低压铸造知识

低压铸造作为一种近净成形技术,被广泛应用在航空、航天、交通等领域,其产品在汽车部件的应用,对于汽车的轻量化有着重要的意义。

低压铸造工艺对于铸件的最终性能有着重要影响,研究者越来越关注于低压铸造工艺对充型和凝固过程的影响。

随着计算机技术的发展和广泛应用,利用数值模拟技术对传统铸造工艺进行改进和优化已成为当前铸造技术的发展趋势。

系统结构：工控机和PLC在低压铸造中的系统构成为了满足低压铸造的要求，把工控机和PLC组成一个有机系统，如图1所示，本系统采用分级控制方式。

由工控机完成液面压力控制和铸型温度控压铸造的要求。

图1系统原理：低压铸造机压力/温度控制系统的计算机控制系统原理如图2所示图2基本原理：在密闭的保持炉的熔汤表面上施加0.01~0.05Mpa的空气压力或惰性气体压力，熔汤通过浸放在熔汤里的给汤管上升，被压进与炉子连接着的上方的模具内。

熔汤是从型腔的下部慢慢开始充填，保持一段时间的压力后凝固。

凝固是从产品上部开始向浇口方向转移，浇口部分凝固的时刻就是加压结束的时间。

于是就凭借浇口的方向性凝固和从浇口开始的冒口压力效果得到了完美的铸件。

最后当铸件冷却至固相温度以下便可从模具中取出产品。

国外研究发展状况：低压铸造法的雏形可以追溯到本世纪初。

适用于铝合金是1917年在法国，1924年在德国提出的申请，但并没有形成大规模的工业生产。

为商业的目的而开始生产是在二战以后的1945年，由英国的路易斯先生创立了阿鲁马斯库公司，开始生产雨水管道、啤酒容器等。

在那以后的五十年代里，奥地利和德国开始生产气缸头。

1958年美国的泽讷拉路默它斯在小型汽车的发动机零件上（气缸头、箱体、齿轮箱）大量运用了铝合金铸件，并采用了低压铸造法。

这件事对至今仍广泛采用的低压铸造法而言是不可或缺的推动，特别是在全世界的汽车工业界引起了极大的反响。

低压铸造法被介绍进我国是1957年左右，但真正引起业界的注意，开始进行各种研究、引进设备是从1960年左右开始的。

但是这种打破了以往常识的划时代的工艺方法，几乎没有冒口，与已经作为一种“技术”确立起来的重力金型铸造的技术相比具有完全不同的难度，因此业界的反应比较冷淡。

在这种状况下，1961年的轻型汽车用空冷气缸头的生产成为低压铸造法在我国实用化的开端。

以后的发展非常迅速，在克服了多个技术难题后，利用低压铸造法所具有的材料利用率高、容易实现注汤自动化等优点，以汽车部件为中心，逐步确立了轻合金铸件的主要铸造法的牢固地位。

目前在铝合金铸件的生产量中，低压铸造品已占了大约50%，并以其巨大的生产量和优良的品质而著称于世。

产品扩大到汽车相关部件，如气缸头、气缸体、刹车鼓、离合器罩、轮毂、进气岐管等。

特别是1970年以后大量应用在轮毂上，并且随着近年来的汽车轻量化和提高性能等要求，在以往从未有过的复杂内部品质和机械性质的严格要求下，气缸头、气缸体上的使用也逐渐增加。

国外发展现状：低压铸造法的雏形可以追溯到本世纪初，最早由英国人KE登记了第一个低压铸造专利，主要用于巴氏合金的铸造。

1917年，法国人制定了将其用于铝合金和铜合金的计划，并首先在铝合金铸造生产中得到了推广，但当时发展缓慢。

1924年在德国提出申请，但都没有形成大规模的工业生产[1]。

低压铸造真正被推广应用是在“二战”以后，当时随着航空业的发展，英国广泛地采用低压铸造生产技术要求很高的航空发动机的汽缸盖等轻合金铸件，并采用金属型低压铸造，大量生产高硅铝合金铸件。

