高压铸造快速抽真空方法研究毕业论文.doc

高压铸造快速抽真空方法研究重庆大学硕士学位论文学生姓名：干雪梅指导老师：龙思远 教授专 业：材料加工学科门类：工学重庆大学材料科学学院二零一一年四月Research and Development of Fast Vacuuming for High-pressure CastingA Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Master of EngineeringByXuemei GanSupervisor: Prof.Siyuan LongMajor: Material EngineeringCollege of Materials Science and Engineering of Chongqing University, Chongqing, ChinaApril, 2011重庆大学硕士毕业论文 中文摘要摘 要随着铸造技术的发展，市场对铸件产品质量要求越来越高，真空辅助铸造工艺得到越来越广泛的应用。抽真空系统是真空铸造技术有效应用的关键设备，其可靠性和稳定性直接影响铸件质量。高压铸造用真空系统的关键技术之一是如何使型腔内气体在极短时间内排出；二是如何在充型过程中及时关闭真空通道，避免金属液进入真空系统。目前市场上已有高速有效的国外产品如方达瑞真空压铸系统能快速对型腔抽真空，型腔真空度在充型后期可达100mBar，并且及时的关闭真空通道，有效阻止金属液进入真空系统造成堵塞。但是其成本较高，价格昂贵，而国内抽真空系统可靠性低，充型末期型腔真空度一般为500mBar，性能和铸件质量不稳定。本课题是在研究现有真空铸造技术的基础上，针对现有国外高速有效抽真空辅助系统成本过高，而国内真空系统减小铸件气孔缺陷效果不明显的瓶颈，以镁合金轮毂真空高压铸造生产为研究对象，进行了系统的理论研究和技术开发，取得了以下成果：1. 在深入分析现有商用真空技术的基础上，根据高压铸造工艺特征，提出高速实现模具型腔抽真空的新思路和新方法；2. 用型腔排气数学模型讨论了工艺参数对型腔真空度的影响，为模具抽真空通道的设计与优化真空泵和真空罐组合奠定了理论基础；3. 开发了真空实时检测硬件系统和检测程序，实现了型腔真空度与抽气时间曲线的实时检测显示；4. 提出了真空通道快速开关液压系统和实现方法，形成了拥有自主知识产权、性能稳定可靠的真空压铸系统，并通过了镁合金摩托车轮毂的实验性生产验证；5. 对常规和真空高压铸造镁合金轮毂进行的组织和性能对比分析结果表明：采用真空辅助工艺后，铸件内气孔缺陷基本消除，可以进行固溶热处理；真空高压铸造镁合金轮毂的力学性能较普通轮毂有明显的提高。本课题研制的抽真空系统具广泛的适应性，可满足除轮毂外的其他铸件的真空高压铸造生产的要求。关键词：镁合金，真空压铸，真空度，组织性I重庆大学硕士学位论文 英文摘要 AbstractWith the development of casting technology, the demand of market for quality of casting products is increasing, The vacuum-assisted casting process have been applied more extensive. Vacuum system is the key factor of vacuum casting technology, stability and reliability of vacuum system will affect the vacuum casting technology directly. One of the key technologies for vacuum casting technology is how to pump air of cavity in a very short time; another is to close vacuum channel in time so as to avoid leaking liquid metal into vacuum system when filling mold finished. At present, the systems made by Fondarex occupy the market, which has stable and high pumping ability to make the pressure of cavity to be 100 mbar, also close the vacuum channel in time. But this system requires high equipment purchase and maintenance