倍增力多向挤压压铸模锻工艺与装置及其模具与产品.pdf

本发明涉及压铸技术，特别是挤压压铸模锻工艺的改进与相应装置及其模具与产品。本发明克服现有技术之不足，提供一种利用倍增力挤压缸实现多向高比压挤压补缩的挤压压铸模锻工艺与装置；装置具有复合锁模机构锁模，强化对来自多向高比压挤压力的锁模承受能力；其锁模承力传递链最短，承力能力最大，结构简单，可以承受抗拉、抗弯、抗剪切及其复合载荷；提供与此工艺与装置配合的具有独立承担锁模力的模具，以及所铸造的轴向(厚度)尺寸大、并且对多向、大投影面积进行高比压挤压补缩的铸件。

1.  一种倍增力多向挤压压铸模锻工艺，包括合模、锁模、压铸充型、挤压补缩、开锁、分模、脱模、复位等工步，其特征在于锁模工步是多点复合锁模，挤压补缩工步由倍增力挤压力从多个工位、多方向挤压补缩，实现多向挤压压铸模锻工艺。

2.  根据权利要求1所述的倍增力多向挤压压铸模锻工艺，其特征在于倍增挤压力比普通挤压压铸模锻工艺增大几倍到上百倍。

3.  根据权利要求1所述的倍增力多向挤压压铸模锻工艺，其特征在于其锁模能力比普通压铸工艺增大几倍到上百倍，以保证倍增力多向挤压压铸模锻工艺有效。

4.  一种倍增力多向挤压压铸模锻装置，包括合模机构，锁模机构，充型装置，挤压模锻机构，机架，模具固定板等，其特征在于多个部件设有锁模机构，多向配有承力结构和高比压挤压模锻机构，高比压挤压模锻机构含有倍增力挤压缸。

5.  根据权利要求4所述的倍增力多向挤压压铸模锻装置，其特征在于倍增力挤压缸是由二级至四级油压缸复合而成，逐级提高输出端的挤压力，有效减小终端输出缸活塞直径。

6.  根据权利要求4所述的倍增力多向挤压压铸模锻装置，其特征在于倍增力挤压缸安装在沿合、分模方向的轴向方位上，提供轴向挤压力。

7.  根据权利要求4所述的倍增力多向挤压压铸模锻装置，其特征在于倍增力挤压缸多向分布，安装在与合、分模方向成一定角度的径向方位上，提供径向挤压力。

8.  根据权利要求4所述的倍增力多向挤压压铸模锻装置，其特征在于多点复合锁模由多个部件自锁楔块完成，保证倍增力多向挤压力有效。

9.  根据权利要求4所述的倍增力多向挤压压铸模锻装置，其特征在于装置具有槽轨、横梁、机床基座等承力结构，倍增力挤压缸可安装在其上，动模固定板能在槽轨中滑动，自锁部件可将动模固定板及安装其上的挤压压铸模锻部件固定在槽轨上。

10.  一种压铸模锻装置所使用的模具，其特征是模具增加动模与静模的配合体，为实体配合结构，在锁模装置的作用下，自身能承担锁模抗力，可以承受复杂载荷。

11.  一种倍增力多向挤压压铸模锻装置所生产的产品，其特征在于铸件产品存在多工位、多方向、大投影面积、高比压挤压补缩部位，其补缩部位的气密性、密度大大高于一般压铸件。

