1 概述

壓力鑄造是近代金屬加工工藝中發(fā)展較快的一種少無切削的特種鑄造方法，具有生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)良、鑄件尺寸精度高和互換性好等特點，在制造業(yè)，尤其是規(guī)?；a(chǎn)業(yè)得到了廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。壓力鑄造是鋁、鎂和鋅等輕金屬的主要成形方法，適用于生產(chǎn)大型復(fù)雜薄壁殼體零件。壓鑄件已成為汽車、運動器材、電子和航空航天等領(lǐng)域產(chǎn)品的重要組成部分，其中汽車行業(yè)是壓鑄技術(shù)應(yīng)用的主要領(lǐng)域，占到70%以上[1-3]。隨著汽車、摩托車、內(nèi)燃機、電子通訊、儀器儀表、家用電器、五金等行業(yè)的快速發(fā)展，壓鑄件的功能和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，從而促進(jìn)了壓鑄技術(shù)不斷發(fā)展，壓鑄件品質(zhì)不斷提高。

在壓鑄過程中，熔融金屬在沖頭的作用下以高速充填型腔（一般可達(dá)10～100 m/s），并在高壓（常見的壓力為15～100 MPa）下結(jié)晶凝固形成鑄件。高壓、高速是壓鑄的主要特征。根據(jù)不同階段沖頭速度以及壓力的變化，以冷室壓鑄為例，壓鑄一般分為給湯、壓射（分慢壓射和快壓射兩個階段）、保壓凝固、開模和取樣等過程。在給湯過程中，高溫金屬液與空氣接觸，發(fā)生氧化，所產(chǎn)生的氧化物會隨著壓射過程進(jìn)入型腔，造成氧化夾雜。在低速壓射過程中，當(dāng)?shù)退偎俣冗^高時，位于沖頭前端的金屬液易向前翻轉(zhuǎn)而卷入空氣，形成氣孔，在高速充填過程中，金屬液以湍流形式進(jìn)入型腔，型腔中的空氣來不及排出而被金屬液卷入，最終導(dǎo)致鑄件中出現(xiàn)氣孔。由于壓鑄件多數(shù)為復(fù)雜薄壁件，因此為了滿足其充型完整性，通常將內(nèi)澆口設(shè)計得非常小，以保證可以達(dá)到高速充填的效果，但在凝固過程中，較小的內(nèi)澆口相比于鑄件易于較早凝固，從而阻斷了壓室與型腔間的液相補縮通道，使得后續(xù)的高壓補縮階段作用時間較短，效果不甚理想。另一方面，壓室預(yù)結(jié)晶組織（ESCs）作為壓鑄件中一種典型組織，是金屬液在壓室中凝固形成的預(yù)結(jié)晶顆粒隨熔體充填型腔而形成的粗大枝晶狀晶粒，在ESCs聚集的區(qū)域，由于補縮效果不理想，極易出現(xiàn)縮孔缺陷。因此，氣孔和縮孔構(gòu)成了壓鑄制品的主要缺陷——孔洞缺陷?？锥慈毕菰斐蓧鸿T件力學(xué)性能的下降和不穩(wěn)定，降低壓鑄件的氣密性，并限制了壓鑄件的焊接和熱處理應(yīng)用?？拷砻娴目锥慈毕葸€會造成壓鑄件在機加工后報廢，極大地限制了壓鑄件的應(yīng)用范圍。

雖然壓鑄件現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于汽車、通信電子及航空航天等領(lǐng)域，但由于其絕對強度較低、高溫力學(xué)性能較差且難以進(jìn)行后續(xù)的熱處理、焊接等工藝，因此，壓鑄件主要用于生產(chǎn)常溫下對力學(xué)性能要求不高的殼體零件，而對于對力學(xué)性能有較高要求的結(jié)構(gòu)件仍采用其他生產(chǎn)效率相對較低、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相對較差的成形工藝或其他比強度較低的材料。隨著我國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，一方面對汽車用壓鑄件的需求量日益提升，另一方面為了應(yīng)對環(huán)境污染以及資源緊張的發(fā)展現(xiàn)狀，對汽車用壓鑄件的質(zhì)量要求及應(yīng)用范圍提出了更高的要求。相關(guān)文獻(xiàn)指出，車身重量每降低10%，就可以降低5%～7%的能源消耗[4-5]。因此發(fā)展高性能、高致密度壓鑄成形技術(shù)以拓展壓鑄件應(yīng)用范圍，是壓鑄行業(yè)未來主要的發(fā)展趨勢。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高性能壓鑄合金開發(fā)

