（材料加工工程专业论文）反重力铸造液面加压控制技术的研究.pdf

摘 要 摘要 反重力铸造法是生产大型优质构件的理想方法，反重力铸造液面加压控制 系统是反重力铸造设备的核心，是获得优质铸件的关键。本文针对目 前反重力 铸造控制系统与工艺结合不够紧密、功能单一的问题，对反重力铸造控制技术 进行了研究，设计了多功能反重力铸造控制系统。 本文首先对反重力铸造加压工艺进行了分析。从控制角度对充型和凝固过 程进行了定义，确定了实现过程控制所需的入口工艺参数，剖析了关键参数对 成形加压工艺和铸件质量的影响， 研究了不同情况下的加压工艺，为反重力铸 造成形过程控制的实现提供了基础。 其次，对反重力铸造控制方案进行了研究。在分析反重力铸造过程控制对 象数学模型的基础上， 设计了p i d 控制器， 并采用临界稳定法结合m a t l a b 仿真 确定了p 工 d参数。 针对反重力铸造过程的滞后特性，分别采用大林算法和纯滞 后补偿控制法对系统进行了设计， m a t l a b 仿真结果表明，两种方法均能显著提 高系统的动态性能和稳定性。 再次，对控制系统的气路布局进行了设计。在分析反重力铸造设备气路系 统总体结构的基础上，分别设计了低压铸造、差压铸造和调压铸造的进气、调 压和排气环节。 研制出了响应时间仅有8 0 毫秒的数字组合调节阀， 提高了系统 的响应速度。 最后，设计了多功能反重力铸造控制系统。通过对 p i d算法进行模糊化处 理， 提高了熔体升液充型的线性度， 减少了液面波动， 提高了 系统的控制精度。 采用自 行研制的数字组合阀设计了气路系统，该系统可实现低压铸造、差压铸 造和调压铸造多种功能。 采用d e l p h i 语言编写了具有良好人机界面、 易于操作 和维护的控制软件。 生产实践表明，本文所研究的多功能反重力铸造控制系统具有操作方便、 运行可靠、跟踪效果良 好、控制精度高等优点，使用该系统生产的铸件具有良 好的冶金质量。 西北工业大学工学硕士学位论文 关键词:反重力铸造， 控制方案， p i d 算法， 气路布局， 控制软件 abs tr act . . . .口 . 口 . . 用 abs t r act c o u n t e r - g r a v ity c a s t i n g t e c h n o l o g y i s a n i d e a l m e t h o d o f p r o d u c i n g l a r g e - s i z e h i g h - q u a l it y a l u m i n u m p a r t s . t h e p r e s s u r i z i n g c o n t r o l s y s t e m o f t h e c o u n t e r - g r a v i t y c a s t in g i s t h e c o r e o f t h e c o u n t e r - g r a v i ty c a s t i n g e q u i p m e n t , a n d i s t h e k e y o f o b t a i n i n g g o o d c a s t i n g s . b u t s o m e p r o b l e m s e x i s t i n p r e s e n t c o n t r o l s y s t e m s . f o r e x a m p l e , t h e s y s t e m is n o t re l a t e d t o t h e t e c h n o l o g y c l o s e l y , a n d t h e s y s t e m o n l y c a n c o m p l e t e o n e f u n c t i o n . f o c u s in g o n t h e q u e s t i o n s , t h e c o n t r o l t e c h n o l o g y o f c o u n t e r - gr a v i ty c a s t i n g i s r e s e a r c h e d a n d t h e m u l t i fu n c t io n a l c o u n t e r - g r a v i t y c a s t in g c o n t r o l s y s t e m i s d e s i g n e d in t h i s p a p e r . f ir s t l y , t h e p r e s s u r i z i n g p a tt e rn o f c o u n t e r - gr a v i t y c a s t i n g i s a n a l y z e d . t h e f i l l i n g p r o c e s s a n d s o l i d i f i c a t i o n p r o c e s s i s d e f in e d f r o m c o n t r