材料成型控制工程基础 第七章

第7章铸造过程检测与控制,7.1铸造过程质量自动控制的重要性7.2铸造过程检测与控制特点7.3铸造过程信号检测方法7.4铸造过程自动控制,铸造：属于液态金属的成形工艺与方法,手工造型机器造型,金属型铸造熔模铸造压力铸造低压铸造陶瓷型铸造离心铸造,铸造分类,砂型铸造,特种铸造,整模造型分模造型三箱造型活块造型（一）活块造型（二）挖砂造型刮板造型等,手工造型,第一节砂型铸造,1手工造型,砂型铸造-手工造型分型方案选定,砂型铸造生产简介(KWDisaGF扩一BMD01GF气冲造型线）,捅箱取件,清理,产品,检测,出厂,上箱造型,下箱造型,翻转,闭仓冷却,浇注,合箱,下芯,合金液熔炼,工人,制芯车间,半成品,2机器造型,砂型铸造工艺流程,模型,混砂机,芯盒,造型,制芯,浇注,合金液熔炼,闭仓冷却,捅箱取件,清理,半成品,合箱,砂型铸造-机器造型,机器造型的实质,机器造型的特点,将填砂、紧实、和起模等主要工序实现机械化,生产效率高，产品质量稳定,机器造型-振压造型,造型机,型板,震压造型,使充满型砂的砂箱、震击活塞、震击气缸等共同抬高一定高度后自由下落，撞击压实气缸，多次震击后砂箱下部的型砂由于惯性力的作用而紧实，上部的型砂再用压头压实。,进气口1,进气口2,模型,震击活塞,造型机结构简单，价格低廉，应用普遍，但噪音大，压实比压较低，铸件质量和生产率相对较低。,造型特点,底板,微振压实造型,紧砂原理是在型砂压实的同时进行微震。,造型特点紧实度比震压造型高而均匀，生产率较高，但噪音较大，压实比较低，砂型紧实度难满足高质量铸件的要求。,热芯盒制芯将由液态热固性树脂和催化剂配制成的芯砂，射入加热到一定温度的芯盒内，砂芯在芯盒内硬化一定时间后，便从芯盒内顶出，利用余热及催化剂作用所引起的硬化反应放出的热量，使芯砂继续硬化，获得合格的型芯。,制芯特点芯砂制备较简单、硬化快、效率高、型芯强度高、表面质量好、尺寸准确、溃散性好，适合于大批量生产。,3制芯方法,壳型砂制芯将混合料吹入加热的芯盒内，保持一定时间，进行结壳；盒壁形成一定厚度的塑性薄壳；再将未粘附的芯砂倒出；继续加热使塑性薄壳变成坚硬薄壳；打开芯盒，顶出砂芯，得到薄壳砂芯。,制芯特点(1)壳芯覆模砂为干颗粒状，流动性好，充填性强；(2)芯砂强度好、耗量少、抗湿性好，易保存和清理；(3)制备复杂、成本高；制芯工装要求严格，型芯尺寸受到限制。,特种铸造,金属型铸造,离心铸造,压力铸造,熔模铸造,消失模铸造,挤压铸造,陶瓷型铸造,特种铸造,将液态或半液态金属在高压作用下快速压入金属型腔中，并在压力下结晶，以获得铸件的成形方法。,2.1压力铸造,压力铸造生产过程,设备:电阻炉(熔炼)；压铸机(压力铸造),冷压室压铸机,热压室压铸机,压力铸造设备,合型,浇注合金液,压入型腔,压型分开,抽芯,推出铸件,压力铸造工艺过程,压力铸造工艺参数,生产特点,优点:(1)尺寸精度高,表面质量好，一般无须切削加工而投入装配；(2)铸件内在质量好，组织致密，强度、硬度高；(3)可压铸出复杂的薄壁件；(4)机械化、自动化水平高，生产效率高；(5)对于形状复杂而无法抽芯的铸件或局部有特殊性能要求的铸件,可采用镶嵌法进行铸造.,缺点：(1)设备（压铸机）、模具一次性投资较大;(2)对模具设计要求较高，适于大批量生产,不适宜单件、小批量生产；(3)模具使用寿命短，不适宜铸铁、钢等高熔点合金的铸造；(4)压铸速度快，型腔气体排除困难;壁薄压力也较难以补缩，因此压铸件表皮下容易形成许多气孔,内部通常存在缩孔和缩松等铸造缺陷.,壁薄、非铁合金件的大批量生产，如汽车变速箱盖、端盖等。