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黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計(文獻翻譯) 第 10 頁
高真空壓鑄輔助系統(tǒng)的設(shè)計與驗證
摘要：真空壓鑄是生產(chǎn)高品質(zhì)鋁合金組件的最佳方法。目前，很少有系統(tǒng)研究關(guān)于真空壓鑄理論和設(shè)備的設(shè)計。在現(xiàn)代真空壓鑄泵和排氣系統(tǒng)理論基礎(chǔ)上，簡化模型成為了這項研究的一個課題。該簡化模型有一個聯(lián)動裝置，這個聯(lián)動裝置由“真空泵+緩沖罐”，一個圓柱形的集裝箱(包括開槍套，空穴和排氣渠道)組成。在不同體積的模型下對腔內(nèi)壓力和抽氣時間的理論分析，設(shè)計了一個高真空壓鑄輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個真空控制機和一個真空截止閥組成；它有人機控制模式“可編程邏輯控制器（PLC）+觸摸屏”和緩沖罐的真空度的實時監(jiān)控功能和壓鑄模；這個真空截止閥同“壓縮氣體+活塞桿+迷宮槽”結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了真空排氣功能的全過程；新系統(tǒng)上表現(xiàn)了巨大優(yōu)勢，以更快的速度清理壓鑄模具和250噸的壓鑄機通過測試油腔。當模腔壓力小于10千帕的時可以在0.8s內(nèi)達到，而且鑄件的孔隙率大大下降。真空壓鑄理論和設(shè)備上的系統(tǒng)的研究為高真空壓鑄有很大的指導意義，并應用到其他高真空成型在相關(guān)的理論和實踐研究。
關(guān)鍵詞：真空壓鑄；泵抽模型；高真空；真空截止閥；輔助系統(tǒng)
1.引言
高真空壓鑄技術(shù)是一種特殊的壓鑄工藝，獲得這項技術(shù)期間，須有一個腔內(nèi)壓力小于10千帕，這項技術(shù)可以減少或消除在壓鑄件孔隙率，空氣攜帶量每100克僅1-3毫升,獲得的鑄件可進一步處理，如熱處理，焊接等[1-2]。高真空壓鑄技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計一個高靈敏度的真空抽氣系統(tǒng),建立一個抽水工序的建模比較困難,一些學者研究了理論模型或?qū)嶋H應用。
BAR-MEIR等人[3-4]，研究了壓鑄空氣排風和抽真空過程的物理模擬，他們認為在壓鑄過程中排氣面積一個關(guān)鍵性因素；當有效的排氣閥排氣面積小于臨界區(qū)時，排氣不夠，液態(tài)金屬中有大量的氣體；當有效的排氣面積較大時，容易溢出液態(tài)金屬。NOURI-BORUJE-RDI等人[5]，為注入過程中模具腔內(nèi)殘留的空氣建立一個瞬態(tài)模型，他們認為熔融金屬的粘度、溫度、注入速度和摩擦系數(shù)的影響，從而提高在這一領(lǐng)域的數(shù)值模擬計算方法。HERNANDEZ等人[6]，改良了BAR-MEIR等人的模型，并考慮到抽真空過程中摩擦和氣流變化等不穩(wěn)定因素，這種改進的物理模型是適合于常規(guī)壓鑄和真空壓鑄，有許多壓鑄排風和真空壓鑄抽氣的其他研究，但大多停留在理論層面，大多為排氣過程的數(shù)值模擬。
中國清華大學的HU等人[7-8]進行了理論計算和實驗研究直接的抽真空腔壓力下降，他們比較了理論曲線與實測曲線模腔壓力，只有當抽真空超過2.5秒的時間，可以得到一個理想的腔真空壓力小于10千帕；中國華中科技大學的WAN等人[1-2,9]，自主研發(fā)一種與高真空壓鑄最小填充時間的方法相關(guān)技術(shù)，他們設(shè)計了一個輔助系統(tǒng)，有一個緩沖罐通過液態(tài)金屬流動的影響來控制機械閥的關(guān)閉。在一秒內(nèi)，這個系統(tǒng)可以減少腔內(nèi)壓力到10千帕。
根據(jù)目前的文獻，很少研究提供真空壓鑄與緩沖罐系統(tǒng)的完善的理論分析和實際的設(shè)計。本文是一個緩沖罐進行高真空抽氣系統(tǒng)模型的理論研究和計算分析，研究模腔壓力和抽時間之間的關(guān)系，并開發(fā)滿足高真空實驗要求高真空壓鑄的輔助系統(tǒng)。