o l s i d e , i n p u t p a t t e rn p a r a m e t e r s r e a l i z i n g p r o c e s s c o n t r o l a r e d e t e r m i n e d , t h e e ff e c t o f k e y p a r a m e t e r s o n t h e c a s t i n g q u a l i t y i s a n a l y z e d , a n d d i ff e r e n t p r e s s u r i z i n g p a tt e r n s i n d i ff e re n t c o n d i t i o n a r e r e s e a r c h e d , w h i c h i s t h e f o u n d a t i o n o f t h e r e a l i z a t io n o f t h e f i l l i n g p r o c e s s c o n t r o l o f c o u n t e r - g r a v i ty c a s t i n g . s e c o n d l y , t h e c o n t r o l p r o j e c t o f c o u n t e r - g r a v i t y c a s t i n g i s r e s e a r c h e d . a f t e r t h e m a t h e ma t i c s m o d e l o f t h e c o n t r o l o b j e c t o f t h e c o u n t e r - g r a v i ty c a s t i n g p r o c e s s i s a n a l y z e d , p i d c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d , a n d t h e p i d p a r a m e t e r s a r e d e t e r m i n e d b y m a t l a b s i m u l a t i o n . t o s o l v e t h e t i m e - d e l a y o f s y s t e m , d a l i n a l g o r i t h m a n d s m i t h p r e d ic t i o n a lg o r it h m a r e s e p a r a t e l y u s e d t o d e s i g n s y s t e m . t h e r e s u l t c u r v e o f ma t l a b s i m u l a t i o n i n d i c a t e s t h a t t h e s e t w o a l g o r it h m s c a n b o t h i m p r o v e s y s t e m s d y n a m i c p r o p e rt y a n d s t a b i l i t y o b v i o u s l y . t h ir d l y , t h e p n e u m a t i c a d j u s t m e n t u n i t o f t h e c o n t r o l s y s t e m i s d e s i g n e d . b a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e p n e u m a t i c s t r u c t u re o f t h e c o u n t e r - gr a v it y c a s t i n g e q u ip m e n t , t h e g a s - i n , p r e s s u r e - a d j u s t e d a n d g a s - o u t s y s t e m s o f l o w - p r e s s u r e c a s t i n g , c o u n t e r - p r e s s u r e c a s t i n g a n d v a c u u m - a s s i s t e d p re s s u r e c a s t i n g a r e d e s i g n e d i n d i v i d u a l l y . a n a s s e m b l e d v a l v e ( r e s p o n d i n g t i m e i s o n ly 8 0 m s ) i s d e v e l o p e d , w h i c h t o 西北工业大学工学硕士学位论文 i m p r o v e s s y s t e ms r e s p o n d i n