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真空熔炉设计,真空,熔炉,设计
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黄河科技学院毕业设计(文献翻译) 第 10 页高真空压铸辅助系统的设计与验证摘要：真空压铸是生产高品质铝合金组件的最佳方法。目前，很少有系统研究关于真空压铸理论和设备的设计。在现代真空压铸泵和排气系统理论基础上，简化模型成为了这项研究的一个课题。该简化模型有一个联动装置，这个联动装置由“真空泵+缓冲罐”，一个圆柱形的集装箱(包括开枪套，空穴和排气渠道)组成。在不同体积的模型下对腔内压力和抽气时间的理论分析，设计了一个高真空压铸辅助系统。该系统由一个真空控制机和一个真空截止阀组成；它有人机控制模式“可编程逻辑控制器（PLC）+触摸屏”和缓冲罐的真空度的实时监控功能和压铸模；这个真空截止阀同“压缩气体+活塞杆+迷宫槽”结构实现了真空排气功能的全过程；新系统上表现了巨大优势，以更快的速度清理压铸模具和250吨的压铸机通过测试油腔。当模腔压力小于10千帕的时可以在0.8s内达到，而且铸件的孔隙率大大下降。真空压铸理论和设备上的系统的研究为高真空压铸有很大的指导意义，并应用到其他高真空成型在相关的理论和实践研究。关键词：真空压铸；泵抽模型；高真空；真空截止阀；辅助系统1.引言高真空压铸技术是一种特殊的压铸工艺，获得这项技术期间，须有一个腔内压力小于10千帕，这项技术可以减少或消除在压铸件孔隙率，空气携带量每100克仅1-3毫升,获得的铸件可进一步处理，如热处理，焊接等1-2。高真空压铸技术的关键是设计一个高灵敏度的真空抽气系统,建立一个抽水工序的建模比较困难,一些学者研究了理论模型或实际应用。BAR-MEIR等人3-4，研究了压铸空气排风和抽真空过程的物理模拟，他们认为在压铸过程中排气面积一个关键性因素；当有效的排气阀排气面积小于临界区时，排气不够，液态金属中有大量的气体；当有效的排气面积较大时，容易溢出液态金属。NOURI-BORUJE-RDI等人5，为注入过程中模具腔内残留的空气建立一个瞬态模型，他们认为熔融金属的粘度、温度、注入速度和摩擦系数的影响，从而提高在这一领域的数值模拟计算方法。HERNANDEZ等人6，改良了BAR-MEIR等人的模型，并考虑到抽真空过程中摩擦和气流变化等不稳定因素，这种改进的物理模型是适合于常规压铸和真空压铸，有许多压铸排风和真空压铸抽气的其他研究，但大多停留在理论层面，大多为排气过程的数值模拟。中国清华大学的HU等人7-8进行了理论计算和实验研究直接的抽真空腔压力下降，他们比较了理论曲线与实测曲线模腔压力，只有当抽真空超过2.5秒的时间，可以得到一个理想的腔真空压力小于10千帕；中国华中科技大学的WAN等人1-2,9，自主研发一种与高真空压铸最小填充时间的方法相关技术，他们设计了一个辅助系统，有一个缓冲罐通过液态金属流动的影响来控制机械阀的关闭。在一秒内，这个系统可以减少腔内压力到10千帕。根据目前的文献，很少研究提供真空压铸与缓冲罐系统的完善的理论分析和实际的设计。本文是一个缓冲罐进行高真空抽气系统模型的理论研究和计算分析，研究模腔压力和抽时间之间的关系，并开发满足高真空实验要求高真空压铸的辅助系统。2.缓冲罐泵送系统的理论模型缓冲罐抽真空计划如图1所示,一个大的缓冲罐，作为真空源，添加抽出真空泵和模具腔内之间的气体，气体在缓冲罐真空泵不断抽出。图1、缓冲罐抽真空系统的方案空气通风的理论计算模型如图2所示，它是针对上述方案给出了一个高真空排气理论计算的简化模型，Min是在管道入口马赫数，Mout是在管道出口马赫数，m(t)是模具型腔中的气体摩尔数。图2空气通风的理论计算模型在这种模型下，未填充的的压铸储筒、流道和和模具型腔相结合，看作一个圆柱形的容器（叫做气缸）3。气体通过管道排放到缓冲罐，管道是气流的主要阻力，关于这个模型作出以下假设理论计算：（1） 所有的气体都是理想气体。（2） 排气阶段时间很短，气体温度为300K，不考虑气体的传热。（3）排气过程中忽略气体的泄漏。（4）和气体管道相比，真空管的体积很小，因此可以忽略不计。根据高真空压铸排气过程建立的模型，下面的公式可以建立腔内气体压力和抽气时间的关系。在计算中，Min和Mout管的入口和出口，可以通过求解方程（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) 在时间间隔内t，从气缸排放出去的气体质量m可以得到公式（4）5-6：m=At=P0MinkRT121+k-12Min2-(k+1)2(k-1）At (4) 腔内压力PO(t)和Pv(t)可以通过（5）（6）式得到，分别为：Pvt=mt-mRTV4 (5)Pvt=mt+mRTV2 (6)气体管道直径20毫米，长度3米，缓冲罐是选择150升和选用8升/秒的抽速，缓冲罐有一个初始压力为0.8千帕。气缸体积（压铸储筒、流道和模腔）采用0.5升、1.0升和1.5升计算，计算结果如图3所示，当V1=1.5升，只需要0.73s模具型腔的压力就可以抽减到9.885千帕，并且仅用0.83s达到最低压力8.974千帕，图3模腔压力和时间之间的关系曲线。