锌压铸件示例:,应用,借助压力机的机械压力，把定量浇入金属模腔中的金属液挤压成形，并在机械压力作用下结晶凝固和塑性变形，从而获得铸件的一种铸造方法。,2.2挤压铸造,挤压铸造原理,保压,模具准备,合金液浇注,挤压铸造工艺过程,合模,施压,金属熔化,卸压,卸模,顶出制件,(1)在成形过程中，尚未凝固的金属液自始至终承受等静压，并在压力作用下，发生结晶凝固、流动成形；(2)已凝固金属在成形全过程中，在压力作用下，发生微量塑性变形，使制件外侧紧贴金属模膛壁；(3)由于结晶凝固层产生塑性变形要消耗一部分能量，因此金属液经受的等静压不是定值，而随着凝固层的增厚而下降；(4)固-液区在压力作用下发生强制性补缩，从而消除了制件内部缩孔、缩松之类铸造缺陷，以提高制件机械性能和其它性能。,主要特点及应用,应用:,各种阀体、活塞、轮毂、耙片、铸铁锅及军工件等。,主要特点:,在重力作用下,将合金液浇注到金属模的型腔中，结晶凝固得到铸件的一种铸造方法。,铝、铜合金件，如汽车活塞、变速箱盖等。,2.3金属型铸造,应用:,概念:,金属型铸造生产过程,(1)铸件冷却速度快，组织致密，力学性能高；(2)尺寸精度、表面质量均优于砂型铸件；(3)可“一型多铸”，提高生产率，易实现机械化和自动化.,生产特点,2.4离心铸造,合金液沿浇注系统浇注入到固定在高速旋转的转子上的铸型中，在离心力的作用下，合金液紧贴在模膛壁，结晶凝固得到铸件，这种铸造方法称离心铸造。,离心铸造生产过程,离心铸造件,设备:离心铸造机,离心铸造设备,铸件组织细致，组织、性能沿四周方向分布均匀.,特点:,应用:,耐磨轴套(Cu)、齿轮、汽缸套等.,生产特点及应用,熔模铸造工艺过程:,盐煮,制模,水浆搅拌,撒砂,熔化蜡料,陪烧,浇注,取铸件,2.5熔模铸造,熔模铸造生产过程,在蜡模表面涂覆多层耐火材料，待硬化干燥后，加热将蜡模熔去，而获得具有与蜡模形状空腔的型壳，再经过陪烧之后进行浇注而获得铸件的一种加工方法。,熔模铸造实质,特点:(1)铸件精度高，表面质量好；(2)铸造合金种类不受限制，更适用于高熔点、难加工的高合金钢铸造；(3)形状复杂程度不限，生产批量不限；(4)工艺过程复杂，原材料价格高，铸件成本高。,应用:最适宜于25kg以下的高熔点、难以切削加工的合金钢铸件。主要用于航天飞行器、飞机、燃汽轮机、汽车等小型精密铸件的生产。,主要特点及应用,2.6陶瓷型铸造,制造母模,砂套造型,灌浆,起模,喷烧,烘干,合箱,浇注,取出铸件,工艺流程:,主要特点:(1)铸件大小不受限制，可从几公斤到数吨；(2)单件小批量生产；(3)投资少、生产周期短；但不适于批量大、重量轻、或形状复杂铸件，生产难于实现机械化和自动化。主要缺点:(1)母模表面光洁与否直接影响铸件表面粗糙度；(2)陶瓷型浆料易产生裂纹、变形等缺陷，铸件尺寸质量难以稳定；(3)陶瓷型修补困难；硅酸乙脂、刚玉粉等原材料价格较贵。应用:铸造冲模、锻模、压铸模、模板、玻璃器皿模等。,特点:没有分型面，不要起模和修型，工序简化，生产周期短，效率高，铸件精度好，成本低，但只能一模一件。,2.7消失模铸造,生产过程:将组装好的泡沫塑料模具表面涂以涂料，埋入型砂中，直接浇入高温金属液，模样随即汽化消失，被金属液流充满型腔，结晶成形。