当时发现低压铸造可解决厚大断面铝合金铸件的壁厚效应，即因壁厚增加力学性能急剧下降的缺点。

低压铸造由于有较高的补缩压力和温度梯度，有效地提高了厚大断面铸件的致密性。

这一技术至今仍被应用于厚大断面铸件的铸造。

1950年以后由于汽车工业的发展，使低压铸造工艺和设备有了一个飞跃的发展。

汽车轮毂由于质量要求高，本身结构又适于低压铸造，而且需求量大，因此极大地推动了低压铸造技术的发展。

英国在60年代率先发展低压铸造汽车轮毂，其后美国、日本、西德相继发展。

据1989年统计，美国Park-field车轮有限公司低压铸造轮毂年产量达到250万只，日本日立金属制作所采用14台自动化低压铸造机，年产铝合金轮毂180万只。

德国公司使用30台低压铸造机每年生产200万只铸铝轮毂，供应OEM市场，包括奥迪，福特，通用，奔驰和沃尔沃等名车制造商。

法国雷诺公司所有汽车发动机缸盖均采用低压铸造生产,共11台低压铸机,日产5500只缸盖[2][3]。

铸铝轮毂市场占有率在1981年只有4％，1994年扩大到40％，至2006年市场份额扩大到80％[4][5]。

低压铸造工艺在亚洲的日本、韩国等国家应用十分广泛，如同本的马自达、朝同铝业·山口、本田技研·熊本、大发龙王、雅马哈发动机、日产自动车、本田金属、爱知机械等用低压铸造生产气缸盖，光轻金属工业、九州轮毂、神户制钢、旭可锻、古河电气工业、光洋精机等用低压铸造生产铝轮毂，韩国的起亚自动车、东西机工等用低压铸造生产汽缸盖，三善工业等用低压铸造生产铝轮毂，印度尼西亚的本田技研用低压铸造生产汽缸盖，马来西亚的JRD用低压铸造生产铝轮毂等[6]。

国内发展现状：我国是从50年代开始研究低压铸造的，经过半个世纪的发展，从简单件到复杂零件，从铝合金到铜合金，从有色低压铸造到黑色低压铸造，我国的低压铸造技术不断发展，同臻完善。

尤其是近年来，随着中国汽车工业的飞速发展和国际间技术合作与交流的增强，如广州肇庆本田会属公司、昌河铃木公司(九江)、天津丰田公司、烟台大宇东岳动力公司、沈阳三菱以及瑞明集团等几家公司纷纷引进低压铸造工艺用于生产汽缸盖铸件。

六丰机械、扶顺轮毂、秦皇岛戴卡轮毂公司和广东中南铝合金轮毂公司等用低压铸造生产铝轮毂。

目前，我国已有许多科研单位如沈阳铸造研究所、中国兵器工业第五二研究所以及中国科学院金属研究所等正在从事低压铸造的研究工作，并在扩大其应用范围，尤其是对低压铸造的工艺参数和工艺控制的研究工作不断深化，设备的机械化、自动化和稳定化水平也在迅速地提高。