2.1.1 現(xiàn)狀

目前，工業(yè)上常用的壓鑄合金為鋁合金及鎂合金。其中壓鑄用鋁合金主要有Al-Si（Al-Si-Cu、Al-Si-Mg）及Al-Mg等幾種系列，其中Al-Si系合金應(yīng)用最為廣泛。然而，目前工業(yè)上所使用的壓鑄鋁合金，主要是針對壓鑄工藝特點所開發(fā)的，而對力學(xué)性能及后期的熱處理及焊接工藝要求等方面較少進(jìn)行考慮。因此，盡管當(dāng)前壓鑄件的強度能夠達(dá)到300 MPa，但塑性較差，斷后伸長率較低，且無法滿足后續(xù)的熱處理及焊接工藝要求，極大地限制了壓鑄鋁合金件的應(yīng)用范圍。壓鑄用鎂合金主要有AZ系（Mg-Al-Zn）、AM 系（Mg-Al-Mn）及 AE 系（Mg-Al-RE）等幾種系列，如 AZ91D、AM60B及AE42等壓鑄鎂合金在汽車、電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。與壓鑄鋁合金相似，壓鑄鎂合金的開發(fā)同樣是基于壓鑄工藝特點進(jìn)行的。而由于常用的壓鑄鎂合金絕對力學(xué)性能較低，耐蝕性及高溫性能較差，因此，壓鑄鎂合金件難以大范圍應(yīng)用[6]。

對于新型高強韌壓鑄鋁合金的開發(fā)，主要包括兩個方面：一是針對現(xiàn)有傳統(tǒng)壓鑄鋁合金的合金成分或添加合金元素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；二是開發(fā)新型壓鑄鋁合金系。而新型壓鑄鋁合金一般要求其滿足以下幾點：①適用于壁厚為2～4 mm復(fù)雜結(jié)構(gòu)壓鑄件的生產(chǎn)；②鑄態(tài)下的抗拉強度和屈服強度分別可以達(dá)到300 MPa和150 MPa，且具有15%的伸長率；③具有良好的耐腐蝕性能；④可以通過工業(yè)上對變形鋁合金常用的高溫噴漆過程對合金進(jìn)行一定的強化；⑤可進(jìn)行熱處理強化處理；⑥可回收利用且環(huán)境友好。當(dāng)前常用的高強韌壓鑄鋁合金有Silafont-36、Magsimal-59、Aural-2 及 ADC-3等牌號，均為國外開發(fā)，其共同特點是Fe含量均比普通壓鑄鋁合金更低，另外其他雜質(zhì)元素如Zn、B、Ti等均進(jìn)行了嚴(yán)格控制。目前，國外關(guān)于高強韌壓鑄鋁合金的研究內(nèi)容較為全面，包含微觀組織形成機理，組織與性能之間的關(guān)系，以及不同合金元素及其含量對合金力學(xué)性能的影響。如德國Aluminum Rheinfelden公司開發(fā)的Silafont-36合金，在確保強度的前提下，將Fe元素含量降到0.2%一下，從而使得塑性提高，同時為了避免粘?，F(xiàn)象，加入0.5%～0.8%的Mn元素，并且可進(jìn)行后續(xù)熱處理工藝，進(jìn)一步提高合金性能，目前已將該合金應(yīng)用于汽車車門的制造。

