[硕士论文精品]压铸机电液伺服系统研究

中文摘要压铸是大批量生产高精度可互换性机械零部件的重要加工方法之一，广泛的应用于汽车、电子、灯具、摩托车制造行业，在国民经济发展中占有用重要的地位。压射机构是实现压铸工艺参数的关键因素，对铸件的表面质量、尺寸精度、力学性能有着直接影响。而具有伺服液压驱动系统的压铸机能够灵活、精确的控制压射速度、压力等工艺参数，是压铸机发展的大势所趋。本文以DCC400M型冷室镁合金压铸机为典型范例，研究了其压射机构电液控制系统的动态性能及速度闭环控制算法。第一章绪论中，首先对以下几方面的内容进行了综述压铸工艺；压铸机的发展及其分类；压铸机电液控制系统的发展及分类；压铸机实时控制系统的构成大流量比例伺服阀的发展现状。从而比较深刻的理解了压铸工艺与其电液控制系统的密切联系以及为什么要在压射机构中采用电液伺服系统及实时控制系统，在此基础上论述了本课题的研究意义、研究内容。压力是压铸工艺中需要精确控制的重要的参数之一。在压铸机压射系统中，由增压蓄能器、增压阀、增压缸以及相关的压力容脏构成了整个增压系统，这些元件的参数决定了建压过程的时间以及超调量。可通过理论分析或仿真对上述元件参数进行优化，找出最佳匹配关系，从而实现快速而稳定的增压动作。本文第二章对压射机构中的增压油路系统进行分析建模，并通过仿真对DCC400M型压铸机的增压系统所用增压阀的通径进行优化，并比较了增压缸活塞采用45号钢或铝合金材料两种情况下给增压过程带来的影响。根据现代压铸工艺的要求，为了充分排气，要求压射冲头的速度与冲头位置的关系按特定曲线变化。这就需要对冲头速度进行连续、精确的闭环控制，而要实现对冲头速度的快速、精确控制，闭环控制算法是关键因素。本文第三章从基于伺服控制的压射系统基本工作原理出发，建立其数学模型及仿真模型，通过理论分析得到速度闭环控制算法，同时以仿真和试验的手段来考察控制算法的效果。着重对比考察了负载补偿算法、PID算法和状态反馈算法的效果和具体使用方法。第四章概括了全文的主要研究成果，并展望了今后需要进一步开展的工作。关键词压铸机；压射系统伺服控制；优化设计ABSTRACTPRESSMOULDMETHODISONEOFTHEMOSTIRLLPONAMPROCESSINGTECLLILICS，WHICHPRODUCEPRCCISEANDIMERCHANGEABIEPARTSINMASSPRODUCTIONNISWJIDLYAPPIIEDTOAOMOTIVE，ELECTRONICS，LIGHTFITTINGANDMOTORCYCLEMDU蚰ALANDMAKES舒EA圭SENSEINNA吐ONALECONOMYLNJECTIONRNECHALLISMISONEOFTHEKEYF如TORSFBRREALIZINGMEDIECASTMGPROCESSINGP煳ETERSANDMAKEDIRECTINFLUENCESONTBESUMLCEQUAL吼DIMENSJONACCURACY，MECHANICALPMPER移OFDIEC酗TINGPA如THEDIECASTINGMACHINEDRIVEDBYSERVOHYDMMICSYSTEMCANCONTROIT11EDIECASTINGPROCESSINGPAR啪ETERSACCURALELYA11DRAPIDLY，WHICHIST11EDEVELOPMEM仃ENDOFDIECASTI。礓MACHINETHECOLDCH锄BERMAGNESIUMDIECASTINGMACHINEISTALCENASATYPICA】SUBJECTINVESTLGATEDIN也ISPAPETTHEDYNAMICPERFO咖A11CEA11DCLOSELOOPCONTR01ALGORIMMOF沁SHOTMECHAILISMISINVESTIGATEDINCH印TER1，TLLEFOLLOWINGITEMSAREOVER“EWED矗RSTLYCONCEPTSOFPRESSMOULDMETHO出DEVEL叩MEMANDCLASSIFLCATIONOFDIECAS廿NGMACHINE；CON风LLRATIONOFREALTIMECONTROLLEDDIECASTINGMACHINE；STATEOF_MEANOF1A唱EFLOWSERVOVALVEBASEDONTHESEOVERVIEWS，THESIGNI日CANCEANDAIMSOFTHISDISSEN“ONAREPRESENTEDPRESSISONEOFT1EMOSTIMPORTAMPROCESSINGPAR撕ETERSI门INJEC廿ONMECHANISM，TBENITROGENCYLINDEPRESSUREVALVE，PRESSUREINCREASMGCY王INDERANDREL砒EDOILCH锄BEFCONSTIMTETHEPRESSUREINCREASIILGSYSTEM，WHJCHDECIDE廿1EPRESSUREINCREASJNGD”AMICCHARACTERISTICSTHEP猢ETERSOFTHESEPANSCANBEOPNMIZEDBYTHEORETICALANALYSISANDSIMULATIONINCHAPTER2，THELATILSRECMMOFPRESSUREVALVEUSEDIN勘EDC