真空壓鑄設(shè)備升級(jí)改造研究與實(shí)踐

黎川林，馬伏花

（1.廣州市今明科技有限公司，廣東廣州 510663；2.廣西民族大學(xué)，廣西南寧 530006）

高真空壓鑄工藝是指真空度在91 kPa以上的壓鑄，而普通真空壓鑄工藝則為真空度在91 kPa以下的真空壓鑄。高真空壓鑄的主要優(yōu)勢(shì)在于：壓鑄產(chǎn)品鑄件內(nèi)的氣體含量更少；材料在模具型腔內(nèi)的填充效果更好，相同注射壓力下的壓鑄流程更長(zhǎng)；產(chǎn)品內(nèi)的氣孔缺陷更低，可以直接實(shí)施熱處理或焊接加工；更適合生產(chǎn)重要安保零件或復(fù)雜形狀零件等。由于高真空壓鑄工藝的明顯優(yōu)點(diǎn)，行業(yè)生產(chǎn)廠家都有使用高真空壓鑄工藝進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)的需求，但受到專用高真空壓鑄機(jī)成本高，以及采用真空閥的高真空壓鑄工藝維修困難的現(xiàn)實(shí)因素的影響，具有成本較低、維修方便的普通真空壓鑄機(jī)升級(jí)改造成為高真空壓鑄設(shè)備一直存在較高的需求。本文研究了普通真空壓鑄機(jī)升級(jí)改造成為高真空壓鑄設(shè)備的一種方法，為國(guó)內(nèi)壓鑄產(chǎn)品生產(chǎn)廠商提供一種解決方案。

1 方案選擇

已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的高真空壓鑄方法主要有兩種，一種是利用專業(yè)高真空壓鑄機(jī)實(shí)現(xiàn)，另一種是利用普通壓鑄機(jī)利用真空閥和高度密封實(shí)現(xiàn)高真空壓鑄[1]。前者由于專用壓鑄機(jī)價(jià)格昂貴，通用性不強(qiáng)，在國(guó)內(nèi)的行業(yè)應(yīng)用中有一定的局限性；后者由于真空閥在生產(chǎn)過程中存在堵塞而且維修成本較高，盡管在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛，但許多中小壓鑄企業(yè)仍有尋求成本更低的壓鑄工藝的呼聲和需求。

比較當(dāng)前行業(yè)中各種高真空壓鑄方法的主要優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合普通壓鑄機(jī)的廣泛應(yīng)用，制定普通壓鑄機(jī)升級(jí)改造的目標(biāo)為：減少升級(jí)成本，降低維修成本，提高作業(yè)效率，優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)成本。圍繞這一目標(biāo)，選擇利用真空箱實(shí)現(xiàn)高真空作為升級(jí)改造方案，這一方案對(duì)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求與普通模具一致，降低了模具設(shè)計(jì)和加工難度；同時(shí)，不采用真空閥抽真空，能夠避免真空閥維修成本較高的現(xiàn)實(shí)不利因素。

2 通用性模具真空密封箱研究與設(shè)計(jì)

2.1 真空密封箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

同一規(guī)格的壓鑄機(jī)采用相同規(guī)格的真空密封箱，利用原有的模具安裝結(jié)構(gòu)固定真空箱。為了便于模具的安裝，將真空箱設(shè)計(jì)成分體式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 真空箱外觀結(jié)構(gòu)

圖1 中的真空箱是設(shè)計(jì)用于普通壓鑄機(jī)上的可調(diào)節(jié)性真空密封箱，該密封箱的箱體能夠滿足不同規(guī)格的壓鑄模具，分為前后兩部分，即真空箱前部與模具前模部分固定，真空箱后部模部分可根據(jù)模具的合模尺寸的不同進(jìn)行自動(dòng)密封調(diào)節(jié)。真空箱外邊緣上的四個(gè)大孔設(shè)計(jì)，是為了利用壓鑄機(jī)的拉桿導(dǎo)向作用，保證在合模后密封口對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)密封要求，保證了抽真空后的真空度在91 kPa以上。

2.2 模具設(shè)計(jì)研究

用于真空箱內(nèi)的真空壓鑄模具，簡(jiǎn)化了模具設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，有別于傳統(tǒng)的真空壓鑄模具結(jié)構(gòu)，免去真空截止閥裝置，并可減少溢料槽的數(shù)量，只在抽真空口的位置設(shè)計(jì)溢料槽，同時(shí)無(wú)需在模具的分型面及推出機(jī)構(gòu)處設(shè)計(jì)密封裝置。選用熱熔性材料密封塞設(shè)置在模具型腔的進(jìn)料口中。在高真空度-0.1MPa的環(huán)境下，進(jìn)行壓鑄造生產(chǎn)，模具中不需要設(shè)計(jì)特殊真空截止閥結(jié)構(gòu)，只采用可更換式特制材料安放于模腔內(nèi)抽真空排氣位未端，目的是防止在壓鑄工作中合金溶液通入抽真空管道而造成抽氣管堵塞。另外，為更好地防止真空管道堵塞，抽真空接口處設(shè)計(jì)具有波狀結(jié)構(gòu)的上下壓板，分別固定在模具定動(dòng)模板上，隨著模具的開合模而開合模具。通過“山坡形”來阻礙合金的流動(dòng)，同時(shí)可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)流程比，防止合金進(jìn)入真空口，如圖2所示。

