（机械电子工程专业论文）铝合金真空压铸辅助系统研制.pdf

摘要 随着汽车轻量化对铝合金压铸件的需求增加及质量要求的提高，对真空压铸技术的 推广应用越来越迫切。真空压铸辅助系统是真空压铸技术应用的关键设备，直接影响真 空压铸生产效率及真空压铸件质量。目前市场上主要由f o n d a r e x ，东芝，宇部等公司产 品占据市场，但设备购置投入大，维护成本高。国内主要有松庆自动化，震界自动化等 公司，但尚都处于开发完善阶段，设备工作过程和压铸件质量不稳定。 本课题在现有真空压铸技术研究的基础上，结合实际生产需要，研制具有自主知识 产权的真空压铸辅助系统。通过真空压铸排气理论模型计算分析，选用“真空泵+ 真空 罐 组合装置，实现抽真空效率的最佳化；研发具有创新性的“压缩气体+ 活塞杆+ 迷宫 槽 工作方式的真空阀，实现真空阀的高灵敏度，可靠性；采用“p l c + 触摸屏”控制方 案，使控制系统满足真空压铸生产自动化，人机界面控制，工作可靠等要求。 本课题进行了系统抽真空能力测试及实际生产验证。在适意w s 7 0 配模机上进行的 系统抽真空能力测试结果表明：系统对未采用特殊密封措施的模具，可在1 s 之内使模 具型腔中的真空度达到2 5 0 0 p a 以下，能够满足真空压铸需要。在东芝2 5 0 t 压铸机上进 行的实际生产验证表明：真空阀灵敏度高，动作可靠；控制系统操作方便，安全可靠。 通过对普通压铸件和真空压铸件的x - r a y 检测比较表明：使用本课题研制的真空压铸辅 助系统生产的真空压铸件的气孔缺陷明显减少。 本课题研制系统的性能接近市场上先进真空压铸辅助系统。 关键词：铝合金；真空压铸；真空阀；系统控制 a b s t r a c t w i t ht h ea l u m i n u m a l l o yd i e - c a s t i n gc a s t i n g d e m a n da n dt h e q u a l i t y r e q u i r e m e n ti n c r e a s i n gr e q u i r e db yt h ea u t o m o t i v el i g h t w e i g h t ，t h ea p p l i c a t i o n o fv a c u u md i e c a s t i n gt e c h n o l o g yi sg e t t i n gm o r ea n dm o r ee a g e r l y v a c u u m d i e c a s t i n ga s s i s t a n ts y s t e mi st h ek e ye q u i p m e n to f t h ea p p l i c a t i o nw h i c hh a s ad i r e c ti m p a c to nt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dt h ec a s t i n gq u a l i t y t h es y s t e m s m a d eb yf o n d a r e x ，t o s h i b a ，u b eo c c u p yt h em a r k e t ，b u tm o s to ft h e mr e q u i r e l l i g he q u i p m e n tp u r c h a s ea n dm a i n t e n a n c ec o s t a tt h es a m et i m es o n g q i n ga n d z h e n g j i ea u t o m a t i o nc o m p a n i e so f c h i n aa r ea tt h ei n i t i a le x p l o r a t o r ys t a g e ，a n d t h ee q u i p m e n t sa n dc a s t i n gq u a l i t ya r eu n s a t i s f a c t o r y c o m b i n i n gw i t ht h eb a s er e s e a r c ho fv a c u u md i e c a s t i n ga n da c t u a lp r o d u c t i o n n e e d ，w eh a v ed e v e l o p e dav a c u u md i e c a s t i n ga s s i s t e ds y s t e mw h i c hh a s i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t t oa c h i e v et h eb e s tv a c u u me x t r a c t i o n e f f i c i e n c y , w ec h o s et h e v a c u u mb u m p 上v a c u u mt a n k c o m b i n a t i o nd e v i c e s t h r o u g