倍增力多向挤压压铸模锻工艺与装置及其模具与产品
本发明涉及压铸技术，特别是挤压压铸模锻工艺的改进与相应装置及其模具与产品。
普通压铸是在合模后用压射冲头将熔化了的金属由压室压入模具型腔冷却成形的。这种压铸机由主液压缸或合模机械组件推动模具实现合模，其铸件在充型之后是自然冷却的，生产出来的压铸件普遍存在缩孔缩松现象，气密性差；压铸机功效低，一般的压铸工艺所生产压铸件的投影面积，只是压铸机工作台内柱面积的3.5％至17％。挤压压铸模锻工艺由于其挤压比压(或称挤压补缩比压)比压铸工艺的充型比压高得多，功效就更低了。
本人的ZL97123265.2号专利公开了一种挤压压铸模锻工艺与相应装置及其模具，其主体工艺流程是：合模、锁模、压铸充型、主缸挤压补缩、开锁、分模、脱模、复位，它比普通压铸工艺多了一个主缸挤压补缩工步，以及为有效实现挤压压铸模锻工艺而增加的锁模和开锁工步，它同时也使扩展压铸装置的功效成为可能。因为主缸动力提供强大挤压力完成冷却过程的补缩，有效提高压铸件气密性，提高普通压铸机的工艺适用范围。这种工艺，其合模、锁模与挤压工步可以由同一机构提供，也可以由两套机构分别提供。合模、锁模工步以及挤压补缩工步利用同一套机构完成的挤压压铸模锻工艺，是一种“冲头”式挤压铸造工艺，即动模与静模的滑动配合象冲模的凹凸模配合一样，它的缺点是铸件的适用范围不广，其轴向(厚度)整体尺寸精度不高，受制于实现位置控制的实时控制系统的精度，公差一般在2毫米左右；采用合模、锁模工步是一套机构、挤压补缩工步是另一套机构完成的，即实现“普通压铸充型，挤压铸造补缩(用模具内的主滑块进行的挤压补缩)”挤压压铸模锻主体工艺的，可以解决“冲头式”挤压压铸毛坯轴向(厚度)整体尺寸精度低的问题，但不能全部解决铸件径向各个侧面及静模方向的挤压补缩问题。
我们知道，压铸件毛坯冷却过程中的半固相状态不再适用于帕斯卡定律，对处于半固相状态铸件毛坯的补缩所需的挤压比压，一般在500MPa至1000MPa之间，是普通压铸工艺压铸比压的5至10倍，而模锻工艺所需的比压就更大了。现有技术中由压射缸或辅助缸完成的挤压补缩，只能在局部面积产生效果，达不到大面积高比压挤压补缩的效果，要提高对铸件毛坯补缩和模锻的挤压比压，只能通过提高挤压缸的公称压力实现；提高挤压缸对铸件毛坯局部直接挤压的压力，加大了挤压比压，也不能有效传递到整个铸件毛坯，不能对特定的部位(包括铸件静模方向以及各个径向侧面)实现工艺所需的挤压补缩。由于只有一个主挤压缸，这种挤压压铸模锻机和已有的挤压铸造机，都属于单工位生产的设备，它对于需要“多工位、多方向”(以下简称“多向”)大面积挤压补缩与模锻的铸件是无能为力的。
提高液压挤压缸输出的挤压力有两个方法。一是通过提高液压系统的油压来实现，但这势必要对整个油路系统进行改造提高，经济上不合算；二是通过增大挤压缸活塞的承压截面积，但以现时的压铸机液压系统，设计一台具有相同锁模力与挤压力的挤压压铸模锻机，其主挤压缸的直径，已占去工作台内柱面积的50％至80％，更不用说要进一步提高主挤压缸动力了。为有效安装挤压压铸模具，工艺上要求主挤压缸及输出端活塞不能占太多工作台面积，这意味着一台大吨位锁模力的压铸机只能安装小吨位的普通液压挤压缸。也就是说，普通的挤压压铸机安装普通液压挤压缸，其挤压力总不能大于其锁模力，锁模承力装置在挤压阶段的潜能得不到充分发挥。