costs. Compared to the former, the vacuum systems in home have low reliability, its performance and the quality of vacuum die castings are not stable.Combining with the base research of vacuum casting technology which is expensive or unreliable, this paper makes magnesium alloy wheel with high-pressure vacuum casting productions to be the research object, studies theoretical research and technology development, and gains some results as follows: 1. Based on the analysis of the existing commercial vacuum technology, according to the features of high-pressure casting process, the new idea and methods of fast vacuuming have been proposed;2. The process parameters affecting the cavity vacuum degree have been analyzed through cavity exhaust mathematical model, to make the theoretical basis for the design of exhaust channel and the combination of vacuum pump with vacuum tank;3. The innovated and real-time system of detecting for cavity vacuum degree have been developed, combing the transmitter and collector, the curve of cavity vacuum degree and pumping time was displayed, to achieve the real-time detection and conformity;4. Fast switching of hydraulic system in exhaust channel and its implementation have been proposed, vacuum casting system which has independent intellectual property right and high reliability has been developed and validated by experimental production of magnesium alloy motorcycle wheel;5. The results of comparative analysis between the ordinary and vacuum magnesium alloy motorcycle wheel castings on the microstructure and mechanical properties shows : compared with ordinary magnesium alloy wheel castings, the size and amount of gas defects have been improved apparently, and can use heat treatment to improve castings quality; the mechanical performance of vacuum casting also have been enhanced obviously.The vacuum system of this paper has wide range of adaptability, can be expanded to other castings besides motorcycle wheel to meet the production requirement of vacuum high-pressure casting.key word: magnesium alloy，vacuum