g s p e e d . a t l a s t , t h e m u l t i f u n c t i o n a l c o u n t e r - g r a v it y c a s t i n g c o n t r o l s y s t e m i s d e s i g n e d . f u z z y a l g o r it h m i s c o m b i n e d t o p i d a l g o r it h m , w h i c h i m p r o v e s t h e f i l l i n g l in e a r i t y , re d u c e s t h e s u r f a c e fl u c t u a t i o n , a n d i m p r o v e s s y s t e m s c o n t r o l p r e c i s i o n . t h e a s s e m b l e d v a lv e i s a d o p t e d t o d e s i g n t h e p n e u m a t i c s y s t e m , a n d t h e s y s t e m c a n r e a l i z e s e v e r a l f u n c t i o n s s u c h a s lo w - p r e s s u r e c as t i n g , c o u n t e r - p r e s s u r e c a s t i n g a n d v a c u u m - a s s i s t e d p r e s s u r e c as t i n g . t h e c o n t r o l s o ft w a r e c o m p i l e d w i t h d e l p h i h a s g o o d m a n - m a c h i n e in t e r f a c e a n d i s e as y t o o p e r a t e a n d m a i n t a i n . p r o d u c t i o n a n d p r a c t i c e i n d i c a t e s t h a t t h e m u l t i f u n c t i o n a l c o u n t e r - g r a v it y c as t i n g c o n t r o l s y s t e m r e s e a r c h e d i n t h i s p a p e r h a s f o l l o w i n g a d v a n t a g e s : c o n v e n i e n t t o o p e r a t e , w o r k s r e l i a b l y , t r a c k e ff e c t i s g o o d a n d c o n t r o l p r e c i s i o n i s h ig h . c a s t i n g s p r o d u c e d b y c o u n t e r - g r a v i t y c a s t i n g e q u i p m e n t w i t h t h i s c o n t r o l s y s t e m h a v e g o o d m e t a l l u r g y q u a l i t y . k e y wo r d s : c o u n t e r - g r a v it y c as t i n g , c o n t ro l p r o j e c t , p i d a lg o r it h m , p n e u m a t i c s t r u c t u r e , c o n t r o l s o ft w a re i v 第 t 章绪 论 第 1 章绪论 1 . 1选题意义 汽车、电力、国防工业的快速发展对优质构件的需求越来越大，为传统铸 造成形手段提供了很好的发展机遇。反重力铸造方法在汽车轮毅、高压开关壳 体等重要构件成形中的 应用趋势是有目 共睹的。国防武器装备对优质构件的需 求成为材料成形工艺发展的新亮点， 也对铸造成形方法提出了 新的挑战。 在先进武器的研发过程中，为了进一步增强国防武器装备的快速反应能力 和作战能力，集成化、轻量化、可靠性已经成为装器装备构件设计中考虑的主 要问题。近年来，大型铝镁合金构件在武器装备中的应用越来越多， 对构件的 要求越来越高。 主要发展趋势是: 构件尺寸大、 精度要求高、 壁薄、结构复杂、 冶金力学性能要求高。 如，导弹舱体、导弹油箱、 导弹发射架、导弹发射转台、 运载火箭发动机涡轮壳体、作战飞机进气道、 鱼雷壳体、坦克负重轮等都是要 求很高的复杂构件。 这些构件采用铸造成形，可实 现复杂结构的整体成形，流 程短、生产周期短、效率高。