hv a c u u md i e c a s t i n ge x h a u s tt h e o r ym o d e lc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s t o a c h i e v et h eh i g hs e n s i t i v i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ev a c u u mv a l v e ，w eu s e da n i n n o v a t i v ew o r km o d eo ft h ev a l v ew h i c hi s c o m p r e s s e dg a s e s + r o d + m a z e g r o o v e ”t om e e tt h ea u t o m a t i cp r o d u c t i o n ，h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ec o n t r o l a n dr e l i a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e mr e q u i r e m e n t ，w eu s e dt h e “p l c + t o u c h s c r e e n p l a n t h e r ea r ev a c u u me x t r a c t i o nc a p a c i t yt e s ta n da c t u a lp r o d u c t i o nv e r i f i c a t i o ni n t h i sp a p e r t h ev a c u u me x t r a c t i o nc a p a c i t yt e s to nt h ew s 7 0m a c h i n es h o w e d t h a tt h es y s t e mc a nm a k et h ev a c u u mo fm o l dw i t h o u ta n ys p e c i a ls e a lm e t h o d t o2 5 0 0 p ai no n es e c o n d ，w h i c hm e e t st h ep r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t a c t u a l p r o d u c t i o nv e r i f i c a t i o no nt h et o s h i b a2 5 0 td i e c a s t i n gm a c h i n ec e r t i f i c a t e dt h e h i g hs e n s i t i v i t y , r e l i a b l ea c t i o no fv a c u u mv a l v ea n de a s y o p e r a t i o n ，r e l i a b i l i t y o ft h ec o n t r o ls y s t e m t h ec o m p a r i s o nw i t ht h eo r d i n a r yd i e - c a s t i n gc a s t i n ga n d t h ev a c u u md i e - c a s t i n gc a s t i n gx - r a yd e t e c t i o ns h o w e dt h a tt h e r ei sl e s sa i rt r a p d e f e c ti nc a s t i n gp r o d u c e db yt h es e l f - d e v e l o p m e n ts y s t e mo b v i o u s l y t h e p e r f o r m a n c eo f t h es e l f - d e v e l o p m e n ts y s t e mi sc l o s et ot h ea d v a n c e d s y s t e m si nt h em a r k e t k e yw o r d s ：a l u m i n u ma l l o y ；v a c u u md i e - c a s t i n g ；v a c u u mv a l v e ； s y s t e mc o n t r o l 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成果。本人 在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均在文中以适当 方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为褴划毖镪剪渤蚓题( 组) 字望盈) 课题( 组) 经费或实验室的资助， 室完成。