die casting, vacuum degree, organization and performance.V重庆大学硕士学位论文 目录 目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1铸造成形技术及合金的铸造性能11.2真空压铸技术31.3真空压铸辅助系统研究现状61.3.1 国内外真空压铸技术的发展 61.3.2 各种真空压铸系统分析比较71.3.3 真空压铸技术广泛应用的瓶颈121.4 本课题研究的意义121.5 课题研究内容122 气体流动分析142.1 气体流动理论142.2 真空系统的抽气方程142.3型腔气体流动分析152.3.1 排气道截面积对排气时间的影响152.3.2 气体流速与型腔容积对排气时间的影响162.4 型腔气体流动对排气道的要求182.5 小结193 高响应抽真空方案确定及抽真空系统设计203.1 确定抽真空方案203.2 真空系统设计203.2.1 系统设计原理213.2.2 真空压铸真空度范围界定223.2.3 系统零部件选型223.3 小结264 真空压铸系统在轮毂上的应用和抽真空性能测试284.1 控制系统原理设计与实现284.2模具密封要求294.3抽真空性能测试与参数优化294.3.1 型腔与负压罐内真空度的测试294.3.2 压铸工艺参数对型腔真空度的影响334.4 小结355 真空压铸件组织性能分析365.1铸件内部气孔缺陷形成机理及防止措施365.1.1 铸件组织气孔缺陷形成机理365.1.2 气孔缺陷的防止措施365.1.3 真空铸造工艺优点375.2真空铸造工艺对铸件组织的影响375.3 真空压铸工艺对铸件力学性能的影响405.4 断口分析445.4.1 断口截取与保存445.4.2 断裂类型455.4.3 试样断口分析455.5 小结466 结论与展望476.1 结论476.2 展望48参考文献49致谢52附录53重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论1.1 铸造成形技术及合金的铸造性能在金属材料成形工艺的发展历史进程中，铸造成形技术是时间最为悠久的一种成形方法。由文献记载与实践考察研究表明，铸造技术的发展主要可以分为两个阶段，第一个阶段是以青铜铸造为主，后阶段则是以铸铁为主。据历史文献记载大概在五千年前，古人就开始学会用铸型模子来浇铸铜件，但铜件形状结构都较简单，我国的青铜铸造技术在商末周初时期达到了成熟，得到了广泛的应用。殷商祭器司母戊鼎出土于河南安阳，其重量超过了700公斤，长高也均超过了一米，四周均装饰有精美的蟠龙纹和饕餮纹。位于湖北的隋县出土了一大批青铜器，品种繁多，纹饰细致且精美；其中的六十四件编钟铸造是特别的精致、音律精确、声色优美。这些饰品充分证明了殷商时期铜合金的冶炼和铸造技术已到达了很高的技术水平。我国还在公元前六世纪就发明了生铁的冶铸技术并得以应用，进入隋唐以后，随着社会经济的发展铸造技术有了很大的进步，表现于公元974年铸造的河北沧州大铁狮高6.1 m，长5.5 m，重达50 t。明朝永乐年间铸造的永乐青铜大钟重达40 t，钟体内外遍铸经文十余万字1。今天，铸造成型已成为工业生产中最主要的成形方法之一，正朝着高效率、高品质与低能耗的方向发展。铸造成型是一种将液态金属（一般为合金夜）浇入铸型型腔，待金属液冷却凝固来获得与铸型型腔结构形状相同的毛坯或零件的成形工艺。铸造成形工艺的特点如下2：能适用于成形结构形状复杂，特别是内腔形状复杂的零件，如箱体、阀体、泵体、叶轮及螺旋桨铸件等；适用于铸造工艺成形的零件大小范围很广，小到精致的钟表零件，大到重量达到数百吨的轧钢机机加；铸造工艺使用的铸造材料也几乎不受到限制，凡是能高温熔化成液态的金属材料几乎都可以用于铸造。而对于某些塑性很差的金属材料（如铸铁），采用塑性变形方法不易成形零件，铸造即成为其零件或毛坯唯一的成形工艺。在工业生产中，铸铁件的应用最为广泛，其产量达铸件总产量的70%以上。一般来说，与塑性成形的零件相比，液态金属直接凝固成形的零件，其内部组织均匀性，致密度及力学性能都较低。合金在熔炼、浇注、充型和冷却成形的铸造过程中获得尺寸精确、结构完整的铸件的能力称为合金的铸造性能。性能指标主要包括以下方面：合金液的充型能力、合金夜的冷却收缩性、吸气性以及液态金属中成分偏析倾向等性能3。液态合金填充铸型的过程简称为充型。液态合金的充型能力是指液态合金充满铸型容积，获得轮廓清晰，形状结构准确铸件的能力。若液态金属的充型能力不足，即型腔角落无法完全填充，铸件将产生浇不到，冷隔等缺陷。合金液的体积或尺寸在浇注、充型、凝固直至冷却到室温的过程中产生缩减的现象，称为收缩。液态金属在型腔内的凝固过程中，如果外部金属液不能及时补充由液态收缩和凝固收缩所引起的体积缩减，就会在最后凝固部位将形成孔洞，由此产生的集中孔洞称为缩孔，而细小分散的孔洞则称为缩松。