圖2 模具抽真空口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)升級(jí)研究

安裝真空箱后的壓鑄機(jī)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)真空壓鑄工藝過程，對(duì)原有的PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)升級(jí)。實(shí)施真空壓鑄時(shí)，PLC通過接近開關(guān)、壓力傳感器等檢測(cè)裝置，準(zhǔn)確感知機(jī)器的合模時(shí)刻，開啟抽真空裝置，并對(duì)模腔和真空箱內(nèi)的真空度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)真空度不足等意外情況時(shí)及時(shí)報(bào)警，記錄過程中真空度的變化[2]。PLC系統(tǒng)與壓鑄機(jī)本身自帶的控制系統(tǒng)建立通訊聯(lián)系，當(dāng)真空度達(dá)到要求時(shí)，通知系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)的壓縮動(dòng)作。在開模前，PLC控制抽真空系統(tǒng)停止抽真空。在真空度恢復(fù)到合理的范圍后，通知壓鑄機(jī)的控制系統(tǒng)實(shí)施開模動(dòng)作。

對(duì)PLC控制系統(tǒng)主要研究和程序設(shè)計(jì)包括以下幾點(diǎn)：

（1）壓鑄機(jī)開合模信號(hào)的檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到壓鑄合模信號(hào)時(shí)，PLC控制抽真空系統(tǒng)的開與閉；

（2）噴涂裝置信號(hào)檢測(cè)，在壓鑄生產(chǎn)過程中，通過控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確控制噴涂順序與時(shí)間；

（3）真空度檢測(cè)，并與預(yù)先設(shè)置的生產(chǎn)條件進(jìn)行實(shí)時(shí)比較并控制抽真空裝置，保證滿足真空壓鑄的實(shí)施條件。

需要強(qiáng)調(diào)的是，要保證PLC的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，參數(shù)設(shè)置時(shí)，注意PLC控制時(shí)間與順序要與壓鑄過程同步，這可能需要多次壓鑄實(shí)踐，準(zhǔn)確控制壓射沖頭的位置點(diǎn)，再對(duì)控制程序進(jìn)行修改，才能滿足壓鑄過程的同步化要求。

4 結(jié)論

與其他真空壓鑄工藝相比較，本文提供的升級(jí)改造方案具有以下特色和突破。

（1）設(shè)計(jì)生產(chǎn)的通用性模具真空密封箱適用于普通壓鑄機(jī)上。

對(duì)普通壓鑄機(jī)上模具密封箱內(nèi)部實(shí)施抽真空，使置于真空箱內(nèi)部壓鑄模具型腔內(nèi)的真空壓力降低至2 000 Pa以內(nèi)，加速熔融的金屬或塑料液體在模具型腔內(nèi)的流動(dòng)，而且壓鑄機(jī)頂針和后動(dòng)模的微小空隙處于真空狀態(tài)，沒有氣流沖擊模具型腔內(nèi)熔融的金屬或塑料液體，也不會(huì)發(fā)生氧化作用，鑄件的精度高、氣孔級(jí)別低、成品率高。

（2）基于真空箱結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化模具的密封機(jī)構(gòu)與溢料結(jié)構(gòu)。

在模具型腔進(jìn)料口設(shè)置密封塞，使模具型腔進(jìn)料口密封，模具型腔內(nèi)達(dá)到超高真空后，高溫熔融狀態(tài)的金屬或塑料液體從進(jìn)料口注入，熱熔性材料的密封塞在高溫熔融狀態(tài)的金屬或塑料接觸時(shí)急速熔融，液態(tài)的金屬或塑料從進(jìn)料口進(jìn)入模具型腔中鑄造成型，有效地防止空氣從模具型腔進(jìn)料口進(jìn)入模具型腔，保持模具型腔處于超高真空狀態(tài)。

在模具每個(gè)抽真空孔中設(shè)置微孔塞，減少模具溢料機(jī)構(gòu)的設(shè)置，高溫熔融的金屬或塑料液體從進(jìn)料口注入模具型腔中被微孔篩阻隔，防止熔融的金屬液體或塑料液體堵塞真空管道，確保真空管暢通和安全生產(chǎn)。

（3）有效節(jié)省壓鑄造生產(chǎn)原材料，降低壓鑄設(shè)備生產(chǎn)損耗。

傳統(tǒng)的壓鑄模具需要成型產(chǎn)品的外觀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)充足的排氣與溢料系統(tǒng)，這樣在成型之后，排氣溢料系統(tǒng)與澆注系統(tǒng)的廢料體積一般占到成型產(chǎn)品總體積的10%～20%，盡管成型廢料可以重復(fù)利用，但成型性能較之前已有所下降。在本真空系統(tǒng)中，模具的結(jié)構(gòu)里只考慮在模具的每個(gè)抽真空孔處設(shè)計(jì)一個(gè)溢料材料，這樣可以有效節(jié)省原材料的重復(fù)利用。

液態(tài)合金在真空度下進(jìn)行填充，極大地降低了填充阻力，因此在壓鑄同等體積的壓鑄產(chǎn)品時(shí)，能有效地降低壓鑄機(jī)的能耗。

［1］ Chul Kyu Jin，Chung Gil Kang.Fabrication by vacuum die casting and simulation of aluminum bipolar plates with micro-channels on both sides for proton exchange membrane （PEM） fuel cells［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2012（37）：1661-1676.

［2］萬(wàn)里，林海，何偉，等.壓鑄用高真空控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用［J］.特種鑄造及有色合金，2010（7）：633-635.

［3］萬(wàn)里，林海，劉后堯，等.真空壓鑄用真空閥及真空控制裝置的開發(fā)［J］.特種鑄造及有色合金，2011，31（3）：222-225.