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出门在外也不愁压铸行业浅谈压铸建压时间
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| 浏览:1493次 | 来源:
| 作者:压铸网小东 ]
浅谈压铸建压时间
■ 文 / 卢宏远 卢敏 邹宪福（布勒公司
自压铸机开发出具有增压机构的压射系统以来，建压时间就一直做为压铸机压射系统的重要性能加以考量，考量的指标是最短建压时间。压铸机建压过程用的时间越短，则认为压铸机压射系统性能越先进。在压铸工艺中，也认为使用的建压时间越短，对提高铸件质量越有利。时至目前，压铸机的最短建压时间更是经常作为评价压铸机压射系统性能水平的因素而加以强调，甚至在压铸机的招标文件中被列为重要条款作为招标依据。因此，有必要对建压时间进行分析，探讨如何认识和考虑压铸机最短建压时间和在压铸工艺中如何正确确定建压时间。
1. 蓄能器的工作原理与功用
蓄能器与建压过程密切相关，有必要先对其进行简要说明。蓄能器有不同种类，压铸机中使用的是充气式蓄能器。使用前，蓄能器中充入气体，对液压油保持高压。当系统需要大流量液压油时，蓄能器能瞬间释放储存于其中的液压油，满足系统要求。在液压油释放过程中，蓄能器内的气体体积发生膨胀，其内部压力也会随之变化。假定蓄能器初始状态如图1（a）所示，终止状态如图1（b）所示，根据气体定律有：
由式（2）可计算出终态压力。例如蓄能器中充有气体50升，压力100bar，气体膨胀后变为60升，或者说释放出10升液压油。如果将蓄能器的瞬间释放过程看成绝热过程，k可取为1.4 [1]，则终态压力p2为100&501.4/601.4=77.47（bar），即终态压力比初态压力降低超过20%。图2是蓄能器中压力随气体体积变化的关系示意图，呈高次双曲线形式。就是说，液压油释放完成后，蓄能器气体体积膨胀变大，内部的压力必然降低。
为叙述方便，本文将压射系统分为压射机构和增压机构。蓄能器首先用于压射机构，见图3（a）。当快压射时，需要大流量液压油充入压射缸，这时单独依靠液压泵向压射缸供油是不够的。而蓄能器中的液压油处于高压状态，当需要高速时，液压阀打开，高压气体瞬间膨胀，迅速将液压油充入压射缸，实现快速压射。在快压射过程中，蓄能器中的气体压力是动态的，其大小依赖气体的膨胀速度，或者说取决于金属液充型所需推动力、各种摩擦阻力及压射缸背压大小等。当压射过程结束后，蓄能器中的气体停止膨胀，压力迅速回升，达到终态压力，这一过程可称为压射机构升压。应该注意，初态压力和终态压力都可认为是静态压力，但根据前面分析，终态压力一定低于初态压力。压射机构升压后，压射蓄能器的终态压力作用在压射活塞上，对铸件也具有一定的压实作用。
为了提高压实效果，专门的增压机构出现，图3（b）所示为一带有增压机构的单回路压射系统。增压机构使用了增压油缸和增压活塞，利用增压活塞大端和小端的面积差，使输出的油压高于输入的油压。增压倍率取决于增压活塞两端面积的比值，大小端面积比值越大，增压倍率越大。如果不计背压，增压压力可用下式计算：
对于不同的压铸机厂商，增压活塞大小端面积比值会有所不同，一般取为3左右。当面积比值确定后，增压压力pz值取决于蓄能器压力pA的大小。压射系统是在压射动作完成后启动增压回路，使用的是压射蓄能器的终态压力作为增压的初态压力。当增压阀打开后，压射蓄能器中的气体继续膨胀，释放的液压油推动增压活塞前进，压射缸压力迅速上升。之后增压活塞停止移动，增压压力完全形成，达到增压终态压力，这一过程可称为增压机构升压。虽然单回路增压方式能够显著增加压射缸内的最终压力，但因其使用的是压射终态压力，增压压力无法达到更大。为使增压能量最大化，双回路压射系统出现，其结构见图3（c）。
