1、講授人：郝啟堂,低壓鑄造成形工藝及控制技術(shù),一、傳統(tǒng)的鑄造成形方法,1. 砂型鑄造 (1) 砂型鑄造種類 潮模砂(粘土砂)、水玻璃砂、樹脂砂 (2) 砂型鑄造特點及適用范圍 不受零件輪廓尺寸和復(fù)雜程度限制，成本低，但尺寸精度較低，不 能很好地發(fā)揮材料的固有性能。 (3) 砂型鑄造的發(fā)展 與其它成形工藝相結(jié)合，向優(yōu)質(zhì)鑄件精確成形的方向發(fā)展。,2. 金屬型鑄造 (1) 金屬型鑄造種類 與相它成形工藝相結(jié)合，分為重力金屬型鑄造、(高)壓鑄(造)、低壓金屬 型鑄造、離心鑄造。 (2) 金屬型鑄造特點及適用范圍 適合于中小輪廓尺寸和復(fù)雜程度較低的零件，模具成本高，但效率也高， 尺寸精度高，能夠很好地發(fā)揮

2、材料的固有性能。,3. 熔模精密鑄造(石膏型鑄造) (1) 熔模精密鑄造種類 耐火材料殼型、石膏型 (2) 熔模精密鑄造特點及適用范圍 零件輪廓尺寸受限，復(fù)雜程度可以很高；流程長，成本高；尺寸精 度較高，不能很好地發(fā)揮材料的固有性能。 (3) 熔模精密鑄造的發(fā)展 向大尺寸零件、自動化生產(chǎn)方向發(fā)展。,二、低壓鑄造原理,2.1 概述 在二十世紀初期，國外開始研究并應(yīng)用低壓鑄造工藝，同時期，英國E. H. Lake登記了第一個低壓鑄造專利，主要用于巴氏合金的鑄造。法國人制定了用于鋁合金和銅合金的計劃，并首先在鋁合金鑄造生產(chǎn)中得到推廣使用。 第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，隨著航空工業(yè)的發(fā)展，英國廣泛地采用低壓

3、鑄造生產(chǎn)技術(shù)要求較高的航空發(fā)動機的氣缸等輕鋁合金鑄件，并采用金屬型低壓鑄造，大量生產(chǎn)高硅鋁合金鑄件。北美的汽車工業(yè)和電機工業(yè)又廣泛采用金屬型低壓鑄造生產(chǎn)汽缸、電機轉(zhuǎn)子等重要鑄件。這樣，低壓鑄造工藝迅速擴散到通用機械、紡織機械、儀表和商業(yè)產(chǎn)品的領(lǐng)域。 我國從五十年代開始研究低壓鑄造，但發(fā)展一直比較緩慢。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，和大量新技術(shù)的采用，在上世紀末和本世紀初，低壓鑄造在我國得到快速發(fā)展，國產(chǎn)低壓鑄造機的功能和性能，及使用的穩(wěn)定性和可靠性已經(jīng)接近或達到國際先進水平，被大量用于汽車輪轂、汽車缸蓋等鑄件的生產(chǎn)。,V型汽車鋁缸蓋,汽車輪轂,鋁合金缸蓋,英國黑豹汽車橋梁鑄件,2.2 低壓鑄造原理 低壓

4、鑄造是使液態(tài)金屬在壓力作用下充填型腔，以形成鑄件的一種方法。由于所用的壓力較低，所以叫做低壓鑄造。其工藝過程如下：在裝有合金液的密封容器（如坩堝）中，通入干燥的壓縮空氣，作用在保持一定澆注溫度的金屬液面上，造成密封容器內(nèi)與鑄型型腔的壓力差，使金屬液在氣體壓力的作用下，沿升液管上升，通過澆口平穩(wěn)地進入型腔，并適當(dāng)增大壓力并保持坩堝內(nèi)液面上的氣體壓力，使型腔內(nèi)的金屬液在較高壓力作用下結(jié)晶凝固。然后解除液面上的氣體壓力，使開液管中未凝固的金屬液依靠自重流回坩堝中，再開型并取出鑄件，至此，一個完整的低壓澆鑄工藝完成。,低壓鑄造加壓方式： 坩堝加壓式 容器加壓式 低壓鑄造裝備結(jié)構(gòu)形式： (1) 金屬型低

