【正文】 ...........................................35中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 1 頁 共 36 頁1 引言 研究的背景及意義低壓鑄造是使液體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，所以叫低壓鑄造。低壓鑄造法的雛形可以追溯到本世紀(jì)初。適用于鋁合金是 1917 年在法國，1924 年在德國提出的申請，但并沒有形成大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。為商業(yè)的目的而開始生產(chǎn)是在二戰(zhàn)以后的 1945 年，由英國的路易斯先生創(chuàng)立了阿魯馬斯庫公司，開始生產(chǎn)雨水管道、啤酒容器等。在那以后的五十年代里，奧地利和德國開始生產(chǎn)氣缸頭。 1958 年美國的澤訥拉路默它斯在小型汽車的發(fā)動機(jī)零件上（氣缸頭、箱體、齒輪箱）大量運(yùn)用了鋁合金鑄件，并采用了低壓鑄造法。這件事對至今仍廣泛采用的低壓鑄造法而言是不可或缺的推動，特別是在全世界的汽車工業(yè)界引起了極大的反響。低壓鑄造法被介紹進(jìn)我國是 1957 年左右，但真正引起業(yè)界的注意，開始進(jìn)行各種研究、引進(jìn)設(shè)備是從 1960 年左右開始的。但是這種打破了以往常識的劃時(shí)代的工藝方法，幾乎沒有冒口，與已經(jīng)作為一種“技術(shù)” 確立起來的重力金型鑄造的技術(shù)相比具有完全不同的難度，因此業(yè)界的反應(yīng)比較冷淡。 在這種狀況下，1961 年的輕型汽車用空冷氣缸頭的生產(chǎn)成為低壓鑄造法在我國實(shí)用化的開端。以后的發(fā)展非常迅速，在克服了多個技術(shù)難題后，利用低壓鑄造法所具有的材料利用率高、容易實(shí)現(xiàn)注湯自動化等優(yōu)點(diǎn)，以汽車部件為中心，逐步確立了輕合金鑄件的主要鑄造法的牢固地位。目前在鋁合金鑄件的生產(chǎn)量中，低壓鑄造品已占了大約 50%，并以其巨大的生產(chǎn)量和優(yōu)良的品質(zhì)而著稱于世。產(chǎn)品擴(kuò)大到汽車相關(guān)部件，如氣缸頭、氣缸體、剎車鼓、離合器罩、輪轂、進(jìn)氣岐管等。特別是 1970 年以后大量應(yīng)用在輪轂上，并且隨著近年來的汽車輕量化和提高性能等要求，在以往從未有過的復(fù)雜內(nèi)部品質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)的嚴(yán)格要求下，氣缸頭、氣缸體上的使用也逐漸增加。作為一種近凈成形技術(shù),被廣泛應(yīng)用在航空、航天、交通等領(lǐng)域,其產(chǎn)品在汽車部件的應(yīng)用,對于汽車的輕量化有著重要的意義 [1]。低壓鑄造工藝對于鑄件的最終性能有著重要影響,研究者越來越關(guān)注于低壓鑄造工藝對充型和凝固過程的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,利用數(shù)值模擬技術(shù)對傳統(tǒng)鑄造工藝進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化已成為當(dāng)前鑄造技術(shù)的發(fā)展趨勢。中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 2 頁 共 36 頁 低壓鑄造的基本原理在密閉的保持爐的熔湯表面上施加 ~ 的空氣壓力或惰性氣體壓力，熔湯通過浸放在熔湯里的給湯管上升，被壓進(jìn)與爐子連接著的上方的模具內(nèi)。熔湯是從型腔的下部慢慢開始充填，保持一段時(shí)間的壓力后凝固。凝固是從產(chǎn)品上部開始向澆口方向轉(zhuǎn)移，澆口部分凝固的時(shí)刻就是加壓結(jié)束的時(shí)間。于是就憑借澆口的方向性凝固和從澆口開始的冒口壓力效果得到了完美的鑄件。最后當(dāng)鑄件冷卻至固相溫度以下便可從模具中取出產(chǎn)品。反重力低壓鑄造相比于傳統(tǒng)的鑄造有很多優(yōu)點(diǎn)，鑄 造 利 用 率 非 常 高 。 由 于 沒 有冒 口 和 澆 道 ， 澆 口 較 小 ， 因 此 可 以 大 幅 度 降 低 材 料 費(fèi) 和 加 工 工 時(shí) ； 獲 得 完 美 的 鑄件 ， 容 易 形 成 方 向 性 凝 固 ， 內(nèi) 部 缺 陷 少 ； 氣 體 、 雜 物 的 卷 入 少 ， 可 以 改 變 加 壓 速度 ， 熔 湯 靠 層 流 進(jìn) 行 充 填 ； 容 易 實(shí) 現(xiàn) 自 動 化 ， 可 以 多 臺 作 業(yè) 、 多 工 序 作 業(yè) ； 不 受操 作 者 熟 練 程 度 的 影 響 ； 材 料 的 使 用 范 圍 廣 。中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 3 頁 共 36 頁2 硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是對氣動低壓鑄造氣控的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是應(yīng)用反重力澆注發(fā)來實(shí)現(xiàn)的。