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1、引言

氣體注入能夠使壓鑄件內(nèi)部復(fù)雜中空結(jié)構(gòu)制造過程得以實現(xiàn)。在固化過程中，將工藝氣體注入到鑄件中，使殘余熔體被轉(zhuǎn)移到次級腔中，從而形成預(yù)定中空結(jié)構(gòu)。

受道路交通日益電氣化和歐洲環(huán)境政策目標(biāo)影響，用于減輕重量的復(fù)雜和中空輕質(zhì)部件以及帶介質(zhì)承載通道的部件（例如，電機(jī)的熱控制）變得日益重要。之前將塑料注塑應(yīng)用中的氣體注入技術(shù)轉(zhuǎn)移到壓鑄過程中的研究成功已經(jīng)成功證明了這一創(chuàng)新工藝的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域。

2、氣體注入輔助壓鑄工藝過程的基礎(chǔ)

鑄件結(jié)構(gòu)的幾何形狀自由度受壓鑄工藝的工藝相關(guān)條件限制。使用滑塊或抽芯只能保證實現(xiàn)有限的功能性幾何形狀。在塑料注塑成型領(lǐng)域已知的氣體注射技術(shù)已經(jīng)在壓鑄工藝中被成功應(yīng)用到了功能性中空結(jié)構(gòu)制造過程中。與傳統(tǒng)壓鑄工藝一樣，在氣體注射工藝中需進(jìn)行熔體劑量和模具填充（圖1）。 

當(dāng)壓鑄件在壓鑄模具中發(fā)生固化時，氮氣通過穿透鑄件邊緣殼的氣體噴射器被導(dǎo)入到鑄件中。仍保持液體狀態(tài)的殘余熔體被擠壓到了經(jīng)通過閘閥打開的次級腔中。這樣就可以在鑄件中形成一個中空通道。在鑄件成型后，可以通過比較經(jīng)濟(jì)的方式去除被擠壓到次級腔中的鑄造金屬。一般來說，通過氣體注入為用于介質(zhì)承載的組件的產(chǎn)品設(shè)計帶來了新的可能性。如圖2和圖3所示，在壓鑄工藝過程中，可以實現(xiàn)介質(zhì)承載通道，同時還不會丟失型芯。

這樣就可以取消鑄件后加工成本密集的附加工藝。此外，通過減少需密封的接頭數(shù)量，可以降低泄露風(fēng)險，從電氣部件安全性角度來看，這具有非常大的附加價值。形狀彎曲的中空通道長度約為45厘米，它被用于電子外殼設(shè)備的溫度控制（請參見圖2）。在外殼外側(cè)，加強(qiáng)筋被安裝到了鑄件上，這樣可以增加散熱面積。通過將中空結(jié)構(gòu)設(shè)計到組件結(jié)構(gòu)中，不僅可以提高組件剛度，同時還可以節(jié)省材料。圖4示出的是一個由鎂制成的演示器組件，通過中空幾何形狀加固了該組件。這個壓鑄件采用熱室工藝鑄造而成。

在以下示例中，冷卻通道在傳統(tǒng)電機(jī)外殼中可以通過殼體兩部分結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。這意味著需要進(jìn)行復(fù)雜的機(jī)械加工、焊接和密封等附加工藝，另一方面，氣體輔助壓壓鑄技術(shù)可以直接在壓鑄工藝過程中形成冷卻通道，而無需復(fù)雜的附加過程。與Nemak歐洲有限公司合作的聯(lián)合工業(yè)項目向人們展示了將冷卻管道集成到鋁壓鑄件上的一體式電機(jī)外殼的可能性（圖5）。

在安裝到電機(jī)外殼中的冷卻通道長達(dá)235厘米的整個長度上，可以實現(xiàn)通道表面光滑且壁厚均勻（請參見圖3）。借助這一壓鑄件可以使工藝的可能性和優(yōu)勢變得尤為明顯：

- 產(chǎn)品設(shè)計新自由度，

- 制造幾何形狀復(fù)雜的中空組件，

- 用一個鑄件代替多部件組合件，

- 制造一件式鑄件，無需進(jìn)行密封和接縫后加工，

- 與使用插件或丟失型芯相比，省去了額外的工藝過程，

- 通過節(jié)省材料以及上游和下游附加的工藝過程，以降低組件成本。

3、最新技術(shù)水平

在圖1中以示意圖形式示出的工藝中，中空通道形狀受通道區(qū)域內(nèi)鑄件的外部幾何形狀影響。MAGIT氣體注入工藝過程的高工藝穩(wěn)定性需要一個穩(wěn)定的壓鑄工藝過程。需避免壓鑄工藝因素發(fā)生劇烈變化，因為它們會對鑄件的固化特性產(chǎn)生直接影響。

