当前位置： 压铸 >> 压铸发展 >> 汽车行业铝合金压铸车间工程设计
摘要：介绍特种压力铸造的特点，阐述汽车行业铝合金压铸车间如何根据铸件产品特性和产量进行压力铸造工艺参数的计算和设备的选用，在工程设计中车间工艺平面的布置，设计原则以及配套土建、公用设施等要求，供类似项目设计参考。
关键词：特种铸造；压力铸造；工厂设计
1引言
压力铸造（简称压铸）是使液态或半液态金属在高压的作用下，以极高的速度充填压型，并在压力作用下凝固而获得铸件的一种方法。产品具有较高尺寸精度和力学性能、生产率高以及少加工余量或无加工余量等特点，被广泛应用于汽车、航空、电子、机械、五金等领域。近年来，随着汽车工业的迅速发展，压铸件在汽车工业中的应用范围不断扩大，汽车轻量化需求的日益增加为压铸行业的发展提供了广阔前景。
2压铸的特点
高压和高速充填压铸型是压铸的两大特点，也是压铸区别于其它铸造方法的最基本的特征。它常用的压射比压从几兆帕至几十兆帕，甚至高达2×kPa。充填速度约在10m/s-60m/s，有时可高达m/s，充填时间很短，一般在0.01s-0.2s范围内。
与其它铸造方法相比，压铸具有下述优点：（1）压铸件尺寸精度高，加工余量少，表面粗糙度低；（2）可压铸薄壁、形状复杂且轮廓清晰的铸件；铸件具有较好的力学性能（见表1）；（3）使用镶嵌件方便，简化制造工艺；（4）生产效率高，且易实现机械化、自动化，适宜于大批量生产。
3压铸的主要工艺参数
3.1压铸压力
压铸压力是压铸过程的重要工艺参数，决定着压铸件的成型性、力学性能、致密性和压铸件质量。压铸压力可以用压射力和压射比压来表示。
压射力是根据压铸机的规格而定，它是压铸机压射机构中推动压射活塞的力，可用下式进行计算：
式中，PY为压射力，N；PG为压射缸内的工作压力；D为压射缸的直径mm。
压射比压是压铸机压室内液体金属单位面积上所承受的压力，其值可用下式进行计算：
式中，Pb为压射比压，Pa；F为压射冲头（或压室）截面积，m2；
d为压射冲头（或压室）直径mm。
由上式可知，压射比压与压射力成正比，而与压射冲头截面积成反比。因此，改变压射比压可通过调整压射力或压射冲头的直径来实现。根据生产中的实践经验，常用压铸铝合金的计算压射力，见表2。
3.2填充速度
压铸速度有压射速度和充填速度两个不同的概念。生产中通常用调整压射速度（一般为0.2m/s-0.3m/s）、压射比压和内浇道截面积来调整充填速度。生产上压铸铝合金常用的充
填速度见表3。
3.3浇注温度和压型工作温度
压铸过程中，合金的浇注温度对于充填、成型及凝固过程以及压型寿命和稳定生产等方面都有很大的影响，压铸合金在保温炉内的温度一般不超过该合金液相线以上20℃~30℃，保证浇入压室激冷后仍有足够的流动性。压型工作温度对铸件质量的影响与合金浇注温度的影响有类似之处。压铸铝合金的浇注温度和压型工作温度见表4。
4压铸设备的选择
汽车行业铝合金零部件品种多、材质轻，产品的内在质量要求严格，不能有气孔、夹杂、疏松等缺陷。产品的尺寸精度和表面光洁度也有很高的要求，而且铸件的形状复杂，有些关键压铸件还需经过X光探伤检验。因此，对压铸设备的选择有较高的要求。
4.1熔铝炉
铝合金在熔化过程中的突出问题是元素容易氧化和金属液易吸气。为获得含气量低和夹杂物少，化学成分均匀的高质量铝合金液，目前大部分工厂均采用天然气集中溶解炉代替了传统的中频感应电炉。
天然气集中熔铝炉的主要特点有：氧化物产生少，铝液烧损率低；铝液温度控制精确，误差达到±5℃；采用天然气作为能源，并且烟气热量能够回收利用，有利于节省能源；燃烧系统设计先进，烟气排放达到了环保标准。熔化设备计算参见表5和表6。（以某汽车零部件工厂压铸车间年产t合格铝合金压铸件为例，生产性质为大批量生产，压铸车间实行四班三运转工作制。全年工作日为d，设备年时基数为h，工人年时基数为h，下同）。