在金属液熔炼浇注和充型的过程中，若在冷凝过程中不能把液态金属吸入的气体从液体内逸出，滞留在金属中，将在铸件内形成气孔。金属材料的连续性遭到气孔破坏，其内部可以承载负荷的有效截面积减少，并将在气孔的周围引起应力集中，从而使得铸件的质量和力学性能降低。一些弥散性气孔还会促使形成大量的 显微缩松，降低铸件的气密性和致密度。铸造成形工艺依据不同的铸型材料、造型工艺和浇注方式，可分为砂型铸造与特种铸造两大类。压力铸造是特种铸造的主要方法之一，也可以称其为有色金属铸造行业里面的一种革命，该方法的诞生在很大程度上提高了铸件产品的生产效率，降低了产品的生产成本，为压铸件在各行各业的更广泛应用奠定了技术基础5-6。压力铸造简称为压铸，是指将金属材料从固态加热熔炼成熔融状态或半熔融状态，然后将金属液浇入压铸机的压室内，关键是在获得高压的压头作用下，使液态或半液态金属快速流动充填压铸模型腔，并在压力下成型和凝固冷却而获得铸件产品的方法。压铸与其他铸造方法最本质的两大区别在于高压和高速充填压铸模具型腔。压力铸造时，所用的压铸力一般为30-70Mpa，充填速度达到5-100m/s，金属液在高压作用下以高速度充填压铸模型腔，是压铸工艺区别于其他铸造工艺的主要不同点7。压铸由于工艺的改进，的确克服了砂型铸造的许多缺点，但同时其独特的工艺也带来了一些新问题，如透气性差，铸件产品较容易出现气孔缺陷；导热快且退让性低，易出现浇不到，冷隔和裂纹等缺陷；其耐热性不如砂型好，在金属液的高温高压作用下，型腔比较容易损坏，使用寿命受到影响。金属液充填模具型腔的时间长短与铸件的大小和壁厚有关，一般在几十个毫秒范围内。与其他铸造方法相比压铸新工艺有许多明显的优点8：压铸工艺产品生产率高，铸件成形率高，易于实现机械化与自动化生产，为自动化生产一条线的实现提供了可能；能压铸薄壁，形状结构复杂但轮阔清晰的产品；铸件产品的尺寸精度和表面质量高，尺寸稳定；可压铸出形状复杂的镶嵌件，还可以压铸出图案、线条、文字、螺纹、符号等；压铸件的加工余量少，只需要去水口，一般无需再对铸件进行机械加工，材料的利用率得到提高。压铸技术虽然拥有上述的诸多优点，但从它的发明之日起就带有严重的先天不足压铸件存在较严重的气孔缺陷。与传统的金属固定模重力铸造和砂型铸造相比，压铸的高速高压喷射比依靠金属液的重力而自然流入有着更好的充型效果，但也正是因为高温高压高速的金属喷射和金属液流态的不稳定，使金属液与型腔内的空气，以及热金属和型腔内残留润滑剂所产生的烟气与高速流动的金属液有更大结合的可能性。因为充型速度很快，型腔中的大部分气体来不及排出而不可避免的被卷入进金属液中，在铸件凝固冷却后以气孔形式残留于铸件内，导致铸件致密度下降，本体材料的力学性能降低。压铸产品经常存在一些缺陷，如冷隔，流痕，气孔或充型不良等缺陷，但其中最重要的缺陷就是气孔缺陷。压力铸造靠其高速的工艺特点能够有效提高金属液的充型流动性能，利于合金液充型，而高压的工艺条件将改善铸件的缩孔缩松状况。但同时也导致金属液内气体不能在短时间内排出而残留于铸件内部形成气孔缺陷。主要缺陷产生原因缩松缩孔凝固不均补缩不足冷隔填充不足残留气体卷气孔图1.1 压铸产品主要缺陷的产生原因 图1.2 压铸件加热后出现的气泡Fig1.1 Main cause of die casting defects Fig1.2 The air hole of heated casting气孔缺陷的存在不仅减少了铸件产品的有效截面积，而且还可能在局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源，尤其是形状不规则的气孔，不仅增加了铸件的缺口敏感性，而且还可降低零件的疲劳强度9-10。传统压铸件还要避免机械加工，以防止机加后内部空洞外露。图1.1显示的是普通压铸件常存在的缺陷及其产生原因。同时，在后续改善铸件性能的热处理过程中，由于铸件的含气量高，铸件加热后表面会出现气泡（如图1.2所示）。所以普通压铸件难以通过热处理实现组织、性能调整，使压铸工艺长时间来局限于非承载性零件的生产，由于内部疏松，压铸件塑性，韧性差，大大地限制了压铸件产品在重要或大型复杂受力部件上的应用11。1.2真空压铸技术真空压铸技术是在传统压力铸造技术的基础上辅以对型腔抽真空技术，即先将型腔内的气体抽出，金属液在相对真空的条件下充填型腔12。如图1.3所示：当压头封闭浇口后，压室与型腔形成一密闭容积，外部真空系统的真空阀打开后，压室与型腔内的气体通过真空通道被排到外部真空源。此时，模具型腔内的气体含量降低，型腔真空度迅速升高，压头遇到如快速感应开关等一类的控制元件时，真空阀关闭，将抽真空系统与型腔断开并密封。同时，金属液在压头作用下继续对型腔进行充型，如图1.4，直到熔体完全充满整个型腔。