400MDIEC酗TIN譬MACHINEISOPDMIZEDANDT11EPRESSUREI11CREASINGDYNAMICCHARACTERISTICSARESTUDIEDWI也THEPISTONOFPRESSUREINCREASMGCYLINDERMADEBYALUMINIUMA1】OVOR45撑STEEL_ACCORDINGTOTHE1ATESTRESEARCHREPORTONDIECASTINGPROCESSING，THEVELOCITYOFPLUNGERISREQUIREDTOCHANGEWITHTHEPOSLTLONOFP1吼GERASPERACENALNCUN，EINORDERTOEXHAUSTAIRCOMPLETELYASARESULKTHEVELOCITYOFPLUNGERMUSTBECLOSELOOPCONTROLLEDTHECLOSE一100PCONTRO】A】GORJ蚰IS幽EKEYFACTOR船F_MJSHTHETASK王NCHA呻R3，THEMATHEMATFCALMODEJNDSIMULATIONMODELOFINJECTIONSYSTEMAREESTABLISHEDINDIVIDUALLYBASEDONANALYZINGMEOPERATJONPNCIPIEOFINJEC畦ONSYSTEMWHICHISDRIVEDBYASERVOHYDRAULICSYSTEM，THECLOSE一100PALGORITHMISREACHEDBYTHEORETJC81ANALYSIS，WHILETHESIMULANONISUSEDTOINVESTINGITSEH色CTTHELOADCOMPENSATEDALGOTM，PIDALGOTHMA工1D嘲LEFEEDBACKALG嘶THMATEINVESTIGATEDINDIVIDUALLYANDASPECIALALGORITLLMISPUTFBLWARDINCHAPTER4，鲥OFACHIEVEMENTSOFTHEDISSE删ONARESUMMARIZEDANDTHE如RTHERRESE眦HWORK，WHICHWILLBEDONE，ISPUTFONVARD1EYWORDSDIECASTII培MACHINE；I删ECTIONSYSTEM；SE“OCON仃OL；OPTIMUMDESJGN；浙江大学博士后出站报告11引言第一章绪论压铸的实质是使熔融状态或半熔融状态的合金浇入压铸机的压室，随后在高压的作用下以极高的速度充填压铸模的型腔，并在高压力下使熔融合金冷却凝固成型的高效率、高效益的精密铸造方法。压铸是大批量生产高精度可互换性机械零部件的重要加工方法之一，广泛地应用于汽车、电子、灯具、摩托车制造行业，在国民经济发展中占有用重要的地位。压铸机是进行压铸生产的高度自动化机械装备，其工作性能的好坏直接影响到所生产压铸件的质量及精度。由于高速度和高压力是压铸时熔融合金充填成型过程的两大特点，也是压铸工艺与其他铸造方法的根本区别之所在，因此，压铸机中普遍采用了液压元件作为其动力和执行单元。衡量一台压铸机先进与否主要看其液压及控制系统的先进性如何。本文的目标是通过理论和试验手段研究压铸机电液控制系统中所存在的问题并提出适当的解决方案。本章从压铸工艺着手理解压铸机的工艺动作及性能指标，进而分析对比目前存在的各种压铸机电液控制系统。其中，重点介绍了目前最为先进的基于实时控制的压铸机电液控制系统，并对其核心控制元件一大流量电液伺服阀做了详尽介绍，由此，对压铸机电液控制有一个概括性认识。本章结尾概括了本文的研究内容及关键问题。12压铸工艺简介高压力和高速度是压铸时熔融合金充填成型过程的两大特点，也是压铸和其他铸造方法根本区别之所在。压铸时常用的压射比压在几兆帕至几十兆帕范围内，甚至高达500MPA；充填速度在O5120州S范围内；充填时间很短，一般为O01。O2S，最短只有干分之几秒。此外，压铸模具有很高的尺寸精度和很低的表面粗糙度，由于具有以上特点，使得压铸件的结构、质量和有关性能、压铸艺以及生产过程都具有自己的特征。121压铸工艺的特点与其他铸造方法相比，压铸有如下的优点1铸件的尺寸和表面光洁度高。铸件的尺寸精度为ITL2ITLL；表面粗糙度一般氏为32O8啪，最低达O4UM。所以，一般压铸件可以不经过机械加工或仅是个别部位加工即可使用。2铸件的强度和表面硬度高。由于压铸模的激冷作用，又在压力下结晶。因此，压铸件表面层晶粒较细，组织致密。所以表面层的硬度和强度都比较高。压铸件的抗拉强度一般比砂型铸件高2030，但延伸率较低。3可以压铸形状复杂的薄壁铸件。由于压铸零件形成过程始终是在压力作用下充填和凝固，对于轮廓峰谷、凸凹、窄槽等都能清晰的压铸出来。压铸出的浙江大学博士后出站报告最小壁厚锌合金为O3MM；铝合金为05MM；铸出孔最小直径为O7NUN；铸出螺纹最小螺矩075MM。对于形状复杂，难以或不能用切削加工制造的零件，即使产量小，通常也采用压铸生产，尤其当采用其他铸造方法或其他金属成型工艺难以制造时，采用压铸生产最为适宜。4生产率极高。在所有的铸造方法中，压铸是一种生产率最高的方法。这主要是由压铸过程的特点决定的，随着生产工艺过程机械化、自动化程度进一步发展而提高。一般冷室压铸机平均每班可压铸600700次，热室压铸机可压铸30007000次，适合于大批量的生产。