( 请在以上括号内填写课题或课题组 负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特别声明。) 声明人c 签名，：三) 壶 如忙占月p 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办法等 规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交学位论文( 包 括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书馆及其数据库被查 阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共 建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、 缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： 一： ( ， ) 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文，于 年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“ 或填上相应内容。保密学位论文应是 已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密委员会审 定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论 文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ： 沁c i 年6 旯l 。日 叫井 第一章绪论 1 1 压铸技术 i 11 压铸的实质厦优缺点 压铸是压力铸造的简称，是将熔融状态或半溶融状态合金浇八压铸机的压室，在高 压的作用下，以极高的速度充填压铸模型腔，并在高压力下使熔融合金冷却凝固成型的 高效益、高效率的铸造方法。高压力和高速度是压铸时熔融台金充填成形过程的两大特 点，也是压铸与其他铸造方法最根本的区别所在。压铸时，常用的压射比压在几十兆帕 至上百兆帕范围内。金属液充填模具型腔时间与铸件的大小和壁厚有关，一般为00 1 0 0 5 s 。压铸与其他铸造方法相比较有以下优点f 1 0 1 ： ( 1 ) 铸件的精度及表面质量较高，可压铸出形状复杂的薄壁件或镶嵌件； ( 2 ) 生产效率高，易实现机械化和自动化； ( 3 ) 铸件一般不需再进行机械加工而直接使用，或加工量很小； ( 4 ) 可以压铸出螺纹、线条、文字、图案和符号。 随着中国制造业尤其是汽车行业的快速发展，我国压铸件的年总产量也相应增长， 其两者的增长情况如图1 1 所示，可知从2 0 0 2 年的6 24 万吨增加到了2 0 0 7 年的11 08 万 吨。图i 2 n 示的是2 0 0 7 年度压铸总件数的7 5 为铝台金压铸件。 ，万吨 1 4 0 1 2 0 1 0 0 8 0 4 0 2 0 ，万辆 1 7 2 8 耐 2 0 0 22 0 0 32 0 0 4 2 0 0 52 0 0 52 0 0 7 图1 10 2 年至0 7 年压铸件和汽车总量增长情况图1 2 各类台金压铸件件数百分比 资料来潭：全国注重学会压特技术蚕员台第十i 目国际压肆说，2 0 0 8 年6 月 厦门大学硕士学位论文 铝合金真空压铸辅助系统研制 压铸工艺在拥有上述优点，但产品有时也会产生如图1 3 所示的气孔，冷隔，填充 不良等缺陷，其中最重要的缺陷是如图1 3 a 所示的气孔缺陷。在金属液填充过程中，由 于模具型腔气压过高产生如图1 3 b 和图l3 c 所示填充不良和表面波纹的缺陷。在普通压 铸过程中金属液以高速喷射状态充填型腔，型腔中的大部分气体来不及排出而不可避免 地卷入到金属渣中，并以气孔形式存留于铸件内，这样的话在铸件后续处理过程中，由 于铸件的古气量过高，则在铸件表面会出现如图l3 d 所示的表面气泡。圈1 4 为普通压 铸产品主要缺陷及产生的原因。 。g 一 气孔缺陷 1 i 囵 b 填充不良 k c 表面波纹d 固溶强化处理后 的压铸件 萤遵 际荔习 图1 3 压铸产品主要缺陷图1 4 压铸产品主要缺陷的产生原因 铝合金压铸件的应用范围常常受其力学性能的限制，为提高铝合金压铸件的力学性 能，可采取热处理等方法，但是如上文所述，铸件含气量过高限制了铝合金压铸件的可 热处理性。如图i 5 所示热处理一般要求铸件的含气量在5 c c i o o g 以下的( 这一要求同 样也用于可焊接性能) 3 l ，我们可以看l 普通压铸零件离这一要求还有很大的距离这 一不足在很大范围上限制了压铸件在重要或大型复杂的受力零部件上的应用。 圆圈 圊霉 厦门大学硕士学位论文 第一章绪论 修眨节勺 ，? 乞j 皇：乇 高i 乏诲 _ 皇：0 j ； j ：；冬：4 ? 睫：薯曩专 牟1 誓冬铸违 1 ；? 声： 。二邓i ：7 j 一 而i 覆7 r 2 z , 上 i ii | il i 1 51 0t 0 0 舍气量( c c 】o o g ) 图1 5 各种铸造方法铝合金产品含气量以及产品的质量要求 1 1 2 压铸件气孔缺陷的产生原因及解决方法 压铸件中气孔缺陷主要有三类气体所导致：压射过程中来不及排出的残留于型腔和 压室内的空气，模具涂料、冲头润滑油遇热反应产生的气体和金属液中溶解的气体如图 1 6 所示。