,消失模铸造工艺流程,应用:可用于任意复杂，不受结构、尺寸、批量、合金种类限制的不同要求。但对环保有害，一般安排在晚间浇注。,7.1铸造过程质量自动控制的重要性,铸造过程质量控制的意义：铸造设备保持最佳运行状态，材料保证工序质量和铸件质量，操作方法最佳，操作者最大的发挥潜能；工序受控，铸件合格率高，减少废品，降低质量成本，提高经济效益；找出铸件质量的波动规律，控制波动在合理的范围内，消除异常因素引起的系统波动，达到稳定生产铸件的目的，确保提供合格的铸件。,7.2铸造过程检测与控制特点,主要是适应性广，所需材料、生产参数、生产设备及生产过程种多样，进行检测和控制的要求各不相同,7.2.1铸造过程控制一般特点,7.2.2砂处理过程控制特点控制物料加入量：水分、膨润土、煤粉、新砂等。控制含水量：采用直接水份检测到水份控制控制粘土含量：在线快速检测是发展重点控制性能参数：紧实率、透气性、湿强度、韧性等,7.2铸造过程检测与控制特点,7.2.3造型（芯）过程控制,典型的砂型铸造工艺流程,实现造型线的计算机自动控制具有以下明显的优点：,故障率低：具有很好的抗干扰和故障诊断功能，提高了设备的可靠性、可对造型机的工艺参数进行优化，提高砂型质量，此外还可以显示当时的造型数、设备的运行状态等参数；可以将造型机或造型流水线的控制计算机与铸造厂的企业信息管理网络连接，随时将造型机上的信息传送到网络服务器上，供其他网络单元使用，也可以通过网络向造型机发出指令，实现这个铸造厂的计算机网络化管理。,7.2.4熔炼过程控制,冲天炉熔化过程影响因素,从控制角度来说，冲天炉作为一个生产流程的信息因子和控制因子较多，可分成下列四类,冲天炉熔化过程控制,一、冲天炉熔炼基础知识,1.1冲天炉熔炼基本原理,冲天炉熔炼是由底焦燃烧、热量交换和冶金反应三个基本过程组成。,图1.1所示为冲天炉工作过程原理图,分渣器,底焦高度,铁料,层焦,风嘴,炉缸,冲天炉内的燃烧过程是在底焦中进行，根据焦炭燃烧的化学反应，可将底焦燃烧划分为两个反应区段：,O2,氧化带从风口到自由氧基本耗尽，CO2浓度达到最大值的区域。还原带从氧化带顶面至炉气中CO2和CO含量基本不变得区域。冲天炉内焦炭燃烧的快慢主要由扩散速度决定。凡是能提高气流速度、加大焦炭与气流的接触面积、提高风温和增加氧气含量的措施，均可提高扩散速度，强化焦炭的燃烧。,热量交换,一般将冲天炉沿炉身高度方向划分为预热区、熔化区、过热区和炉缸区。1.预热区是指从料面到铁料开始熔化的位置的这段区域。炉气与炉料之间的热传导方式以空气对流为主。2.熔化区是指从铁料开始熔化到熔化完毕这一区域，实际上也就是底焦顶面高度的波动范围，其高度大致等于层焦的厚度。熔化区的热交换方式仍以对流为主。3.过热区铁料熔化后铁液滴下落过程中，与高温炉气及炽热的焦炭接触，温度得到进一步提高。传热方式以热传导为主。4.炉缸区内无空气供给，焦炭几乎不燃烧，所以对于高温铁水来说，炉缸是个冷却区，熔炼稳定后，对铁液温度则无明显影响。,工频感应炉熔化过程控制特点,与冲天炉熔炼相比，采用感应炉熔炼具有以下优点：无接触加热铁水的搅动铁水的净化能力强铁水温度控制方便铁水化学成分容易控制,加热炉熔化过程控制,电加热炉的微机控制系统方案,工频感应炉的调节技术,7.3铸造过程信号检测方法,砂处理过程信号检测方法,含水量检测,(1)电阻法,用电阻法检测混砂机内型砂含水量示意图,7.3铸造过程信号检测方法,砂处理过程信号检测方法,含水量检测,(2)电容法,圆筒形电容法测定含水量用检测装置简图,粘土含量检测,利用亚甲基兰滴定法或分光光度计法作常规检验，由于测试周期长和操作复杂而无法用于在线检测。