因此，真空压铸工艺是在极短的时间内将型腔内的气体抽出，避免了熔体在充型时将气体卷入造成气孔缺陷，熔体在高真空度条件下冷却凝固得到的铸件致密度能显著增高，气孔缺陷大大降低13-14。 以传统压铸工艺为基础，真空压铸技术保持了普通压铸法高速高压的优点，且通过对型腔抽真空降低型腔气体含量，使得真空压铸件内气孔缺陷少，可以进行后续热处理甚至焊接15。经过热处理的压铸件综合性能得到显著改善，应用范围更加广泛可用于结构件与承载件。 图1.3 抽真空示意图 图1.4 真空压铸示意图Fig 1.3 Exhausting of vacuum die casting Fig 1.4 The process of vacuum die casting在传统压铸技术中，如图1.5所示，由于金属液在内浇道口处的喷射效应，大量的金属熔液将与型腔内的空气和烟气充分接触，型腔内的气压在充型的最后末点将达到3000 毫巴以上甚至 4000 毫巴；而在真空压铸中，型腔内气体先被抽出，型腔充型后期的气压只有大约为几百至100 毫巴以下，只有极少残存的空气和烟气与充型的金属液接触，所以可以有效避免气孔缺陷的产生16。图 1.5 普通压铸与真空压铸型腔气体压力曲线Fig 1.5 Cavity pressure curve of ordinary die-casting and vacuum die casting真空压铸工艺对金属熔体的充型效果有着重要的影响17：一是充型前的型腔抽真空为充型压差建立了一较低的压力起点，易建立较大的充型压差，因此充型时流动阻力得到降低，利于金属熔体的充型；充型速度也得到提高，利于充填结构复杂异难填充的零件部位；金属液表面张力较小，也利于复杂薄壁铸件成形；二是真空浇注前型腔内气体被抽出，金属液不易被氧化，且合金熔体在较小的阻力下充型，填充效果良好可得较好的铸件表面亮度与光泽度。真空压铸技术的主要优点18-19：降低铸件产品的气孔率，提高铸件尺寸精度，改善铸件表面的光洁度和内部组织均匀性，因型腔压力减小。压射时比压可降约40%，能提高模具的寿命，还可以提高铸件的热处理性和可焊性，调整真空压铸件性能，增大压铸件的应用范围。实验研究结果表明，真空压铸件与普通压铸件相比，具有更低的气孔率、更均匀的内部组织及更加光洁的铸件表面。高真空压铸成形技术是近年来工业化国家以实现压铸件产品高质量，广应用为目标而竞相研发的一种新技术。辅以真空压铸系统是解决复杂压铸件充型困难，提高产品质量与合格率的重要手段，真空压铸技术是进一步扩大压铸件的应用领域，促进压铸件质量普遍达到高档次的关键性技术措施。1.3真空压铸辅助系统研究现状1.3.1 国内外真空压铸技术的发展 20-23真空压铸技术的具体实施方案就是将型腔内（包括压室）的气体抽出或大部分抽出，实现高真空条件下的充型，然后金属熔体在压头压力作用下充填模具型腔，冷却凝固成形。但其抽真空过程的控制以及抽真空截止后续的真空系统维护仍存在着各种各样的问题，还不能很好的符合真空压铸过程期望的要求。真空压铸技术的诞生与发展经历了一个较曲折的历程，进展较为缓慢。在压力铸造的历史过程中，在1872年真空压铸技术进行了最早的首次尝试，但由于早期工作条件不成熟和其他原因，没能获得实际成功。1932年，真空压铸方法被研究学者Former归纳为两种方案，第一种是在模具内设计排气道，从模具型腔内直接抽气；第二种是置模具在真空箱内，对真空箱进行抽真空，即将压铸置于真空环境中进行。但因当时抽真空系统存在许多技术问题且都未付诸实际实践而使得真空压铸系统的研究工作遭到截止。在五十年代末，真空压铸技术的研究呈现出“苏醒”的势头，而且很快在世界范围内形成了竞相研究实验的高潮。真空压铸系统上的研究在这个阶段得到了前所未有的突破性进展，但因为需要研究克服的技术性问题和高昂的成本代价而再次转入低谷。60年代一度兴起用罩式真空装置来实现真空压铸，经过国内外真空压铸生产实践证明通过该方案将模具型腔及压室内气体排出，形成稀薄气体状态，在粗真空状态下充填成型对减少及消除压铸件内部的气孔缺陷，改善组织致密度与铸件产品表面光洁度，提高铸件产品质量和压铸件的成品合格率等确实具有一定的效果。但是因罩式真空装置过于庞大带来操作上的不便、动作程序与一般的传统压铸机也不完全相同、投资成本过高、耗能大而有效性低，所以真正实际应用的较少，到后来几乎被完全淘汰。近几十年来，真空压铸系统的研究与应用的主流是抽除型腔内气体的形式。仅仅就这种抽真空形式而言就有许多方式，有将真空阀安装在模具上且与型腔排气道连接的；也有在压室浇道料口上装真空阀的；有通过压室抽出型腔气体的；还有在型腔抽气的同时吸入氧气（或其他惰性气体）的等。其中，将真空阀装在模具上与排气道连接然后从型腔处抽气的方法最为简便实用，其最大的优势在于模具的设计和结构基本上与常规传统压铸模具结构类似或相同。模具分型面、推杆配合面、型腔镶拼接合面和冲头压室配合面等各处需保证较好的密封性，只有排气道（也就是传统模具内的溢流槽）的设计和计算会有所差别，排气道的设计需要考虑型腔气体的流速。