其中型腔和压室内的空气为最主要的气孔来源，主要是因为金属液以高速高 压状态充填型腔时( 一般充填时间在l o m s 一- - 5 0 m s ) 【2 1 ，大量气体来不及排出，或者由于 紊流卷入到金属液中。 图1 6 压铸件残留气体的主要来源 厦门大学硕士学位论文铝台金真空压铸辅助系统研制 针对这些问题，目前主要通过以下几种方法来降低压铸件的含气量： ( 1 ) 针对金属液中溶解的气体，采取合理处理回炉料和金属液精炼除气混合的措旆。 实际生产中，对回炉料应严格归类、清理，与新料配以一定的比例使用。回炉料与 新料的配比如果超过2 ：1 ，压铸废品率和后续工序中与铸件质量有关的废品率将上升。 而对飞边，切屑等轻薄料，必须集中重熔，确定化学成分后，再按一定的比例作为回炉 料加入。对于金属掖中的气体，主要是氢气，采用去除氢气的办法。目前除气的主要办 法是在铝台金中加入固体除气剂或通入氮气等惰性气体，利用分压原理，让溶解于铝液 中的氢原子向气泡内扩散，当气泡上浮到铝液表面时，气泡破裂，氢气逸入大气之中， 达到去除氢气的目的。在7 6 0 时，通入适量的惰性气体，通常处理3 0 0 k g 的铝液需要5 7 m i n l 。图1 7 是国内生产的铝液除气设备。 圈1 7 除气设备 ( 2 ) 采用计算机模拟技术，优化浇注系统和排气系统，改良金属液填充。 随着有限元理论和计算机技术的发展，市面产出现了如m a g m a ，f l o w 3 d ，a n y c a s t i n g 等压铸模流分析软件，通过压铸模流分析，可以清楚看见金属液在模具型腔的流动情况， 预先判断缺陷产生的地方和原因。如图1 8 所示，通过模流分析，结合模具设计经验， 我们可以判断金属液最后填充的地方，合理地安放溢流包和排气槽，使填充过程的捧气 更为顺畅，减少在金属液最后填充位置的卷气现象断】。 厦门大学硕士学位论文 第一章绪论 a 模拟结果b 添加了溢流包的铸件 图1 8 某产品压铸模流分析和设计方案改进 瓷料来源：pks e o , dl i m ，cgk a n g ：j o l 】r n a io fv a t e r j a l sp r o c e s m n gt e c h n o l o g y - 2 0 0 4 近年来，压铸模流分析在压铸行业应用得到快速的发展，模流分析方法在一定程度 上降低了铸件的含气量，但是还是无法除去压室中和金属液流动过程中因素流所卷入的 气体。要最大化的减少压铸全过程的卷气，模流分析手段还必须结合其他先进工艺方法。 ( 3 ) 针对压室的气体采用慢压射技术( 多段压射技术) 针对压室内气体的影响，l w g a r b e r 研究了慢压射阶段压室内金属液波的生成及形 态以及冲头速度和压室初始充满度对波的影响，并以流量守恒和能量不灭定律为基础， 开发了一个理论模型，揭示了压室内波的形成的基本原理，创造性地推导出计算慢压 射临界速度的方法，奠定了临界速度理论。g a t h e r 理论认为，在慢压射阶段，冲头一启 动，金属液的前沿突然掀起而形成为“波”，波掀起的高度是冲头速度的函数，当冲头 速度达到一定值，波掀起的高度恰好达到压室的项面，波面平稳而跟随其后的金属液充 满整个压室推着波前进，这个一定值时的速度，便定义为慢压射l 临界速度i ：, s l 。 慢压射过程是指冲头从静止开始运动，直到冲头速度达到低速速度设定值，金属 液基本充满压室的过程。慢压射技术的主要作用是平稳排出压室内空气，同时使冲头到 达合适的运动速度，然后顺利过渡到后续的快速充型过程。图1 9 a 中冲头速度v p 高于临 界速v ( c r i t i c a l ) ，金属掖的前沿生成的波突然掀起冲到压室顶面，在过多的能量的推 动下，便沿着项面向前流动直到能量耗尽，于是，波的最前沿失去垂直速度，从项面落 下，出现翻越而造成包卷气体：图19 b 表示冲头速度v p 以临界速度推进，液流前沿平稳， 不发生飞溅，气体聚集在前部金属液自由表面的上方，被后部充满整个压室的金属液有 序地推着前进，气体不会卷入到金属液内；图19 c 表示冲头速度v p 低于临界速度，金属 液前沿波难以形成，金属液到达摄前端而折回，并且与后部还在向前的金属液碰撞而产 生飞溅，于是，在金属液的后部靠近冲头端面出现空间，而使气体卷入到后部的金属液 内。1 9 , 1 0 厦门大学硕士学位论文铝合金真空压铸辅助系统研制 眵万万乃万万万刁眵万万万万万万习肜万万万万万万习 t 乍兰簧广t 三_ t r 召 爿酋叫璧叫匡i 臣杰杰艺乞剪习匠左疹芴万劾眵龙勿剪莎万捌 bv p _ v ( c f i t i c a l ) cv p v ( e r i t i e , m ) 图1 9 不同慢压射速度下金属i 疰流相引起的卷气情况 慢压射技术已应用在国外的一些技术领先的压铸机上，如图l1 0 所示布勒公司先进 压铸机已经成熟地加以应用。随着压铸件市场的激烈竞争，对压铸件的质量( 尤其是内 部质量) 的要求也不断提高，可以预见慢压射技术的应用将会逐步成熟和日益广泛，我 国的压铸事业也将会有一个新的进展。但是慢压射技术在国内要推广应用还尚有一个过 程，或因压铸机不具备这种性能，或进口了有这种性能的压铸机，但是缺乏理论和技术 指导。