如想在现有压铸机的基础上，安装上具有与原公称锁模力相同、甚至更大挤压补缩力的挤压油缸、设计出锁模结构紧凑可靠的多向挤压压铸模锻机，现有的锁模承力结构也必须改进。本人的ZL97123265.2号专利已提出了利用机床动模固定板与机床导轨、或模具动模与机床导轨自锁的思路，为显著提高锁模抗力指明了方向，但该技术并未提出实现锁模承力最大和多向安装大压力挤压缸的实施方案。现有技术的挤压压铸模锻装备，受安装条件所限，辅助挤压缸只安装在模具上而不是设备上，辅助缸挤压力不高，一般只及该设备公称锁模力的五分之一，未能解决轴向(厚度)尺寸大的压铸件又需在径向多方位、大投影面积进行高比压补缩的问题。
本发明的目的是要克服现有技术之上述不足，提供一种利用倍增力挤压缸实现多向高比压挤压补缩的挤压压铸模锻工艺与装置；装置具有复合锁模机构锁模，强化对来自多向高比压挤压力的锁模承受能力；其锁模承力传递链最短，承力能力最大，结构简单，可以承受抗拉、抗弯、抗剪切及其复合载荷；提供具有独立承担锁模力的模具，以及所铸造的轴向(厚度)尺寸大、并且对多向、大投影面积进行高比压挤压补缩的铸件。
基于金属在“液相—固相”转换时地线性收缩率在10％左右的特性，挤压补缩的关键行程并不长，也就是说挤压缸只需在合模、充型工步完成后，提供挤压力以向铸件毛坯推进一小段挤压补缩的行程，确保挤压力强大有效直至毛坯凝固成型，就可以实现挤压压铸模锻工艺了，这为“倍增力挤压缸”(图1、图2)的设计提供了空间。本发明是这样实现的：在公知的工艺装备基础上，改变和增加可多向安装大挤压力挤压缸的部件，锁模工步采用多点复合锁模，挤压补缩工步采用轴向和径向尺寸缩小、挤压力大大增强的挤压缸提供挤压力，从多工位、多方向挤压补缩，完成多向挤压压铸模锻工艺，生产出挤压压铸模锻铸件。
首先，根据帕斯卡定律，由两个相联液压缸组成的倍增力机构，次级活塞的截面积与初级活塞缸输出端的活塞杆截面积之比，就是该液压增力装置的增力倍数。利用这个原理，倍增力挤压缸最少由两级活塞液压缸组合而成，逐级提高挤压缸输出的挤压力，每级组合的适宜放大倍数在几倍到十多倍之间。满足挤压补缩行程与挤压力的“二活塞一级增压装置”(图1)，其轴向长度和径向直径的尺寸都不会太大，这种具有与公称锁模力数值相同挤压力的挤压缸，可完全镶嵌在压铸机的动模固定板或静模固定板内，不妨碍模具的安装，也可简单地固定在模具的动模、静模上，无须对压铸机模板进行挤压缸安装位的机加工。安装一套“三活塞二级增压装置”(图2)，即可实现提供比单级挤压缸输出力大100倍左右的挤压动力。而且，如要减少倍增力挤压缸终端输出缸活塞的直径，可通过加大第一级活塞的直径，以提高一级缸的输出压力，则二级和三级输出缸活塞的直径都得以减小。采用这样的改进，具有100000KN挤压力的挤压缸，也可安装在一台锁模力为10000KN传统压铸机的工作台上(某型号10000KN压铸机的工作台内柱尺寸为1030×1030毫米)。
因为每一级油缸活塞的输出压力与其行程的乘积(即功)是相等的，如一级活塞的压力是1000KN，行程是1000毫米，而二级、三级活塞的输出压力分别是10000KN和100000KN，则其行程分别是100毫米和10毫米，最终的补缩行程已能够满足很多挤压压铸模锻件的挤压补缩工艺要求了。
如实际需要，采用这样的思路，设计出具有“四活塞三级增压装置”的挤压缸也是可以的。
其次，为提高锁模能力，锁模机构是多点复合锁模。将压铸机的导柱改为槽轨，将动模固定板穿在导柱中滑动的合模机构，改变为在槽轨内滑动，并在动模固定板与槽轨两侧及床身上下横梁、机床基座之间增加自锁楔块，直接使槽轨(包括机床基座)承载锁模力；动模与静模同时具有外部自锁楔块，这就可实现锁模抗力的力传递链最短，承力机构结构最简单。提高槽轨、动模固定板、横梁及机床基座的截面积，可显著提高压铸机的轴向和径向锁模能力。