上述理论模型的计算公式是不考虑不断用真空泵排空真空罐的情况下成立，抽水缓冲罐调用的时间估计由式（7），（8）11：t=2.3KqVSplgPiP （7）V=V1+V2 （8）其中t是抽气时间，Sp是名义抽取速度，V为抽取容器的体积，V1为缓冲罐的体积,V2是抽气管的体积，p是抽取容器的压力，无因次数Kq是修正系数，在这里取111。缓冲罐压力抽到0.8kPa时间缩短，计算公式如下t=2.3KqVSlgPip2.31.25150+9.48lg100000800063s (9)金属溶液灌装前，型腔不一定为真空，需要等待一段时间预抽真空罐。3.设计和实现一个高真空辅助系统根据上述理论模型，高真空压铸辅助系统的设计核心部件是控制系统的设计、真空阀和气动系统，设计和实现过程将在以下简要介绍：3.1控制系统的设计与实现控制系统采用工业控制模式“可编程逻辑控制器+触摸屏”，它可以进行实时监控真空泵、各种电磁阀、缓冲罐、真空阀门、模具型腔。原理图和对象的控制系统如图4所示，给出了控制系统的原理图和照片，控制系统的操作界面如图5所示，给出了操作界面。 （a）控制系统原理图 （b）控制系统对象1、2可编程控制器；3触摸屏；4、5电磁阀；6压力变送器；7压力调节阀；图4原理图和对象的控制系统 （a）人机交互主界面 (b) 参数设置界面(c) 手动调试接口图5.控制系统的操作界面3.2真空阀和气动控制的设计为了达到最好的真空压铸效果，它必须得到保证模具型腔的高真空度可以维持到完全充满金属液态腔，灌装结束抽真空通道应立即关闭。因此，真空阀门的工作模式是实现这一过程的关键。从现有的真空阀开发出各种结构的真空阀12-19，一个模式的“压缩气体+活塞杆+迷宫槽”最初创建和惯性影响金属液是用来关闭排气通道，其反应时间只有1.5毫秒，因此，全过程的真空排气压铸才能实现压铸。最后，真空阀自动复位实现压缩气体的援助；真空阀的结构和如图6所示是真空阀的结构和照片，真空阀也可以由压缩空气控制；真空阀的气动控制电路图如图7所示是真空阀门气动控制电路图。 （a）真空阀模块的内部结构 （b）真空阀的外部配置和照片图6 真空阀的结构和照片1、5两位两通先导式电磁阀；2、6三位两通先导式电磁阀；3三位两通直动式电磁阀；4两位两通直动式电磁阀；7、8压力调节阀；9、压力变送器；10、过滤器；图7、真空阀的气动控制电路图4抽高真空辅助系统验证和分析4.1实验设备和方法ADCl2合金被用作试验材料和真空压铸模具设计汽车的一部分，其质量为1.04公斤，包含铸造本身，浇铸系统和通风系统。安装在模具上的真空阀门图8（a）所示，先进真空阀和模具安装在压铸机，真空压铸棒如图8（b）所示显示了本系统生产的棒。 （a）安装在模具上的真空阀门 （b）真空压铸棒图8.真空压铸实验 一定数额的ADC12被融化在953 K，吹入氩气精炼15分钟，并且保持10分钟保温铸造，所有电热棒加热模具预热到温度523K，缓冲罐的真空压力设定到1千帕。测量和理论计算结果如图9所示，随着时间变化腔的真空度变化，在实验过程中通过理论计算和其他测量得到一条曲线，两条曲线有相同的压力下降趋势的区域。图9测量和理论计算结果4.2观察孔隙铸件铝合金压铸件的致命缺陷是孔隙，通过抽样X-射线检查未经热处理的连接部分棒，表明由传统的压铸生产的铸件的孔隙率是100。通过高真空压铸的铸件气孔分布广泛几乎没有气孔，传统和真空压铸模生产铸件的X射线图片如图10所示典型的气孔分布。同步注入真空系统的全过程，实现了全过程的排气，并在最大程度上满足低孔隙度的要求。 (a)传统的压铸产品 （b）铸件生产系统图10 传统和真空压铸模生产铸件的X射线图片5.结论（1） 缓冲罐在高真空压铸型腔排气过程的计算和分析，依据选择具体参数开发的高真空压铸的铸造辅助系统，不同体积腔通风的理论曲线的绘制。结果表明，铝铸件小于4公斤，腔压力可在0.8秒内下降到10千帕，理论上使用的一个150L的缓冲罐抽真空。到一定程度，它反映了真空腔压力变化趋向。（2）上述计算和分析的基础上，开发高真空压铸辅助系统，该系统具有触摸控制界面的简单性和响应速度快的优势，并且机械真空阀门调用实现在真空排气的全过程的响应时间只有1.5毫秒。（3）高真空压铸辅助系统已被用于试验生产ADCl2合金棒材，和传统的压铸技术相比孔隙度显著降低。（4）真空压铸理论和设备上的系统研究为高真空压铸的研究具有十分重要的指导意义，也可以适用于其他高真空，如真空注射成型。6.参考文献l 赵芸芸，万里，潘欢等.高真空压铸用真空截止阀及真空系统的设计和应用C/第12届全国特种铸造及有色合金的年度会议，中国福州，7.26-31.2008：451454.2 赵芸芸,万里,潘欢等.铝合金真空压铸辅助系统研制J.种铸造及有色合金，2008，28(11):858861.3 BAR-MEIRG，ECKERTERG，GOLDSTEINRJAir venting in pressure die castingJJ Fluids Eng，1997，119(2)：473
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