每一次操作循环一般为10S1MIN，并且可以实现一模多腔的工艺，其产量倍增或多倍增。与其他铸造方法比较，压铸还节约甚至完全省去了零件的机械加工工时和设备，据有关资料介绍，采用一台压铸机生产某批零件，可以节省1560台金属切削机床。5可省略装配操作和简化制造工序。压铸生产时可嵌铸其他金属或非金属材料零件，以便提高压铸件的局部强度，满足某些特殊要求如耐磨性、绝缘性、导磁性等，及改善铸体结构的工艺性。压铸即可获得形状复杂、精度高、尺寸稳定、互换性好的零件，由可以镶嵌压铸，代替某些部件的装配和简化制造工序，改善压铸件的工作性能。因此，节省能耗。另外一方面，压铸也存在一些缺点有待解决，主要包括1于液体台金充型速度极快，型腔中的气体很难完全排除，常以气孔形式存留在铸件中。因此，一般压铸件不能进行热处理，也不宣在高温条件下工作。这是由于加热温度高时，气孔内的气体膨胀，导致压铸件表面鼓包。影响质量和外观。同样，也不希望进行机械加工，以免铸件表现显露气孔。2压铸合金的类别和牌号有所限制。模具材料目前只适用于锌、铝、镁合金的压铸，而铜合金压铸时，模具使用寿命短的问题已突出。对于黑色金属压铸，由于黑色金属熔点高，压铸模使用寿命短，故目前黑色金属压铸难用于实际生产。但近年来，正在研究试验半圆态金属压铸新工艺，将为黑色金属压铸丌辟新的途径。至于某一种合金类别中，仅限于几种牌号可以制造压铸件，这是由于压铸时的激冷、产生剧烈收缩、成型的充填条件等原因形成的。3压铸生产准备费用较高。这是由于压铸机的成本高，压铸模加工周期长、成本高，而且压铸生产效率极高，故一般仅适合大批量生产。122压铸工艺的应用范围压铸是近代金属加工工艺中发展较快的一种高效率、少无切削的金属成型精密铸造方法。与其他铸造方法比较，由于压铸的生产工艺施程短工序简单而集中，不需要繁多的设备和宠大的工作场地铸件质量优、精度高、表面光洁程度好，可以省略大量的机械加工工序、设备和工时金属的工艺出品率高，节省能源节省原材等优点。所以压铸是一种“好、快省”高经济效益的铸造方法。这种工艺方法己广泛地应用在国民经济的各行各业中如兵器、汽车与摩托车、航空航天产品的零部件以及电器仪表、无线电通信、电视机、计算机、农业机具、医疗器械、洗衣机、电冰箱、钟表、照像机、建筑装饰以及日用五会等各种产品的零部件的生产方面。目前生产的一些压铸零件最小的只有几克，最大的铝合金铸件重量达50K2，最大的直径可达2M。月前压铸广泛的用于有色合金的压铸件。由于压铸工艺的特点，使用的合浙江大学尊士后出站报告金要求结晶温度范围小、热裂倾向小以及收缩系数小的压铸铝、锌、镁及部分铜的台金。至于黑色金属的压铸由于尚缺乏理想的耐高温模具材料，尚处于研究试验阶段。在有色合金的压铸中，锚合金占比例最高R约3060“，锌合金次之。在国外锌合金铸件绝大部分为压铸件。铜台盒比例仅占压铸件总量的12。铝、锌台金压铸的零件主要范例如表1所示。表1压铸零件范例I压铸零件范例铝合龟锌合金曲柄箱、引擎盖、变速箱、离合器外壳、化油器本体、浮筒室盖、浮简室本体、I马达外壳、托架、外盖、手把、电扇座、瓦斯器具、油泵本体、托架、汽车仪表、打字机机台、汽车轮毂、双筒望远镜本建筑用品门把、农机具用零件、阀体、体、缝纫机机臂、机床之臂、音像零件、阀把、汽车用装饰品、喇叭环、汽车用录音机零件、钓具、喇叭环、照相机本后视镜座、灯体、汽车用门把、家用电体、仪表外壳、仪表用机架、仪器用台器、打火机外壳、领带夹、装饰品、杯架、放映机、电梯踏阶、洗衣机综上所述，压铸零件的应用范围很广泛，是很有发展前途的工艺力法之一。目前扩大应用范围，主要趋势是发展大型压铸件生产、承力零件压铸生产、压铸生产自动亿、黑色合金压铸咀及研制熔点高、耐热疲劳、抗热裂倾向好的模具材料、延长压铸模具服役寿命等。上述诸方面，国内外均进行了大量的工作，并取得了一定的成果。压铸是高效益、高效率、很有发展前途的铸造方法在改革开放，发展高科接应用于生产实际的形势下，压铸必将取褥更迅速的发展，更进4步扩大其应用范围在国民经济发展中必将发挥出越来越大的作用。123压铸工艺参数压铸过程是利用高压力、高速度，追使浇入压铸机压室内的熔融或半熔融状态金属在极短的时间内充满压铸模的型腔。其中，压铸压力、压铸速度是压铸过程巾主要的工艺参数，图L所示为典型的三级压射过程中压铸压力、冲头速度、冲头位移随时间的变化曲线。冲头位移随时间的变化曲线。浙江大学博士后出站报告_F7髓II74伊蘧A萨FIL，TTL图1典型压射曲线】1压铸压力压铸压力一般用压射力、比压表示。其中，压射力是由压铸机的规格所定。它是压铸机的压射机构推动压射冲头的力，可用下式计算FPG孚11式中F一压射力KN；最一压射缸内的工作压力PA；D一压射缸的直径M；压射比压是压室内熔融合金单位面积上所受的压力，其值可用下式计算咒牟冬12“一百一孑纠式中咒一压射比压PA；爿。一压射冲头截面积M2；D一压射冲头直径M；压铸过程中，作用在熔融合金上的压力不是一个常数。它是随着时间和压铸过程的不同阶段而变化。在具有增压缸的三级压射机构中，熔融合金在压室与压铸模型腔中的运动情况，压力变化曲线如图L所示，熔融合金所受压力变化分四个阶段第一阶段慢速封孔阶段。压射冲头以慢速向前移动，熔融合金在较低压力的作用下推向内浇口。