對于新型壓鑄鎂合金的開發(fā)，主要包含三個方面：超輕高強度壓鑄鎂合金；抗高溫蠕變壓鑄鎂合金；耐蝕壓鑄鎂合金。針對超輕高強度壓鑄鎂合金的研究主要集中在Mg-Li系合金，Li元素可提高合金的韌性，而強度則下降，通過添加第三元素，經(jīng)過熱處理后，可使合金的強度得到大幅度提高。針對抗高溫蠕變壓鑄鎂合金主要集中在添加合金元素，其有三方面作用：一是細(xì)晶強化，合金元素的添加有利于形成高熔點形核質(zhì)點達(dá)到異質(zhì)形核細(xì)化晶粒的效果；二是析出相強化并釘扎晶界，組織晶界滑移；三是固溶強化，Y等元素固液界面前沿形成強的溶質(zhì)過冷層，抑制了初生相生長而細(xì)化晶粒。而針對耐蝕壓鑄鎂合金同樣集中在添加合金元素上，同時還應(yīng)與提高力學(xué)性能和抗高溫蠕變性能相結(jié)合，以開發(fā)耐腐蝕熱穩(wěn)定優(yōu)良的壓鑄鎂合金系列為目的，加強對壓鑄鎂合金添加合金元素的研究；開展壓鑄鎂合金后期處理的研究，例如對鎂合金表面進(jìn)行涂層、強化處理，阻止氧化反應(yīng)和介質(zhì)腐蝕。

在壓鑄過程中產(chǎn)生的金屬原料廢料以及報廢后壓鑄合金的回收利用方面，國外部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家因其具有技術(shù)先進(jìn)、濟(jì)實力強、環(huán)保意識強及標(biāo)準(zhǔn)要求高等多方面有利因素和條件，在壓鑄合金廢料的回收處理及再利用領(lǐng)域投入研究較多，技術(shù)相對先進(jìn)、成熟，率先走出了一條經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、實用的路子。其在回收利用的合金原料中加入其他元素或調(diào)整元素成分，以開發(fā)出新的具有優(yōu)良性能的壓鑄合金[7]。目前國內(nèi)對這部分壓鑄合金的規(guī)?；厥仗幚硗ǔＪ遣捎弥苯蛹尤牖鹧鏍t或感應(yīng)爐內(nèi)重熔的方式，此種回收處理工藝所帶來的主要問題是金屬燒損大，重熔能耗高，環(huán)境污染較重，員工勞動強度大、作業(yè)條件惡劣等。

2.1.2 挑戰(zhàn)

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，為了滿足汽車輕量化及大批量的需求，壓鑄鋁、鎂合金的質(zhì)量需要進(jìn)一步提高，以替代鋼制品或其他成形工藝。當(dāng)前傳統(tǒng)的壓鑄鋁合金塑性較差，且不宜進(jìn)行熱處理及焊接等后續(xù)工藝，而傳統(tǒng)的壓鑄鎂合金絕對力學(xué)性能較低，耐腐蝕性及高溫性能較差，均難以滿足汽車結(jié)構(gòu)件對力學(xué)性能的要求。目前，國外車企及研究學(xué)者已開發(fā)出多種結(jié)構(gòu)件用壓鑄合金，并展開了系統(tǒng)的研究。而國內(nèi)關(guān)于結(jié)構(gòu)件用壓鑄合金的研究鮮有報道，在結(jié)構(gòu)件用壓鑄合金開發(fā)方面基本處于空白，所使用的結(jié)構(gòu)件用壓鑄合金基本依靠進(jìn)口。因此，亟需自主開發(fā)新型結(jié)構(gòu)件用壓鑄合金，并開展合金工藝-組織-性能之間關(guān)系的基礎(chǔ)研究，來應(yīng)對和滿足國內(nèi)外汽車用壓鑄結(jié)構(gòu)件的挑戰(zhàn)及需求。另一方面，需針對壓鑄合金廢料及報廢后的壓鑄零件，開展相關(guān)研究以其為基礎(chǔ)開發(fā)出新型壓鑄合金進(jìn)行回收利用。

2.1.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

開發(fā)一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型高強韌壓鑄鋁合金，及高強度、抗高溫蠕變及耐蝕性良好的鎂合金，使其兼具良好的壓鑄性能及力學(xué)性能，并對其工藝-組織-性能之間的關(guān)系進(jìn)行研究分析并建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2）預(yù)計到2025年，要達(dá)到的目標(biāo)：