与单回路压射系统不同的是，双回路压射系统的增压机构另外设置一个独立的增压蓄能器，专门驱动增压活塞，目前大部分压铸机使用双回路压射系统。由于增压蓄能器与压射动作无关，增压蓄能器中的压力pA在压射过程结束后依然处于初始高位状态，所以双回路系统的增压压力pz比单回路时更大，增压压力提高，压实效果增强。
根据上述分析，有两个问题需要注意：
1）压射过程前后压射蓄能器压力下降，如果下降幅度太大，会引起后期压射力不足，影响压射质量。一般压铸机厂家都通过加大蓄能器体积或采用多个蓄能器来解决这一问题，避免氮气膨胀率（V2-V1）/V1过大导致压力降过大。目前大部分压铸机蓄能器的气体膨胀率都控制在一定范围，或者说将终态压力控制在一定范围，总体压力降一般不超过30%。但各个厂家有各自的设计标准，往往有所不同。
2）在双回路压射系统中，由于增压蓄能器不参与压射动作，只是发挥压实作用，增压活塞行程较短，输出的油量较小，气体膨胀率低，压力降小。所以一般情况下会看到压铸机的压射蓄能器较大，而增压蓄能器比较小。
压铸机使用的充气式蓄能器主要有气囊式和活塞式，目前气囊式蓄能器较少使用，大部分压铸机使用活塞式蓄能器。蓄能器一般充入氮气，充气压力一般为压铸机液压系统压力的80%左右。
2. 压铸机的最短建压时间与增压控制模式
根据上一节分析，带有增压机构的压射系统在充型结束后应该有后续的三个过程顺序发生，即压射机构升压、增压机构启动及增压机构升压，三个过程可在压射过程曲线图中观测到。图4是一典型的压射过程曲线，图中包含三个时间段t1，t2和t3。t1对应的是压射机构升压时间。当型腔充满，压射冲头快打终止，压射蓄能器达到终态，压射压力迅速升高，由动态压射力增至静态压射力。如果没有任何控制动作，这一过程很快，一般可以在10ms之内完成。t2是增压机构启动时间，包括增压控制阀打开和增压延时等。增压控制阀目前大部分采用电液伺服阀，反应时间大约8-15ms，具体值与阀的性能有关。增压延时时间是设定值，取决于具体设置。如果不考虑增压延时时间，那么增压启动时间t2目前应该在10ms左右。如果不使用伺服阀，这一时间段会延长。t3为增压机构升压时间。此阶段从增压阀完全打开，增压活塞由静止状态加速移动，最后移动终止，增压压力达到最大值或设定值。该过程消耗时间通常要比压射机构升压时间稍长，一般要在10ms以上。
按照压铸行业比较认可的定义，建压时间指的是充型过程（快压射）结束至增压压力（最大值或设定值）形成所需要的时间 [2]。根据这一定义，建压时间等于图4中t1、t2和t3三个时间段的总合t。目前，行业上考量压铸机增压性能的指标主要是最短建压时间，即完成上述三个过程所需的最短时间(不含增压延时时间)。根据上述分析，对正常的三段建压过程，即使使用最先进的液压和电器元件以及控制系统，目前压铸机可以达到的最短建压时间也只能在30ms左右。也有人认为建压时间只包括后两个时间段[3]，即增压机构启动和增压机构升压阶段，而压射机构升压时间不应包括在内，这样考虑的话建压时间会短一些。无论怎样定义，结果是一样的。
目前增压启动控制模式主要包括压力、速度、行程及综合控制模式。当型腔充满后，压射速度迅速下降，压射压力迅速上升，压力和速度控制模式就是根据速度下降或压力上升的百分率确定增压启动点。综合控制模式除采用速度或压力控制模式启动增压机构外，还增加行程校核，保证增压的安全性。也有压铸机厂家为了缩短最短建压时间，采用行程控制增压机构启动，即不等快压射结束，在快压射过程中启动增压。这种模式在空压射状态下能把建压时间缩短至15ms以内，其压力曲线一般没有t2时间段，t1和t3阶段重合，如图5所示。在实际压铸中，这种控制模式有可能导致压射机构升压和增压机构升压叠加带来冲击作用。其次如果增压机构打开过早，增压油缸提前释放参与压射动作，将消耗增压蓄能器的能量。如果提前过多，有可能导致最终增压压力降低，增压效果变差。另外，这种控制模式对刹车等功能的使用也有可能造成不便，因而在实际压铸生产中并不常用。还应注意，实际带料压射曲线与空压射曲线会有所不同，建压时间也有所不同，所以在讨论建压时间时，应表明是在什么状态。