慢压射可解决在压室内由于金属流动所产生的卷气问题，但是无法保证在模具填 充型腔过程中能以理想的流相将气体由内向外捧除出型腔，还是不能有效解决金属液充 型腔过程中的卷气问题。 一 圈1 1 0 布勒公司先进压铸机 ( 4 ) 真空压铸技术 如图1 儿所示真空压铸技术是指在金属液填充模具型腔之前对压室和型腔抽气， 降低压室和型腔中的气压，以利于充型过程完成和气体的捧除，从根本上降低铸件中的 含气量i l l 。 厦门大学硕士学位论文 第一章绪论 、抽真空 缰!重量懿 图1 1 l 真空压铸法示意图 抽真空 在传统压铸中，如图1 1 2 所示气压在最后充型点将达到3 0 0 k p a 以上至4 0 0 k p a ，由于 在内浇口处的喷射效应，5 0 到9 0 9 6 的金属熔液将与型腔内的空气充分接触。在真空压铸 中，最后的气压在几十至i o k p a 以下，这样就能减少卷气等缺陷的产生1 。 l 一 f j ， ， j ， ， 色【一一 l 一一j l f 图1 1 2 普通压铸与真空压镥型腔气体压力曲线 真空压铸从根源上减少气孔缺陷的产生，通过在压铸过程中抽除型腔( 包括压室) 内 的气体以及反应产生的气体而消除或显著减少压铸件内的气孔，是提高压铸件的力学性 h一li 厦门大学硕士学位论文铝台金真空压铸辅助系统研制 能和表面质量的最有效方 圭。 1 2 真空压铸技术 1 21 真空压铸的技术优势 真空压铸具备如下技术性能： ( 1 ) 如图1 1 3 所示，能进一步减少压铸产品内部的气泡，提高金属溶液的密度，提高产 品的强度，韧性等性能； ( 2 ) 进一步提高金属液的流速，利于充填异难铸造的部件； ( 3 ) 更大幅度地减少铸造压力，小机台能生产大铸件，也能延长模具和压室压射杆的寿 命： ( 4 ) 如图1 1 4 所示，很好地提高了压铸件的焊剂性能，同时也可以使如电镀、氧化着色、 热处理等工艺变得容易。 蠢菇 蕺 t a5 0 倍显微镜下普通压铸铸件结构 b 5 0 倍显微镜下真空压铸铸件结构 资抖来潭：o h i 0s t a t eo n i v e r s i t y 图1 1 3 真空压铸件与普通压铸件的金相组织比较 滋 a 普通压铸铸件的焊接b 采用真空压铸工艺铸件的焊接 图1 1 4 真空压铸件与普通压铸件焊接性能对比 瓷料来源：t e c h a i c a lt h i v “s i t yo fb r a 叽s c h v e l g 厦门大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 真空压铸件的市场前景 铝合金真空压铸件，以其高质量，高生产效率以厦卓越的表面性能，迅速应用于建 材、汽车，机电、航空等行业，其中汽车行业尤其突出。汽车行业主流发展的节能、环 保、安全方向挟定了铝应用于汽车行业的美好前景。 据德国铝材料公司发表的报告预测，1 0 年中全球汽车对铝的需求将增长8 1 ，从 2 0 0 0 年的需求量5 8 0 万吨增加到2 0 1 0 年的1 0 5 0 万吨，其中汽车引擎对铝的需求量将增 长0 0 ，车架用铝将增长2 5 底盘和悬挂支撑装置对铝的需求量将增长2 0 。报告还指 出1 9 9 9 年全球汽车平均每辆用铝量为1 0 0 公斤，到2 0 0 9 年北美地区每辆汽车平均用铝 15 0 公斤，略高于欧洲汽车的平均用铝量。全球汽车用铝量之所以会大幅增加，是由于 汽车轻量化已成为世界汽车发展的趋势。汽车轻量化有利于节能和环保，而轻金属铝是 汽车轻量化的首选材料，如图l1 5 是奥迪a 8 全铝车身，图11 6 是铝合金汽车零件。 美洲虎x j 豪华轿车成为美铝真空压铸技术的首位受益者如美洲虎) ( j 豪华轿车的底盘 已经安装3 7 个真空压铸铝制零件，包括重量仅为1 公斤的中央驱动轴支架，两个垫座 支架，两个重量为2 3 公斤的后减震器等部件。轻量化与高强度相结合，使美洲虎确立 了动力强劲、操纵灵敏、平稳舒适的盛名”。 瀑。 缈弋睡一：。荔德冷 图1 1 5 奥追a 8 全铝车身图11 0 铝台金汽车零件 以铝代钢是汽车工业以及很多行业的新选择，但铝合金的强度、韧性、延展性和可 焊性等与钢相比存在很大附差距，而这些性能的提高除了材料配方外，很大程度上取决 于铝台金件的成形工艺以及后续的热处理等一这就是必须加快真空压铸工艺研究的 原因。 9 、奢 矛 艮。 甏霈 铲二o 渺 厦门大学硕士学位论文铝合金真空压铸辅助系统研制 1 2 3 真空压铸技术的发展 1 6 ，1 7 , 1 8 在压铸工业史上，真空压铸的首次尝试可追溯至1 8 7 2 年，由于早期工作条件不成 熟，没能获得实际成功，几年以后就停止了。到了2 0 世纪2 0 年代，人们对真空压铸又 产生兴趣。1 9 3 2 年，l f r o m e r 将真空压铸归纳为从模具排气道直接抽气和置模具于真 空箱内两种基本方案，但当时因真空系统存在问题均未付诸实践，于是又销声匿迹。进 入5 0 年代末期，真空压铸不但呈现“复苏”的迹象，而且很快就形成了高潮，各个国 家竞相进行研究试验。这一时期，真空压铸确实有了突破性的进展，然而终因还有技术 问题难以克服，更主要的是需有高昂的成本为代价，在经济效益方面难以承受，于是真 空压铸再次转入低潮。 