同时，将多个构件组合为一个铸件铸造成形，可 以减少复杂结构中焊接、铆接、机械连接等薄弱环节，提高复杂结构整体的性 能，实现构件的轻量化。 反重力铸造对大型薄壁构件的整体成形以及冶金质量和力学性能的控制具 有得天独厚的优势。然而，由于充型时间短，浇注重量大，充型流程长， 严格 控制液面加压，提供合理的加压方式，抑制液面波动，对大型优质构件的生产 显得尤为重要。某鱼雷壳体设计采用 2 0 5 a合金，由 于这种合金的凝固特性与 a i - s i 系合金有很大区别， 所以， 反重力充型补缩工艺有了 很大变化。 为此， 探 明不同材料、不同结构铸件的充型补缩特点， 提高补缩增压能力，定制特殊的 加压方式， 对提高构件成品率具有重要意义。 对于外形尺寸大于5 0 0 m m ， 壁厚 小于3 m m的高性能结构件， 将真空引入常规的反重力铸造设备， 改变原有的加 压方式，无疑对构件的成形及质量控制非常有利。有些构件的结构非常复杂， 经常遇到非加工闭合性腔体，对成形充填提出了挑战。 第 t 章绪 论 第 1 章绪论 1 . 1选题意义 汽车、电力、国防工业的快速发展对优质构件的需求越来越大，为传统铸 造成形手段提供了很好的发展机遇。反重力铸造方法在汽车轮毅、高压开关壳 体等重要构件成形中的 应用趋势是有目 共睹的。国防武器装备对优质构件的需 求成为材料成形工艺发展的新亮点， 也对铸造成形方法提出了 新的挑战。 在先进武器的研发过程中，为了进一步增强国防武器装备的快速反应能力 和作战能力，集成化、轻量化、可靠性已经成为装器装备构件设计中考虑的主 要问题。近年来，大型铝镁合金构件在武器装备中的应用越来越多， 对构件的 要求越来越高。 主要发展趋势是: 构件尺寸大、 精度要求高、 壁薄、结构复杂、 冶金力学性能要求高。 如，导弹舱体、导弹油箱、 导弹发射架、导弹发射转台、 运载火箭发动机涡轮壳体、作战飞机进气道、 鱼雷壳体、坦克负重轮等都是要 求很高的复杂构件。 这些构件采用铸造成形，可实 现复杂结构的整体成形，流 程短、生产周期短、效率高。同时，将多个构件组合为一个铸件铸造成形，可 以减少复杂结构中焊接、铆接、机械连接等薄弱环节，提高复杂结构整体的性 能，实现构件的轻量化。 反重力铸造对大型薄壁构件的整体成形以及冶金质量和力学性能的控制具 有得天独厚的优势。然而，由于充型时间短，浇注重量大，充型流程长， 严格 控制液面加压，提供合理的加压方式，抑制液面波动，对大型优质构件的生产 显得尤为重要。某鱼雷壳体设计采用 2 0 5 a合金，由 于这种合金的凝固特性与 a i - s i 系合金有很大区别， 所以， 反重力充型补缩工艺有了 很大变化。 为此， 探 明不同材料、不同结构铸件的充型补缩特点， 提高补缩增压能力，定制特殊的 加压方式， 对提高构件成品率具有重要意义。 对于外形尺寸大于5 0 0 m m ， 壁厚 小于3 m m的高性能结构件， 将真空引入常规的反重力铸造设备， 改变原有的加 压方式，无疑对构件的成形及质量控制非常有利。有些构件的结构非常复杂， 经常遇到非加工闭合性腔体，对成形充填提出了挑战。 西北工业大学工学硕士学位论文 反重力铸造充型平稳，成形过程可实现程序控制，具有自上而下的自 然顺 序凝固特征，经过多年的研究，认为这种方法是生产优质构件的理想方法。然 而， 构件成形过程中的熔体充填技术直接关系到构件的成形完整性、 冶金质量、 力学性能。反重力铸造具有不同的加压方式，包括低压、差压、调压、真空吸 铸、 真 空复 合 差压 等 -5 1随 着构 件 尺寸的 不同 ， 所 采 用 合 金的 不同， 结 构复 杂 程度的不同， 壁厚的不同，应选择合理的反重力加压方式。 随着先进材料在国防武器中的应用，复杂构件反重力成形具有更加广阔的 应用前景。充填技术的 研究会使反重力成形技术不但用于铝合金材料，而且可 以 用于 镁合金以及复合材料， 提供更宽范围的复杂优质构件， 使国防武器和空 间技术在集成化、轻量化、可靠性、 先进性方面具有 更大的发展空间。 反重力铸造液面加压控制系统是反重力铸造设备的核心，它决定着合金液 在升液管和型腔中的流动是否平稳， 充型速度是否合适，以 及结壳、结晶 压力 和时间是否恰当，因此它是决定铸件质量好坏的关键环节。 本文通过分析复杂 构件反重力成形过程中的充填规律， 采用适合于反重力铸造液面加压的专用调 节阀，研制出一体化多功能反重力铸造液面加压控制系统，实现充填工艺参数 的精确控制，提高加压控制精度。这对缩短我国武器装备的研制周期，提升我 国国防武器装备的生产都具有重要的意义。 1 . 2文献综述 1 . 2 . 1反重力铸造的原理 反重力铸造是2 0 世纪5 0 年代发展起来的一种铸件浇注成形工艺，它所依 据的原理主要有帕斯卡原理和电磁泵原理。 1 . 2 . 1 . 1帕斯卡原理 帕斯卡原理即封闭容器内流体任何一点所受的压力以同等的强度向各个方 向同样地传递。数学方法描述为: p二p g h 西北工业大学工学硕士学位论文 反重力铸造充型平稳，成形过程可实现程序控制，具有自上而下的自 然顺 序凝固特征，经过多年的研究，认为这种方法是生产优质构件的理想方法。然 而， 构件成形过程中的熔体充填技术直接关系到构件的成形完整性、 冶金质量、 力学性能。