提出了一种快速测定型砂有效粘土含量及含水量的新方法，称为双电源二次激励法，可在半分钟时间内自动完成型砂有效粘土含量和含水量等参数的在线检测。,双电源二次激励法原理示意图,综合性能参数检测,主要由供砂单元、砂样制备及紧实率测定单元、含水量及砂温测定单元、透气性测定单元及劈裂强度测定单元五大部分组成。测试过程包括(1)紧实率(2)含水量(3)温度(4)透气性(5)劈裂强度五项型砂性能检测信号的采集、处理、运算及结果打印，在微机控制下自动完成,型砂五性能在线检测系统结构简图,7.3.3造型过程信号检测方法,砂斗料位检测,(1)电阻砂位计法,图7.15电阻砂位计原理图,7.3.3造型过程信号检测方法,砂斗料位检测,(2)电容砂位计法,图7.16电容砂位计原理图,砂型紧实度检测,图7.17砂型紧实度在线检测系统,紧实型砂的目的在于使砂型具有一定紧实度，从而具有一定的强度。,7.3.4熔炼过程信号检测方法,冲天炉熔化过程参数检测,根据影响冲天炉熔炼过程的因素来分，冲天炉熔炼过程中主要的参数可分为控制参数、干扰参数、监测参数和输出参数四类。控制参数和干扰参数包括送风量、送风湿度、送风温度、底焦高度波动、层铁焦比和氧气吹入量等，它们直接影响冲天炉的熔炼效果；监测参数和输出参数包括送风压力、炉气温度、炉气成分、铁水温度、铁水化学成分、熔化速度和炉渣成分等，它们直接反映冲天炉熔炼效果的好坏。对这些参数的检测和控制都是由微型计算机监控系统完成的。,工频感应炉熔化过程参数检测,在铸造行业中目前普遍采用的是容抗平衡法，即用平衡电抗器和平衡电容器与经过补偿的感应线圈组成平衡三角形，按一定的相序接入电网，如图7.21所示,对于补偿和平衡自动控制系统需要检测三相电压、三相电流及主回路相位，或者检测有功功率和无功功率，计算当前应投入的平衡和补偿电容量。此外，为保证设备运行安全，必须对感应器和电抗器的水温、水压和底部炉衬温度进行监测。上述被测参数与控制系统的组成关系如图7.22所示。,图7.21容抗平衡图,图7.22被测参数输入示意图,7.4铸造过程自动控制,7.4.1砂处理过程自动控制,1.混砂过程自动控制,就混砂机混砂过程的控制过程特点来看，可以分成三类控制系统：前测控制系统：在混砂各成分加入混砂机前对混砂量及其成份进行控制；,即测控制系统：在混砂机混制型砂的过程中随时检测砂质量，并对过程实现闭环控制；1)温度和含水量即测控制系统：图7.26为混砂过程中对型砂的含水量及其温度进行即测的控制系统,图7.26温度和紧实率即测控制系统,2)紧实率和粘聚力即测控制系统,图7.28为混砂过程中对型砂紧实率和粘聚力进行控制的即测控制系统,图7.28紧实率和粘聚力即测控制系统,3)成型性即测控制系统,图7.29成型性即测控制系统1-振动器；2-集砂槽；3-光电管；4-继电器放大器；5-电磁水阀；6-微振器,目前应用最多的是成型性即测控制系统，见图7.29所示。,3)成型性即测控制系统,图7.31为一种设有旧砂温度补偿加水系统的控制系统简图,图7.31带温度补偿加水系统的控制系统简图1-散料重量定量斗；2-电磁水阀；3-继电放大器；4-成型性控制器；5-混砂机；6-水阀；7-气动水阀；8-截止阀；9-旧砂温度补偿装置；10-气动阀；11-截止阀；12-气压表；13-放大调节器；14-时间继电器；15-温度测量装置；16-旧砂温度检测探头,后测控制系统：一次混好型砂后，根据其质量对下一次混制过程实现控制。