在压铸过程开始时，当冲头运动越过压室的浇料口时（即浇料口封闭，型腔压室形成密闭空间后）启动真空系统，型腔压室内气体被抽出，在冲头运动停止前（即充型完成前）关闭真空系统。此真空系统要求模具表面质量高，光滑度好，动模与静模之间密封性能良好，型腔能取得较好的真空效果，有效减低压铸件内部的气孔缺陷，增加铸件致密度。 国外研究发展了几种以模具内设置排气道与抽气截流阀为特征的真空压铸系统，动作程序与传统普通压铸机相同，压射冲头越过压室浇料口的同时，型腔及压室通过排气道由抽气截流阀接通大流量真空泵。金属液的充型过程在40%-80%的粗真空状态下完成。压铸件内部组织致密度得到显著提高，成型外观质量得到有效改善，飞边减少，为高效益高成品率生产优质零件提供给压铸研究者及工作者一个现实的技术可能性。在传统压铸系统的基础上辅以真空压铸系统来提高压铸件的质量，已成为压铸行业产品质量提高、技术进步的标志之一， 对铸件质量要求不断提高和竞争意识强的工业国家的压铸公司已竞相研究与推广应用。1.3.2 各种真空压铸系统分析比较真空压铸系统研究现状：真空排气按真空截止阀的关闭时间主要分为全过程真空和半过程真空排气。真空系统一般包括的元件有真空阀、真空管路、真空截止阀、负压罐、真空泵。目前主要有以下几种典型系统：（1）依靠真空阀半过程排气的真空压铸系统24-25，如图1.6所示。其工作特点是压射冲头越过浇料口时，冲头遇到感应开关，型腔及压室接通真空源，型腔气体被抽出。冲头继续前进，在第二级快压射开始之前，依靠行程开关或时间计时器提前关闭真空排气，压铸机控制阀由传感器起作用使模具内的抽气截流阀将真空源关闭。这种系统的阀不会粘金属液，因为提前关闭，使得金属液不会进入真空系统，压射的金属容量也是一定的。但由于对真空排气切断过早，型腔排气并不充分，在金属充填型腔的后半段及影响铸件质量的关键瞬时真空度较低。此类真空压铸系统对模具质量和型腔密封性要求高，且真空阀模块等较易损耗的部件价格也较为昂贵，定期真空阀的更换也将使其生产成本的增加。（2）用排气冷却块（“Z”形冷却快）全过程排气的真空压铸系统26，如图1.7所示。其工作特点是没有受外部时间或行程开关控制的抽气截流阀，型腔和压室由波形转折的薄片齿状通道连接外部真空源。齿状薄片通道的形状是成90度多次转折并有外冷却。型腔内气体由齿状排气道排出，金属液充填型腔后跟随气体进人薄片通道内会因受冷凝固逐渐失去流动能力，堵塞薄片排气道而关闭上真空源。这种系统结构最简单、投资小，且型腔气体抽真空过程持续到型腔完全充填。但是像排气糟似的薄片形通道截面小，抽气量受到限制；且齿状薄片的充填程度变化不定，不够稳定，影响压射最终比压建立的作用时间，也影响型腔内真空度的稳定性。 （3）目前性能较好的抽真空系统是既不存在小截面的排气瓶颈，能快速抽除气体；且在金属液到达抽气截流阀时是依靠金属液流动惯性力将真空阀关闭，实现全过程抽真空。如：瑞士方达瑞公司推出了双芯真空阀的真空压铸系统27-28,如图1.8所示。当压射冲头越过浇料口时，压室与型腔内部形成密闭容积，其中的气体通过较大截面的排气流道和通气节流阀与外部大容量真空源接通，型腔实现快速排气。真空阀设置启动和排气双阀芯，两阀芯之间通过开设沟槽连接。金属液充满型腔后，在压射冲头的压力作用下进一步要进入真空系统前，金属液到达真空阀启动阀芯处触发机械连锁，在极短的时间内关闭排气阀芯。当金属液通过沟槽达到排气阀芯处时，排气阀芯已经完全关闭，从而实现断流，避免金属液进入真空系统管道和造成系统堵塞。该抽气截流阀设计构思独特且取得国际专利。阀内的各种零部件由弹簧力、合模力、液流惯性、压缩空气力等自动地、安全可靠连锁地实现各个程序动作。型腔内的真空度将实时显示在监示仪上以便操作人员检测与控制。其特点是真空阀将开启一直到压铸过程结束，阀在型腔充满的极短瞬间可靠地关闭，在充型结束时型腔内真空度最高，最终铸造压力及时作用在型腔内部，获高致密度铸件。该系统的排气沟槽与阀芯截面积大，排气能力高，能使型腔获得较高的真空度。同时也可省去集渣包，节约重熔渣包的成本。阀在型腔充满的极短瞬间可靠关闭，最终比压能及时作用在高真空的型腔内部。该系统工作可靠性高、耐用性强、稳定性高，且有小、中、大、特大等多种规格，可以方便地与各种型号及合模吨位的压铸机一起配套使用，是迄今较为完善且适用的真空压铸系统29。但由于该系统一次性投入成本高，且需要配备相应的真空机来实现其他的功能，阀也需要定时的停机维护，维护费用较高，系统的使用对人员素质要求也较高，这些因素限制了该系统在铸造行业中的广泛应用。（4）国内压铸行业也看到真空压铸技术的重大发展趋势，行业内的技术人员及一些高等院校也对真空压铸技术进行了研究，积极自主研发真空压铸系统。如华中科技大学教授万里，赵芸芸等自主研发和设计了高真空压铸用的真空截止阀和真空系统，真空截止阀如图1.9。