反重力铸造具有不同的加压方式，包括低压、差压、调压、真空吸 铸、 真 空复 合 差压 等 -5 1随 着构 件 尺寸的 不同 ， 所 采 用 合 金的 不同， 结 构复 杂 程度的不同， 壁厚的不同，应选择合理的反重力加压方式。 随着先进材料在国防武器中的应用，复杂构件反重力成形具有更加广阔的 应用前景。充填技术的 研究会使反重力成形技术不但用于铝合金材料，而且可 以 用于 镁合金以及复合材料， 提供更宽范围的复杂优质构件， 使国防武器和空 间技术在集成化、轻量化、可靠性、 先进性方面具有 更大的发展空间。 反重力铸造液面加压控制系统是反重力铸造设备的核心，它决定着合金液 在升液管和型腔中的流动是否平稳， 充型速度是否合适，以 及结壳、结晶 压力 和时间是否恰当，因此它是决定铸件质量好坏的关键环节。 本文通过分析复杂 构件反重力成形过程中的充填规律， 采用适合于反重力铸造液面加压的专用调 节阀，研制出一体化多功能反重力铸造液面加压控制系统，实现充填工艺参数 的精确控制，提高加压控制精度。这对缩短我国武器装备的研制周期，提升我 国国防武器装备的生产都具有重要的意义。 1 . 2文献综述 1 . 2 . 1反重力铸造的原理 反重力铸造是2 0 世纪5 0 年代发展起来的一种铸件浇注成形工艺，它所依 据的原理主要有帕斯卡原理和电磁泵原理。 1 . 2 . 1 . 1帕斯卡原理 帕斯卡原理即封闭容器内流体任何一点所受的压力以同等的强度向各个方 向同样地传递。数学方法描述为: p二p g h 西北工业大学工学硕士学位论文 反重力铸造充型平稳，成形过程可实现程序控制，具有自上而下的自然顺 序凝固特征，经过多年的研究，认为这种方法是生产优质构件的理想方法。然 而，构件成形过程中的熔体充填技术直接关系到构件的成形完整性、冶金质量、 力学性能。反重力铸造具有不同的加压方式，包括低压、差压、调压、真空吸 铸、真空复合差压等【l - 5 】，随着构件尺寸的不同，所采用合金的不同，结构复杂 程度的不同，壁厚的不同，应选择合理的反重力加压方式。 随着先进材料在国防武器中的应用，复杂构件反重力成形具有更加广阔的 应用前景。充填技术的研究会使反重力成形技术不但用于铝合金材料，而且可 以用于镁合金以及复合材料，提供更宽范围的复杂优质构件，使国防武器和空 间技术在集成化、轻量化、可靠性、先进性方面具有更大的发展空间。 反重力铸造液面加压控制系统是反重力铸造设备的核心，它决定着合金液 在升液管和型腔中的流动是否平稳，充型速度是否合适，以及结壳、结晶压力 和时间是否恰当，因此它是决定铸件质量好坏的关键环节。本文通过分析复杂 构件反重力成形过程中的充填规律，采用适合于反重力铸造液面加压的专用调 节阀，研制出一体化多功能反重力铸造液面加压控制系统，实现充填工艺参数 的精确控制，提高加压控制精度。这对缩短我国武器装备的研制周期，提升我 国国防武器装备的生产都具有重要的意义。 1 2 文献综述 1 2 1 反重力铸造的原理 反重力铸造是2 0 世纪5 0 年代发展起来的一种铸件浇注成形工艺，它所依 据的原理主要有帕斯卡原理和电磁泵原理。 1 2 1 1 帕斯卡原理 帕斯卡原理即封闭容器内流体任何一点所受的压力以同等的强度向各个方 向同样地传递。数学方法描述为： p = p g h 第1 章绪论 式中p 一压力； p 一流体密度； g 一重力加速度： h 一流体高度差。 图卜1 采用帕斯卡原理的上下罐式反重力铸造设备主体 f i g 1 - 1c o u n t e r - g r a v i t yc a s t i n ge q u i p m e n tw i t ht w oc o n t a i n e r sa c c o r d i n gt op a s c a lt h e o r y 图卜l 是采用此原理进行生产的上下罐式反重力铸造设备主体。在装有合 金液的密封容器中通入干燥的压缩空气，作用在台金液及铸型上，通过调节形 成压力差，使合金液在压差作用下沿升液管内孔自下而上充入铸型：充型结束 后增大气压，使型腔里的合金液在较高的压力下结晶凝固；然后卸除密封容 器内的压力，末凝固的合金液回落到坩埚中。至此，完成了一个浇注工艺过程。 1 2 1 2 电磁泵原理 电磁泵原理是指利用合金液的导电性，对合金液施加电场和磁场，使合金 液在产生的电磁推力( 即洛仑兹力) 的作用下流动并充型，完成反重力铸造浇 注过程。电磁泵式反重力铸造设备具有设备结构简单、控制性能好、重复性好、 铸件成品率高等优点，候击波、杨晶等已作了很多研究睁1 0 】。然而，受电磁力大 小的限制，这种成形方法只适用于中小型构件的生产。图卜2 是电磁泵式反重 。一。，一。盛三些垡堂坌鎏翟釜一，一。，一，一。一， 力铸造设备主体。 图1 - 2 电磁泵式反重力铸造设备主体f 6 】 f i g 1 - 2c o u n t e r - g r a v i t yc a s t i n ge q u i p m e n tw i t he l e c t r o m a g n e t i cp u m p 州 1 2 2 反重力铸造的特点 生产实践证明，与在重力条件下浇注的铸造工艺相比，反重力铸造工艺有 许多优越性，归纳起来主要有以下特点【1 1 , 1 2 1 ： ( 1 ) 合金液自下而上充型，充型过程不仅平稳，而且型腔中液流方向和气 体排出方向一致，避免了合金液对型壁和型芯的冲刷，因此减少了合金液在充 型时的翻腾、冲击、飞溅现象，从而减少了气孔和氧化渣的形成，提高了铸件 质量。 ( 2 ) 合金液在可控压力作用下充型，可提高合金液的流动性，改善充型条 件，有利于获得形状复杂、轮廓清晰的薄壁铸件。 ( 3 ) 合金液在压力作用下结晶和凝固，可使铸件得到充分的补缩，从而获 导致密度高的铸件，提高铸件的机械性能。 ( 4 ) 简化了浇冒口系统，且升液管中未凝固的液体金属可回流至坩埚中， 节省了金属的消耗，提高了金属利用率。 ( 5 ) 对合金牌号的适用范围较宽，几乎可用于各种铸造含会。 第l 章绪论 ( 6 ) 适应性强，对铸型材料没有特殊的要求，砂型、壳型、金属型、石墨 型、石膏型、熔模精铸壳型、陶瓷型等都可应用反重力铸造法进行生产。 ( 7 ) 设备简单，便于制造，易于实现机械化自动化生产：生产效率高；劳 动条件好。 1 2 3 反重力铸造浇注工艺 反重力铸造的浇注工艺是指升液、充型、增压、保压结晶和卸压各工艺过 程。其压力变化过程如图卜3 所示。 p ( p a ) p 3 p 2 p l 7 r 升液1 充型 增压结晶卸压 t ( s 图卜3 反重力铸造浇注工艺曲线 f i g 1 - 3f i l l i n gc u r v e o f c o u n m r - g r a v i t yc a s t i n g 升液阶段：压缩空气经气路控制系统调节后进入密封容器，使合金液在压 差作用下开始沿升液管上升直到铸型浇口，这个阶段我们称之为“升液阶段”。 此阶段为使型腔中气体顺利排出，液流不引起飞溅和卷入气体，应使合会液平 稳上升。 充型阶段：合金液从浇口进入铸型充满整个型腔，这个阶段叫“充型阶段”。 此阶段应严格控制充型速度，保证充型平稳，使铸件既没有冷隔现象，也没有 因液流冲击而形成氧化夹渣。 增压阶段：充型( 结壳) 结束后，在充型压力的基础上再使压力增加一定 第 1 章绪 论 ( 6 )适应性强，对铸型材料没有特殊的要求，砂型、壳型、金属型、石墨 型、 石膏型、熔模精铸壳型、陶瓷型等都可应用反重力铸造法进行生产。 ( 7 )设备简单，便于制造，易于实现机械化自 动化生产:生产效率高;劳 动条件好。 1 . 2 . 3反重力铸造浇注工艺 反重力铸造的浇注工艺是指升液、充型、增压、保压结晶和卸压各工艺过 程。其压力变化过程如图1 - 3 所示。 p ( p a ) p1 t - 一一一二 升液充型i 增压结晶 4, p ff + t ( s ) 图1 - 3反重力铸造浇注工艺曲线 f i g . 1 - 3 f i l l i n g c u r v e o f c o u n t e r - g r a v i t y c a s t i n g 升液阶段:压缩空气经气路控制系统调节后进入密封容器，使合金液在压 差作用下开始沿升液管上升直到铸型浇口， 这个阶段我们称之为“ 升液阶段” 。 此阶段为使型腔中气体顺利排出，液流不引起飞 溅和卷入气体， 应使合金液平 稳上升。 充型阶段: 合金液从浇口 进入铸型充满整个型腔， 这个阶段叫“ 充型阶段” 。 此阶段应严格控制充型速度，保证充型平稳， 使铸件既没有冷隔现象，也没有 因液流冲击而形成氧化夹渣。 增压阶段:充型 结壳) 结束后，在充型压力的基础上，再使压力增加一定 西北工业大学工学硕士学位论文 的数值，使型腔中的合金液在一定的压力作用下凝固结晶。 保压结晶:保持恒定的增压压力，使型腔中的合金液在压力作用下完成凝 固结晶过程。 卸压阶段:铸件凝固完毕后，卸除密封容器内的压力，使升液管和浇口中 未凝固的合金液依靠自重落回保温炉中。 1 . 2 . 4反重力铸造类型 反重力铸造方法是一种新的铸件浇注成形工艺， 它是使柑祸内的金属液在 气体压力的作用下沿升液管自 下而上反重力充填铸型，并在压力下获得铸件的 一种方法。反重力铸造包括低压铸造、差压铸造、调压铸造和真空吸铸等。目 前汽车 发动机缸盖、 轮毅等铸铝件绝大多数 采用低压铸造法 13 1 。 差压铸造设备 和工艺自1 9 7 4 年由 保加利亚推广后，现己 获得了 广泛的应用 1 4 - 16 1 1 . 2 . 4 . 1低压铸造 低压铸造是最早的一种反重力铸造方法，它是介于压力铸造和重力铸造之 间的一种浇注工艺。其工艺原理可以用图1 - 4 说明。 铸型 中隔板 压缩空气 金属液 密封容器 ( 保温炉) 升液管 图1 - 4低压铸造_ 艺原理图 f i g . 1 - 4 s k e t c h o f lo w - p r e s s u r e c a s t i n g 保温炉放在压力筒中，铸型与 大气接触，铸型与压力筒用中隔板分开，升 西北工业大学工学硕士学位论文 的数值，使型腔中的合金液在一定的压力作用下凝固结晶。 保压结晶:保持恒定的增压压力，使型腔中的合金液在压力作用下完成凝 固结晶过程。 卸压阶段:铸件凝固完毕后，卸除密封容器内的压力，使升液管和浇口中 未凝固的合金液依靠自重落回保温炉中。 1 . 2 . 