壓力鑄造成形即壓鑄是將液態(tài)金屬或半固態(tài)金屬在高壓下快速充填金屬模具型腔，并在壓力下快速凝固而獲得鑄件的一種成形方法。它具有尺寸精度高、表面質量好、生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)點，是汽車、摩托車、航空航天等產(chǎn)業(yè)用鋁、鎂合金零件的主要成形方法之一。近年來，隨著全球對節(jié)能減排、產(chǎn)品輕量化技術的大力開發(fā)和重視，鋁、鎂等輕合金材料及其成形技術得到了快速發(fā)展和廣泛應用。其中一個顯著的發(fā)展趨勢就是在輕量化的基礎上，基于效率、成本、精度、質量及力學性能的綜合考慮，越來越多的鋁、鎂合金零件采用壓鑄工藝成形，而且是壓鑄件結構越來越復雜，外形尺寸越來越大，精度越來越高。因此大型復雜精密壓鑄件的生產(chǎn)技術已成為國內壓鑄企業(yè)的一個新挑戰(zhàn)。

壓鑄生產(chǎn)中，壓鑄合金、壓鑄模、壓鑄機是壓鑄工藝的三大要素，其中壓鑄模的溫度控制對于金屬液的充填、凝固過程以及壓鑄模使用壽命和產(chǎn)品質量的穩(wěn)定性有著非常大的影響，是必須需要控制的參數(shù)之一。大型復雜精密壓鑄模由于模具體積大、結構復雜，采用常規(guī)的簡易粗放式模溫控制技術難以滿足生產(chǎn)要求，是制約壓鑄件質量的主要技術瓶頸之一。

大型復雜壓鑄模模溫精確實時控制的關鍵技術在于：①安全可靠、簡易高效的模具預熱技術；②精確可控的模具冷卻技術。因此開發(fā)新的具有自主知識產(chǎn)權的壓鑄模模溫精確實時控制技術以滿足當前大型復雜壓鑄件的生產(chǎn)需求，是提升國內大型復雜壓鑄件生產(chǎn)技術水平的重要研發(fā)內容之一。

壓鑄模溫機

壓鑄生產(chǎn)中的溫度指標有兩項，一是澆注溫度，二是鑄型也就是模具溫度。兩項溫度指標對壓鑄生產(chǎn)的影響表現(xiàn)在：

（1）澆注溫度指的是充填時金屬液的溫度，為了便于測量和控制，通常通過控制保溫爐中合金液的溫度來實現(xiàn)控制澆注溫度的目的。對于不同形狀的鑄件，澆注溫度的要求也會有所不同。以鋁合金為例，澆注溫度可控制在 630～720℃。對于薄壁復雜件，則盡可能采用較高溫度，以提高金屬液的流動性。但澆注溫度過高，鋁水中的吸氣量會增加，鑄件厚壁處易形成針孔、縮孔，表面也會形成氣泡。且高溫鋁液還會加快對鑄型的腐蝕，使鑄型過早出現(xiàn)老化、龜裂，甚至報廢。而澆注溫度過低，鋁液則易產(chǎn)生成分偏析，使鑄件中存在硬質點，造成加工困難。由于澆注溫度低，金屬液的流動性變差，冷隔、流紋、澆不足等缺陷容易發(fā)生，成形變得困難。

（2）壓鑄模溫度一般是指模具表面的溫度，標準狀態(tài)應為澆注溫度的 1 /3 左右。這個溫度應該是達到熱平衡狀態(tài)時型腔表面的溫度，一個鑄造周期壓鑄模溫度的變化如圖 1-2 所示。原來的壓鑄模溫度是指壓射前模具溫度，現(xiàn)在廣泛指壓鑄件取出時的模具溫度。

壓鑄周期模溫變化

（1）鑄件的凝固時間；

（2）凝固的鑄件在鑄型內的冷卻時間；

（3）頂出鑄件后模具的冷卻時間；

由于壓鑄件結構的多樣性，以及同一壓鑄件的不同部位存在較大差異，因此統(tǒng)一規(guī)定一個壓鑄模溫度是不可能的。但鑄件存在一個最合適的鑄件溫度范圍，超出這個范圍，鑄件的質量和生產(chǎn)性能就會變的低下。因此壓鑄模溫度可以分為如圖 1-3所示的四個區(qū)域。