基于自主開發(fā)的新型壓鑄鋁、鎂合金，采用先進(jìn)的壓鑄技術(shù)進(jìn)行鋁、鎂合金結(jié)構(gòu)件的開發(fā)及應(yīng)用。

3）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

開發(fā)基于壓鑄合金廢料及報廢后的壓鑄零件為原料的新型壓鑄合金，探索出一條經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、實用的壓鑄合金回收利用的工藝方法。

2.2 高真空壓鑄技術(shù)

2.2.1 現(xiàn)狀

高真空壓鑄技術(shù)是在壓鑄過程中抽除型腔內(nèi)氣體，以消除或減少壓鑄件內(nèi)的氣孔，提高壓鑄件力學(xué)性能和表面質(zhì)量的一種壓鑄工藝。在高真空壓鑄過程中，型腔處于真空狀態(tài)，紊流的金屬液不再會卷入氣體形成氣孔，從根本上消除了壓鑄零件氣孔的成因。因此，鑄件含氣量得到降低，氣孔率下降，致密度提高；鑄件的整體力學(xué)性能得到改進(jìn)，抗拉強度、伸長率、硬度和密度均有所提高；同時可以滿足熱處理、焊接及耐壓實驗等要求。

當(dāng)前，真空壓鑄以抽除型腔內(nèi)氣體的形式為主流，將真空閥裝在模具上，其最大的優(yōu)點在于模具的設(shè)計和結(jié)構(gòu)基本上與常規(guī)壓鑄相同，在分型面、推桿配合面、模具型腔鑲拼接合面和沖頭壓室配合面等各處進(jìn)行密封，只有排氣道的設(shè)計和計算有所不同。國外研究了幾種以模具內(nèi)設(shè)置排氣槽和抽氣截流閥為特征的真空壓鑄系統(tǒng)，當(dāng)壓射沖頭越過壓室澆料口時，模具型腔與真空管道由排氣截流閥接通大流量真空泵，合金液在型腔具有一定負(fù)壓的情況下充型。典型的代表有瑞士方達(dá)瑞公司研發(fā)設(shè)計的雙芯真空閥的真空壓鑄系統(tǒng)，其工作特點是當(dāng)金屬液開始填充型腔時，真空系統(tǒng)及時對型腔進(jìn)行大排量的抽氣，當(dāng)金屬液通過溝槽進(jìn)入真空閥時，首先沖擊真空啟動閥芯從而觸發(fā)連鎖機構(gòu)，在極短的時間內(nèi)關(guān)閉真空排氣閥芯實現(xiàn)斷流。這種雙閥芯的主要優(yōu)點是在填充過程能夠?qū)崿F(xiàn)全程排氣，真空閥在型腔充滿的極短瞬時可靠地關(guān)閉，同時實現(xiàn)全程排氣和及時防止金屬液進(jìn)入真空管道而阻礙抽真空的進(jìn)行。

國際學(xué)術(shù)界對真空壓鑄技術(shù)的關(guān)注過程主要分為兩個方向：型腔排氣建模和鑄件性能分析。在型腔排氣建模方面，大量研究者對壓鑄型腔內(nèi)金屬液卷氣、通過排氣道抽除型腔氣體的過程進(jìn)行了數(shù)理建模分析以及模擬計算，并對真空壓鑄的充型和排氣過程進(jìn)行了建模分析，得出了計算真空閥排氣通道有效截面積的理論公式，定量分析了排氣通道截面積對真空效果的影響規(guī)律。上述工作均為真空壓鑄系統(tǒng)和真空模具的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