慢速是为了防止熔融合金在越过压室浇注孔时溅出和有利于压黼强瑚鼬瑚埘耆盥雠。浙江大学博士后出站报告室中气体的排出，减少熔融合金卷入气体。此时压力只用于克服压射缸内活塞移动和压射冲头与压室之间的摩擦阻力，熔融合金被推到内浇口附近。第二阶段充填阶段。二级压射时，压射活塞开始加速，并由于内浇口处的阻力而出现小的蜂压，熔融合金在压力的作用下以极高的速度在很短时间内充填型腔。第三阶段增压阶段。充填型腔结束时，熔融合金停止流动，由动能转变成冲击压力。压力急剧上升，并由于增压缸开始工作使压力上升至最高值，这段时间极短一般为O01一O04S，称之为增压建压时间。第四阶段持压阶段，亦称压实阶段。熔融合金在最终静压力作用下冷却凝固，以得到组织致密的铸件。由于压铸时铸件的凝固时间很短，因此，为实现上述的目的，要求压铸机构在充型结束时，能在极短的时间内建立最终压力使得在铸件凝固之前，压力能够顺利地传递到型腔中去。所需最终静压力的大小取决于铸件的壁厚及复杂程度、合金的性能及对铸件的要求，一般为50500MPA。2压铸速度压铸速度有压射速度和充填速度两个不同的概念。所谓压射速度是指压铸时压射缸内油压推动压射冲头前进的速度，充填速度是指熔融合金在压力作用下，通过内浇口导入型腔的线速度。充填速度的主要作用是将熔融合金在凝固之前迅速输入型腔，是获得轮廊清晰、表面光洁的铸件重要因索。此外，为了得到高的流体动压力也需要高的充填速度。充填速度的选择主要根据台金的性能及铸件结构的特点。充填速度过高会使铸件粘型或内部孔洞增多。充填速度过低会造成铸件轮廓不清晰甚至不能成型。充填速度与压射比压、压射速度及内浇口形状有关。根据流体流动连续性原理，可知压射速度与充填速度之间的关系为V坐11314以式中V一压射速度FMS；D一压室内径M1；V，一充填速度耐S爿。一内浇口截面积M2；根据水力学原理，压射比压与充填速度之间的关系可以用下式表示V。J等。，式中G一重力加速度MS2；Y熔融合金的重度NIN2由13式可知，冲头的压射速度反映了熔融合金在压室的流速，只要控制冲浙江大学博士后出站报告头的压射速度即可控制填充速度。为了减少气孔、提高铸件质量，根据工件和模具的特征以及冲头所处的位置要求冲头具有不同的压射速度。按典型的三级压射理论，压射速度的变化分为如下三个阶段第一阶段为匀加速慢压射阶段。慢速段要求从静止到临界速度的加速过程保持匀加速速度位置CONSTANT，使冲头以极稳定的低速移动至金属浇注口关闭。该过程必须保持速度平稳，即使在较高的充料水平下也不会让金属液溢出。馒压射速度应具有01O8111S的调整范围，稳态误差小于士L，超调量小于10。第二阶段为快压射阶段。快压射阶段为压铸模型腔的填充阶段，时间一般在2080MS之间。系统必须以工艺要求的最大加速度三5111SO01S达到设定的充型速度最大空压射速度超过LOMS，最大工作速度6MS，加速行程应尽可能短2030MM。加速行程之后充型速度应尽量保持稳定，慢速段至快速段的转换一般由设定位置控制。第三阶段为减速段。当压铸模型腔即将被充满之前，为避免压力冲击、减小模具损耗，有时要求将速度降至较低水平小于15州S，减速段启动可由压力触发或者位置触发。L3压铸机的发展及其分类131压铸机发展概况最初压铸机用于压铸铅字，早在1822年，威廉姆乔奇1昕1L锄CHURCH博士浸计了一台日产122力|铅字的铸造机，显示出这种工艺方法的生产潜力。1849年斯图吉斯JJSTURGISS设计并制成第一台手动活塞式热室压铸机，著在美国获得了专利权。1885年默根瑟勒FMERSENM“ER研究了以前的专利，发明了印字压铸机，开始只是用于生产低熔点的铅、锡合金铸字，到19世纪60年代用于锌台金压铸零件生产。压铸机广泛应用于工业生产还是20世纪初期，应用于现金出纳机、留声机和自行车的产品生产中。1904年英国的法兰克林H，HFRANKLIN公司开始用压铸方法生产汽车的连杆轴承，开创了压铸零件在汽车工业中应用的先例。1905年多勒HH_DOE11ER研制成功用于工业生产的压铸机，压铸锌、锡、铜合金铸件。随后瓦格纳WA鲈ER设计了鹅颈式气压压铸机用于生产铝合金铸件。1927年，捷克工程师约瑟夫波拉克JESEFPFOLAK设计了冷压室压铸机，由于贮存熔融合金的坩锅与压室分离，可显著地提高压射力，使之更适合工业生产的要求，克服了气压热室压铸机的不足之处，从而使压铸技术向前推进了一大步。铝、镁、铜等合金均可采用压铸生产。由于整个压铸过程都是在压铸机上完成，因此，随着对压铸件的质量、产量和扩大应用的需求，对压铸没备不断提出新的更高的要求，而新型压铸机的出现以及新工艺、新技术的采用，又促进压铸生产更加迅速地发展。例如，为了消除压铸件内部的气孔、缩孔、缩松，改善铸件的质量，出现双冲头压铸为了压铸带有镶嵌件的铸件及实现真空压铸，出现了水平分型的全立式压铸机；为了提高压射速度和实现瞬时增加压射力以便对熔融合金进行有效地增压，提高铸件的致密度，发展了三级压射系统的压铸机；又如，在压铸生产过程中除装备自动浇注、自动取件及自动润滑机构外，还安装成套测试仪器，对压铸过程中各工艺参数进行检测和控制删。近40年来，随着科学技术和工业生产的进步，尤其是随着汽车、摩托车以浙江大学博士后出站报告及家用电器等工业的发展，又从节能、节省原材料方面出发，压铸技术获得了极为迅速的发展，压铸生产成为现代工业的一个重要组成部分。