除了前面所描述的鑄件和通道的幾何形狀設(shè)計以及壓鑄工藝過程工藝條件之外，中空通道的形狀主要還受MAGIT氣體注入工藝過程的三個重要參數(shù)影響：

- 因氣體噴射器將氣體注入到鑄件中產(chǎn)生的時間延遲，

- 因開放閘閥釋放次級腔產(chǎn)生的時間延遲，

- 氣體壓力。

隨著延遲時間的變化，鑄件固化過程繼續(xù)向前推進(jìn)，在進(jìn)行氣體注入時，固化邊緣層的厚度也在增加，因而產(chǎn)生的中空通道直接也會相應(yīng)變?。▓D6）。TiK公司提供的MAGIT模塊可使氣體壓力達(dá)到兩個壓力級別，最高可達(dá)500巴。第一個較低的壓力水平被用于擠壓次級腔中的殘余熔體。在鑄造金屬被完全擠壓到次級腔中之后，為了再次壓縮固化鑄造組織，應(yīng)將氣體壓力提供至第二個壓力等級。

殘余熔體區(qū)域和中空通道的形成受鑄件幾何形狀及壓鑄模具溫度控制影響。

為了檢查MAGIT氣體注入工藝的可行性，并且能夠在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段盡早預(yù)估鑄件中空通道的后續(xù)結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行固化模擬。研究工作已經(jīng)表明，固化模擬結(jié)果與鑄件中中空通道的真實幾何形狀相符。

在圖7所示的鑄件中，X射線圖像顯示，管道中心軸向內(nèi)部區(qū)域發(fā)生偏移（圖7a）。在使用鑄造軟件MAGMAsoft進(jìn)行的固化模擬中，借助液相成分示意圖就可以看出這種幾何形狀設(shè)計（圖7b）。這是因為模具區(qū)域在內(nèi)部偏移時出現(xiàn)了部分過熱的情況，這使得這些區(qū)域內(nèi)的局部固化時間變長了。在注氣時，殘余熔體比例較高，因而形成的中空通道局部壁厚變薄了。

在塑料注塑技術(shù)中也可以觀察到上述效果。氣泡也朝通道內(nèi)部發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，并出現(xiàn)了不對稱性。為了實現(xiàn)氣泡位置的對稱性并以此獲得均勻的壁厚，必須將偏轉(zhuǎn)角相應(yīng)增大（圖8）。在設(shè)計適用于注氣工藝的鑄件時，必須考慮的另一個重要結(jié)構(gòu)設(shè)計角度是平面鑄件區(qū)域與待創(chuàng)建的中空通道之間的正確連接（圖9）。如果連接設(shè)計不當(dāng)，則過渡區(qū)域內(nèi)就會出現(xiàn)殘余熔體，并且注入的氣體也會滲透到鑄件平面區(qū)域內(nèi)（圖9a）。在塑料注射成型技術(shù)中，這種效應(yīng)被稱為手指效應(yīng)：通過減小連接區(qū)域內(nèi)的壁厚（氣閘，圖9b）縮短局部固化時間，并增大這個區(qū)域內(nèi)的流動阻力，從而避免產(chǎn)生手指效應(yīng)。

在項目過程中，應(yīng)借助各種模擬器組件證明模擬結(jié)果的可靠性，這樣，一方面設(shè)計人員和壓鑄工人能夠檢查與氣體注入相適應(yīng)的鑄件的固化特性。另一方面，今后應(yīng)確定MAGIT工藝中與流動技術(shù)相關(guān)的過程，因為它們受待生成中空通道的撓度和橫截面過渡結(jié)構(gòu)結(jié)合形狀設(shè)計影響顯著，并且會對其質(zhì)量造成直接影響，因此，應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段盡早確定并找出問題點，以進(jìn)行優(yōu)化。在生產(chǎn)過程中，為了監(jiān)控氣體注入?yún)?shù)，模具中需要用到額外傳感器裝置（圖10）。這其中尤其包括隨時間顯示的閘閥及氣體噴射器的路徑走向。借助這兩條使用電感式接近傳感器確定的測量曲線，可以立即識別閘閥及氣體噴射器夾緊端子以及由于發(fā)生變化的工藝過程條件。

此外，通過閘閥打開次級腔并通過氣體噴射器噴射氣體而產(chǎn)生的預(yù)定和實際時間延遲之間的目標(biāo)/實際值對比是可以實現(xiàn)的。Electronics GmbH公司提供的位于切面區(qū)域的兩個金屬正面接觸式傳感器的信號被用作預(yù)定延遲時間的啟動信號。一旦鑄造金屬在壓鑄過程中出現(xiàn)溢流，它們就會發(fā)出一個電信號，然后就會相應(yīng)觸發(fā)氣體注入過程。其他重要的測量變量是鑄模內(nèi)部壓力及鑄模溫度隨時間發(fā)生的變化。這些測量曲線是由兩個傳感器確定的，它們位于待生成中空通道區(qū)域內(nèi)的壓鑄模具中。

鑄模溫度以及鑄模內(nèi)部壓力突然出現(xiàn)的劇烈下降特征在于殘余熔體突破進(jìn)入次級腔。在這個工藝過程階段，由于壓力得到了釋放，鑄件與壓鑄模具出現(xiàn)了輕微分離。在殘余熔體完全被擠壓到次級腔之后，中空通道內(nèi)部就形成了進(jìn)行再次壓縮的氣體壓力。由此，鑄件被更用力地壓到了壓鑄模具表面上，這意味著鑄模內(nèi)部壓力和鑄模溫度的測量值會再次出現(xiàn)升高。