6 0 年代曾兴起用罩式真空装置来实现真空压铸。经过国内外压铸生产实践证明模 具型腔及压室内抽成稀薄气体状态在粗真空程度下充填成型对减少或消除压铸件内 部气孔、改善组织致密性和成型外观，提高特殊质量要求压铸件的成品合格率等，确实 具有良好的效果，但是因罩式真空装置存在操作不便、动作程序与一般压铸机不完全相 同、投资太耗能高而有效性低，使之后来几乎被完全淘汰。7 0 年代国内曾推出过引气压 铸法，即由模具内的排气槽迷宫布置的尾部接上真空来强化金属充填时的排气作用，尽 管不够完善，但是对解决某些零件的气孔缺陷起过作用。 近十年来国外研究发展了几种以模具内设置抽气截流阀为特征的真空压铸系统，配 用这些系统实现真空压铸时，模具外边不需要罩子，动作程序与一般压铸机相同。这些 系统时共同特点是，压射冲头越过压室料口的同时，型腔及压室通过抽气截流阀接通大 流量真空源，充填过程在4 0 一- - 9 0 的真空状态下完成。压铸件内部组织致密、成型外 观改善、飞边减少，为高效益高成品率生产优质零件提供给压铸工作者一个现实的技术 可能性。在对压铸件质量要求不断提高及多样化的今天，配置真空压铸系统已成为压铸 行业技术进步的标志之一，质量竞争意识强的工业国家的压铸公司已竞相推广。 真空压铸工艺的最终效果很大程度上取决去真空压铸设备，人们在不断对真空压铸 理论和工艺推出改进的同时，也加大对真空压铸设备的研制。 1 3 真空压铸辅助系统研究现状 1 3 1 国内外主要真空压铸辅助系统介绍 真空压铸法主要有激冷排气槽法和真空阀法【1 9 】，真空压铸系统一般包括真空阀，真 1 0 厦门大学硕士学位论文 第一章绪论 空源和控制系统，目前主要有以下几种典型系统： ( 1 ) 东芝的真空压铸辅助系统 如图1 1 7 所示，其工作原理是由液压或气动驱动的，依靠路径时间提前关阀的 真空排气，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邬”。采用此原 理方法的除了日本东芝公司外，还有瑞士的威迪斯等，这种系统由于对真空源的切断过 旱，在金属充填型腔的关键瞬时真空度较低。厦门某工业有限公司购置了如图i 1 7 所 示的东芝真空压铸系统，生产面包筒等压铸件。此类真空压铸系统对模具设计制造和型 腔密封性要求高，只有配套的日本原装模具生产的产品质量能达到要求，该公司自制的 模具达不到真空压铸系统的要求，体现不出真空压铸的效果，并且真空阀模块等易耗件 价格也较为昂贵，定期真空阀的更换也带来生产成本的增加。 a 工作原理示意图b 东芝真空阀三维图c 东芝真空阀实物图 图1 1 7 东芝的真空压铸系统 ( 2 ) 排气冷却块( “z ”形冷却块) 真空压铸辅助系统 其工作特点是没有受控的抽气截流阀。型腔与压室由如图l _ 1 8 所示的波形转折的 薄片通道( “z ”形冷却块) 连接真空源。薄片通道成9 0 度多次转折并有外冷却，金 属液充填型腔进入薄片通道内运渐失去流动能力而关闭真空源。一般冷却块最顶端的间 隙通常设计成0 2 毫米以增大金属冷凝的机会，尽管底部被设计为0 8 毫米或更大， 这个最牵处截面也就成为捧气的“瓶颈口”，所以该形式捧气能力远远小于预想中的情 况。另外波浪板型的设计中，忽略金属和气体流动特性的组合优化，也会给排气和金属 冷凝带来困难，金属充不满或飞料就难以避免，更有由此带来的投影面积增大的问题。 这种系统结构简单、投资小而且较高的真空持续到型腔完全充填，但是捧气槽的 厦门大学硕士学位论文铝合金真空压罐辅助系统研制 薄片形通道截面小，抽气量受到限制，而且薄片的充填程度变化不定，影响压射最终比 压建立的作用时间。 a 工作原理示意图b “z ”形冷却块 图1 1 8 捧气冷却块真空压铸系统 ( 3 ) 东洋公司独自研究的v c $ 真空压铸辅助系统 东洋公司的真空压铸系统在横流道部分装配了可以进行开闭的横流道销吲，其工 作原理如图11 9 所示，通过流道销和排气销控制压室，模具型腔和真空源三者的连通。 若型腔密封性较好，可在金属液填充模具型腔前可以把型腔的高真空度提高到 9 1 k p a - 9 6 k p a ( 相对真空度) 。系统特点是工作稳定，在金属液达到真空源之前关闭抽气 通道；对模具密封要求高，无法保证最佳真空状态持续到充填全过程。 排气销，l f 真空源 一销十1 ! 耋 匦围 困恫 l 竺整i ，网 ，7l j a 工作原理示意图b 工作流程图 图1 1 9 东洋公司真空压铸系统 厦门大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 瑞士f o n d a r e x 真空压铸辅助系统 图1 2 0 为f o n d a r e x 真空压铸辅助系统示意图，其工作特点是压射冲头刚越过压 室料口时，型腔及压室经过抽气通道和抽气截流阀与大容量真空源接通，当金属液充填 型腔并进入抽气截流阀内迷宫前区时，液流前部很小的惯性力即可推动复位阔带动迷宫 后区的真空阀关闭脚川。图1 2 1 所示的抽气截流阀是系统的关键部件，阔内各种零件 由弹簧力、合模力、压缩空气、液流惯性力等作用，自动地、安全连锁地工作。这种系 统的优点是，最佳真空状态持续到充填全过程，压射的金属量是一定的，阀在型腔充满 的极短瞬时可靠地关闭，最终比压能及时作用在型腔内部。