電動(dòng)機(jī)端蓋模具設(shè)計(jì)【壓鑄模具】【說(shuō)明書+CAD】

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關(guān)鍵詞：真空壓鑄；泵抽模型；高真空；真空截止閥；輔助系統(tǒng) 1.引言 高真空壓鑄技術(shù)是一種特殊的壓鑄工藝，獲得這項(xiàng)技術(shù)期間，須有一個(gè)腔內(nèi)壓力小于10千帕，這項(xiàng)技術(shù)可以減少或消除在壓鑄件孔隙率，空氣攜帶量每100克僅1-3毫升,獲得的鑄件可進(jìn)一步處理，如熱處理，焊接等[1-2]。高真空壓鑄技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)一個(gè)高靈敏度的真空抽氣系統(tǒng),建立一個(gè)抽水工序的建模比較困難,一些學(xué)者研究了理論模型或?qū)嶋H應(yīng)用。 BAR-MEIR等人[3-4]，研究了壓鑄空氣排風(fēng)和抽真空過(guò)程的物理模擬，他們認(rèn)為在壓鑄過(guò)程中排氣面積一個(gè)關(guān)鍵性因素；當(dāng)有效的排氣閥排氣面積小于臨界區(qū)時(shí)，排氣不夠，液態(tài)金屬中有大量的氣體；當(dāng)有效的排氣面積較大時(shí)，容易溢出液態(tài)金屬。NOURI-BORUJE-RDI等人[5]，為注入過(guò)程中模具腔內(nèi)殘留的空氣建立一個(gè)瞬態(tài)模型，他們認(rèn)為熔融金屬的粘度、溫度、注入速度和摩擦系數(shù)的影響，從而提高在這一領(lǐng)域的數(shù)值模擬計(jì)算方法。HERNANDEZ等人[6]，改良了BAR-MEIR等人的模型，并考慮到抽真空過(guò)程中摩擦和氣流變化等不穩(wěn)定因素，這種改進(jìn)的物理模型是適合于常規(guī)壓鑄和真空壓鑄，有許多壓鑄排風(fēng)和真空壓鑄抽氣的其他研究，但大多停留在理論層面，大多為排氣過(guò)程的數(shù)值模擬。 中國(guó)清華大學(xué)的HU等人[7-8]進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究直接的抽真空腔壓力下降，他們比較了理論曲線與實(shí)測(cè)曲線模腔壓力，只有當(dāng)抽真空超過(guò)2.5秒的時(shí)間，可以得到一個(gè)理想的腔真空壓力小于10千帕；中國(guó)華中科技大學(xué)的WAN等人[1-2,9]，自主研發(fā)一種與高真空壓鑄最小填充時(shí)間的方法相關(guān)技術(shù)，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)輔助系統(tǒng)，有一個(gè)緩沖罐通過(guò)液態(tài)金屬流動(dòng)的影響來(lái)控制機(jī)械閥的關(guān)閉。在一秒內(nèi)，這個(gè)系統(tǒng)可以減少腔內(nèi)壓力到10千帕。 根據(jù)目前的文獻(xiàn)，很少研究提供真空壓鑄與緩沖罐系統(tǒng)的完善的理論分析和實(shí)際的設(shè)計(jì)。本文是一個(gè)緩沖罐進(jìn)行高真空抽氣系統(tǒng)模型的理論研究和計(jì)算分析，研究模腔壓力和抽時(shí)間之間的關(guān)系，并開發(fā)滿足高真空實(shí)驗(yàn)要求高真空壓鑄的輔助系統(tǒng)。 2.緩沖罐泵送系統(tǒng)的理論模型 緩沖罐抽真空計(jì)劃如圖1所示,一個(gè)大的緩沖罐，作為真空源，添加抽出真空泵和模具腔內(nèi)之間的氣體，氣體在緩沖罐真空泵不斷抽出。 圖1、緩沖罐抽真空系統(tǒng)的方案 空氣通風(fēng)的理論計(jì)算模型如圖2所示，它是針對(duì)上述方案給出了一個(gè)高真空排氣理論計(jì)算的簡(jiǎn)化模型，Min是在管道入口馬赫數(shù)，Mout是在管道出口馬赫數(shù)，m(t)是模具型腔中的氣體摩爾數(shù)。 圖2空氣通風(fēng)的理論計(jì)算模型 在這種模型下，未填充的的壓鑄儲(chǔ)筒、流道和和模具型腔相結(jié)合，看作一個(gè)圓柱形的容器（叫做氣缸）[3]。氣體通過(guò)管道排放到緩沖罐，管道是氣流的主要阻力，關(guān)于這個(gè)模型作出以下假設(shè)理論計(jì)算： （1） 所有的氣體都是理想氣體。 （2） 排氣階段時(shí)間很短，氣體溫度為300K，不考慮氣體的傳熱。 （3）排氣過(guò)程中忽略氣體的泄漏。 （4）和氣體管道相比，真空管的體積很小，因此可以忽略不計(jì)。 根據(jù)高真空壓鑄排氣過(guò)程建立的模型，下面的公式可以建立腔內(nèi)氣體壓力和抽氣時(shí)間的關(guān)系。