【正文】 閉，最終比壓能 及時(shí) 作用在 高真空的 型腔內(nèi)部。 金屬液充滿型腔 后 ，在壓射沖頭的壓力作用下進(jìn)一步要進(jìn)入真空系統(tǒng)前，金屬液到達(dá)真空閥啟動(dòng)閥芯處觸發(fā)機(jī)械連鎖，在 極短的時(shí)間 內(nèi)關(guān)閉排氣閥芯 。 齒狀 薄片通道 的形狀是 成 90 度多次轉(zhuǎn)折并有外冷卻。目前主要有以下幾種典型系統(tǒng)： （ 1） 依靠真空閥 半過程排氣 的真空壓鑄系統(tǒng) [2425]， 如圖 所示。 在壓鑄過程 開始時(shí) ，當(dāng)沖頭運(yùn)動(dòng)越過壓室的澆料口時(shí) （即澆料口封閉，型腔壓室形成密閉空間后） 啟動(dòng)真空 系統(tǒng)， 型腔壓室內(nèi)氣體被抽出， 在 沖頭運(yùn)動(dòng)停止前 （即充型完成前） 關(guān)閉真空系統(tǒng)。 在 五十年代末，真空壓鑄 技術(shù)的研究 呈現(xiàn) 出 “ 蘇醒 ”的 勢頭 ，而且很快在 世界范圍 內(nèi)形成了 競相 研究實(shí)驗(yàn)的高潮。 高真空壓鑄成形技術(shù)是近年來工業(yè)化國家以實(shí)現(xiàn) 壓鑄件產(chǎn)品高質(zhì)量，廣應(yīng)用 為目標(biāo)而競相研發(fā)的一種新技術(shù)。 因此， 真空壓鑄工藝 是 在 極短 的時(shí)間內(nèi)將型腔內(nèi)的氣體抽出， 避免了 熔體 在充型時(shí)將氣體卷入造成氣孔缺陷， 熔體 在高真空度條件下 冷卻 凝固得到的鑄件致密度 能顯著 增高 ，氣孔缺陷 大大降低 [1314]。 傳統(tǒng)壓鑄件還要避免機(jī)械加工，以防止 機(jī)加后 內(nèi)部空洞外露。與其他鑄造方法相比壓鑄 新工藝 有許多 明顯的 優(yōu)點(diǎn) [8]：壓鑄工藝 產(chǎn)品 生產(chǎn)率高， 鑄件 成形率高，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化 生產(chǎn)，為自動(dòng)化生產(chǎn)一條線的實(shí)現(xiàn)提供了可能 ； 能 壓鑄 薄壁，形狀 結(jié)構(gòu) 復(fù)雜但輪 闊 清晰的 產(chǎn)品 ；鑄件 產(chǎn)品 的 尺寸 精度和表面質(zhì)量高，尺寸穩(wěn)定；可壓鑄出形狀復(fù)雜 的 鑲嵌件， 還 可以壓鑄出 圖案、 線條、文字、 螺紋、 符號等；壓鑄件 的 加工余量 少， 只需要去水口， 一般無需再 對鑄件 進(jìn)行機(jī)械加工，材料的利用率得到 提高 。 一些 彌散性氣孔還 會(huì) 促使 形成 大量的 顯微縮松，降低鑄件的氣密性 和致密度 。性能指標(biāo) 主要包括 以下方面： 合金 液 的 充型能力 、合金夜的 冷卻 收縮性 、 吸氣性以及 液態(tài)金屬中 成分偏析傾向等性能 [3]。明朝永樂年間鑄造的永樂青銅大鐘重達(dá) 40 t，鐘體內(nèi)外遍鑄經(jīng)文十余萬字 [1]。 5. The results of parative analysis between the ordinary and vacuum magnesium alloy motorcycle wheel castings on the microstructure and mechanical properties shows : pared with ordinary magnesium alloy wheel castings, the size and amount of gas defects have been improved apparently, and can use heat treatment to improve casting’s quality。但是其 成本較高，價(jià)格昂貴， 而國內(nèi) 抽 真空 系統(tǒng)可靠性低 ， 充型末期型腔真空度一般為 500mBar，性能和鑄件質(zhì)量不穩(wěn)定。 