壓力鑄造成形是一種先進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)的一個新挑戰(zhàn)。
壓鑄生產(chǎn)中，模具溫度對鑄件質(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)外對壓鑄模具冷卻有較多的探討，但對于大型復(fù)雜壓鑄模中細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，并對此應(yīng)用效果進行了測試。
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9、冷凝器10、制冷劑儲液器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， 制冷通道中的制冷劑R22 經(jīng)由壓縮機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 進行冷卻( 由強制流動的空氣冷卻) 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)制冷劑進入設(shè)置在水箱1 中的蒸發(fā)器14 后即開始進行吸熱工作( 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)吸熱后又由壓縮機吸入，再開始下一個制冷循環(huán)。當(dāng)水箱中冷卻水的溫度達到合適的設(shè)定溫度時，制冷系統(tǒng)自動停止。
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， 模具溫度會不斷升高， 模具上型芯針部位的溫度非常高， 因此要對型芯針部位進行冷卻。 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、進出水管道27 及26 組成一個完整的循環(huán)水冷卻通路。 冷卻水流經(jīng)型芯針內(nèi)部通道時與型芯針進行連續(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18、截止閥19 及6、氣動三聯(lián)件20、電磁閥21、單向閥22、進出水管道27 及26、水箱1 構(gòu)成一個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
筆者設(shè)計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)有手動和自動模式。 圖2 為自動模式的順序流程圖。
3. 壓鑄模型芯針冷卻裝置的效果評價
3.1 試驗基本參數(shù)
圖3 為某轎車底盤后副車架三維實體圖， 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，其本體抗拉強度≥40 MPa，屈服強度≥145MPa，伸長率≥6% 。
3.2 試驗所用模具裝置
后副車架細小針孔分布見圖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 實驗結(jié)果及分析
實驗中，設(shè)置了三組試驗：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狀態(tài);第三組為設(shè)置型芯針冷卻控制裝置處于自動狀態(tài)。 在這三組實驗中，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，通過三組試驗的數(shù)據(jù)對比，來評價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定模型針的溫度分布圖。圖6為使用手動模式時的溫度分布圖。圖7為使用自動模式時的溫度分布圖。
由圖5 可以看出，在不使用型芯針冷卻裝置時，型芯針及其周圍的溫度波動范圍比較大，由圖中的溫度坐標值可以看出，最低溫度為111.9℃，最高溫度為327.0℃， 溫度波動范圍為170-190℃。
由圖6可知，當(dāng)設(shè)為手動模式時，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℃。溫度波動范圍為65-90℃。由圖7可知，當(dāng)設(shè)為自動模式時，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模式明顯。模具最低溫度為62.2℃，最高溫度為295.1℃，溫度波動范圍為190-220℃。
圖8 別顯示了在三種模式下位置1 芯針的溫度分布對比圖。 位置1 在不冷卻時溫度為210-225℃， 自動冷卻時溫度為100-125℃， 手動冷卻為75-115 ℃。 雖然自動模式和手動模式都能使芯針溫度降低， 但降低幅度不一樣， 這是由于手動模式時， 每一個壓鑄周期中冷卻循環(huán)水始終處于運行狀態(tài)， 而自動模式時只是在壓鑄周期的開合模期間運行。 顯然， 芯針的溫度并不是越低越好。 當(dāng)溫度過低時， 鑄件針孔及周邊部位易出現(xiàn)比較嚴重的冷隔缺陷。
X光檢測結(jié)果表明，當(dāng)沒有冷卻時，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。