一些国家依靠技术进步促使铸件薄壁化、轻量化，导致以往用铸件产量评价一个国家铸造技术发展水平的观念发生根本改变，而用技术进步的水平作为衡量一个国家铸造水平的重要依据。国内方面，自建国以来，随着国民经济的发展压铸机得到广泛采用。本世纪50年代就开始生产有较高水平的压铸零件。例如公差只有O14MM的汽车化油器及900洲S航空工业中的叶轮与叶片等。本世纪60年代初设计制造了合型力为6300KN卧式冷室压铸机。1992年，阜新压铸机厂设计制造了合型力为16000KN卧式冷室压铸机。目前，国产压铸机的合型力从5000、6200、6000、10000、12500、16000、30000KN的大型压铸机均有生产，它标志着我国大型压铸机的设计、翎造技术已具备国际水平。但在压铸机的电液控制及测试系统方面，国产压铸机与国际知名品牌之间的差距仍然很大，以压铸机所采用的液压元件为例，国产压铸机80以上仍然采用手动调节阀或是电磁开关阀，压铸速度及压力的控制性能差，无法生产一些对工艺参数要求较为严格的压铸件。少数厂商如深圳力劲、江苏灌南压铸机厂开式尝试采用先进的电液比例阀甚至是伺服阀控制压刺速度和压力，但还没有成熟产品问世【JJ。国外压铸技术的发展趋势包括计算机在压铸生产中的应用F1益增多压铸机向大型化发展；高科技已引入压铸工艺；延长压铸模的服役寿命等等。首先，计算机在压铸生产中的应用日益增多。美国的一些工厂利用计算机模拟为用户分析压铸件设计中的一些问题，并指出如何改进。日本有500多个压铸计算机模拟系统用于曰常的设计工作，并开发出压铸件缺陷数理统计软件，用于质量控制与管理。先进工业国家巳普遍使用微机控制压铸机的工艺动作，例如德国的富米压铸机、瑞士的布勒压铸机均广泛采用了基于微机的实时控制系统，对压铸速度、压铸压力进行实时闭环控制，压铸速度和压铸压力均可按冲头位置根据需要随意设定，极大的提高了压铸机的工作性能。另外，计算机还被用于测定铝合金精炼效果及几何尺寸等无损检测。压铸柔性加工系统也已投入生产实践。它包括自动压铸、自动喷涂自动浇注及自动取件机械手等等。有的还包恬切边、校正压铸机和铸件形成情况检查装置【4”。其次，压铸机向大型化发展。压铸机生产技术发达国家包括意大利德国和瑞士等国，其压铸机生产的趋势向大型化发展。西欧工业发达国家的压铸企业，目前使用的大型压铸机合模力一般是2528MN。大部分用在汽车工业产品的生产中。其中，意大利还生产了35删的大型压铸机，机身长20M，重300T，压射铝合金重量80蚝。据制造厂提供的资料；在厂内第一次空载试验测得的最大合模力是40MN；因而，可在60MPA压力下浇注投影面积为6500CM2的铸件。第三，高科技引入压铸工艺。主要表现在以下几方面采用计算机对压铸工艺参数压射速度、压铸压力进行闭环控制，努力消除压铸件气孔6】【71；采用现代化的熔铝工艺熔炼性能好、热效率高、燃料消耗少、氧化造成熔损小等等；发展镁合金压铸技术。第四，延长压铸模服役寿命。模具寿命取决于模具钢的成份，热处理状态、钢材本身的均质性、非金属杂质含量、晶粒度和初生炭等因素。模具钢的延性和韧性，对模具防止热裂和龟裂非常墓要。延性高可推迟热疲劳裂纹，疲劳强度高可阻IE龟裂的发生。浙江大学博士后出站报告132压铸机的总体结构及分类1压铸机的总体结构压铸机总体结构的基本形式是合模机构、压射机构、液压传动元件及电气控制元件，上述部分均安装在一个卧放着的机座上12J。现代压铸机一般采用焊接机座，机座的结构应具有足够的刚性，其刚性对合模机构和压射机构的工作性能有着巨大的影响。当机座的导向部分因刚性不足而失去几何精度时，动模座板的减压机构便不起作用，因而使导套和导柱很快磨损，压铸机的精度便丧失，压铸模的工作条件变坏，压射机构对压室的同心度就可能遭到破坏等等。机座的内腔大都被利用作为液压系统的工作油箱，这样就大量减少了液压管道。合模机构的结构影响到压铸机的生产效率、工艺性能、重量及造价。主要有曲轴式、液压式、斜楔式、和混合式合模机构四种。就综合性能而论，曲轴式锁模机构最好。曲轴式合模机构由三块座板组成，并用四根导柱将他们串联起来，处于中间的动模座板由合模缸的活塞杆通过曲轴机构来带动。当模具闭合时，曲轴处在支撑状态死点，并根据导柱螺母的调整情况而形成一定的锁模力。在安装不同的压铸模时必须借助导柱螺母来调整合模机构与定模座板之间的相对位置。所有导柱螺母都由一中心齿轮带动，中心齿轮又通过一个小齿轮由液压马达带动旋转，这样使合模力调整操作很简便、占用时间很小，如果没有专门的调整机构，在调整锁模力和更换不同厚度压铸模时操作都很不便。现代通用压铸机的合模机构具有以下特点锁模可靠；动模座板有足够的行程；具有足够空间便于送入和安装模具；铸件顶出机构有足够的行程和顶出力；有可能安装不同厚度的模具；按任意厚度模具进行调整及所需锁模力的调整应简便；动作速度快；开合模平稳，无冲击现象；有可能安装外形尺寸较大的模具。压射机构的结构性能影响到压铸件的质量即影响到铸件的表面状态、外形轮廓、机械性能，金相组织和致密性。现代压铸机压射机构的结构，是把压射缸装在一个固定支座上，固定支座用三根或四根拉杆与定模座板连接，这种简单的结构保证了压射冲头与压室的同心度。增压器与主压射缸的相对位置，有串联、并列、垂直等不同方式。