实验结果表明该具有独立知识产权的真空截止阀与真空系统在实际真空压铸生产中有一定的应用意义30-33。1动型，2定型，3排气口，4复位导杆，5定型压板，6从动活塞套，7从动活塞，8弹簧，9复位挡板，10容置槽，11限位板，12杠杆，13主动活塞，14主动活塞套，15导液通路，16进料口图1.9 真空截止阀结构示意图Fig 1.9 Schematic of vacuum valve压铸开始初期：压铸模具闭合，动型1推动复位导杆4，4则压缩弹簧8使得杠杆12 处于活动状态。液态金属充满型腔后在压射冲头作用下进入进料口16，首先接触并冲击主动活塞13，主动活塞推动杠杆12，杠杆12带动从动活塞7向右运动，而使得从动活塞左端的锥形阀口关闭。该真空截止阀是采用主动、从动两个活塞，通过杠杆方式连接起来的驱动机构，利用金属液流动的惯性冲击力来关闭通气道。其特点是：当金属液充填型腔冲击到主动活塞时主动活塞受到冲击力，且将受到的力通过杠杆传递并带动从动活塞将锥形通气口密封，抽真空持续整个充型过程是该真空阀的优点。但是该结构存在一些弊端，当金属液达到主动活塞时，可能因为压力不足而无法推动主动活塞动作，导致截止阀作用失效，金属液直接流入从动活塞的真空通道而堵塞气路，所以必须在真空阀中设置额外的动力来关闭阀芯。由以上的分析对比可知，全过程真空排气可以使最佳真空状态持续到填充型腔全过程，型腔在影响铸件质量的关键充型后期达到高真空度，真空阀由合金液的流动惯性关闭，压射外形的改变对真空阀的功能无影响，该种方式达到的型腔真空度最高，可达到100mBar（如图1.10）。各类真空系统的排气效果如图1.10所示：齿状排气道为形式真空排气，其最佳抽真空状态也持续填充全过程，真空停止由薄片齿状排气道内金属液受冷凝固堵塞通道来实现，但其真空排气量小，且冷却块中金属液凝固位置不易准确判断，其真空度低，为“全真空”的50%34。半过程真空排气的真空系统工作稳定，在金属液进入型腔进行充型前关闭真空通道，可以防止金属液进入真空系统。不足之处在于一旦压射铸件改变，用于关闭真空阀的计时器或行程开关将随之加以调整，且对模具密封性要求较高，金属填充型腔之前型腔真空度可以达到100mBar35，但因为真空源截止过早，充型后期未排出的残余气体被挤压到未填充空间，在影响铸件质量的充型关键后期，型腔内气压急剧增加，但真空度却较低。图1.10 不同真空系统的排气曲线图Fig 1.10 Exhausting curve of different system机械真空阀对应的“全过程真空”对型腔的排气效果最为理想，型腔压力急剧降低，并在充型阶段高真空继续保持，充型末期真空度达到最高值；冷却块对应的“形式真空”，其效果约为“全过程真空”的一半。提前关阀的“半过程真空”的排气曲线表明在抽真空前期，型腔内压力也急剧降低，真空度达到较高值；但在填充后期，却因抽真空不能持续整个过程而残留气体被挤压使型腔压力急剧反弹上升，效果甚至比“形式真空”还差。资料来源：秦芸.真空技术在压铸工艺的应用.2008年6月1.3.3 真空压铸技术广泛应用的瓶颈由上述对真空压铸技术的发展分析可知，真空压铸技术的关键是对型腔快速抽真空与及时关闭真空通道，防止金属液进入真空系统。通过对国内外现有的真空压铸系统进行对比分析可得，瑞士方达瑞的真空压铸系统性能可靠稳定，型腔内真空度高（100mBar），但其价格昂贵，一般企业无法承担。而国产真空压铸系统（包括冷却块和时间行程开关控制阀）性能效果不稳定，可靠性不高，型腔内达到的真空度不高（500mBar）,无法满足高质量真空压铸件的生产要求。1.4 本课题研究的意义目前的真空系统普遍存在可靠性较差、设备购置和使用成本高的问题，与其他成型工艺相比，在综合技术经济性上缺乏明显的竞争优势，推广应用受到限制。一般压铸厂的普通压铸件不合格率在20%以上36，为了提高铸件产品的质量，提高收得率，国外压铸厂已大量推广使用各类真空系统。但国内在传统压铸上辅以真空压铸系统的厂家还很少，且大部分依赖进口，价格昂贵。当前国内真空压铸系统的发展应用中还存在的主要问题如下：（1）国外可靠性高的真空压铸技术受专利保护，真空压铸系统成本较高，价格昂贵，其广泛应用受到了限制；（2）国内真空技术研究发展起步较晚，真空系统主要还是依靠齿状冷却快进行排气，该系统排气能力不足，排气状态不稳定，未能很好的体现出真空压铸技术的优势；（3）真空压铸系统在使用过程中，常出现真空截止不及时导致金属液进入真空阀，冷却后造成堵塞，需常停机检修。开发高可靠性，低成本的真空系统成为真空压铸技术广泛应用的关键。研发高可靠性的真空压铸技术，充分发挥压铸的技术及成本优势，生产高强度、高韧性的压铸件，对促进真空压铸技术在我国压铸工业中的广泛应用有重要意义。本课题源自国家973“镁合金挤压铸造”课题，得到重庆市科委，东莞宜安电器制品有限公司，香港生产力促进局的大力支持。