隨著國外真空壓鑄技術(shù)的蓬勃發(fā)展，我國國內(nèi)也有一大批技術(shù)工作者對真空壓鑄進(jìn)行了研究和報道，引入了大量技術(shù)文獻(xiàn)。然而國內(nèi)企業(yè)對真空壓鑄技術(shù)應(yīng)用存在明顯瓶頸，對型腔真空壓力和真空時間的控制不足，普遍停留在真空輔助充型階段，高真空壓鑄工藝有待開發(fā)。受應(yīng)用程度所限，國內(nèi)廠家對真空壓鑄的認(rèn)識，對真空壓鑄工藝減少鑄件缺陷、提升鑄件性能的機理研究亦不夠充分，對這項先進(jìn)技術(shù)的潛力仍需深入挖掘。國內(nèi)院校、科研機構(gòu)對真空壓鑄工藝的研究逐漸開展起來，主要分為兩個方向：設(shè)備、工藝研發(fā)；鑄件性能研究。前者主要基于國內(nèi)外相關(guān)的真空壓鑄專利技術(shù)，以真空系統(tǒng)、真空壓鑄周邊設(shè)備、輔材為研發(fā)對象。后者與國外有所區(qū)別，主要集中在真空壓鑄件中氣孔的減少以及組織的細(xì)化上，而對真空壓鑄件的焊接、熱處理工藝則鮮有研究，這主要是由于我國的真空壓鑄水平有限，得到的真空壓鑄件中孔洞含量相對較高，尚未達(dá)到熱處理及焊接工藝的要求。

2.2.2 挑戰(zhàn)

高真空壓鑄工藝一般要求壓射過程中型腔有效真空壓力＜5 kPa，以大幅度減少鑄件中氣孔的存在，滿足后續(xù)熱處理及焊接工藝的要求。開發(fā)高真空壓鑄工藝的關(guān)鍵問題在如何保持型腔有效真空壓力，而此問題的解決則主要在于高真空系統(tǒng)的開發(fā)及其與壓鑄工藝之間的配合問題，即在保證壓射過程中金屬液不損失過多熱量的前提下，提高抽真空效率，以達(dá)到高真空狀態(tài)。國內(nèi)開展的大量真空壓鑄生產(chǎn)及研究案例表明，若無法將充型時刻的型腔真空壓力嚴(yán)格控制在一個較低的水平（＜5 kPa），常常只能得到真空壓鑄帶來的輔助充填效果，盡管仍可以觀察到宏觀孔洞缺陷的一定改善，但壓鑄件的可焊性和可熱處理性都難以得到保證，力學(xué)性能的提升也并不明顯?，F(xiàn)階段國內(nèi)真空壓鑄技術(shù)水平不高，研究不夠深入的主要原因在于，對真空壓鑄中影響型腔真空壓力的諸多環(huán)節(jié)缺乏系統(tǒng)深入的理論分析和實驗研究，高真空壓鑄工藝尚不成熟。因此，設(shè)計高真空壓鑄系統(tǒng)并使其與壓鑄工藝有效的結(jié)合起來，有效地實現(xiàn)高真空壓鑄技術(shù)是工業(yè)生產(chǎn)過程中亟待解決的問題。

另一方面，在前期高真空技術(shù)的限制下，壓鑄件的性能也因后續(xù)的熱處理工藝的研究停滯不前而受到限制。在傳統(tǒng)壓鑄條件下，與壓鑄態(tài)相比，在較高的固溶溫度和較長的固溶時間處理下，壓鑄件表面有鼓泡現(xiàn)象出現(xiàn)，從內(nèi)部組織可以看出，鑄件內(nèi)部的孔洞存在膨脹擴(kuò)大現(xiàn)象。而隨著固溶溫度及時間的下降，鑄件的表面鼓泡現(xiàn)象逐漸消失，且內(nèi)部組織觀察不存在孔洞膨脹現(xiàn)象。因此，對于傳統(tǒng)壓鑄件，國外生產(chǎn)廠家主要采用短時低溫?zé)崽幚砉に噥硖嵘T件性能。而對于高真空壓鑄件，由于基本消除了氣孔的存在，國外生產(chǎn)廠家即可根據(jù)不同需求采取不同的熱處理方式來達(dá)到鑄件的要求。鑒于目前我國真空壓鑄技術(shù)水平與國外有一定的差距，對真空壓鑄件后續(xù)的熱處理及焊接工藝的研究較少，因此，在學(xué)術(shù)界及工業(yè)界亟需相關(guān)研究，從而為后續(xù)高真空壓鑄件的熱處理及焊接工藝奠定基礎(chǔ)。