,图7.32是一个既有即测又有后测的混砂控制系统。,图7.32后测即测综合控制系统1-旧砂加料斗；2-电磁水阀；3-继电放大器；4-成型性控制器；5-刮板；6-带式输送机；7-振动给料器；8-松砂装置；9-型砂综合性能检测仪；10、11-控制器；12-混砂机；13-粘土中间料斗；14-称量装置；15-链条；16-链条驱动装置；17-给料器；18-粘结剂料斗,2.混砂机连续定量装置自动控制,1)定流量控制系统,图7.33为定流量控制系统。采用摆式皮带秤对松散物料进行定量控制。,图7.33定流量控制系统1、11-调节器；2、10-变换元件；3、9-传动机构；4、8-定量斗；5-执行器；6-调节器；7-流量计；12、18-速度传感器；13、17-乘法器；14、16-给定器；15-混砂机,2)容积及重量混合控制系统,图7.34为容积及重量混合控制系统。其中旧砂采用皮带给料机连续定量，而粘结剂采用重量连续定量。,3.热砂增湿冷却系统加水量自动控制,为了使混制后的型砂温度控制在造型工艺要求的范围内，热旧砂在进入混砂机前要进行降温处理。目前生产上广泛采用增湿冷却降温法，该控制系统如图7.35所示。,图7.35热砂增湿冷却控制系统a-开关信号；b-热砂温信号；c-热砂含水量信号；d-给定砂量；e-给定冷却后温度1-旧砂匀料斗；2-料位计；3-给料器；4-带式输送机；5-开关；6-温度检测探头；7-型砂含水量检测探头；8-高频发生器；9-过滤器；10-电磁水阀；11-电动调节阀；12-涡轮流量计；13-电动执行器；14-变换器；15-减压阀；16-电磁气阀；17-双轮松砂机,双盘冷却器喷水降温自动控制系统的结构如图7.36所示，主要由工业控制计算机、检测模块和加水机构三大部分组成。,图7.36双盘冷却器喷水降温自动控制系统结构示意图,4.人工神经网络在型砂质量控制中的应用,研究开发工作分为三个阶段：,第一阶段，这部分工作的重要目标是验证在型砂控制中使用神经元网络的有效性，以及做进一步研究的可能性分析。实践表明，尽管许多因素都会影响输出量的变化，但只要抓住重要影响因素，合理选用时间间隔、神经元网络动态预测的湿压强度、紧实率与实际检测值之间的偏差就会较小。,4.人工神经网络在型砂质量控制中的应用,研究开发工作分为三个阶段：,第二阶段，建立了一个人工神经元网络的型砂性能控制系统，如图7.37所示。,图7.37神经元网络型砂性能控制系统框图,4.人工神经网络在型砂质量控制中的应用,研究开发工作分为三个阶段：,第三阶段，研究人员在图7.37所示的控制系统基础上，新增了InputValidator确认器，如图7.38所示，它的功能是将硬件测试错误导致的不合理数据扔掉。,图7.38增强型神经元网络型砂性能控制系统框图,最近，这项研究又有了新的进展，其工作原理如图7.39所示不同之处在于前馈控制器采用了模糊控制，该系统具有很好的一致性。