主压射缸的供液是通过带单向阀的增压器空心活塞杆或通过带单向阀的单独管道，当增压时单向阀把压射缸进油腔与供油管道关断。增压器由一单独的增压储能器供油。现代压铸机普遍采用普通液压缸和增压器实现三级压射第一级低速压射阶段，依靠由泵直接向主压射缸供油实现。第二级高速压射，依靠储能器供液以保证工作液大量的消耗来实现，储能器位置紧靠液压缸。第三阶段实现所谓的增压，从充型结束瞬间开始，增压阶段在金属上的比压一般高于第二级压射阶段充型压力的24倍，只有内浇口尚未凝固时增压作用才有效。现代压铸机有一个共同特点是，其液压元件和其他部件均按观察和维护的要求按敞开式布置，在设计液压系统时都力图减少工作时的液压冲击现象。2压铸机的分类压铸机按不同特征进行分类的基本方案如表2所示【2】F9。浙江大学博士后出站报告表2压铸机分类方案分类特征基本结构方式压室浇注方式冷室压铸机热室压铸机压室的结构和布置方式卧式压室压铸机立式压室压铸机总体结构卧式合模压铸机立式合模压铸机小型压铸机功率中型压铸机大型压铸机通用程度通用压铸机专用压铸机自动化程度半自动压铸机全自动压铸机按压室的结构和机能特征，可分为冷室压铸机和热室压铸机两类热室压铸机的主要特点是压室大都直接放在金属熔池内。压室至少要保持金属的压铸温度，被熔合的合金必须完全是液体状态。压室的填充是通过鹅颈实现，当活塞处于起始位置时鹅颈敞开进料。图2所示为热压室结构。图2热压室结构图L一鹅颈2一压室3一浇口套4一堵头冷室压铸机的主要特点是压窒不加热。有可能使用粘稠状的压铸金属，通过高的压力作用，使金属在内浇口处液化，并以适当的速度流入型腔。压室与熔化坩锅或保温坩锅完全隔开。压室是通过舀勺用舀勺手工浇料或机械浇料或通过汲入使用低压或真空馈料的。图3所示为热压室的结构。浙江大学博士后出站报告图3冷压室结构图1一静模2一压室3一冲头4一动模5一熔融金属按压铸机的功率大小，可分为小型、中型和大型压铸机。决定压铸机功率的主要因素是锁模力，锁模力在200吨以下属于小型压铸机，锁模力在2001000吨之间属于中型压铸机，锁模力在1000吨以上属于大型压铸机。按压室的结构和布置方式，可分为卧式压室和立式压室压铸机，立式与卧式压铸机相比较，在结构上压射机构不同，立式压铸机有切断、顶出余料的下油缸，增加了维修的困难，而卧式压铸机压室简单，维修方便。在工艺上，立式压铸机压室内空气不易随液态合金进入型腔，便于设置中心浇口，提高压铸模有效面积的利用率，但液态合金充填过程中的流程长，能量损失大。而卧式压铸机充填过程流程短，合金消耗少，能量的损失也少，有利于传递最终压力，且操作程序简单，故卧式压铸机使用广泛。丽全立式压铸机占地面积小，操作平稳，压铸模为水平分型型，镶嵌件在型中安放方便，且容易实现真空压铸。但生产效率较低，一般作为专用压铸机。14压铸机电液控制系统的发展及现状按压铸工艺动作的要求，压铸机电液控制系统主要包括开锁模控制电液系统及压射机构电液控制系统，其中压射机构电液控制系统由速度控制回路和压力控制回路两部分组成。随着现代电子技术的进步，压铸机电液系统的控制性能和自动化水平不断提高。目前压铸机压射机构电液控制系统营遍采用了三级压射控制的方式【14【161，按其发展历程及压铸工艺参数调节方式可分为如下三种类型手动调节电液控制系统、电液比例控制系统、电液伺服控制系统。浙江大学博士压出站报告141压铸工艺参数手动调节控制系统图4压铸参数手动调节式压铸机压射机构液压系统原理图1一截止阔2一换向阀3一插装式手调节流阀4一插装式手调节流阀5一二通插装式换向阀6一二通减压阀7一主储能器8一增压储能器9一行程开关10一单向阀11一压射缸12一摸具13一压力继电器14一两位三通电磁换向阔压射工艺参数手动调节电液控制系统的构成如图4所示。其工作原理如下在压射冲头封闭浇料口及熔融金属填充压室的过程中，电磁铁S1、S3得电，电液换向阀2处于左位，压射缸有杆腔回油路控制阀5打开，换向阀2由主液压源供油，进入压射缸无杆腔的流量等于主液压源的流量，冲头以较慢的压射速度前进。当熔融金属充满压室并开式通过内浇口填充型腔时，要求具有较快的压射速度。此时，电磁铁S4得电，插装式手调节流阁3迅速打开，主储能器7中的高压油进入压射缸无杆腔，瞬间产生很大的流量，此时压射速度称为快压射速度，由主储能器压力、节流阀3的开度以及负载情况决定，通过手动调节流阀3的阀口开度可产生需要的快压射速度。当熔融金属充满型腔后，冲头前进的阻力迅速增加迫使冲头停止运动，为了增加压铸件内部金属组织的致密度并使熔融金属充满模型腔的每个角落，要求在熔融金属较高的压力下冷却。为此，电磁阀S5得电，插装式手调节流阀4迅速打开，增压储能器8内的高压油迅速进入增压缸大腔，并在压射缸无杆腔产生一数倍于增压储能器压力的高压，此压力通过冲头作用在熔融金属上，产生所需要的金属冷却压力。通过调节节流阀4的开度可以调节增压瞬间压力的飞升速率，最终压力由增压储能器的储能压力决定，增压储能器的储能压力由减压阀6调定。快压射动作和增压动作的触发条件可由位置或者压力决定。当由位置触发时，快压射动作触发信号由行程开关F92产生，增压动作触发信号由行程开关91产生，行程开关9192的位置根据实压射情况调定；当由压力触发时，快压射动作触发信号由压力继电器133产生，增压浙江大学博士后出站报告动作触发信号由压力继电器132产生，压力继电器132133的设定压力根据实压射隋况调定。