目前国内低压铸造法在批量生产铝合金铸件上存在的问题是：浇注条件相对不稳定，影响产品质量稳定性和成品率；其次是生产效率不高，操作比较麻烦。

[1] 罗庚生，张忠忠，吕有纲．低压铸造[M]．北京：国防工业出版，1989[2] 张鹏飞．低压铸造轮毂[J]．特种铸造及有色合金，1995，(6)：5"10[3] DJohn Rutherford．ZA Alloy Die Casting．ZA Casting AlloysCon-ference Proceeding[J]．Michigan，1985：33～36[4] 唐剑，黄平，牟大强等．铝合金熔铸技术的现状及发展趋势[J]．铝加工，2001，24(4)：5～10[5] 李英男．大型铝合金铸件低压铸造[J]．低压铸造国外译文集，1978：37-98[6] 赵振华．低压铸造气缸盖461加上性能的研究[D]．哈尔滨：哈尔滨理T大学，2007：[7] 董湘怀.材料成型计算机模拟.北京:机械工业出版社,2001[8] 刘国英.120C型主阀体铸造工艺设计及生产实践.冷热艺,2005,(1):13-14[9] 柳百成.铸件充型凝固过程国内外研究进展.铸造,1999,(8):78-81[10] 李永保, 柳百成,熊守美.面向并行工程的铸造工艺集成CAD/CAE系统.高技术通讯,1996,(3):40-42[11] 董秀琦.铸件浇注系统设计的传热学原理.铸造,1995(2):11-19[12] 董秀琦,王冬,王承志等.低压及差压铸造理论与实践.北京:兵器业出版社,1995.[13] 王冬,李玉海.铸造过程补缩机理及数学模型.铸造,1996(2):13[14] 韩宝刚．铝合金加压凝固的补缩行为．铸造，1991(12)在低压铸造过程中，按铸型种类和铸件的不同，其加压工艺的方式也有所不同，现将常用的几种浇注工艺介绍如下：1．低压充型工艺低压充型工艺，是指只利用低压充型，不采用结晶增压的工艺(铸型高有冒口且不封闭)，铸件的补缩仍靠高温合金液补浇冒口来实现。

通常又称敞开式低压浇注。

它适用于砂型低压铸造大中型铸件,如船舶钢合金螺旋桨等。

采用这种工艺应注意以下几点：1) 升液阶段，加压速度宜缓，防止合金液进入型腔时产生喷射飞溅而造成氧化夹渣。

2) 充型阶段，根据铸件特点、合金液成份、浇注温度以及铸型温度等情况，适当地增大加压速度防止铸件产生冷隔和欠铸。

3) 当合金液充满型腔并逐步上升到冒1:3的三分之一高度时，加压速度应减慢，以便稳定压力，迅速“切断浇口”。

2．稳定结晶工艺稳定结晶工艺，是指合金液在充满型腔后，即稳住压力，使铸件在此压力下结晶凝固，一直到完全凝固为止。

这种稳压结晶工艺主要应用于铝合金湿砂型和金属型薄壁复杂铸件的浇注。

3．缓慢增压结晶工艺缓慢增压结晶工艺，是指充型结束以后，先稳压让铸件外表凝成一层硬壳；然后再增压结晶凝固的一种浇注工艺。

适用于干砂型低压铸造，通常是浇注厚壁铸件，因受到铸型强度的限制，不宜立即增大结晶压力，而让铸件稳压结壳。

4．急速增压结晶工艺急速增压结晶工艺，是指合金液充满型腔后，迅速增压，使铸件在较高的结晶压力下凝固。

这种工艺与缓慢增压结晶工艺基本上相同，所不同的是：在充型以后，没有稳定结壳过程。

这种加压工艺适用于金属型低压铸造、石墨型低压铸造。

主要针对于铸型散热冷却速度较快的铸件的铸造。

1.低压铸造铸型工艺参数的选择要确定铸件凝固方式的选择、浇注系统的选择、浇注系统的选择、机械加工余量的选择。

2.低压铸造浇注工艺参数的选择需要确定升液速度、充型压力和充型速度的选择、充型增压值的选择、保压增压值的选择、保压时间的确定、浇注温度的确定。

图1 低压铸造的基本原理图低压铸造所用的铸型，有金属型和非金属型两类。

金属型多用于大批、大量生产的有色金属铸件，非金属铸型多用于单件小批量生产，如砂型，石墨型，陶瓷型和熔模型壳等都可用于低压铸造，而生产中采用较多的还是砂型。

但低压铸造用砂型的造型材料的透气性和强度应比重力浇注时高，型腔中的气体，全靠排气道和砂粒孔隙排出。

为充分利用低压铸造时液体金属在压力作用下自下而上地补缩铸件，在进行工艺设计时，应考虑使铸件远离浇口的部位先凝固，让浇口最后凝固，使铸件在凝固过程中通过浇口得到补缩，实现顺序凝固。

考自动化中互感器变压器相关的该同学查阅了大量参考文献资料，详细论述了本课题目前的研究和发展现状；并在初步掌握基本原理的基础上，针对存在的问题，提出了解决问题的思路方法，在理论上是可行的，并进行了方案的初步设计。

文献综述所涉及到的原理、资料内容详实，准确可靠，为设计的进一步完成打下了坚实的基础。