实施利用上述倍增力挤压缸实现的多向高比压挤压补缩的挤压压铸模锻工艺，在锁模工步利用多点复合锁模，挤压补缩工步由倍增力挤压缸从多个工位、多方向挤压补缩，除了最常见的在动模方位(沿合、分模方向，本文称为轴向)安装倍增力挤压缸外，对于形态更复杂的大轴向尺寸、多面体压铸件，改进后的挤压压铸模锻机可以根据多向挤压压铸模锻工艺的要求，在静模的方位(轴向)增加安装倍增力挤压缸，在两侧槽轨、横梁和机床基座相关方位(与合、分模方向成一定角度，本文称为径向)上分别安装倍增力挤压缸，以满足向铸件毛坯多向施加挤压力的需要。多点自锁楔块保证了高比压多向挤压力在补缩工步有效作用于毛坯。考虑到毛坯滞留在静模的情形，在静模方向安装脱模机构。
为使模具自身能承担压铸充型及挤压补缩胀型时的锁模抗力，把模具动模与静模从平面贴合，改为实体配合结构，增加动模与静模的配合体(简称“配合体”)以承担锁模抗力；在模具与机床之间增加自锁楔块后，模具的导柱除了导向作用外也能承担锁模抗力。导柱、配合体的配合尺寸在设计时可刻意加大和加长，导柱、配合体除一般的“孔—轴”圆柱体式配合外，还可采用更紧密的圆锥体式配合，使模具锁模更可靠，可承担的锁模抗力更大。
通过上述改进，装置的整体锁模抗力能十数倍上百倍增高，最大达到槽轨(包括机床基座)、横梁、模具内的配合体、导柱的横向截面的机械强度极限值之和。由于自锁楔块的存在，在生产铸件过程中，压铸充型及挤压补缩胀型时产生的力都改变了方向，对应的锁模抗力先由模具承担，然后由机床槽轨、横梁及机床基座承担，合模机构承担的锁模抗力可以降为零。改造后的压铸机的锁模能力远远大于原来的锁模能力，成为能够承受提高了几倍以至上百倍、来自多个方向挤压力的倍增力多向挤压压铸模锻机。
也就是说，在公知的压铸与挤压铸造(液态模锻)设备上，利用增压活塞的多倍增力原理，通过运用二级或多级活塞叠加的方法增压，挤压缸的挤压力显著提高，但不增大挤压缸所占安装位置的面积，实现在轴向、径向多个方位安装高比压挤压缸，满足多向高比压挤压压铸模锻工艺的需要；通过用槽轨置换机床的导柱，改变动模固定板在机床滑动的配合结构、滑动方式，加大槽轨、动模固定板、横梁和机床基座的截面积，以及多部位增加自锁楔块，多点锁模，显著提高机床的复合锁模抗力；通过增加模具外部自锁楔块及改进模具内部结构，使模具也可以承受多向复杂载荷，具有独立承担锁模的能力。
与现有技术相比，本发明大大拓展了原有技术的适应能力和适用范围，各项改进使整套压铸设备的综合锁模能力得以极大提高，最高为其机械强度的极限值，能同时承受来自轴向、径向多方位挤压缸提供的经多级增强的挤压力的复合挤压，满足超高比压、多向挤压压铸模锻工艺的要求。所生产的压铸件实现轴向、径向多方位大面积高比压挤压成型，外部和内在质量整体提高，其使用价值和经济价值显著提升。
附图图面说明如下：
附图1倍增力挤压缸的“二活塞一级增压装置”；
附图2倍增力挤压缸的“三活塞二级增压装置”；
附图3合模与充型状态下的具有轴向和径向多个倍增力挤压缸，实施多向挤压补缩的挤压压铸模锻装置与模具；
附图4“槽轨与动模固定板”配合滑动机构及其锁模装置，为附图3的A-A方向视图。
图中，1-初级活塞  2-缸体  3-初级活塞杆  4-次级活塞  5-次级活塞杆  6-第三级活塞  7-合模液压缸8-合模装置组件  9-轴向倍增力挤压缸  10-顶出缸11-动模固定板自锁楔块  12-动模固定板  13-径向倍增力挤压缸  14-模具导柱  15-动模与静模的配合体  16-静模17-静模板  18-挤压滑块组件  19-压铸充型组件20-静模自锁楔块  21-动模  22-动模自锁楔块23-机床基座  24-槽轨  25-横梁
