对冲头润滑的思考

修毓平

在压铸过程中，每压射一次，冲头就必须在动态下与金属液接触一次，并与压室摩擦一次。压射机构运动的灵活可靠有赖于冲头运动的平滑，及其与套筒之间间隙的稳定。一个高效冲头系统的真正价值不是看它能做什么，而是看它不出现什么问题。压射系统的性能对于生产优质压铸件（铸件必须无疏松，无非金属夹杂，同时保证尺寸精度和力学性能），控制充型期间和充型后的金属压力，以及压射到铸型内的金属体积和速度等都是至关重要的。因此对冲头系统要求设计精良，能在润滑作用下反复快速滑动，套筒具有精确的圆度和直线度，同时与冲头保持恒定的间隙，在任何时候压铸作业不会因它而中断或延迟压铸周期。可以说绝对可靠的冲头系统是成功压铸的灵魂。而良好的润滑性能又是保证压射系统正常的关键。由于冲头是在高压高温快速条件下工作，要求冲头润滑剂必须满足其特定的工况条件，使冲头和套筒之间的磨损和卡死概率降到最低限度。冲头润滑应该受到应有的重视，否则由于润滑不良或使用不当将导致如下后果：

1、 压射冲头的使用寿命降低。

2、 压射冲头和料筒很快被磨损，变形或卡死。

3、 润滑剂及其燃烧产物转移到铸件上，导致气孔，夹杂，表面黑斑等缺陷增加。

良好的压射冲头润滑剂应满足下列要求。

1、 良好的高温成膜性，极压性和高温润滑性。

2、 气体产生量少。

3、 燃烧后残留物极少。

4、 闪点适当高。

当前国内外普遍使用的冲头油有含石墨与不含石墨的油基润滑剂，水基润滑剂，以及近年来被应用的蜡基含石墨与不含石墨冲头珠。最近推出的特殊粉状冲头润滑剂也受到关注。时至今日国内外普遍使用的还是以含石墨油基润滑剂为主，尽管其作业环境及文明生产相对较弱，但理论和实践都证明，只要石墨分散均匀不分层，石墨含量足够多，有些还加入纳米材料辅助润滑（达到上述要求的技术含量和工艺水准较高，目前国内的同类产品水平尚待提高），其润滑效果是最好的。国内以前没有专用的冲头润滑剂，大部分使用废机械油掺石墨，不可能发挥石墨的润滑功效，而且一般用刷子刷涂，用量较多易卷入型腔，操作环境较脏，因此产生对含石墨冲头油的偏见和知难而退是可以理解的。

20世纪80年代以后，冲头润滑剂的类别逐渐增多。各种冲头润滑剂互有优缺点。如不含石墨冲头油和水基润滑剂能适应环境保护的要求，但润滑效果逊于含石墨润滑剂。蜡基冲头珠对冲头的润湿包覆效果较弱，不适合大直径的冲头润滑，而且燃烧残留较多，若用人工加料，很容易浪费。特别是当前市场上出现一些低价质劣的冲头珠，对冲头润滑及压射机构的寿命乃至环境的改善，工人的健康危害很大。至于粉状润滑剂，由于需要一套静电喷涂设备，其成本和维护不是一般可承受的。因此对冲头润滑剂的选择要根据实际条件和成本及工艺要求综合分析，不要盲从。

压射机构的作用是将金属液压入型腔，压射过程的压射压力、充填速度等主要工艺参数由压射机构来决定。因此，压射机构动作的可靠性在很大程度上影响铸件质量和工作效率。尽管影响压射机构工作状态的因素是多方面的，在关注冲头润滑剂质量的同时，也必须正确处理相关的因素。当出现问题时，不要只考虑润滑剂，而应当学会综合分析。比如，冲头卡死或压射速度改变造成废品，就要在检查润滑剂的质量，粘度和加入量的同时，对压射系统本身硬件进行分析。特别要检查冲头与套筒的间隙。在高压铸造压力下，液态金属可以渗入0.076mm的间隙。当间隙大于0.127mm时，金属液开始钻入，并在更大间隙处形成飞边。在常压和427ºC的模温下，金属液一般不会进入小于0.254mm的间隙。当模温更低时，更是如此。因此冲头与套筒的间隙应控制在0.051mm—0.127mm之间。造成前述问题的根本原因是套筒和冲头以及模具之间温度的差别引起的间隙改变，还有套筒各部位的温度差别。当正常运转温度相对稳定时，至少套筒和冲头都膨胀。一旦出现某一方较冷或较热时，例如,，套筒在靠近给汤口的一端，随温度升高则内径膨胀，而靠近模具的位置，由于模具的热容量很大，通常还有冷却水降温作用，因此随温度升高，套筒内径反而相对变小，不能自由膨胀。于是只能弹性向内变形，实际上使内径局部变小，造成套筒沿长度方向内径不一致，形成锥度。这种塑性变形将大大减低套筒的寿命，影响冲头速度，可能出现该慢不慢，该快又快不起来，甚至出现卡死。若采取将生产周期尽可能放缓，保持模具和套筒的均衡冷却，允许在套筒内有一凝固层以形成密封，这些虽然是减轻破坏的方法，但这些方法是以控制临界温度为出发点，对控制铸件凝固是有害的。

目前，北美压铸厂仍然多数采用含石墨的油基润滑剂。同时建议采取用电加

热套筒，热电偶显示和控制，类似于对注塑机挤压桶的控制。但没有那么复杂。套筒需要保持在343ºC，在给汤前要预热到此温度，这样可延长套筒寿命，减少给汤造成的温度波动，减少由金属液到套筒的热流失，有助于保持套筒的尺寸及形状的衡定。当然这就要求冲头油必须能适应较高的套筒温度。还可以采取提高套筒的热导率，减少壁厚和铜包套筒，对保持其温度的均匀都有益。他们告诫不要延迟压射。当金属液注入料筒后要尽快压射。诚然，为了避免料筒内金属液晃动产生卷气，压射前最好有静置的机会，否则对质量有影响。但该做法会使料筒内金属液停滞时间过长造成温度下降，给压射工艺的推进带来危险。只有当间隙的变化可控(目前还没有)，且当间隙变大时，冲头可以被已凝固的皮膜密封，再行处理卷气的问题（卷气问题早自1982年始，就先后有多名学者进行了理论分析和试验观察，近期的三维模拟分析指出，当被压射金属液面上的波形呈垂直90º角时则出现卷气现象，最安全的做法是综合考虑料筒和浇口尺寸，充填速率和最小热流失，估算出防止卷气的临界速度）。一般适当调整料筒内外直径，有一定效果。实践表明，当温度不可控时，希望料筒外径大些。若为防止料筒和定模孔间产生飞边,就要压缩料筒内径。 控制冲头温度是最理想的途径。目前对压铸模温及铸件凝固的控制系统主要是通过测量进出冷却水的流量和水温，用计算机计算能量的变化，以调整所需要的水流率。尽管尚未用于冲头，但在技术层面是可行的。需要设置冲头的监控系统，如测量每次料饼厚度及计算每次压射的能量变化，然后由控制系统调整水流率，达到控制冲头温度的目的。大多数压铸机都配备了压射监控系统，只不过要再增加一套针对冲头的控制系统和计算机程序。这将是压铸工作者改善冲头润滑的一个更高目标。

（本文刊于《苏州压铸》2010年第一期和《中国压铸》2011年5月No.41 P84-85）