圖 1-3 壓鑄模溫度區(qū)域劃分圖

在第一區(qū)域，由于鑄型溫度過低，鑄件幾乎全部發(fā)生欠鑄、破裂、冷隔、流紋等缺陷，成品率幾乎為零。

在第二區(qū)域，由于鑄型溫度接近理想溫度，則鑄件成形可能，但質量不穩(wěn)定，且多數(shù)鑄件存在流紋和冷隔。

在第四區(qū)域，由于鑄型溫度過高，很容易產(chǎn)生表面氣泡、粘模、收縮等缺陷。

只有在第三區(qū)域中，才能穩(wěn)定壓鑄，成形良好，且成品率高。

壓鑄模的溫度控制，是指在整個壓鑄生產(chǎn)過程中，使用某種方法和手段，使模具溫度維持在一定范圍內不變。該溫度控制范圍即為壓鑄模的工作溫度，在合適的工作溫度下，壓鑄模能穩(wěn)定地生產(chǎn)出合格的鑄件和保持較高的生產(chǎn)效率。在壓鑄成形過程中，控制模具溫度的主要作用如下：

（1）提高壓鑄件質量。壓鑄模溫度過高或過低都將影響到壓鑄件的成形質量和性能。首先模具溫度過低時會出現(xiàn)下列缺點：

①進入型腔的液態(tài)金屬會迅速降低流動性，使鑄件容易產(chǎn)生冷隔、澆不足、裂紋、氣孔和輪廓不清晰等缺陷。

②型腔表面受到液態(tài)金屬的強烈沖擊，型壁內外溫差大，金屬型容易開裂損壞。

③有時會破壞順序凝固的條件，此時，單靠涂料調整是不行的。當模具溫度過高時，金屬液在模具中的冷卻速度減慢，鑄件內易出現(xiàn)針孔或縮孔等缺陷，嚴重影響逐漸質量。同時，在壓射時金屬液易粘模，導致脫模困難，傷鑄件，損壞模具型腔表面。因此壓鑄過程中只有保持壓鑄模溫度在所需溫度范圍內，才能獲得優(yōu)質鑄件。

（2）延長壓鑄模壽命。若讓壓鑄模處于室溫狀態(tài)下就開始生產(chǎn)，除了無法獲得合格的鑄件以外，高溫的金屬液以高速壓射進入模具型腔后，還將對模具產(chǎn)生非常大的熱沖擊。模具表面受到瞬時巨大的熱沖擊，巨大的溫度梯度將促進模具內部熱應力的產(chǎn)生，從而使模具表面產(chǎn)生裂紋。而當模具溫度隨壓射次數(shù)增加越來越高時，模具內部的熱應力也會越來越大，再加上高速壓射的沖擊應力，模具也很快會出現(xiàn)龜裂直至失效，所以模具溫度控制不當會嚴重降低模具的使用壽命。

因此在壓鑄生產(chǎn)開始和壓鑄穩(wěn)定生產(chǎn)過程中，都必須對壓鑄模具溫度進行控制，使模具溫度保持在一定的范圍，從而使模具始終處于高硬度的良好狀態(tài)和良好的熱平衡狀態(tài)。一般而言，壓鑄模溫度的控制包含模具的預熱和冷卻技術兩個方面。

壓鑄模的預熱是指壓鑄生產(chǎn)前，將室溫下的模具通過某種方法預先加熱到一個合適的溫度，一般為100～200℃。現(xiàn)通常使用的預熱方法有：火焰噴槍加熱、直接對冷態(tài)模具壓鑄高溫金屬熔液加熱、在模具中插入電加熱棒或輻射加熱以及使用模溫機等。正確的預熱方法應當是盡量使模具的各部分逐漸、均勻的加熱，避免劇烈加熱和局部加熱。使用火焰噴槍和電熱棒加熱易造成模具局部高溫過熱、加熱不均勻、一般適用于中小型模具；而用壓射高溫金屬液直接對模具預熱的方法除了對模具產(chǎn)生熱沖擊，影響模具壽命外，還大量消耗鋁合金料，增加重熔成本，特別是對于大型鋁合金壓鑄件，無謂消耗更嚴重。因此，理想的模具預熱方法就是使用模溫機之類的自動模溫控制裝置。