一个压射系统的最短建压时间与增压机构设计有关，如结构、管路布置、增压活塞大小端面积之比等等，也与使用的增压阀、控制元件及控制系统反应速度有关。压铸机可以达到的最短建压时间至最长增压延时时间之间的时间区段，是压铸工艺中建压时间的选择范围。
3. 压铸工艺中建压时间的确定
增压的目的是通过冲头将增压压力经内浇口施加到型腔中尚未完全凝固的金属液上，使其在高压状态下凝固成形。建压时间影响增压效果，应该根据工艺状况在压铸机允许的时间范围内合理选定。对于建压时间有过很多讨论和试验研究，曾经有人根据传热学计算金属液在内浇口处的凝固时间，也有人对不同内浇口厚度对应的凝固时间进行模拟试验[4]，数据见1。由表中数据看出，内浇口的凝固时间随其厚度增加而延长。当内浇口厚度达到2mm时，凝固时间可达到80多ms。也有人做过浇口厚度与压力持续传递时间的试验[5]，试验是在长500mm，宽160mm，厚度为10mm的板形型腔中进行，试验结果见图6。由图中可看出，压力传递时间的长短也与内浇口厚度有关，内浇口厚度增大，压力传递时间明显增长。如果模具型腔具有良好的隔热层，也能延长压力传递时间。也有人通过试验的方法验证建压时间对铸件致密性的影响，从而获得最佳建压时间。试验在一长度为300mm，宽度为125mm，厚度分别为11mm，8mm，5mm和2mm的阶梯形试验模具中进行，试验结果见图7 [6]。由图中可看出铸件的致密性在建压时间为40ms时最差，其后又有所上升，而厚壁部位在60ms时致密性也很高。
不能否认，上述计算或试验都是在特定的条件下完成，可能并不具备普遍意义或不能作为普遍规律，但对压铸工艺仍不失指导意义。目前尚没有精确确定内浇口或铸件完全凝固的时间准则，也没有精确确定建压时间的方法。但根据上述试验及有关理论，确定建压时间应考虑下列因素：
1）内浇口&& 内浇口厚度大，散热条件差，建压时间取长；
2）铸件壁厚& 厚壁的铸件凝固时间较长，建压时间取长；
3）铸件尺寸及复杂程度& 大型复杂、壁厚不均的压铸件，型腔中不同部位的凝固时间会有较大不同，模具热平衡状态复杂，难于确定合适的建压时间。在此情况下，应根据内浇口和铸件相连部位及铸件上的某些特别部位的金属液凝固时间综合确定；
4）合金种类& 合金的凝固温度范围宽，凝固时间长，建压时间取长；
5）模具和浇注温度& 模具温度高，浇注温度高，模具保温效果好，建压时间取长；
6）增压压力 使用较高的增压压力，压实作用强，对凝固率较高的金属液也能有效施加压力，建压时间取长。
原则上，建压时间比金属液的凝固时间稍短就是合理的。如果建压时间过长，金属液完全凝固，使增压失去作用。如果建压时间过短，金属尚未凝固，增压压力快速形成，有可能导致液压冲击增大胀型力，造成锁模力不足产生胀型或飞边现象，减弱增压效果。按照目前比较认可的看法，最佳的建压时间是充型后接触模具型腔表层的金属液凝固结壳后，增压压力形成。这时即可避免液压冲击，还可以在凝固率较高的情况下对金属液进行压实，并有可能产生期待的类似塑性变形的压实，增压效果好。近些年某些大型复杂压铸件如铝合金缸体的压铸生产实践表明，如果建压时间太短，效果反而不好。目前大部分铝合金缸体压铸使用的建压时间都在60ms以上，有的达到100ms以上。
建压时间已是压铸工艺中的重要内容，应根据铸件、合金及工艺的具体情况合理确定。不必过分追求过短的建压时间，也不是总要使用压铸机的最短建压时间。而压铸机生产商应该开发功能更加完善的增压机构和控制系统，通过行程、压力和速度或更先进的方式控制增压启动，实现增压启动、增压延时、增压压力、建压过程灵活可调。&
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