从表6计算可知，该压铸车间需要新增2台台生产率为1.5t/h的熔铝炉，达到总生产率为3t/h即可满足生产需要。
4.2压铸机
压铸车间设计中，应根据压铸件的具体参数进行压铸机的选择，一般从下列两个方面考虑：
1）根据铸件的品种和批量进行压铸机选择。对于多品种
小批量生产，一般选用系统简单，适应性强的压铸机；在成批和大批量生产时，应该选用辅机配套完整，并具有机械化和自动化高的压铸岛。
2）根据铸件的结构及工艺参数选择压铸机型号。铸件的外形尺寸、重量、壁厚等参数对选用压铸机的影响，主要有以下几个方面：
①铸件垂直于压铸模分型面的投影面积。在压射过程中，为了防止压铸模被金属液体所产生的胀力胀开，压铸机必需有足够大的合模力。合模力是压铸机最重要的参数，其计算公式如下：
P合≥K（PA+PA成tanα）（3）
式中，p合为压铸机的合模力，kN；K为安全系数，一般取1.2-1.3；P为选用的压射比压,MPa；A为分型面总投影面积，cm2；A成为动模成型部分投影面积,cm2；α为楔块倾斜角,（°）。由上述计算可知，在压射比压一定的条件下，铸件在分型面上的投影面积越大，则压铸机的合模力也应越大。所以则压铸车间应根据铸件的尺寸选择合适的压铸机。
②铸件重量不应超过压铸机压室的额定容量，但也不能太小，避免造成压铸机能力的浪费。
③对于压铸机而言，其最大和最小的开型距离都是确定的参数，所以铸件的高度和压铸模的高度都会受限。
3）压铸机台数的计算如下：
式中,N为计算所需的压铸机数，台；Q为全年生产压铸件数，件；T为项目年时基数，h；q为压铸机生产率，型/h；K1为铸件内外废品率，%；K2为压铸机废品率，%。
近年来，随着压铸生产的迅速发展，压铸机的辅助设备也不断完善，如自动定量浇注装置、自动取件机械手、自动切边机、自动喷涂料装置等与压铸机配套使用，形成了岛型自动化生产机组，见图1。
5车间布置及物流
5.1铝合金压铸车间工艺流程
铝锭进厂→材质检验→材料配比→熔化→除气精炼→熔液运输→保温炉保温→压铸→去除浇冒口、去毛边、去毛刺→检验。
5.2铝合金压铸车间工艺布置
根据压铸工艺，压铸车间一般由熔化工部、压铸工部、清理工部、检验工部、铝锭堆放区、模具堆放区、机修区、模修区等部分组成。车间周边附有冷却塔、除尘器、变电所等配套设施。
车间设计原则：
1）压铸车间属热加工车间，压铸产生的烟气较多，车间应采取加强排烟等措施，宜将车间设置在厂区的下风区。
2）车间以压铸工部为核心，其它各工部依其与压铸工部的关系安排在最合理的位置上，从而使整个车间的工艺流程最合理、顺畅，物流路线最短并且不互相干扰。
3）各工部之间的物料供应采用“即时供应”的方式，并尽量提高自动化程度，减少堆放场地，降低劳动强度。
4）车间工艺布置同时考虑通风、采光、消防、环保以及劳动安全卫生等方面的要求，创造文明生产条件。
5）充分利用车间面积，尽可能留有发展余地。
图2为某汽车零部件厂铝合金压铸车间平面布置图，该车间主要生产汽车变速箱壳体和壳盖等铝合金压铸件，年产量约为t。车间实行四班三运转工作制。车间面积约为m2，共有压铸机10台，最大压铸机的合模力为t，车间预留有4台压铸机的台位基础，为车间生产能力预留提升空间。
5.3车间物流
压铸车间内物流主要是铝合金金属液、压铸模具、铸件及回炉料等的运输。
铝合金金属液的运输可以采用专用冶金起重机或专用金属液叉车。由于叉车的速度较快，灵活性较大，现在工厂大多采用专用叉车。
压铸模具的运输一般采用桥式起重机。厂房设计时起重机的最大起重能力应按照车间最大模具的重量来选定。铸件及回炉料在车间内的运输一般采用叉车或液压小车。
6土建及公用配套
6.1土建
1）建筑形式