2.2.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

完成高真空壓鑄系統(tǒng)（＜5 KPa）的研究開發(fā)，建立不同模具型腔特征的抽真空系統(tǒng)的適應(yīng)性研究。并針對不同高真空系統(tǒng)，完成相應(yīng)壓鑄工藝參數(shù)的配合研究。

2）預(yù)計到2025年，要達(dá)到的目標(biāo)：

結(jié)合已建立的高真空壓鑄系統(tǒng)，針對相應(yīng)零件，建立符合標(biāo)準(zhǔn)的熱處理工藝。并建立相應(yīng)熱處理工藝與性能之間的聯(lián)系，為日后產(chǎn)品開發(fā)提供參考數(shù)據(jù)。

3）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

在前期基礎(chǔ)上，建立典型高真空壓鑄件工藝-組織-性能關(guān)系數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合車身結(jié)構(gòu)件需求，實現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)件的自主設(shè)計及工藝開發(fā)。

2.3 可溶型芯壓鑄技術(shù)

2.3.1 現(xiàn)狀

隨著汽車、通訊電子及航空工業(yè)的發(fā)展，零件的設(shè)計越來越復(fù)雜，常設(shè)計有許多數(shù)量不等、形狀各異的復(fù)雜孔或內(nèi)腔等。這些復(fù)雜孔或內(nèi)腔有些可直接采用機械加工的方法形成，但絕大多數(shù)只能采用鑄造工藝直接形成。而采用傳統(tǒng)的砂型、金屬型、低壓鑄造等，生產(chǎn)效率較低，成本較高，不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要。因此，國外許多生產(chǎn)廠家利用可溶型芯壓鑄技術(shù)來替代其他鑄造工藝，用以生產(chǎn)帶有復(fù)雜孔或內(nèi)腔的零件。采用可溶型芯壓鑄技術(shù)是一項簡單易行的工藝措施，可以滿足具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品要求，成本降低，所生產(chǎn)的鑄件具有尺寸精度高，表面質(zhì)量好等優(yōu)點[8]。

當(dāng)前常用的型芯材料及成形工藝主要是針對其他鑄造工藝所開發(fā)設(shè)計的，而型芯的質(zhì)量極大的影響著最終鑄件的質(zhì)量和性能。常用的型芯有砂芯、塑料型芯、低熔點金屬型芯及無機鹽型芯。其中砂芯成形工藝簡便，但表面較為粗糙；塑料型芯高溫性能較差，低熔點金屬型芯表面質(zhì)量較好，但成本相對較高；無機鹽型芯可根據(jù)不同要求選擇不同的成形工藝，型芯溶解工藝簡單，但對鑄件表面易造成損傷。型芯的成形工藝主要包括高壓擠壓成形、噴射成形和鑄造+壓實成形，其中：高壓擠壓成形可制備出具有良好力學(xué)性能及防潮性能，孔洞含量較少及可進(jìn)行機加工的型芯，但其缺點是適用于簡單形狀的型芯；噴射成形可制備出形狀較為復(fù)雜的型芯，但其缺點是型芯的力學(xué)性能及表面質(zhì)量較差，孔洞含量較多；鑄造+壓實成形可制備出具有良好力學(xué)性能及表面質(zhì)量，且尺寸精度高的型芯，但其缺點是設(shè)備投資較大，且耗能較大，型芯成形過程中縮孔較多[9]。

綜上所述，可溶型芯壓鑄技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵是開發(fā)設(shè)計出具有優(yōu)良性能且適用于壓鑄生產(chǎn)的可溶型芯材料及其相應(yīng)的成形工藝。在滿足尺寸精確、表面光潔、可長期儲存、具有良好的力學(xué)性能的條件下，如何降低成本，將成為此技術(shù)發(fā)展的重中之重。

2.3.2 挑戰(zhàn)