在計(jì)算中，Min和Mout管的入口和出口，可以通過(guò)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) 在時(shí)間間隔內(nèi)Δt，從氣缸排放出去的氣體質(zhì)量Δm可以得到公式（4）[5-6]： ?m=ρμA?t=P0MinkRT121+k-12Min2-(k+1)2(k-1）A?t (4) 腔內(nèi)壓力PO(t)和Pv(t)可以通過(guò)（5）（6）式得到，分別為： Pvt=mt-?mRTV4 (5) Pvt=mt+?mRTV2 (6) 氣體管道直徑20毫米，長(zhǎng)度3米，緩沖罐是選擇150升和選用8升/秒的抽速，緩沖罐有一個(gè)初始?jí)毫?.8千帕。 氣缸體積（壓鑄儲(chǔ)筒、流道和模腔）采用0.5升、1.0升和1.5升計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3所示，當(dāng)V1=1.5升，只需要0.73s模具型腔的壓力就可以抽減到9.885千帕，并且僅用0.83s達(dá)到最低壓力8.974千帕， 圖3模腔壓力和時(shí)間之間的關(guān)系曲線。 上述理論模型的計(jì)算公式是不考慮不斷用真空泵排空真空罐的情況下成立，抽水緩沖罐調(diào)用的時(shí)間估計(jì)由式（7），（8）[11]： t=2.3KqVSplgPiP （7） V=V1+V2 （8） 其中t是抽氣時(shí)間，Sp是名義抽取速度，V為抽取容器的體積，V1為緩沖罐的體積,V2是抽氣管的體積，p是抽取容器的壓力，無(wú)因次數(shù)Kq是修正系數(shù)，在這里取1[11]。 緩沖罐壓力抽到0.8kPa時(shí)間縮短，計(jì)算公式如下 t=2.3KqVSlgPip≈2.3×1.25×150+9.48×lg1000008000≈63s (9) 金屬溶液灌裝前，型腔不一定為真空，需要等待一段時(shí)間預(yù)抽真空罐。 3.設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)高真空輔助系統(tǒng) 根據(jù)上述理論模型，高真空壓鑄輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心部件是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、真空閥和氣動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程將在以下簡(jiǎn)要介紹： 3.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 控制系統(tǒng)采用工業(yè)控制模式“可編程邏輯控制器+觸摸屏”，它可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控真空泵、各種電磁閥、緩沖罐、真空閥門、模具型腔。原理圖和對(duì)象的控制系統(tǒng)如圖4所示，給出了控制系統(tǒng)的原理圖和照片，控制系統(tǒng)的操作界面如圖5所示，給出了操作界面。 （a）控制系統(tǒng)原理圖 （b）控制系統(tǒng)對(duì)象 1、2可編程控制器；3觸摸屏；4、5電磁閥； 6壓力變送器；7壓力調(diào)節(jié)閥； 圖4原理圖和對(duì)象的控制系統(tǒng) （a）人機(jī)交互主界面 (b) 參數(shù)設(shè)置界面 (c) 手動(dòng)調(diào)試接口 圖5.控制系統(tǒng)的操作界面 3.2真空閥和氣動(dòng)控制的設(shè)計(jì) 為了達(dá)到最好的真空壓鑄效果，它必須得到保證模具型腔的高真空度可以維持到完全充滿金屬液態(tài)腔，灌裝結(jié)束抽真空通道應(yīng)立即關(guān)閉。因此，真空閥門的工作模式是實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的關(guān)鍵。從現(xiàn)有的真空閥開發(fā)出各種結(jié)構(gòu)的真空閥[12-19]，一個(gè)模式的“壓縮氣體+活塞桿+迷宮槽”最初創(chuàng)建和慣性影響金屬液是用來(lái)關(guān)閉排氣通道，其反應(yīng)時(shí)間只有1.5毫秒，因此，全過(guò)程的真空排氣壓鑄才能實(shí)現(xiàn)壓鑄。最后，真空閥自動(dòng)復(fù)位實(shí)現(xiàn)壓縮氣體的援助；真空閥的結(jié)構(gòu)和如圖6所示是真空閥的結(jié)構(gòu)和照片，真空閥也可以由壓縮空氣控制；真空閥的氣動(dòng)控制電路圖如圖7所示是真空閥門氣動(dòng)控制電路圖。 （a）真空閥模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu) （b）真空閥的外部配置和照片 圖6 真空閥的結(jié)構(gòu)和照片 1、5兩位兩通先導(dǎo)式電磁閥；2、6三位兩通先導(dǎo)式電磁閥； 3三位兩通直動(dòng)式電磁閥；4兩位兩通直動(dòng)式電磁閥； 7、8壓力調(diào)節(jié)閥；9、壓力變送器；10、過(guò)濾器； 圖7、真空閥的氣動(dòng)控制電路圖 4抽高真空輔助系統(tǒng)驗(yàn)證和分析 4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法 ADCl2合金被用作試驗(yàn)材料和真空壓鑄模具設(shè)計(jì)汽車的一部分，其質(zhì)量為1.04公斤，包含鑄造本身，澆鑄系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)。 安裝在模具上的真空閥門圖8（a）所示，先進(jìn)真空閥和模具安裝在壓鑄機(jī)，真空壓鑄棒如圖8（b）所示顯示了本系統(tǒng)生產(chǎn)的棒。 （a）安裝在模具上的真空閥門 （b）真空壓鑄棒 圖8.真空壓鑄實(shí)驗(yàn) 一定數(shù)額的ADC12被融化在953 K，吹入氬氣精煉15分鐘，并且保持10分鐘保溫鑄造，所有電熱棒加熱模具預(yù)熱到溫度523K，緩沖罐的真空壓力設(shè)定到1千帕。測(cè)量和理論計(jì)算結(jié)果如圖9所示，隨著時(shí)間變化腔的真空度變化，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)理論計(jì)算和其他測(cè)量得到一條曲線，兩條曲線有相同的壓力下降趨勢(shì)的區(qū)域。 圖9測(cè)量和理論計(jì)算結(jié)果 4.2觀察孔隙鑄件 鋁合金壓鑄件的致命缺陷是孔隙，通過(guò)抽樣X-射線檢查未經(jīng)熱處理的連接部分棒，表明由傳統(tǒng)的壓鑄生產(chǎn)的鑄件的孔隙率是100％。通過(guò)高真空壓鑄的鑄件氣孔分布廣泛幾乎沒(méi)有氣孔，傳統(tǒng)和真空壓鑄模生產(chǎn)鑄件的X射線圖片如圖10所示典型的氣孔分布。同步注入真空系統(tǒng)的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程的排氣，并在最大程度上滿足低孔隙度的要求。 (a)傳統(tǒng)的壓鑄產(chǎn)品 （b）鑄件生產(chǎn)系統(tǒng) 圖10 傳統(tǒng)和真空壓鑄模生產(chǎn)鑄件的X射線圖片 5.結(jié)論 （1） 緩沖罐在高真空壓鑄型腔排氣過(guò)程的計(jì)算和分析，依據(jù)選擇具體參數(shù)開發(fā)的高真空壓鑄的鑄造輔助系統(tǒng)，不同體積腔通風(fēng)的理論曲線的繪制。結(jié)果表明，鋁鑄件小于4公斤，腔壓力可在0.8秒內(nèi)下降到10千帕，理論上使用的一個(gè)150L的緩沖罐抽真空。到一定程度，它反映了真空腔壓力變化趨向。 （2）上述計(jì)算和分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)高真空壓鑄輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有觸摸控制界面的簡(jiǎn)單性和響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)，并且機(jī)械真空閥門調(diào)用實(shí)現(xiàn)在真空排氣的全過(guò)程的響應(yīng)時(shí)間只有1.5毫秒。 （3）高真空壓鑄輔助系統(tǒng)已被用于試驗(yàn)生產(chǎn)ADCl2合金棒材，和傳統(tǒng)的壓鑄技術(shù)相比孔隙度顯著降低。 （4）真空壓鑄理論和設(shè)備上的系統(tǒng)研究為高真空壓鑄的研究具有十分重要的指導(dǎo)意義，也可以適用于其他高真空，如真空注射成型。 6.參考文獻(xiàn) [l] 趙蕓蕓，萬(wàn)里，潘歡等.高真空壓鑄用真空截止閥及真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[C]//第12屆全國(guó)特種鑄造及有色合金的年度會(huì)議，中國(guó)福州，7.26-31.2008：451–454. 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