5、壓鑄造裝備 (2) 砂型或殼型低壓鑄造裝備,三、低壓鑄造特點,低壓鑄造的澆注工藝參數(shù)可在工藝范圍內(nèi)任意設(shè)置調(diào)整，可保證液體金屬充型平穩(wěn)，減少或避免金屬液在充型時的翻騰、沖擊、飛濺現(xiàn)象，從而減少了氧化渣的形成，避免或減少鑄件的缺陷，提高了鑄件質(zhì)量。 金屬液在壓力作用下充型，可以提高金屬液的流動性，鑄件成形性好，有利于形成輪廓清晰、表面光潔的鑄件，對于大型薄壁鑄件的成形更為有利。 鑄件在壓力作用下結(jié)晶凝固，并能得到充分地補縮，故鑄件組織致密，機械性能高。 具有自然的順序凝固特點。 有利于降低鑄件的針孔度級別。 提高了金屬液的工藝收得率，一般情況下不需要冒口，使金屬液的收得率大大提高，收得率一般可達

6、90。 勞動條件好；生產(chǎn)效率高，易實現(xiàn)機械化和自動化，也是低壓鑄造的突出優(yōu)點。,低壓鑄造對合金牌號的適用范圍較寬，基本上可用于各種鑄造合金。不僅用于鑄造有色合金，而且可用于鑄鐵、鑄鋼。特別是對于易氧化的有色合金，更顯示它的優(yōu)越性能，即能有效地防止金屬液在澆注過程中產(chǎn)生氧化夾渣。 低壓鑄造對鑄型材料沒有特殊要求，凡可作為鑄型的各種材料，都可以用作低壓鑄造的鑄型材料。與重力鑄造和特種鑄造應(yīng)用的鑄型基本相同，如砂型（粘土砂、水玻璃砂、樹脂砂等）、殼型、金屬型、石墨型、熔模精鑄殼型、陶瓷型等都可應(yīng)用?？傊?，低壓鑄造對鑄型材料要求沒有嚴格限制。,(a) 增壓釜鑄造(100) (b) 反重力低壓鑄造(10

7、0) 渦道鑄件增壓釜和反重力低壓鑄造條件下相同部位的微觀組織,某型號進氣道唇口鑄件,汽車渦輪增壓器,美國Wellman公司生產(chǎn)的導(dǎo)彈燃料艙和噴氣式發(fā)動機進氣道,四、低壓鑄造與其它鑄造法的比較,低壓鑄造適用的合金范圍廣，鋁合金、鎂合金、銅合金、高密度黑色金屬。壓力鑄造一般只適用于鑄造性能較好的合金，如鋁硅合金、鋅合金、鎂合金等。 壓力鑄造一般用于生產(chǎn)批量大的中小鑄件，低壓鑄造可適用于不同大小、不同批量的鑄件。就砂型低壓鑄造而言，所能成形的鑄件輪廓尺寸、鑄件重量幾乎不受限制。 壓力鑄造是在高速高壓下充型，型腔中的氣體不易排除，易于產(chǎn)生氣孔，所生產(chǎn)的鑄件不能進行熱處理，而低壓鑄造則與此相反。為此，壓

8、力鑄造生產(chǎn)的鑄件一般只作功能件使用或者不重要的結(jié)構(gòu)件使用。 壓力鑄造所用的鑄型(金屬型)，要求高、制造困難、周期長、成本高。低壓鑄造應(yīng)用的金屬模要求較低，制造容易，模具費用只相當(dāng)于壓鑄模費用的1/4。采用石墨型、殼型、砂型低壓鑄造時，模具費用更低。而且低壓鑄造適用的鑄型種類多、范圍廣。 低壓鑄造的設(shè)備比壓力鑄造的設(shè)備簡單，且容易制造。,五、低壓鑄造設(shè)備的分類及應(yīng)用,按照加壓介質(zhì)分類： 普通低壓鑄造設(shè)備 電磁低壓鑄造設(shè)備,按照所使用鑄型分類： 金屬型低壓鑄造設(shè)備 砂型低壓鑄造設(shè)備,按照承壓方式分類： 坩堝加壓型低壓鑄造設(shè)備 罐體加壓型低壓鑄造設(shè)備,特點：凝固環(huán)境為正壓，排氣困難，生產(chǎn)效率較低，鑄