4、系統(tǒng)技術(shù)

為了能夠在傳統(tǒng)壓鑄過程中利用氣體注入過程的優(yōu)勢，大致需要使用三個附加模塊以及一個用于在氣體注入單元和壓鑄機(jī)之間傳輸安全和質(zhì)量相關(guān)工藝數(shù)據(jù)的規(guī)定接口。除了由次級腔部分插件和帶液壓缸的鎖銷構(gòu)成的緊湊型閘閥模塊之外，還需要將由氣體噴射器和液壓缸構(gòu)成的噴射模塊插入到壓鑄模具中。這其中包括價格低且交貨期短的標(biāo)準(zhǔn)部件。此外，這些部件被設(shè)計成了在壓鑄模具中可以在很短時間內(nèi)進(jìn)行組裝和拆卸的結(jié)構(gòu)。 

圖11中示出的氣體噴射器應(yīng)通過一個液壓缸進(jìn)行操作。材料與噴射器針及帶相應(yīng)導(dǎo)向套筒的閘閥噴涂組件構(gòu)成的組合憑借其機(jī)械穩(wěn)定性和耐熱性而具有較長的使用壽命，并可以減少鋁在壓鑄過程中的粘附傾向。出于維護(hù)和組裝目的，將部分插件插入到壓鑄模具中，以便使其在幾分鐘之內(nèi)在壓鑄機(jī)的工作狀態(tài)下接觸到氣體噴射器。圖12中示出的是MAGIT模塊，它需要占用一個歐洲托盤大小的空間，可被用于提供供應(yīng)介質(zhì)、控制和管理氣體注入過程以及采集過程數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行可視化處理，以及實現(xiàn)與壓鑄機(jī)之間的耦合。

根據(jù)模具要求和客戶需求，MAGIT電源模塊的模塊化結(jié)構(gòu)支持以下裝備選項：

在一個壓鑄模具中制造一個中空通道（模具模塊I）或兩個中空通道（模具模塊I和II）的技術(shù)裝置，用于提供最高可達(dá)500巴氣體壓力的單級或多級高壓壓縮機(jī)模塊，帶或不帶一體化液壓單元，用于模具模塊（氣體噴射器和閘閥）。

由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此在裝備選項方面具有高度靈活性，并且在服務(wù)和維護(hù)工作中方便接近各個部件。在電源模塊的正面，通過透明外殼始終可以看到供應(yīng)壓力。

優(yōu)化的操作高度以及觸摸屏的傾斜角度可實現(xiàn)符合人體工程學(xué)的操作。此外，可拆卸控制面板還可以實現(xiàn)與位置無關(guān)的系統(tǒng)控制。由于菜單導(dǎo)航設(shè)計清晰，因此，很容易就可以實現(xiàn)在自動和手動模式下的直觀操作。除了操作菜單之外，還設(shè)置了服務(wù)菜單，它可以清楚顯示各個接口的信號傳輸情況，人們也可以直接檢查各個系統(tǒng)組件。

5、MAGIT生產(chǎn)的壓鑄件

上述MAGIT模塊目前被用于生產(chǎn)下述壓鑄件：

在圖13所示的外殼蓋中，實現(xiàn)了中空通道圓形和半圓形橫截面幾何形狀及其各種連接結(jié)構(gòu)與鑄件之間的連接。中空通道彎曲的幾何形狀導(dǎo)致管道長度更長，因而冷卻性能更好。

圖14中所示的外殼也可以被用于冷卻電力電子部件。此外，沿鑄件表面形成了一個半圓形通道橫截面。

通過圖13和圖14中所示的MAGIT生產(chǎn)的壓鑄件可以表明通道幾何形狀的高度靈活性高以及氣體注入工藝可以實現(xiàn)的節(jié)約潛力。

6、總結(jié)

氣體輔助壓鑄工藝的優(yōu)勢在于，它一方面可以通過功能集成和零件替換實現(xiàn)部件設(shè)計的新可能性。這樣就可以省去機(jī)械加工以及單個部件連接和壓縮等費時費力的附加過程。另一方面，它可以實現(xiàn)組件連接位置的靈活設(shè)計，這樣就可以在壓鑄過程中直接將軟管接頭連接到鑄件上。因此，通過節(jié)省材料和消除耗時耗力的上下游工藝過程就可以達(dá)到節(jié)省組件成本的目的。在為期36個月的MAGIT項目中，項目重點在于，將氣體輔助壓鑄工藝作為一種適用于大規(guī)模量產(chǎn)中空輕質(zhì)部件及介質(zhì)承載壓鑄組件的工藝投放到市場

作者Lothar Kallien，F(xiàn)lorian M?user，Thomas Weidler，Aalen和Marcel Op de Laak，特寧根