件中卷入气体的可能，由此降低铸件内的气孔缺陷，提高铸件力学性能。另外，曲线图还表明了在有无补压工艺下轮毂的力学性能，在补压工艺条件下，各部位力学性能也有较大的提升，产生这一现象的原因是对铸件进行补压可以提高铸件的成型压力，改善补缩状况，利于减少铸件中的缩孔缩松缺陷，增加铸件的致密度，提高铸件力学性能。

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重庆大学硕士学位论文 5 真空压铸件组织性能分析

轮毂各部位在不同工艺条件下的延伸率如下图5.3所示，曲线图表明：在真空补压工艺条件下的延伸率最高，最大值为6.58；无真空且无补压条件下的轮毂延伸率最低，最低值为3.83。抽真空与补压工艺对轮毂力学性能均有较大的改善作用，同时采取抽真空与补压时，可以使铸件本体材料的延伸率得到明显的提高。

图5.3 不同工艺下轮毂不同位置的延伸率 Fig 5.3 Elongation for different process and position

轮毂各部位在不同工艺条件下的屈服强度大小关系如下图5.4所示，数据结果表明：轮毂屈服强度在真空补压工艺条件下最高，最高可达130MPa；而在无真空无无补压条件下的轮毂屈服强度最低，低至85MPa。在不同工艺下，轮毂各部位材料的屈服强度仍显示出统一的变化规律，即轮辋部位的屈服强度大于轮辐，而轮辐处屈服强度优于轮芯。

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图5.4 不同工艺下轮毂不同位置的屈服强度 Fig 5.4 Yield strength for different process and position

轮毂各部位在不同工艺条件下的抗拉强度大小关系如下图5.5所示，数据结果表明：轮毂抗拉强度在真空补压工艺条件下最高，最高可达221.2MPa；而在无真空无无补压条件下的轮毂屈服强度最低，最小值为164.9MPa。

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