現(xiàn)有的模溫機均采用油加熱的方法，即先加熱油液，然后再將加熱后的油通過油泵送入模具內，利用熱油和冷模之間的熱交換使模具溫度升高，熱交換的冷油則流回油箱。這樣通過一段時間的循環(huán)加熱，模具溫度便逐漸上升至預定溫度。大部分油溫機等模溫控制裝置均采用此方法開發(fā)的多回路熱油溫控機也是基于此原理。因該類結構的模溫預熱技術已很成熟，故而目前許多設備廠家都提供專業(yè)的模溫機供壓鑄企業(yè)選用。

在壓鑄生產(chǎn)過程中，高溫的金屬溶液被壓入模具型腔，通過與模具的熱交換冷卻成形，壓鑄模要吸收高溫金屬溶液帶來的熱量，同時又通過空間與壓鑄機散熱。

一般情況下，吸收的熱量要大于這種自然的散熱量，因此，隨著壓鑄過程的進行，模溫會逐漸上升。若模具溫度過高，便會影響到鑄件質量和模具壽命。為了進行正常的壓鑄生產(chǎn)，必須維持模具溫度基本恒定。通常采用的冷卻方法有：延長壓鑄周期、噴涂脫模劑或冷卻劑或在模具中開冷卻水道通過冷卻水進行冷卻。延長壓鑄周期會造成生產(chǎn)效率的降低，噴涂脫模劑或冷卻劑效果有限，因此采用通水冷卻便成為模具冷卻的主要方法。

目前壓鑄模通水冷卻多采用直接將冷卻水接入模具內部，與模具進行熱交換。其中國外壓鑄企業(yè)對于大型復雜壓鑄模多采用專門的冷水機進行冷卻，溫控精度高，而國內一般直接利用自來水冷卻，因此模具溫度控制的精度很差。雖然模具直接水冷卻效果很好，但是由于水直接和模具接觸形成熱交換，對模具有很大的熱沖擊，模具內部非常容易形成細小的微裂紋，如微裂紋貫穿到模具表面，則影響到鑄件質量和模具壽命。若采用鑲嵌冷卻水管的方法，雖然避免了水與模具的直接接觸，但由于冷卻水管與模具之間總是存在縫隙，該縫隙中的空氣相當于形成一個隔熱層，因而會嚴重影響熱量的傳遞，導致冷卻效果很差。這也是目前為什么在壓鑄模中大都采用直接水冷卻的主要原因。

目前冷卻管的使用方式有以下幾種：定點冷卻式、直線冷卻式和循環(huán)回路冷卻式等。一般來說，鑄件入口，分流錐，抽芯以及局部壁厚較厚的部位采用定點式冷卻，對整個模具的冷卻，則多采用直線式和循環(huán)式冷卻。對于模具上的芯針部位，最理想的冷卻方式就是使用基于高壓循環(huán)水的定點冷卻式方法。這種基于高壓循環(huán)水的定點冷卻工藝的優(yōu)點在于：

①結構簡單，冷卻效果好，加工成本低，加工維修方便。

②在試模后調整溫度梯度時極為有效，可隨時增添及位置調整。

③可有效控制冷卻點距模具型腔表面的距離，從而有效控制模溫。

綜上所述，國內對大型復雜壓鑄模模溫控制的開發(fā)還處于很不成熟的階段，從而使得模溫精確實時控制技術成為制約國內壓鑄企業(yè)技術發(fā)展的一個共同的技術瓶頸。因此，開發(fā)一種新的壓鑄模預熱技術和型芯針冷卻技術，對于提高國內企業(yè)產(chǎn)品質量，增強高端壓鑄件的市場競爭力具有十分重要的實際意義和應用意義。