整机动作的协调由PLC完成。此类系统的优点是结构简单、可靠、价格低。缺点是多次压射压射过程参数一致性差废品率高、压射速度不能连续调节不适合压铸需要多级排气的工件，无法实现最优排气压射速度控制曲线、慢压射快压射转换点位置不准确，造成排气不充分产品出现气孔或卷气的毛病。由PLC构成的控制系统只能完成组合逻辑的输入输出控制，无法对压铸机的工作状态进行实时监控及故障的检测，一些重要的压铸参数如压射速度等不能进行显示，压铸机的工作参数均为人工调节，靠操作者的经验来保证压铸件的质量。不确定因素多。142压铸工艺参数电液比例调节控制系统图5压铸工艺参数电液比例调节控制系统原理图1一截止阀2一换向阀3一插装式比例节流阀4一插装式比例节流阀5一二通插装式换向阎6一二通减压阀7一主储能器8一增压储能器9一行程开关10一单向阀11一压射缸12一模具13一压力传感器14一两位三通电磁换向阀图5所示为压铸参数可通过电液比例阀及控制系统调整的压铸机压射机构液压系统原理图【L31。其基本工作原理与手动调节工艺参数的压铸机压射机构液压系统相类似，与其相比有如下三点改进首先，快压射控制阀3及增压控制阀4由手动调节开度的插装式节流阀改为插装式电液比例节流阀，这一变化给控制系统带来了很大的灵活性。其一，对工艺参数的调整更加方便；其二，通过对前一次压射结果进行自动评估，自动调整给定指令，实现压铸工艺参数的半闭环控制。其次，取消快压射触发和增压触发行程开关，代之以光电编码器精确测量锤头位置，这样大大减轻了调模工作强度。只需通过入机界面就可以轻松改变快压浙江大学博士后出站报告射和增压触发位置。第三，取消压射缸入口出口以及增压主储能器出口的压力继电器，代之以压力传感器。这样就可以通过数据采集监视系统对每一次压射的速度曲线、位移曲线、压力曲线进行观察分析。此类压铸机的整机控制一般由PLC和工控机共同完成，PLC主要负责整机动作的协调，而工控机用于对压铸过程的工艺参数进行采集并显示。采用这种控制方式的优点是结构简单、控制方便、精确应用可连续精确控制的比例节流阀，使实际得到的压射速度更接近于设定值；压射过程起始及加速迅速、平稳、无中击抖动现象压射结束及增压过程峰值较低或无峰值。缺点是比例阀响应速度慢，无法满足某些薄壁件快速充型的要求；对压铸工艺参数的调节仍然是开环控制方式，多次压射的参数一致性不好。143压铸工艺参数电液伺服调节控制系统。；蜓冈字一9同茵L鱼5予鞫111魅，奎1J、百山I5嘏1一一饵5窜。J连瑚一J5F图6压铸工艺参数闭环调节的电液系统原理图1一截止阔2一换向阀3一插装式伺服阀4一插装式比例节流阀5一二遁插装式换向阀6一二通减压阀7一主储能器8一增压储能器9一行程开关10一单向阀11压射缸12一模具13一压力传感器14两位三通电磁换向阀图6所示为能够对压铸工艺参数进行闭环调节的压射机构电液系统原理图，对压射速度的控制采用回油节流方式【10L。在一次压射循环的前两阶段，要求对压射速度进行控制，S3得电，位于主储能器出口的插装阀打开，压射缸入口始终保持较高油压，通过插装式伺服阀3控制压射缸有杆腔的输出流量来调节压射速度。由于采用了高性能的插装式伺服阀3，能够对压射速度在很短的时间内进行连续闭环控制。从而保证多次压射工艺参数的致性，并可根据压射位置随惹设定速度曲线，极大的提高了压射杌构的控制性能。这种类型的压铸机控制浙江大学博士后出站报告系统通常由PLC、工控机、实时控制器三者组成。PLC负责实现整机动作的协调控制，工控机实现良好的图形化人机介面，设置压铸工艺参数并监视压铸机的工作状态、压射工艺参数的执行情况等等，而实时控制器则负责对压铸动作实现高速度闭环控制，三者通过数字或模拟信号接口进行通讯。采用电子计算机与伺服系统的液态金属压铸机，把压射过程分成若干阶段，保证各阶段的压射速度在设定值的一定范围以内。当充型速度偏离该范围时，在约LMS内完成调控，可根据压铸件的质量要求，实现预先设定的不同阶段的充型速度，在生产过程中实施动态测量，实时调控。这种系统能使液态金属铸件的内在质量和尺寸精度处于最佳状态，其废品率降低到只有千分之几；压射控制压缩了循环时间而提高了生产率，在生产开始之时，模具温度的波动，会导致废品的产生，但是控制系统也兼顾到在一定的公差带范围内工艺参数的偏差，因此省掉了较长的试模时间；压铸机利用所设计的压射控制系统，在生产开始之前，就按所拟定的数据进行下一步的生产，只要模具安装到位，就能自动地生产合格的铸件，不需要再作记忆、观察或调整有利于减低降低甚至消除飞边，从而延长模具寿命。实时压射控制系统，用于压铸机上反应灵敏，其反应时间一般不得大于压铸充型时间的110，可提高生产效率，降低废品率，节约金属消耗量，操作过程中不会受到人为条件的影响，生产过程中再现性好，有利于延长模具寿命。对于薄壁、厚壁或者壁厚相差悬殊的铸件尤为适用U“。15压铸机实时控制系统的构成及工作原理图7所示为基于电液伺服系统的压铸机电控系统的构成典型范例F衅”。祝器控制系统由PLC、咖I和伺服控制器组成。除压射系统的出口节流伺服阀外，机器所有动作由PLC控制。人机界面HMI采用基于WINDOWS操作系统的高级语言编程。伺服控制器负责按压射设置曲线实时控制压射过程。