9、件輪廓受限，鑄件致密度較低壓鑄造高。跑火易對裝備造成損壞。,適用性：各種類型的復(fù)雜厚壁或中等壁厚優(yōu)質(zhì)構(gòu)件(平均壁厚大于8mm)。單件澆注重量400Kg左右?？捎糜诮饘傩?配套開合型和頂出機構(gòu))、砂型、石膏型、精鑄模殼以及消失模。,六、類似于低壓鑄造的其它反重力鑄造方法及應(yīng)用,差壓鑄造,調(diào)壓鑄造、真空吸鑄,調(diào) 壓 鑄 造,真 空 吸 注,特點：凝固環(huán)境為負壓，排氣順暢，生產(chǎn)效率較低，鑄件輪廓受限。針孔度等級不易控制,適用性：各種類型的復(fù)雜薄壁構(gòu)件(平均壁厚小于5mm)。單件澆注重量小于100Kg。主要用于砂型、石膏型、精鑄模殼。,真空差壓鑄造,調(diào)壓充型,正壓凝固,概念上的反重力鑄造方法。負壓充型

10、，正壓凝固。具有調(diào)壓或真空吸注的充型和差壓鑄造的凝固特點，但過程可控性差，凝固正壓建立速度慢，無法對鑄件致密度形成明顯影響。,金屬型低壓鑄造生產(chǎn)線,金屬型差壓鑄造生產(chǎn)線,主要用于金屬型鑄造， 由于需要實現(xiàn)開合模 動作，所以，主要結(jié) 構(gòu)為四立柱形式。但 保溫爐形式有所區(qū)別。 有金屬坩堝、石墨坩 堝、碳化硅坩堝和耐 火材料打結(jié)坩堝。,日本五十鈴制作所生產(chǎn)的“上模滑動式低壓鑄造機”,鑄造機本體： 控制機械的高度，實現(xiàn)整體搬運安裝 作業(yè)平臺僅有550mm，2個臺階 模具的開模壓力根據(jù)使用情況可調(diào)，采用節(jié)能型的液壓控制系統(tǒng) 液壓裝置是小型的，可以置于平臺下面 由于上模是滑動的，所以能夠提高安裝模具的效率

11、和換模作業(yè)的安全性 采用伺服電機驅(qū)動，實現(xiàn)了高速運轉(zhuǎn) 下模具有升降功能，開模高度可以變更,鋁液保持爐： 鋁液保持爐由加壓室和保溫室2個槽構(gòu)成 降低保持爐的高度，所以實現(xiàn)了小型、無地坑化 升液管安裝在爐內(nèi)，實現(xiàn)了無升液管化。另外，由于模具的澆道與液面的距離 短，所以能夠減少熱量的損失以及氧化物的產(chǎn)生 能夠保持恒定的液面高度，鑄造條件同一 為了清除鋁液中的雜質(zhì)以及控制氧化物的生成，在保溫室側(cè)設(shè)置了脫氧裝置 鑄造作業(yè)(加壓)時，可以進行清掃保溫室及添加鋁液作業(yè),德國琦瑪(GIMA)低壓鑄造機,西北工業(yè)大學(xué)開發(fā)的非標反重力低壓、差壓、調(diào)壓和真空吸鑄設(shè)備 主要用于砂型、精鑄模殼、石膏型等的鑄件成形，用途

12、不同，配制也不同，但主 要結(jié)構(gòu)為上下罐形式。,坩堝加壓型低壓鑄造設(shè)備,七、低壓鑄造液面加壓的控制,電控核心：單板機,單片機,監(jiān)控程序編寫語言：機器碼,匯編語言,高級語言 事件驅(qū)動可視化編程語言,調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)：一次儀表,氣動薄膜閥,電氣比例閥 直行程電動閥,組合閥,液面加壓控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程,氣動薄膜閥,口徑大，可以帶手動 執(zhí)行機構(gòu)，但反應(yīng)慢， 不適合于快速調(diào)節(jié)。,電氣比例閥,模擬多級控制,數(shù)字組合閥,控制軟件的“參數(shù)設(shè)置”屏幕,控制軟件的“過程監(jiān)控”屏幕,控制軟件的“數(shù)據(jù)處理”屏幕,控制軟件的“故障定位”屏幕,控制軟件的“操作指南”屏幕,液面加壓控制算法,傳統(tǒng)PID算法,比例環(huán)節(jié)：及時成比例地

13、反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。 微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。,傳統(tǒng)PID控制效果,此次跟蹤過程中，升液速度為50mm/s，充型速度為150mm/s。從圖中可以看出，在升液和充型階段存在著較大的氣壓波動，動態(tài)性能較差，而進入到保壓階段，實際曲線與設(shè)定曲線基本重合，偏差很小，靜態(tài)性能良好。,傳統(tǒng)PID限幅