,图7.39控制系统自优化控制器结构框图,7.4.2造型（芯）过程自动控制,造型线自动控制,图7.40所示为BMD气流冲击造型线的设备布置图，它采用单机组线，上型移出的串联开放式方式布置,图7.40BMD气流冲击造型线平面布置图1-造型机；2、10-翻箱机；3-落型机；4-运转小车1；5、6-组芯机；7-液控系统；8、9-铣浇口机；11-合型机；12-运转小车2；13-取放压铁机；14-运转小车3；15-落砂机；16-机械手；17-运转小车4；18-捅箱机；19-砂胎推入装置；20-捅箱运输机、平车刮扫器；21-分箱机；22-平车及砂箱刮扫机；23-电控系统,BMD气流冲击造型线的工艺流程见图7.41所示,图7.41BMD气流冲击造型线的工艺流程图,砂型（芯）的快速原型制造技术,图7.44两种熔模铸造工艺过程的比较图,7.4.3熔炼过程自动控制,1.冲天炉自动控制,为了获得高温、优质的铁水，提高热效率，减少元素的烧损，稳定生产率，需对冲天炉的熔炼过程进行自动控制，一般可分为以下两个方面。冲天炉配料优化系统。可以用微机进行最低成本的优化配料计算，将优化配料的结果指导炉料配料系统，对炉料进行定量控制，提高配料称量的精度和管理水平。冲天炉熔炼的自动控制。一般通过微机对铁水的温度及化学成分、风量、风压和炉气成分等进行检测，以诊断冲天炉的运行状况。并用微机对冲天炉熔炼过程的送风量、送风湿度、送风温度、加氧送风进行控制。,1)炉气压差式自动上料装置,图7.45炉气压差式料位控制装置简图,2)光电自动料位控制系统,图7.47冲天炉料位光电控制系统电子线路简图,2.工频感应炉自动控制,工频感应电炉熔炼铸铁的生产实践经验证明，为了得到高效率熔化过程，保证稳定的和高质量铸铁性能，必须在实现感应炉熔炼过程的自动控制。工频感应炉的控制原理如图7.53所示,图7.53工频感应炉控制原理图,工频感应炉在熔炼过程中，除进行功率因数的自动补偿和三相电流不平衡补偿外，由于炉衬烧穿具有极大危害性，因此，现在的控制回路中都加有泄漏检测装置，如图7.54所示,图7.54工频感应炉泄漏检测装置示意图,采用计算机控制的工频感应炉电气控制框图如图7.55所示,图7.55采用计算机控制的工频感应炉电气控制框图,3.加热炉自动控制,1)电加热炉位式温度控制系统,图7.57为电加热炉二位式温度控制系统简图。当温度低于给定值时，继电器吸合，电阻丝通电加热。当温度达到给定值时，继电器断开，电阻丝断电，停止加热。在加热过程中，炉温始终保持在给定值附近。,电加热炉温度位式控制系统所使用的控制器，常采用两位控制动作的动圈指示调节仪(如XCT-101型)，或者是带有位式控制机构(例如微动开关电接点)的电子电位差计。图7.58是带位式控制机构的电子电位差计与电加热炉组成的自动控制系统电路原理图。,图7.58电加热炉二位式温度控制系统电炉原理图,2)电加热炉PID温度调节系统,图7.59为利用PID和可控硅触发控制的温度调节系统方框图。此系统由毫伏定值器、微伏放大器，PID调节器和可控硅触发器四部分组成。,图7.59由PID和可控硅触发控制的温度调节系统方框图,(1)移相触发可控硅调压式控制系统,控制系统示意图见图7.60所示，它主要由放大与触发电路、反馈与预给电路、同步脉冲发生器和保护电路等部分组成。,图7.60移相触发可控硅调压式控制系统简图,(2)过零触发可控硅调功式控制系统,所谓过零触发就是触发信号发生在电源电压过零时，触发可控硅使其导通。,图7.61所示为可控硅调功器的组及其工作原理图。,7.4.4低压铸造过程自动控制,1.低压铸造装置,低压铸造的装置简图如图7.62所示,2.液面加压控制原理,为使低压铸造时获得合格铸件，重要条件之一是使金属液以最佳速度注入铸型。从低压铸造的