在压射过程中按O1MS的采样间隔，采集压射油缸入口和出口压力、压射位置信号与伺服阀开度信号，并通过压射位置变化计算压射速度，计算并输出出口节流伺服阀的控制信号。压射过程中或压射完成后，伺服控制器向删I输出压射过程的实时数据，建立压射数据库，用作显示和分析。PLC与伺服控制器共同控制机器完成自动压射，锤头追踪，回锤，手动锤前等工艺动作1自动压射。机器合模后，金属液浇入料筒给汤，PLC发出压射开始信号，并打开截止阀油泵来油、锤前阎、主储能器；伺服控制器控制出口节流伺服阀的开度，按设定的速度曲线进行匀加速慢压射、匀速慢压射、加速、快压射和刹车。当设定的增压触发压力或位置到达后，从速度控制转为压力控制，系统打开增压储能器，控制增压延时、建压时间和增压稳态压力。设定的压射时间到后，系统关闭所有油阀。若系统不选择锤头追踪，则按PLC发出的回锤信号，打开截止阀、锤后阀，伺服控制器控制出口节流阀的开度，按设定的速度回锤至回锤到位吉制发出信号，回锤终止。若系统选择锤头追踪，则当PLC发出锤头追踪信号后，打开截止阀、锤前阀，主储能器伺服控制器控制出口节流阀的开度，按设定的速度进行锤头追踪，然后再回锤。但手动回锤。PLC发出回锤信号后，打开截止阀、锤后阀，伺服控制器控制出浙江大学博士后出站报告口节流阀的开度，按设定的速度回锤。3锤头追踪。PLC发出锤头追踪信号后，打开截止阀、锤前阀，主储能器；伺服控制器控制出口节流阀的开度，按设定的速度进行锤头追踪。4手动锤前。PLC发出手动锤前信号后，打开截止阀、锤前阀；伺服控制器控制出口节流阀的开度，按设定的速度进行手动锤前。图7基于伺服控制的压铸机实时控制系统16大流量比例伺服控制阀的发展现状如上所述，基于实时控制的压铸机电液伺服控制系统的核心元件是一个插装式大流量伺服阀。由于压铸工艺要求模具型腔填充时间必须在很短时间内完成，同时又要求充分排气，避免铸件出现气孔。这就要求控制元件伺服阀具有很快的阶跃响应速度由慢速排气阶段快速过渡到快速型腔填充阶段，同时要求能够通过很大的流量。以400吨压铸机为例，当压射速度为10米，秒时，压射缸出口流量接近4000升分。而压室填充阶段的速度一般来说不到1米秒，这样就要求伺服阀能够以很短的时间小于15MS内，打开至合适的开度，同时不能有太大的超调。而伺服阀的额定流量与阶跃响应速度开度由O变化至100时的响应时间是一对互相制约的参量，在较大的额定流量情况下要获得如此快的响应速度，同时又不能有超调，非常困难。目前国际上知名的液压件制造厂商均浙江大学博士后出站报告针对压铸工业的需求设计制造了自己的大流量伺服阀。如MOO卧BOSCHREXROT1、PARKER、ATOS。它们各有自己的特点，但总体构架上基本类似，均采用了三级放大结构。主级采用主动式插装节流阀，而先导级由一个高响应的控制阀和一个流量放大级组成。主阀芯上安装位移传感器，通过集成放大板对主级阀口的开度进行闭环控制。表3给出了上述各公司所提供的大流量伺服阀性能参数及先导级构成特点。表363通径大流量液压伺服控制阀性能特点比对生产商MOOGBOSCHREXROTHP8RKERATOS先导级结构形式射流管式喷嘴挡板式动圈式比例电磁铁驱动铁式比例电磁铁伺服阀伺服阀动的比例阀驱动的比例阀生级阶跃10020MS1佃S20MS20S相应时间57皿S8MS12MS15MS抗油液污染能力较差整较好好顿定流量3900LMIN主级控制精度O3030507价格高高较高较低由表3可以看出，各公司的大流量液压伺服控制阀主要区别在先导级的选择上，BOSCHREXROTH公司采用喷嘴挡板式伺服阀作为先导级，具有很快的阶跃响应，同时带来了抗污染能力差、生产成本高等缺点，另外其阶跃响应具有定超调量；MOOG公司选择了喷嘴挡板式伺服阀作为先导级，在抗油液污染能力方面有所改善，其超调量较小几乎没有，生产成本相对较低；PARKER公司则采用了最新研制的动圈式比例电磁铁作为电机械转换器，先导阀芯为滑阀结构，在基本不损失动态性能的情况下，大大改善了先导级的抗油液污染能力，同时具有较低的制造成本；ATOS则采用高响应的比例伺服闷作为先导级，其大范围跳变的响应时间与上述几种阀性能相当，而小范围内的阶跃响应特性则相差甚远，但制造成本远远低于上述几种类型的大流量伺服阎，同时抗污染能力也得到了大幅度的提高，因此在欧洲压铸机市场得到了广泛应用。17本课题的主要研究内容及意义决定压铸机性能的主要因素包括结构件的刚度、液压系统的构成及匹配性及控制系统的性能。目前，国产压铸机与国外同类产品的主要差距在液压系统及控制系统两个方面。国际上，压铸机电液控制系统普遍采用了基于实时控制的液压伺服控制系统，取得了非常理想的控制效果，这也是现代压铸机电液控制系统发展的必然趋势。在这方面，欧洲一些国家在技术上目前处于领先地位。以德国的富来压铸机和瑞士的布勒压铸机为代表，其压铸机的压射机构普遍采用了伺服控制技术，并获得了卓越的控制性能【33】【341。相比而言，国产压铸机的电液控制系浙江大学博士后出站报告统落后许多，目前大多数国产压铸机仍然采用开关阀控制，速度控制性能差，压铸工艺无法得到精确控制，只能生产一些低层次的铸件。虽然国内一些压铸机制造厂家开式尝试开发基于电液伺服控制的实时控制压铸机，但由于电液控制方面的技术基础相对薄弱，尚未能开发出成熟产品。本课题的