2.緩沖罐泵送系統(tǒng)的理論模型
緩沖罐抽真空計劃如圖1所示,一個大的緩沖罐，作為真空源，添加抽出真空泵和模具腔內(nèi)之間的氣體，氣體在緩沖罐真空泵不斷抽出。
圖1、緩沖罐抽真空系統(tǒng)的方案
空氣通風的理論計算模型如圖2所示，它是針對上述方案給出了一個高真空排氣理論計算的簡化模型，Min是在管道入口馬赫數(shù)，Mout是在管道出口馬赫數(shù)，m(t)是模具型腔中的氣體摩爾數(shù)。
圖2空氣通風的理論計算模型
在這種模型下，未填充的的壓鑄儲筒、流道和和模具型腔相結(jié)合，看作一個圓柱形的容器（叫做氣缸）[3]。氣體通過管道排放到緩沖罐，管道是氣流的主要阻力，關(guān)于這個模型作出以下假設(shè)理論計算：
（1） 所有的氣體都是理想氣體。
（2） 排氣階段時間很短，氣體溫度為300K，不考慮氣體的傳熱。
（3）排氣過程中忽略氣體的泄漏。
（4）和氣體管道相比，真空管的體積很小，因此可以忽略不計。
根據(jù)高真空壓鑄排氣過程建立的模型，下面的公式可以建立腔內(nèi)氣體壓力和抽氣時間的關(guān)系。在計算中，Min和Mout管的入口和出口，可以通過求解方程（1）-（3）[3-4,10]如下：
4fLD=4fLDMin-4fLDMout (1)
4fLD=1-M2kM2+k+1kln(k+1)M221+k-12M2 (2)
Pv(t)P0(t)=1+k-12Mout2kk-1MinMout1+k-12Mout21+k-12Min2k+1k-1 (3)
在時間間隔內(nèi)Δt，從氣缸排放出去的氣體質(zhì)量Δm可以得到公式（4）[5-6]：
?m=ρμA?t=P0MinkRT121+k-12Min2-(k+1)2(k-1）A?t (4)
腔內(nèi)壓力PO(t)和Pv(t)可以通過（5）（6）式得到，分別為：
Pvt=mt-?mRTV4 (5)
Pvt=mt+?mRTV2 (6)
氣體管道直徑20毫米，長度3米，緩沖罐是選擇150升和選用8升/秒的抽速，緩沖罐有一個初始壓力為0.8千帕。
氣缸體積（壓鑄儲筒、流道和模腔）采用0.5升、1.0升和1.5升計算，計算結(jié)果如圖3所示，當V1=1.5升，只需要0.73s模具型腔的壓力就可以抽減到9.885千帕，并且僅用0.83s達到最低壓力8.974千帕，
圖3模腔壓力和時間之間的關(guān)系曲線。
上述理論模型的計算公式是不考慮不斷用真空泵排空真空罐的情況下成立，抽水緩沖罐調(diào)用的時間估計由式（7），（8）[11]：
t=2.3KqVSplgPiP （7）
V=V1+V2 （8）
其中t是抽氣時間，Sp是名義抽取速度，V為抽取容器的體積，V1為緩沖罐的體積,V2是抽氣管的體積，p是抽取容器的壓力，無因次數(shù)Kq是修正系數(shù)，在這里取1[11]。
緩沖罐壓力抽到0.8kPa時間縮短，計算公式如下
t=2.3KqVSlgPip≈2.3×1.25×150+9.48×lg1000008000≈63s (9)
金屬溶液灌裝前，型腔不一定為真空，需要等待一段時間預抽真空罐。
3.設(shè)計和實現(xiàn)一個高真空輔助系統(tǒng)
根據(jù)上述理論模型，高真空壓鑄輔助系統(tǒng)的設(shè)計核心部件是控制系統(tǒng)的設(shè)計、真空閥和氣動系統(tǒng)，設(shè)計和實現(xiàn)過程將在以下簡要介紹：
3.1控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
控制系統(tǒng)采用工業(yè)控制模式“可編程邏輯控制器+觸摸屏”，它可以進行實時監(jiān)控真空泵、各種電磁閥、緩沖罐、真空閥門、模具型腔。原理圖和對象的控制系統(tǒng)如圖4所示，給出了控制系統(tǒng)的原理圖和照片，控制系統(tǒng)的操作界面如圖5所示，給出了操作界面。
（a）控制系統(tǒng)原理圖 （b）控制系統(tǒng)對象
1、2可編程控制器；3觸摸屏；4、5電磁閥；
6壓力變送器；7壓力調(diào)節(jié)閥；
圖4原理圖和對象的控制系統(tǒng)
（a）人機交互主界面 (b) 參數(shù)設(shè)置界面
(c) 手動調(diào)試接口
圖5.控制系統(tǒng)的操作界面