14、控制效果,此次跟蹤對輸出進行了限幅處理。升液速度為30mm/s，充型速度為50mm/s。限定其最大輸出，從而保證了升液和充型階段良好的跟蹤效果，但是在結(jié)晶增壓階段壓力升高很快，為3KPa/s，而輸出最大值又被限制，所以產(chǎn)生了較大的偏差。這種方法顧此失彼，不能滿足實際生產(chǎn)的要求。,Fuzzy控制算法,模糊化接口、規(guī)則庫、模糊推理機制和 輸出量解模糊化接口等四個部分。,利用Fuzzy控制的液面加壓曲線。升液速度為30mm/s，充型速度為50mm/s。從圖中可以看出，升液和充型階段動態(tài)跟蹤效果良好，但是在轉(zhuǎn)入到保壓階段時產(chǎn)生了振蕩和超調(diào)，即所謂的零點極限循環(huán)振蕩。,U模糊查詢表,Fuzzy-PID

15、復(fù)合控制算法,Fuzzy-PID混合控制。升液速度為50mm/s，充型速度為150mm/s。當(dāng)偏差E較小的時候采用PID進行調(diào)節(jié)，一旦設(shè)定曲線變化較大，跟蹤誤差越來越大，直至達到e0(0.5KPa），然后轉(zhuǎn)入到Fuzzy控制，而Fuzzy控制的動態(tài)效果較好，因此不會出現(xiàn)類似于純模糊控制中的現(xiàn)象。,模糊化PID 控制算法,Fuzzy PID控制器中包含一個傳統(tǒng)的PID控制器和一個模糊自整定結(jié)構(gòu)。通過模糊推論在線調(diào)整PID的三個參數(shù)比例項（KP）、積分項（K）和微分項（KD）以便獲得合理的動態(tài)響應(yīng)速度和較高的控制精度。圖中 r(t)是設(shè)定值，e是設(shè)定值和實際值之間的差，ec是差值變化率，u是Fuz

16、zy PID控制器的輸出增量。,根據(jù)誤差和誤差變化率在模糊控制表中查找PID參數(shù)增量，動態(tài)改變PID參數(shù)，有效發(fā)揮三個參數(shù)在不同情況下的調(diào)節(jié)作用，有效改變動態(tài)和靜態(tài)跟蹤品質(zhì)，充分發(fā)揮傳統(tǒng)PID的調(diào)節(jié)能力，增強這種控制算法的適應(yīng)性。,低壓鑄造液面加壓控制效果評估,低壓鑄造液面加壓控制效果評估,低壓鑄造液面加壓控制效果評估,八、低壓鑄造流程,金屬的熔煉及模具的準備； 澆注前的準備：包括坩堝密封(裝配密封蓋),升液管中的扒渣，測量液面高度，密封性試驗，配模，緊固模具等； 澆注：包括升液、充型、結(jié)晶凝固、排氣等四個過程； 脫模：包括松型脫模和取件。,低壓鑄造工藝操作規(guī)程,九、低壓鑄造工藝參數(shù)的選擇,(

17、1) 升液階段 (2) 充型階段 (3) 結(jié)殼增壓階段 (4) 結(jié)保保壓階段 (5) 結(jié)晶增壓階段 (6) 結(jié)晶保壓階段,階段參數(shù)定義： (1) 升液階段：升液速度(mm/s)、升液壓力(KPa，p1) (2) 充型階段：充型速度(mm/s)、充型壓力(KPa，p2) (3) 結(jié)殼增壓階段：結(jié)殼增壓壓力(KPa,p1=p3p2), 結(jié)殼增壓速度(KPa/s) (4) 結(jié)保保壓階段：結(jié)殼保壓時間(s) (5) 結(jié)晶增壓階段：結(jié)晶增壓壓力(KPa,p2=p4p3), 結(jié)晶增壓速度(KPa/s) (6) 結(jié)晶保壓階段：結(jié)晶保壓時間(s),針對成形合金的不同以及鑄件復(fù)雜程度的不同， 還需要考慮熔體密度