这种系统有小、中、大、特 大等多种规格，可以方便地与各种型号及台模吨位的压铸机配套使用，是目前国外推广 应用最广泛的真空压铸辅助系统。不足之处是阀必须定时的停机维护，系统的使用对人 员素质要求较高，并且设备的购置和后期维护费用都较高，这些方面影响此系统在国内 的广泛使用。 圈12 0f o n d a r e x 真空压铸系统 a p o n d a r e x 真空阀实物圈 图l2 1 蚤科米源：f o n d a r e x 公司 b f o n d a r e x 真空阀内部结构示意图 f o n d a r e x 真空阀 联 动 开 美 尸璧一 一l圈 厦门大学硕士学位论文 铝台金真空压铸辅助系统研制 ( 5 ) 国内真空压铸系统 近年来国内公司和科研单位也加大对真空压铸辅助系统开发力度，如图1 2 2 松庆自 动化公司和图1 2 3 的上海震界自动化等公司开发的真空压铸辅助系统已投入市场列， 但是太部分采用的是捧气冷却块真空压铸系统，还处于初步开发阶段，设备工作和压铸 件质量还不太稳定。据报道，近年来华中科技大学采用杠杆顾理，设计制作了一种高真 空压铸用真空截止阀及其真空系统。在模具密封性较好的情况下，设计的真空系统可在 1 s 内将型腔中的气压抽至l o k p a 以下，压铸件经t 6 热处理后不起泡，可满足高真空压铸生 产高强韧压铸铝合金结构件的需要田o ”，但未有产业化的设备面市。 图1 2 2 松庆自动化真空机图1 2 3 震届自动化真空机 1 32 各类真空压铸系统比较 归纳总结国内外真空压铸系统，按真空阀的关闭形式，可以把真空压铸辅助系统分 为形式真空，半真空和全真空三类。在表卜1 中比较了各类真空压铸辅助系统的组成， 特点和技术参数等。不同的真空形式都将直接影响填充时刻模具型腔的真空度，晟终影 响真空压铸压铸件质量。 r 扛，ji 厦门大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 - 1 各类真空压铸系统比较 类别 全真空系统半真空系统 形式真空系统 公司和科研单位 瑞士f o n d a r e x ， 东芝，瑞士威迪斯等系统一般由各压铸 日本宇部，华中科厂自制 技大学等 1 机械真空阀1 定时器或金属液路径1 “z 形冷却块 2 抽真空设备检测传感器2 抽真空设备 系统组成3 控制系统 2 抽真空设备 3 控制系统与气动阀等 ( 1 ) 最佳真空状态( 1 ) 系统工作稳定，在金( 1 ) 最佳真空状态持 持续到充填全过属液达到真空源之前关续到充填全过程； 程；闭抽气通道； ( 2 ) 真空停止由冷却 ( 2 ) 真空阀由合金 ( 2 ) 一旦压射外形改变，块中金属凝固来实 动能关闭，压射外用于关闭真空阀的计时现； 特点形的改变对真空器必须加以调整；( 3 ) 真空排气能力 阀的功能无影响；( 3 ) 填充模具型腔时真低； ( 3 ) 阀必须定时的空度较低；( 4 ) 金属凝固位置不 停机维护，操作系( 4 ) 对模具密封要求高，易准确判断。 统使用对于人员无法保证最佳真空状态 素质要求较高，并持续到充填全过程。 且设备的购置和 后期维护费用都 较高。 如图1 2 4 所示最金属填充模具型腔前可 形式真空”最理想的 技术参数高真空度可达达l o o m b a r 以下，但是填排气情况一般为“全 l o o m b a r 下充过程无法保证高真空真空 的5 0 度 价格 f o n d a r e x 中型系东芝系统只有通过购买 成本较低 统在r m b 2 0 3 0东芝的真空压铸机； 万；宇部中型系统瑞士威迪斯中型系统在 在r m b 4 0 万左右。r m b 3 5 万以上。 各类系统的排气效果如图1 2 4 所示，“全真空”对模具型腔的排气效果最理想，“形 式真空 的理想排气情况约为“全真空”的5 0 ，而“半真空 由于未保证抽真空过程 厦门大学硕士学位论文铝合金真空压铸辅助系统研制 到金属液填充结束时刻，多数情况下比“形式真空”还不理想。 a 67 一，v ，u i m 1 f n，乡，一二1 1 丑，1 n 衄 二乏三! 乏三：一。一 a t m o s o f羔q | 固蕊二二半真空蒋统，l 泠却块带真空排启 r 1 口i l n n| 弋 - ，一1 一一 ：- - 2 7 l mklj - 3 0 fl | 、o 、上f l jl 4 0 0 7 1 1 5 加、o | s 、 、 了- 、 矗 ，o n 、一 、 l 一7 n 2 一二 1 a o v a c u 强 ， 矗 一j 1 - | 1r ao - 1 0 0 0 j - 一 t p h 。【l 全，1p 空h a s 真e 空系磊t 厂2p h a s b 形式真空：提早关阀，排气过程至第一阶殷 图1 2 4 不同真空系统的排气曲线图 资料来源：秦耘，j a ne m m e n e g g e r ：真空技术在压铸工艺的应用，2 0 0 8 年6 月 1 4 课题研究内容和意义 1 4 1 课题研究意义 目前一般压铸厂的普通压铸件的不良率在2 0 - 3 0 以上，为了提高铸件质量，国外 各类真空压铸系统己大量使用，据报道，日本已有5 2 以上的压铸厂家拥有真空压铸系 统，而国内不到5 的压铸厂家拥有真空压铸系统，并且大部分都为进口设备，价格昂贵。 