可溶型芯壓鑄技術(shù)克服了傳統(tǒng)壓鑄過程中分型面對零件形狀設(shè)計過程中的束縛，可大批量、規(guī)?；a(chǎn)具有復(fù)雜孔及內(nèi)腔的零件。這一技術(shù)在國外尚處于起步階段，大部分的研究主要集中在型芯材料和成形工藝的選擇、優(yōu)化及開發(fā)，而對于可溶型芯壓鑄技術(shù)及所生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量的研究鮮有報道，國內(nèi)在這方面的工業(yè)基礎(chǔ)及研究工作基本處于空白。由于壓鑄具有生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)良等優(yōu)點，隨著各行業(yè)的發(fā)展，對具有復(fù)雜孔及內(nèi)腔零件的數(shù)量及質(zhì)量的要求會越來越高，傳統(tǒng)砂型鑄造等將難以滿足需求，因此需要發(fā)展可溶型芯壓鑄技術(shù)來應(yīng)對這方面的挑戰(zhàn)。

2.3.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

開發(fā)多種力學(xué)性能及成形性能良好的壓鑄用型芯材料，來滿足不同零件的需求。

2）預(yù)計到2025年，要達(dá)到的目標(biāo)：

開發(fā)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)良，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良的壓鑄用型芯成形工藝及設(shè)備，來滿足壓鑄型芯大批量的需求。

3）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

對可溶型芯壓鑄技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，建立技術(shù)-應(yīng)用-成本曲線，并對相應(yīng)技術(shù)進(jìn)行升級，降低成本。

2.4 智能壓鑄技術(shù)

2.4.1 現(xiàn)狀

當(dāng)前壓鑄產(chǎn)品的設(shè)計及生產(chǎn)方案均是運用CAD及CAE相結(jié)合的方式，在實際生產(chǎn)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而針對實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題則多數(shù)依靠實際經(jīng)驗進(jìn)行分析并采取措施。隨著“工業(yè)4.0”的提出，智能壓鑄技術(shù)也應(yīng)運而生，歐盟EU-FP7資助的MUSIC項目即是針對壓鑄生產(chǎn)智能控制及自學(xué)習(xí)系統(tǒng)所設(shè)立的，其在產(chǎn)品設(shè)計初期采用CAD及CAE相結(jié)合的方式，進(jìn)行壓鑄產(chǎn)品的設(shè)計及生產(chǎn)方案的確定，并在實際生產(chǎn)過程中監(jiān)測各生產(chǎn)參數(shù)，包括金屬溶液溫度、含氣量、夾雜物數(shù)量，模具溫度、型腔壓力，壓射速度、壓力和壓鑄各工藝參數(shù)等，通過所監(jiān)測的數(shù)據(jù)來預(yù)測產(chǎn)品的質(zhì)量，并利用其專家系統(tǒng)來給出解決壓鑄過程中所出現(xiàn)問題的解決方案，通過智能控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以獲取優(yōu)良鑄件[10-11]。針對智能壓鑄技術(shù)的研究，主要集中在以下幾點：

1）傳感器監(jiān)測系統(tǒng)

壓鑄技術(shù)可以規(guī)?；a(chǎn)優(yōu)質(zhì)的復(fù)雜薄壁零件，但其對工藝參數(shù)較為敏感，理想工藝參數(shù)范圍較小，在實際生產(chǎn)過程中，任何影響實際壓鑄工藝參數(shù)的因素都有可能導(dǎo)致壓鑄廢品率的上升。因此，建立可實時監(jiān)測、靈敏度較高的傳感器監(jiān)測系統(tǒng)是智能壓鑄技術(shù)實施的關(guān)鍵，是智能壓鑄技術(shù)的“感知器官”。而對諸如金屬溶液、壓鑄機參數(shù)、噴涂修整、工藝條件的實時監(jiān)控，無疑對技術(shù)的開發(fā)起著重要的作用。

2）專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是智能壓鑄技術(shù)的核心環(huán)節(jié)，是智能壓鑄技術(shù)的“大腦”。其主要作用是分析傳感器檢測系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)其智能化及自認(rèn)知系統(tǒng)來預(yù)測每一次壓鑄過程所生產(chǎn)的零件質(zhì)量，已實現(xiàn)將廢品自動區(qū)分。另一方面，專家系統(tǒng)還可分析現(xiàn)有壓鑄工藝所存在的問題，根據(jù)實時監(jiān)測的工藝參數(shù)，分析問題出現(xiàn)的原因，并根據(jù)現(xiàn)實的可操作性給出相應(yīng)的解決措施。目前，歐盟的MUSIC項目已針對AUDI公司的減震塔零件建立了相應(yīng)的系統(tǒng)。