3.2真空閥和氣動控制的設(shè)計
為了達到最好的真空壓鑄效果，它必須得到保證模具型腔的高真空度可以維持到完全充滿金屬液態(tài)腔，灌裝結(jié)束抽真空通道應立即關(guān)閉。因此，真空閥門的工作模式是實現(xiàn)這一過程的關(guān)鍵。從現(xiàn)有的真空閥開發(fā)出各種結(jié)構(gòu)的真空閥[12-19]，一個模式的“壓縮氣體+活塞桿+迷宮槽”最初創(chuàng)建和慣性影響金屬液是用來關(guān)閉排氣通道，其反應時間只有1.5毫秒，因此，全過程的真空排氣壓鑄才能實現(xiàn)壓鑄。最后，真空閥自動復位實現(xiàn)壓縮氣體的援助；真空閥的結(jié)構(gòu)和如圖6所示是真空閥的結(jié)構(gòu)和照片，真空閥也可以由壓縮空氣控制；真空閥的氣動控制電路圖如圖7所示是真空閥門氣動控制電路圖。
（a）真空閥模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu) （b）真空閥的外部配置和照片
圖6 真空閥的結(jié)構(gòu)和照片
1、5兩位兩通先導式電磁閥；2、6三位兩通先導式電磁閥；
3三位兩通直動式電磁閥；4兩位兩通直動式電磁閥；
7、8壓力調(diào)節(jié)閥；9、壓力變送器；10、過濾器；
圖7、真空閥的氣動控制電路圖
4抽高真空輔助系統(tǒng)驗證和分析
4.1實驗設(shè)備和方法
ADCl2合金被用作試驗材料和真空壓鑄模具設(shè)計汽車的一部分，其質(zhì)量為1.04公斤，包含鑄造本身，澆鑄系統(tǒng)和通風系統(tǒng)。
安裝在模具上的真空閥門圖8（a）所示，先進真空閥和模具安裝在壓鑄機，真空壓鑄棒如圖8（b）所示顯示了本系統(tǒng)生產(chǎn)的棒。
（a）安裝在模具上的真空閥門 （b）真空壓鑄棒
圖8.真空壓鑄實驗
一定數(shù)額的ADC12被融化在953 K，吹入氬氣精煉15分鐘，并且保持10分鐘保溫鑄造，所有電熱棒加熱模具預熱到溫度523K，緩沖罐的真空壓力設(shè)定到1千帕。測量和理論計算結(jié)果如圖9所示，隨著時間變化腔的真空度變化，在實驗過程中通過理論計算和其他測量得到一條曲線，兩條曲線有相同的壓力下降趨勢的區(qū)域。
圖9測量和理論計算結(jié)果
4.2觀察孔隙鑄件
鋁合金壓鑄件的致命缺陷是孔隙，通過抽樣X-射線檢查未經(jīng)熱處理的連接部分棒，表明由傳統(tǒng)的壓鑄生產(chǎn)的鑄件的孔隙率是100％。通過高真空壓鑄的鑄件氣孔分布廣泛幾乎沒有氣孔，傳統(tǒng)和真空壓鑄模生產(chǎn)鑄件的X射線圖片如圖10所示典型的氣孔分布。同步注入真空系統(tǒng)的全過程，實現(xiàn)了全過程的排氣，并在最大程度上滿足低孔隙度的要求。
(a)傳統(tǒng)的壓鑄產(chǎn)品 （b）鑄件生產(chǎn)系統(tǒng)
圖10 傳統(tǒng)和真空壓鑄模生產(chǎn)鑄件的X射線圖片
5.結(jié)論
（1） 緩沖罐在高真空壓鑄型腔排氣過程的計算和分析，依據(jù)選擇具體參數(shù)開發(fā)的高真空壓鑄的鑄造輔助系統(tǒng)，不同體積腔通風的理論曲線的繪制。結(jié)果表明，鋁鑄件小于4公斤，腔壓力可在0.8秒內(nèi)下降到10千帕，理論上使用的一個150L的緩沖罐抽真空。到一定程度，它反映了真空腔壓力變化趨向。
（2）上述計算和分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)高真空壓鑄輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有觸摸控制界面的簡單性和響應速度快的優(yōu)勢，并且機械真空閥門調(diào)用實現(xiàn)在真空排氣的全過程的響應時間只有1.5毫秒。
（3）高真空壓鑄輔助系統(tǒng)已被用于試驗生產(chǎn)ADCl2合金棒材，和傳統(tǒng)的壓鑄技術(shù)相比孔隙度顯著降低。
（4）真空壓鑄理論和設(shè)備上的系統(tǒng)研究為高真空壓鑄的研究具有十分重要的指導意義，也可以適用于其他高真空，如真空注射成型。
6.參考文獻
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