旨在研究真空压铸系统的关键技术，然后开发出具有自主知识产权，符合实际生产要求的新型真空压铸系统，实现经济可靠性，克服国内真空压铸技术应用的瓶颈，通过该技术应用提高压铸件产品质量，增强企业竞争力。1.5 课题研究内容针对传统压铸件气孔多、致密度差、不能热处理和焊接，而现有真空压铸系统可靠性差，装备购置和使用成本高的问题，进行下述真空压铸技术研发。（1）针对压铸充型速度快的特点，突破真空截断技术瓶颈，开发高动态响应能力的经济真空截断方法；（2）针对现有真空设备依赖进口的现状，自主开发新型真空系统，为高品质压铸生产提供装备保障；（3）真空排气方式选择与真空系统设计，包括模具排气道、真空抽气管路、真空截止阀以及抽真空机组。要求模具内排气道排气能力大，能在瞬间快速排出型腔内气体，模具内真空截止动态快速响应，避免金属液进入真空系统造成堵塞；（4）针对压铸品质依赖于工艺参数配置的现实，用 “虚拟现实”与“生产性实验”相结合的方法，通过模拟与实际生产结合进行参数工艺的优化；（5）研究工艺参数与铸件品质的关系，确定高品质铸件稳定生产条件及优化调控方法。13重庆大学硕士学位论文 2 气体流动分析 2 气体流动分析2.1 气体流动理论37高速流动的气体流经模具内排气管道时，如果管路不长，则壁面摩擦影响不大；同时若气体与管壁间或管壁与环境之间没有进行充分热交换的条件；或因气体通过管路的时间较短而来不及与管壁进行充分的热交换；或气体与环境的温差不大，这时气体与外界进行热交换的影响可以忽略。这些绝热的无摩擦运动均可以视为等熵的气体流动。一元恒定等熵气流的基本方程组：质量守恒： （2.1）能量方程： （2.2）运动方程： （2.3）等熵状态方程： （2.4）其中：密度，g/cm3；v速度，cm/s；A管路截面积，cm2；P压力，Pa；u内能，J/kg。对于一元恒定气流，尽管在实际流动中有摩擦会造成机械能的损失，但只要所讨论的系统与外界不发生热交换，则所损失的机械能仍以热能的形式存在于系统中，所以一元气流的能量方程既可使用于理想气体的可逆绝热流动（等熵流动）又适用于实际流体的不可逆绝热流动。在本课题中，等熵运动有其实际意义，因为气体是在短管中进行高速流动，管壁摩擦与热交换的影响很小。在型腔真空排气过程中，可将气体流动视为等熵运动。通过上述等熵气流的基本方程（2.12.4）结合实际真空泵抽出型腔气体过程，推导出气体排气时间与抽气速度，管道截面积，排气容积以及末态型腔压力的关系。2.2 真空系统的抽气方程真空排气的目的是将被抽容器内的各种气体抽出，而一个真空系统中需要抽出的气体负荷量为：抽真空容积中的漏气量+抽真空容积材料表面释放出来的气体流量+抽真空容积外部大气通过壁材料渗透进入的气体量+工艺过程中抽真空容积内产生的气体量+抽真空容积本身存在的大气量 （2.5）当真空系统对被抽气容积抽气时，真空系统对容积的有效抽速若以表示，抽真空容积内压力用表示，则单位时间内系统所排出的气体流量即使。被抽容器容积用V表示，抽真空容积内压强变化率为，抽真空容积内气体减少量即是。根据动态平衡方程，可列出以下方程： （2.6） 即容器内气体减少量等于容器内气体抽出的量与气体各种泄露量之和。对于一个设计，加工制造良好的真空系统，抽气方程（2.6）中的放气、渗气、蒸汽和漏气的气流量都是微小的。在抽气初期，真空系统的气体负荷主要是容器内原有的空间大气，随着容器中压强的降低，原有的大气迅速减少，到了后期容器中残存的气体主要是漏气和放气，而且主要的气体成分是水蒸气。在低真空条件下，真空系统本身内表面的出气量与系统总的气体负荷相比，可以忽略不计，在低真空条件下计算抽气时间可以不考虑表面出气的影响，当系统内漏气、放气很小以致极限压力可以忽略，且与白抽容器间的连接管路较短，其流导影响也可以忽略，可得真空系统的抽气方程为： （2.7）积分得： （2.8）2.3型腔气体流动分析2.3.1 排气道截面积对排气时间的影响在等熵的条件下来分析型腔中的气体流动。抽气管路的流通能力和流通特性决定了单位时间内流过的空气量（质量或体积），是判断型腔真空能否快速实现的重要依据38。有效截面积As表示单位时间内流过的空气量，As由一元等熵方程组和系统抽气方程推导得出表达式为： （2.9） 其中：V容器容积，m3；P1、P2初始压力和残余压力，Pa；T1初始温度，K；t时间，s。从（2.9）式可以看出有效排气截面积As与排气时间t成反比，大排气面积有利于型腔内的气体快速地抽出，排气面积越大，抽气时间越短，型腔越容易达到极限真空度。在初始压力P1=100Kpa，所抽容积体积V=6L的情况下（针对实际轮毂生产的型腔及压室容积）分析排气道截面积对排气过程的影响。型腔压力P/1Bar模具型腔气体压力（bar）时间T（s）图2.1 不同抽真空排气道直径，型腔压力随抽真空时间的变化曲线Fig 2.1 Cavity pressure for differe