根据压铸工艺的特点，目前国内的压铸车间的厂房建筑形式一般由混凝土、钢混及全钢结构等三种形式。早年压铸车间一般采用混凝土厂房，现在随着防火涂料，防腐涂料的发展，以及业主对项目进度要求高等原因，制作简单、建设周期短、造价相当等优点的全钢结构厂房形式的压铸车间日益增多。
2）车间跨度、柱距与高度
近年来，随着对各种汽车零部件的质量、尺寸与精度要求越来越高，因而对压铸机合模力的要求越来越大，压铸车间几千吨的压铸机也比比皆是，从而对车间的有效面积要求也是越来越大。目前，压铸车间一般采用大跨度、大柱距的车间布局。一般t以上的压铸机所在跨要求24m跨度以上，而12m的柱距对于压铸车间用叉车进行运输铝液的操作模式有较大的灵活性。压铸车间的厂房高度根据压铸机的提升高度来决定，t级压铸机的最大提升高度约为8m-9m，考虑行车的安全间距，一般车间的轨高为11m左右。
3）地坪及荷载
压铸车间的地坪要求平整、耐磨，一般是mm-mm配筋混凝土地坪，上刷环氧树脂地坪涂料。车间地坪除了模具堆放区的地坪载荷约为kPa外，其余车间运输通道的地坪载荷约为50kPa。
4）设备基础
压铸车间压铸设备的基础是极其重要的土建设计内容，关系到压铸机是否能够顺利安装到位，正常生产。早期，国外引进的压铸机的设备基础非常复杂，在压铸机的设备基础块上有几十个预留孔（或预埋螺栓）和预埋板，尺寸精度都比较高，在土建施工过程中往往难以满足要求，造成设备无法顺利安装，造成经济损失。近年来，压铸机的基础一般采用在钢筋混凝土基础内预埋几根长条形H型钢，用于设备的定位和安装。其优点：
①施工精度容易保证；
②设备安装方便。
5）气楼和屋脊通风器
压铸车间属于热加工车间，压铸生产时产生的烟气较多，土建设计中通常在压铸车间顶部设置通风气楼，并在车间外墙设置进风百叶，通过自然通风的形式，改善压铸车间内的工作环境。近年来随着钢结构厂房的大量采用，越来越多的压铸车间屋面采用了屋脊通风器代替了传统的通风气楼。
6.2公用配套
铝合金压铸车间的公用配套较为简单，主要根据设备的工艺参数选择工配设施。
1）电气
压铸车间的用电点主要集中在车间的压铸工部，所以车间的变电所需尽量贴近压铸工部进行布置，有利于电缆的敷设。由于压铸车间会产生少量烟尘，电气设施要考虑要有防尘装置。
2）天然气
压铸车间天然气主要用于铝锭的熔化，用气压力为3kPa～5kPa。天然气从厂区外的市政中压管网接来，在厂区内设置调压站及计量表房。
3）压缩空气
压缩空气主要用于熔铝炉和压铸机。空压站的供气压力为0.76MPa。供应的压缩空气品质为：最高压力露点2℃-3℃；最大含油量1mg/m3；最大尘埃粒径1μm。
4）循环冷却水：
压铸车间循环冷却水主要用于压铸机模具和液压系统的冷却，设备进水温度t1=33℃,出水温度tz=50℃，温差Δt=17℃。一般选用中、高温冷却塔。
5）消防措施
压铸车间厂房的火灾危险性分类属丁类厂房建筑。耐火等级二级。防火分区：车间部分为一个防火分区,生产办公辅楼为一个防火分区，防火分区之间用防火墙及甲级防火门隔开。
6）环保要求
压铸车间对环境的影响主要是铝合金压铸机和熔铝炉工作时产生的少量烟气，对于熔铝炉通常是通过配套除尘装置进行处理；对于压铸机产生的烟尘较难处理，由于压铸机分型面不是一个密闭的装置，产生的烟气较难收集，目前主要通过车间的屋脊通风器进行自然排放。
7结语
压铸工艺是材料近净成型的主要方法之一，随着国家对节能减排的要求越来越严格，传统的铸造工艺面临越来越大的挑战。十几年来，传统、老旧的铸造工厂纷纷转型、关闭。但随着汽车工业的迅速发展，汽车行业对压铸件的需求日益增加，随之而来的是新型的压铸工厂、压铸车间持续建设、发展。希望本文阐述的内容能够给以后类似的压铸工程项目设计带来些许裨益。
本文作者：叶继都
分享我们：
点击右上角“…”按钮：分享到朋友圈，
或者：发送给朋友。让您的朋友也一起分享。