本发明基于对传统压铸机、挤压铸造机或挤压压铸模锻机的改进，增添或改动部分装置及改变模具的结构，实现发明目的，现结合附图对本发明作进一步的说明。附图1及附图2为倍增力挤压缸的原理图；附图3及附图4表示一种实施方案。
在现有的压铸机、差压(重力、低压、负压)铸造机、挤压铸造机或挤压压铸模锻机上安装倍增力挤压缸，提供挤压力，完成充型后的挤压补缩工步。倍增力挤压缸的设计是利用增压活塞对力的放大倍增原理，根据挤压压铸补缩量及补缩行程，运用二级或多级增压活塞叠加的方法，实现挤压缸输出挤压力的提高，满足超高挤压比压的挤压压铸模锻工艺所需。对比相同的输出压力，这种倍增力挤压缸的径向结构尺寸可比单级设计的挤压缸尺寸显著减小。
在压铸机的动模固定板(12)或静模板(17)上，选择其一处或同时安装轴向倍增力挤压缸(9)，倍增力挤压缸(9)也可安装在模具的底板上。动模固定板(12)装在机床基座(23)上的槽轨(24)内，动模(21)固定在动模固定板(12)上随其运动，动模固定板(12)与槽轨(24)之间有自锁楔块(11)，静模(16)与动模(21)各有自锁楔块(20)、(22)，按铸件工艺需求，径向倍增力挤压缸(13)在槽轨(24)、横梁(25)和机床基座(23)上实现沿径向多方位安装。倍增力挤压缸(9)、(13)通过推动挤压滑块组件(18)可挤压铸件毛坯。动模(21)与静模(16)为实体配合结构，具有模具配合体(15)，它与模具的导柱(14)一起使模具自身能承担锁模抗力。通过上述改进，压铸机的整体锁模抗力得以数倍到上百倍提高，最大可达槽轨(24)、机床基座(23)、横梁(25)与模具内的配合体(15)、导柱(14)总截面的机械强度之和。
在合模液压缸(7)作用下，当合模装置组件(8)推动动模固定板(12)及固定其上的动模(21)沿槽轨(24)导向滑动实现合模后，模具的导柱(14)、模具配合体(15)实现动模(21)与静模(16)相互咬合，自锁楔块(11)、(20)、(22)多点复合锁模，使槽轨(24)(包括机床基座23)、横梁(25)、模具的导柱(14)、配合体(15)承载锁模力。压铸充型组件(19)将熔化了的金属压入，实现充型；轴向挤压缸(9)、径向挤压缸(13)在充型完成后工作，从多方位分别向前推动挤压滑块组件(18)以高比压挤压力持续挤压铸件毛坯，直至铸件毛坯冷却成型，之后合模装置组件(8)等完成开锁、分模动作，顶出缸(10)顶出铸件脱模，最后设备复位，完成多向高比压挤压压铸模锻工艺。
由于模具自锁楔块(20)、(22)的存在，在压铸充型或挤压过程形成的复杂载荷先由静模(16)、动模(21)承担，然后由机床槽轨(24)、横梁(25)及机床基座(23)承担，合模装置组件(8)可完全不用承担锁模抗力，其结构可以简化，强度可以降低。大幅度提高槽轨(24)、动模固定板(12)、横梁(25)及机床基座(23)的截面积能显著提高压铸机的锁模能力；模具配合体(15)与模具的导柱(14)的尺寸也可刻意加大和加长，两者除了一般的“孔—轴”圆体式配合外，还可采用更紧密的圆锥体式配合，使模具承担的锁模力更可靠。模具的整体锁模能力为动模(21)与静模(16)的配合体(15)、导柱(14)的机械强度。这种装置适用于立式或卧式、热室或冷室式的压铸机、差压(重力、低压、负压)铸造机、挤压铸造(液态模锻)机及以往的挤压压铸模锻机；这种模具适用于普通压铸、差压(重力、低压、负压)铸造、挤压铸造、挤压压铸模锻和连铸连锻工艺。
有了上述多方位的增强了的挤压动力机构和相应的多项锁模抗力承力机构，本发明的倍增力多向高比压挤压压铸模锻工艺就能顺利实现，并能铸造出轴向、径向多工位、大面积高比压挤压压铸模锻成型的压铸件，实现压铸件外部和内在质量的整体提高，大大拓宽了压铸件的适用范围，经济效益显著提高。