主要是通過液面加壓控制系統(tǒng)對放進(jìn)和放出氣體實(shí)現(xiàn)對坩堝內(nèi)壓力的改變來控制液態(tài)金屬升液速度的改變是鑄件澆注完成。如下圖 低壓鑄造的工作原理圖，由 5 個功能模塊組成其中功能塊 2 是整個低壓鑄造控制裝置的核心，它按控制要求完成硬件和軟件功能。功能塊 1 是所有的輸入設(shè)備的控制輸入信號，它包括按鈕狀態(tài)、轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)以及壓力表的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。功能塊 3 是控制輸出設(shè)備，它完成氣路的通斷或氣壓大小調(diào)節(jié)。功能塊 4 是人機(jī)界面即觸摸屏，它完成參數(shù)設(shè)定、監(jiān)視、操作等功能。功能塊5 是電源模塊。圖 低壓鑄造的工程原理圖中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 4 頁 共 36 頁3 硬件設(shè)計(jì) 基于電磁泵的 PLC 選型通過查閱大量 PLC 資料和經(jīng)驗(yàn)人士的筆記，并結(jié)合成本和功能，全面考究后，選用晶體管型西門子 PLC，型號為西門子 S7200 CPU224XP DC/DC/DC 的繼電器輸出型。24V 交流電源，8 點(diǎn)輸入，8 點(diǎn)繼電器輸出，符合設(shè)計(jì)要求的轉(zhuǎn)換精度。西門子 S7200 CPU224X 如下表 所示：表 西門子 S7200 CPU224X內(nèi)置式 24V 直流電源 24V、40200mA 直流電源可用于外圍設(shè)備，如傳感器或其它元件。快速斷開端子塊因?yàn)椴捎昧藘?yōu)良的可維護(hù)性快速斷開端子塊，即使接著電纜也可以更換單元。時(shí)鐘功能和小時(shí)表功能在所有的 FX2NPLC 中都有實(shí)時(shí)時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)間設(shè)置和比較指令易于操作。小時(shí)表功能對過程跟蹤和機(jī)器維護(hù)提供了有價(jià)值的信息。持續(xù)掃描功能 為應(yīng)用所需求的持續(xù)掃描時(shí)間定義操作周期。輸入濾波器調(diào)節(jié)功能 可以用輸入濾波器平整輸入信號（在基本單元中 x000 到 x017）。注解記錄功能 元件注解可以記錄在程序寄存器中。在線程序編輯 在線改變程序不會損失工作時(shí)間或停止生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)。RUN/STOP 開關(guān) 面板上運(yùn)行/停止開關(guān)易于操作。遠(yuǎn)程維護(hù)遠(yuǎn)處的編程軟件可以通過調(diào)制解調(diào)器通信來監(jiān)測、上載或卸載程序和數(shù)據(jù)密碼保護(hù) 使用一個八位數(shù)字密碼保護(hù)您的程序。圖 西門子 S7200 CPU224X 實(shí)物中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 5 頁 共 36 頁 電磁閥的選型根 據(jù) 管 道 參 數(shù) 選 擇 電 磁 閥 的 ： 通 徑 規(guī) 格 (即 DN)、 接 口 方 式 ； 根 據(jù) 流 體 參 數(shù) 選擇 電 磁 閥 的 ： 材 質(zhì) 、 溫 度 組 ； 根 據(jù) 壓 力 參 數(shù) 選 擇 電 磁 閥 的 ： 原 理 和 結(jié) 構(gòu) 品 種 如 果 工作 壓 力 低 則 必 須 選 用 直 動 或 分 步 直 動 式 原 理 ； 最 低 工 作 壓 差 在 以 上 時(shí) 直動 式 、 分 步 直 動 式 、 先 導(dǎo) 式 均 可 選 用 ； 根 據(jù) 持 續(xù) 工 作 時(shí) 間 長 短 來 選 擇 ： 常 閉 、 常 開 、或 可 持 續(xù) 通 電 。 由 此 可 以 選 出 賽 泰 泵 閥 ZCX，他的參數(shù)如下表 ，電磁閥的結(jié)構(gòu)如下圖 ；以及電磁閥的實(shí)物圖 表 電磁閥的參數(shù)使用流體 空氣、水、油、熱水、瓦斯動作方式 直動式型式 常閉式流量孔徑 50mmCV 值 48接管口徑 2”使用流體粘度 20CST 以下使用壓力 空氣 :0～10最大耐壓力 16kgf/cm2介質(zhì)溫度 5～120 ℃使用電壓范圍 177。 10% 電壓:AC220V本體材質(zhì) SUS304 不銹鋼圖 電磁閥的結(jié)構(gòu)中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 6 頁 共 36 頁圖 電磁閥的實(shí)物 壓力傳感器的選型根據(jù) PLC 的要求和資料的查閱可以選用西 門 子 壓 力 傳 感 器 QBE9000P16， 其 主 要用 于 液 體 和 氣 體 的 壓 力 。 測 試 測 量 不 受 溫 度 變 化 影 響 ， 高 溫 度 穩(wěn) 定 ， 性 無 機(jī) 械 老 化和 漏 電 。 它