18、(Kg/m3)和阻力系數(shù)。,真空吸鑄工藝參數(shù),熔體充滿鑄型后遵循帕斯卡定律：即作用在液面上的壓強與鑄型各個方向所承受的壓強相等。,低壓鑄造工藝參數(shù)的設(shè)定方法,低壓鑄造充型過程中，熔體未充滿鑄型之前遵循以下規(guī)律：,升液壓力： 充型壓力：,三、升液管尺寸的確定及材質(zhì)選擇,文獻提供的升液管結(jié)構(gòu),帶保溫套的升液管 1坩堝蓋 2加熱器套 3升液管,大型銅合金鑄件用升液管,大型鑄鐵件用升液管 1-耐火磚管 2-間隙 3-無縫鋼管 4-型砂層 5-法蘭,大型鑄鋼件用升液管 1法蘭 2 鎂砂 3鋼管 4 型砂 5 耐火磚管 6 鐵絲,不同結(jié)構(gòu)的金屬型升液管,升液管直徑：與鑄件直澆口面積接近。 升液管長度：底端

19、距離坩堝底部100mm以上。 升液管法蘭：在保證剛度的情況下盡可能薄，以減小激冷結(jié)果。,電加熱升液管保溫套的制作,制作要點: 根據(jù)升液管外徑確定碳化硅爐膛內(nèi)徑; 纏繞電阻絲后需在其中填滿石英砂; 利用帶密封法蘭的鎧裝熱偶測溫; 正確選擇電級密封結(jié)構(gòu).,通用電極密封組件,四、快速增壓的實現(xiàn)方案,為什么要實現(xiàn)快速增壓? 低壓鑄造中，充型與凝固并存，因此，充型的同時需要補縮,增壓的同時也需要補縮。特別是，鑄型充滿后，增壓過程中的補縮顯得尤為重要，而且需要更高的補縮力。很多顯微縮松都是由于補縮力無法克服表面張力而引起的，并且越到凝固后期，這種枝晶間的補縮越困難。所以，需要快速增壓，在凝固早期階段，就施

20、以盡可能大的補縮壓力。這有利于提高鑄件的致密度，可以有效提高力學(xué)性能。,增壓途徑 從低壓鑄造設(shè)備的角度講，無論是升液充，還是快速增壓，都要通過起調(diào)節(jié)作用的執(zhí)行機構(gòu)，例如，電氣比例閥或者數(shù)字組合閥。在氣源壓力一定的情況下，快速增壓必然要求執(zhí)行機構(gòu)具有很寬的調(diào)節(jié)范圍，但調(diào)節(jié)范圍越寬，越不利于控制升液充型過程中的控制精度。升液充型控制精度低、增壓速度快，均會影響到鑄件的成形質(zhì)量。為此，需要在液面加壓控制系統(tǒng)上予以改進，來達到快速增壓的目的。,以數(shù)字組合閥為例的快速增壓實施方案,與數(shù)字組合閥一樣，快速增壓環(huán)節(jié)的執(zhí)行機構(gòu)也是電磁閥，但口徑較大，且增壓流量可通過節(jié)流閥進行調(diào)節(jié)(也可以是電動流量調(diào)節(jié)器)。這

21、樣，鑄型充滿后，組合閥仍然可以處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，但打開快速增壓通道，提高增壓速度。增壓結(jié)束后，關(guān)閉快速增壓通道，在組合閥的調(diào)節(jié)下實現(xiàn)平衡保壓。,四、低壓鑄造生產(chǎn)過程中的注意事項,低壓鑄造的澆注過程是在一定的氣體壓力作用下完成的，所以生產(chǎn)中的安全問題應(yīng)該引起高度重視。 一、坩堝、壓力罐的設(shè)計制造 低壓鑄造中，所使用的坩堝、低壓鑄造設(shè)備本體、加熱套、儲氣罐都屬于壓力容器范疇。因此，它們的設(shè)計制造均應(yīng)遵循國家鋼制壓力容器制造標準GB150-1998。低壓鑄造所涉及的承壓部分屬于I類壓力容器。一般情況下，低壓鑄造設(shè)備本體的設(shè)計壓力應(yīng)為0.25MPa，工作壓力應(yīng)為0.2MPa，設(shè)計工作溫度為180C。但目前普遍使用的坩堝加壓低壓鑄造中，對坩堝很難要求做到這點。 二、剩余合金量的控制 所謂剩余合金量,就是在澆注最后一個鑄件時，在充型和增壓后，必須保證升液管下端埋入合金液中，其深度約為80100mm。對于敞開式低壓澆注(鑄型頂部不封頂或者存在敞開的通氣孔、冒口等)，尤其要注意這個問題。因為合金液過少，則可能在充型未結(jié)束時，升液管下端已暴露在合金液面之上，俗稱“脫空”，壓縮空氣