4反重力铸造类型 反重力铸造方法是一种新的铸件浇注成形工艺， 它是使柑祸内的金属液在 气体压力的作用下沿升液管自 下而上反重力充填铸型，并在压力下获得铸件的 一种方法。反重力铸造包括低压铸造、差压铸造、调压铸造和真空吸铸等。目 前汽车 发动机缸盖、 轮毅等铸铝件绝大多数 采用低压铸造法 13 1 。 差压铸造设备 和工艺自1 9 7 4 年由 保加利亚推广后，现己 获得了 广泛的应用 1 4 - 16 1 1 . 2 . 4 . 1低压铸造 低压铸造是最早的一种反重力铸造方法，它是介于压力铸造和重力铸造之 间的一种浇注工艺。其工艺原理可以用图1 - 4 说明。 铸型 中隔板 压缩空气 金属液 密封容器 ( 保温炉) 升液管 图1 - 4低压铸造_ 艺原理图 f i g . 1 - 4 s k e t c h o f lo w - p r e s s u r e c a s t i n g 保温炉放在压力筒中，铸型与 大气接触，铸型与压力筒用中隔板分开，升 第 . 章 绪 论 巴 曰曰 口 巴纽 巴 曰巴 曰 口. . . 口. 砚 . 巴 曰曰 曰 液管使铸型与保温炉相通。干燥的压缩空气经阀 1 进入压力筒，与大气压形成 压差，实现充型。 1 . 2 . 4 . 2差压铸造 差压铸造也称反压铸造，是低压铸造和压力下结晶凝固两种工艺的结合。 其工艺原理如图 1 - 5 0 铸型放在上罐中，保温炉放在下罐中，上下罐用中隔板分开，铸型与保温 炉通过升液管相通。干燥的压缩空气经阀 1 , 2 , 3分别进入上下罐，达到同步 压力后:( 1 ) 下罐停止进气，使上罐排气，形成压差，实现充型，这是减压差压 法:( 2 ) 上罐停止进气， 下罐继续进气， 形成压差， 实现充型， 这是增压差压法。 压缩空气 下密封罐 ( 保温炉 ) 图卜5差压铸造工艺原理 f i g . 1 - 5 s k e t c h o f c o u n t e r - p r e s s u r e c a s t i n g 1 . 2 . 4 . 3调压铸造 调压铸造和差压铸造原理很相似，铸型放在上罐中，保温炉放在下罐中， 上下罐用中隔板分开，铸型与保温炉通过升液管相通。通过真空泵上下罐同时 抽真空，达到一定真空度后，下罐进气，与上罐负压形成压差，实现充型。 西北工业大学工学硕士学位论文 1 . 2 . 4 . 4真空吸铸 真空吸铸工艺又称c l a 法，其工艺原理如图1 - 6 所示。 把普通熔模工艺制作的壳型放在密封室内 图1 - 6 a ) ，密封室下降，直浇道 浸入液体金属中，再启动真空泵将密封室抽成负压状态，液体金属同时被吸铸 ( 图1 - 6 6 ) 。型壳内铸件凝固 后，密封室接通大气，浇道内尚未凝固的合金液回 流到熔炉中( 图1 - 6 c ) ，最后取出型壳，清砂后得到单个精铸件( 图1 - 6 d ) o 空气 ;卜卜j护 瓜谓洲到针幻归乌;. .翩目日，.护 畜室 图1 - 6真空吸铸1艺原理 h 7 1 f ig . i 一s k e t c h o f v a c u u m s u c t io n c a s t i n g 1 7 1 1 . 2 . 5反重力铸造设备主体 反重力铸造设备主要由 设备主体、开合型装置( 金属型反重力铸造设备) 和 液面加压控制系统三部分组成。 保温炉/ 熔化炉和承压密封容器构成反重力铸造 设备的主体，它是建立压差进行反重力浇注的外部条件。 它和液面加压控制系 统相配合，完成反重力铸造浇注过程。就金属型反重力铸造设备而言，为了提 高生产效率， 承压容器中使用保温炉， 通过倒包手段将合金液注入其中， 再调 整温度，由于合金液在保温炉中要停留很长时间，因此，只能使用长效变质剂 对合金液进行处理。 对于砂型优质构件的生产，倒包会产生很难去除的氧化夹 杂，因 此，一般将熔化炉置于承压容器之中， 这样可以尽可能提高合金液的质 量，对构件冶金质量和力学性能的控制非常有利。 1 . 2 . 5 . 1保温炉/ 熔化炉 保温炉/ 熔化炉是反重力铸造工艺必不可少的设备， 它的主要作用是控制合 西北工业大学工学硕士学位论文 1 . 2 . 4 . 4真空吸铸 真空吸铸工艺又称c l a 法，其工艺原理如图1 - 6 所示。 把普通熔模工艺制作的壳型放在密封室内 图1 - 6 a ) ，密封室下降，直浇道 浸入液体金属中，再启动真空泵将密封室抽成负压状态，液体金属同时被吸铸 ( 图1 - 6 6 ) 。型壳内铸件凝固 后，密封室接通大气，浇道内尚未凝固的合金液回 流到熔炉中( 图1 - 6 c ) ，最后取出型壳，清砂后得到单个精铸件( 图1 - 6 d ) o 空气 ;卜卜j护 瓜谓洲到针幻归乌;. .翩目日，.护 畜室 图1 - 6真空吸铸1艺原理 h 7 1 f ig . i 一s k e t c h o f v a c u u m s u c t io n c a s t i n g 1 7 1 1 . 2 . 5反重力铸造设备主体 反重力铸造设备主要由 设备主体、开合型装置( 金属型反重力铸造设备) 和 液面加压控制系统三部分组成。 保温炉/ 熔化炉和承压密封容器构成反重力铸造 设备的主体，它是建立压差进行反重力浇注的外部条件。 