目前国内在使用真空压铸辅助系统和开发真空辅助系统过程中存在的主要问题有：( 1 ) 国外真空压铸技术多数受专利保护，设备价格昂贵，购置和更换配件带来生产成本的增 加，一般中小型企业无法承担这些支出，设备上的限制影响了真空压铸在国内的推广。 ( 2 ) 大部分自制的真空压铸辅助系统采用的是排气冷却块，并且还处于初步开发阶段， 设备工作和压铸件质量不太稳定。( 3 ) 部分真空压铸辅助系统在使用过程中常常出现铝 合金粘附真空阀和渗入真空室等问题，必须经常停机维护，影响生产。( 4 ) 进口的国外 真空压铸系统需要有专门的高素质人员使用，而目前国内压铸行业现场的人员素质普遍 达不到这个要求，这样影响真空压铸系统发挥其最大的优势。 1 6 厦门大学硕士学位论文第章绪论 本课题源自福建省自然科学基金项目一“铝合金真空压铸机理研究”，旨在研制出 具有自主知识产权，符合实际生产要求的真空压铸辅助系统。真空压铸辅助系统的研制 是真空压铸工艺推广应用中的一大瓶颈和难点，对提高真空压铸件的质量具有非常重要 的影响，是真空压铸中的一大瓶颈和难点。而且这不仅是事关铝合金压铸件单个零件质 量问题，更为重要的是影响到“铝代钢”轻量化技术在汽车，摩托车，船舶，建材等行 业的应用推广。 1 4 2 课题研究内容 ( 1 ) 在真空压铸排气理论研究的基础上，选择合理的真空压铸抽真空方案及抽真空系 统设备。 ( 2 ) 真空阀的设计制造，包括真空阀材料选择，真空阀结构设计，真空阀零件制造工 艺以及真空阀装配。要求研制的真空阀能在压铸高温高压工况下稳定工作，不变 形，耐热冲击性好；真空阀零部件装配简单，与模具装配方便；气密性以及真空 阀关闭时对金属液的密封性满足要求；真空阀日常维护方便，易损件替换方便等。 ( 3 ) 真空压铸辅助装置控制系统设计与实现，内容包括控制系统总体方案的设计，p l c 程序设计，模拟量输入信号处理，气动控制设计以及人机界面设计等。要求控制系 统响度速度快，实现人机界面控制，操作方便；对真空罐和模具型腔真空度的实 时监测；能与压铸配合工作，实现真空压铸自动化生产等。 ( 4 ) 系统的抽气能力检测与生产验证，并与国外先进的真空压铸系统比较。比较内容 包括系统的抽气能力和压铸件的气孔缺陷情况等。 ( 5 ) 总结真空压铸辅助系统的研制技术和经验，提出改进方案，为一步的系统改进和 推广应用奠定基础。 1 7 第二章真空压铸辅助系统方案分析与设计 2 1 真空压铸排气理论 真空压铸是一种在压铸过程中抽除型腔及压室内的空气，从而减少压铸件中气孔缺 陷的工艺。国内外对于真空压铸排气理论的研究已经取得了很大的进展，建立了排气过 程的数学模型，并得到实验验证f 2 4 1 。图2 1 为带排气系统的真空压铸系统示意图。 图2 1 真空压铸系统示意图 g b a r - m e i r l 3 0 引】研究了常规压铸的排气过程和真空压铸抽气过程的物理建模问题。 他认为在压铸过程中存在一个受型腔结构和金属液充填时间决定的临界排气面积，当排 气阀的有效排气截面积小于这个临界面积时，排气过程不充分，金属液卷气较多；当有 效排气截面积大于临界面积时，较易发生未凝固金属液的溢出事故，并且造成二次加工 量的增加。同样地，利用这个模型可以从理论上计算真空压铸工艺中所需的有效排气截 面积。 a n o u r i _ b o r u j e r d i 【3 2 】建立了计算压射过程中型腔内气体残量的瞬态模型，综合考 虑了金属液粘度与温度的函数关系、入射速度以及摩擦力等因素，并利用r u n g e k u t t a 数值方法对该模型进行了计算，改进了这一领域的数值模拟计算方法。 j h e r n a n d e z 3 3 】对b a r - m e i r 等人对模型进行了改进，将摩擦力、真空抽气的气流状 态变化等通常被忽略的不稳定因素纳入考虑，建立了一个同时适用于常规压铸和真空压 铸的物理模型并进行了数值求解，他认为压铸工艺参数的选择会对上述不稳定因素产生 厦门大学硕士学位论文第二章真空压铸辅助系统方案分析与设计 影响，从而导致计算结果的变化。 2 2 抽真空方案选择分析 2 2 1 真空度范围界定 真空技术中使用的压强范围很宽，人们常常把它划分成几个区域，各真空区域真空 度范围如表2 - 1 所示【3 5 】。真空压铸时模具型腔气体压力一般在1 0 1 k p a - 一i o k p a 之间，所 以在真空范围的划分中属于低真空。 表2 - 1 真空度范围 真空范围( p a )1 0 5 1 0 0 1 0 0 1 0 11 0 1 0 5 1 0 5 真空区域低真空中真空高真空超高真空 2 2 2 真空压铸主要抽真空方案 在真空压铸抽气过程中，压室一型腔一排气通道形成一个封闭系统，真空压铸的主 要目的就是在金属液充满型腔之前将这一封闭系统中的气体尽可能多的抽除。目前对模 具型腔抽真空一般有两种方案 3 1 , 3 6 ，第一种是如图2 2 a 所示，真空泵抽气口连接模具型 腔，直接对模具型腔抽气；第二种是如图2 2 b 所示，在真空泵与模具型腔之间增加一个 大容积真空罐，真空泵预先对真空罐抽气达到一定真空度，而后在压铸过程中接通真空 罐与模具型腔，真空罐作为真空源对模具型腔抽气。两种方案的主要区别在于真空泵的 工作时间以及对模具型腔抽真空的效率。 a 方案i 图2 2 模具型