3）智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)是智能壓鑄技術(shù)的終端控制系統(tǒng)，是智能壓鑄技術(shù)的“效應(yīng)器”。其主要是執(zhí)行專家系統(tǒng)分析問題后所給出的解決措施。國外已經(jīng)可以對金屬溶液含氫量，壓鑄生產(chǎn)過程中的噴涂過程以及真空壓鑄過程中型腔中的濕度等進(jìn)行智能控制。如專家系統(tǒng)可通過分析金屬溶液中含氫量的變化，借助智能控制系統(tǒng)的操控，開啟除氣裝置，并根據(jù)含氫量調(diào)整每一次除氣處理的參數(shù)；專家系統(tǒng)通過分析鑄型表面溫度采集系統(tǒng)所采集的鑄型表面溫度變化，并結(jié)合理想的鑄型表面溫度變化，調(diào)整每一次壓鑄過程中噴涂階段所需的時間及噴涂量等參數(shù)，通過智能控制系統(tǒng)來控制噴涂階段，以達(dá)到較為理想的鑄型表面溫度等[12]。

2.4.2 挑戰(zhàn)

當(dāng)前，隨著人力成本的上升以及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，各國均在大力發(fā)展智能制造技術(shù)。尤其是歐盟，其在“工業(yè)4.0”的基礎(chǔ)上，針對壓鑄行業(yè)提出“HPDC foundry 4.0”，并設(shè)立MUSIC（金屬壓鑄成形及塑料注塑成形多層次智能化控制及自認(rèn)知系統(tǒng)）項目，聯(lián)合16家單位（包括高校、軟件公司、傳感器公司及壓鑄件終端使用商等）開展了為期4年的研究開發(fā)工作，內(nèi)容包括傳感器監(jiān)測系統(tǒng)、專家系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)等。相比之下，我國壓鑄行業(yè)整體水平不高，自動化程度較低，雖然已有相關(guān)傳感器對壓鑄過程進(jìn)行監(jiān)測，但在數(shù)據(jù)分析和智能控制階段基本處于空白。隨著我國《中國制造2025》的提出，作為規(guī)?；a(chǎn)且勞動密集型產(chǎn)業(yè)的壓鑄行業(yè)，勢必要在智能化制造方面進(jìn)行大的變革，來提升壓鑄行業(yè)的技術(shù)水平。因此，在硬件開發(fā)、軟件數(shù)據(jù)處理及分析等方面均面臨著較大的挑戰(zhàn)，如傳感器監(jiān)測系統(tǒng)中的溫度、壓力等傳感器設(shè)計及制造，智能控制系統(tǒng)中澆料機械人、噴涂機器人的控制和專家系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理及分析軟件的開發(fā)等。

2.4.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

實時生產(chǎn)參數(shù)的精準(zhǔn)化，即時化及集成化。即實現(xiàn)生產(chǎn)過程中，能即時精確的獲取實際生產(chǎn)的各相條件及參數(shù)，并對所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行即時集中處理，以供分析。

2）預(yù)計到2025年，要達(dá)到的目標(biāo)：

建立壓鑄專家系統(tǒng)，針對不同參數(shù)變化，條件更改，及時作出準(zhǔn)確有效的指令，并反饋至壓鑄機及周邊設(shè)備中，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

圖1 高壓鑄造技術(shù)路線圖

3）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

設(shè)計開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能壓鑄集成技術(shù)，并針對不同壓鑄設(shè)備進(jìn)行配套。最大程度實現(xiàn)壓鑄生產(chǎn)過程的無人化及智能化，提升壓鑄技術(shù)水平，加快壓鑄產(chǎn)業(yè)升級。

3 技術(shù)路線圖

高壓鑄造技術(shù)路線圖如圖1所示。