它和液面加压控制系 统相配合，完成反重力铸造浇注过程。就金属型反重力铸造设备而言，为了提 高生产效率， 承压容器中使用保温炉， 通过倒包手段将合金液注入其中， 再调 整温度，由于合金液在保温炉中要停留很长时间，因此，只能使用长效变质剂 对合金液进行处理。 对于砂型优质构件的生产，倒包会产生很难去除的氧化夹 杂，因 此，一般将熔化炉置于承压容器之中， 这样可以尽可能提高合金液的质 量，对构件冶金质量和力学性能的控制非常有利。 1 . 2 . 5 . 1保温炉/ 熔化炉 保温炉/ 熔化炉是反重力铸造工艺必不可少的设备， 它的主要作用是控制合 第 i 章绪 论 金液在浇注过程中不要出现温度波动，从而使浇注工艺稳定，以保证得到质量 良 好的 铸件。 反 射炉、电 阻 炉都可以 作为反重力 铸造保温炉n 8 ， 它们与 承压容 器采用软连接或者硬连接方式获取电源。 电阻炉是利用电流通过电阻丝发热体来加热( 熔化) 合金的炉子。其结构图 如图 1 - 7 所示， 采用电阻保温炉，炉温易于控制，调节方便，使用可靠，结构 简单，投资少，而且劳动条件好。 升液管 匀 塌 保温炉 图1 - 7电阻炉结构图 f ig . 1 - 7 s t r u c t u r e o f r e s i s t a n c e f u rn a c e 反射保温炉主要应用于金属型反重力铸造设备，加热元件采用硅碳棒。反 射炉电源获取方式简单，但加热效率较低。 1 . 2 . 5 . 2承压密封容器 反重力铸造设备发展初期， 承压密封容器主要由 增塌、 柑祸盖和升液管组 成。 它的主要作用是: ( 1 ) 承受反重力铸造工艺气压的作用， 完成浇注工艺; ( 2 ) 容纳待浇合金液:( 3 ) 承载铸型及开合型装置。 其密封形式主要有增祸密封式和 炉 体 密 封 式( 包括 压 力 罐 密封 式 ) 两 大 类 i 。 虽 然 这 种 承 压方 式的 结 构 简单， 投 资少，但承压体受热严重， 使用条件恶劣， 容易发生变形， 甚至发生爆炸，危 险性很大。为此，后来把此类设备的承压容器纳入压力容器的范畴来管理。把 承压体与保温炉/ 熔化炉分开，且承压体的工作温度不超过 2 0 0 0 c ，关键的法兰 类部分均要求采用锻件。 西北工业大学工学硕士学位论文 .口口巴里里纽国里口口.曰巴巴巴曰弓曰曰曰.，口 曰 . . 里 . . . . . . . . . . . .”. 目 日 . . . . ， . 一， 一，盈 . 曰 . . 里 . . . . .巴 1 . 2 . 5 . 3国内外的低压、差压铸造主机 目 前国内外出现了多种结构形式的低压、差压铸造主机，国内的主要有天 水铸造机械厂生产的j 4 5 3 型、 j 4 1 3 型、 j 4 6 2 型低压铸造机， 上海工艺机械所 生产的可倾式低压铸造机， 大连天成低压铸造机厂生产的m d z 2 - 1 5 0 型低压铸造 机;国外的主要有日本株式会社五十铃制作所生产的s p 一 工 c - s - r - 5 0 0型低压铸 造机， 公司、 英国e c o n o m a t i o n 公司、 美国e m p i r e 公司、 英国p l u m e 公司、 丹麦r i m a t i c 德国g i m a 公司生产的 低压铸造机， 保加利亚生产的差压铸造机 1 9 1 . 2 . 6开合型装置的动力 反重力铸造的开合型装置用于完成铸型的开合，利于实现生产过程的机械 化和自 动化。 它由 开合型动力、开合型机构、开合型控制部分以 及取件机构组 成。开合型动力有手动、机械传动、气动和液压传动。 手动杠杆开合型机构是一种最简便的开合型方法，这种机构设备简单，但 劳动条件差，不能适应大批量生产。 机械传动开合型机构主要是以电动机传动扭矩作为动力，通过机械传动机 构， 改 变力的方向， 使传动力呈直线往复 运动的一种方法。 该法常用蜗轮一 蜗杆 组带动丝杆作直线运动来带动模具动作。 这种机构结构比 较简单，只适用于开 型方向较少的场合。 气动开合型机构是利用气缸将气压能转变为机械能并产生直线往复运动的 装置。这种机构和机械装置相比，具有能量来源方便、操作维护简单、抗干扰 能力强、使用安全等优点， 但是其开型力小、 工作速度不稳定、 传动效率低， 所以 气动开合型机构使用的较少， 仅适用于简单小铸件的生产。 液压传动开合型机构是利用油缸将液压能转变为机械能并产生直线往复运 动的 装 置。 液 压传 动 和 其 它 传 动 方 式 相比 有很多 优点 2 0 : ( 1 ) 质 量小， 体 积 小， 占用空间少;( 2 ) 传动平稳，冲击小，便于实现频繁平稳的换向;( 3 ) 能实现大 范围内 的无线调速， 能控制金属型的 停顿和变速操作:( 4 ) 易于实现自 动化和机 械化操作。虽然液压传动还存在着一些缺点，但是随着低压铸造自 动化和机械 西北工业大学工学硕士学位论文 .口口巴里里纽国里口口.曰巴巴巴曰弓曰曰曰.，口 曰 . . 里 . . . . . . . . . . . .”. 目 日 . . . . ， . 一， 一，盈 . 曰 . . 里 . . . . .巴 1 . 2 . 5 . 3国内外