目前市場上已有 高速有效的 國外產(chǎn)品如方達(dá)瑞真空壓鑄系統(tǒng) 能快速對型腔抽真空 ， 型腔真空度在充型后期 可達(dá) 100mBar，并且及時(shí)的關(guān)閉真空通道，有效 阻止金屬液進(jìn)入真空系統(tǒng) 造成堵塞 。 4. Fast switching of hydraulic system in exhaust channel and its 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 英文摘要 III implementation have been proposed, vacuum casting system which has independent intellectual property right and high reliability has been developed and validated by experimental production of magnesium alloy motorcycle wheel。 我國 還在 公元前六世紀(jì)就發(fā)明了生鐵 的 冶鑄技術(shù) 并得以應(yīng)用 ， 進(jìn)入 隋唐以后，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展鑄造技術(shù)有了很大的進(jìn)步 ，表現(xiàn)于 公元 974 年鑄造的河北滄州大鐵獅高 m，長 m，重達(dá) 50 t。 合金在 熔煉、澆注、充型和冷卻成形的 鑄造過程中獲得尺寸精確 、 結(jié)構(gòu)完整的鑄件的能力 稱為 合金的鑄造性能 。 金屬 材料 的連續(xù)性 遭到 氣孔 破 壞，其 內(nèi)部 可以 承載 負(fù)荷 的有效截面積 減少 ，并 將 在氣孔 的周圍 引 起應(yīng)力集中，從而 使得 鑄件的 質(zhì)量和 力學(xué)性能 降低 。 金屬液充填模具型腔的時(shí)間 長短 與鑄件的大小 和 壁厚有關(guān)，一般在幾十個(gè)毫秒范圍內(nèi)。 圖 壓鑄產(chǎn)品主要缺陷的產(chǎn)生原因 圖 壓鑄件加熱后出現(xiàn)的氣泡 Main cause of die casting defects The air hole of heated casting 氣孔 缺陷 的存在不僅減少了鑄件 產(chǎn)品 的有效截面積，而且 還 可 能 在 局部造成應(yīng)力集中，成為零件斷裂的裂紋源，尤其是形狀不規(guī)則的氣孔，不僅增加 了 鑄件的缺口敏感性，而且 還 可降低零件的疲勞強(qiáng)度 [910]。 同時(shí)， 金屬液在壓頭作用下 繼續(xù) 對型腔進(jìn)行充型，如圖 ，直到熔體完全充滿整個(gè)型腔 。實(shí)驗(yàn)研究 結(jié)果 表明，真空壓鑄 件 與普通 壓鑄件 相比，具有更低的氣孔率 、更均勻的內(nèi)部組織及 更加光潔的 鑄件 表面。 但因當(dāng)時(shí) 抽 真空系統(tǒng)存在 許多技術(shù) 問題且 都 未付諸 實(shí)際 實(shí)踐而 使得 真空壓鑄系統(tǒng)的 研究工作遭 到 截止。 模具 分型面、推桿配合面、型腔鑲拼接合面和沖頭壓室配合面等各處 需保證較好的密封性 ，只有排氣道（也就是傳統(tǒng)模具內(nèi)的溢流槽 ）的設(shè)計(jì)和計(jì)算 會(huì) 有所 差別 ，排氣道的設(shè)計(jì)需要考慮型 腔氣體重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 7 的流速 。真空系統(tǒng) 一般包括的元件有真空閥、真空管路、真空截止閥、負(fù)壓罐、真空泵。 其工作特點(diǎn)是沒有受 外部 時(shí)間或行程開關(guān) 控制 的抽氣截流閥 ， 型腔 和 壓室由波形轉(zhuǎn)折的薄片 齒狀 通道連接 外部 真空源。真空閥設(shè)置啟動(dòng)和排氣雙閥芯，兩閥芯 之間 通過開設(shè)溝槽連接。 同時(shí)也 可省去集渣包，節(jié)約重熔 渣包的 成本。液態(tài)金屬充滿型腔后在壓射沖頭作用下進(jìn)入進(jìn)料口 16，首先接觸并沖擊主動(dòng)活塞 13，主動(dòng)活塞推動(dòng)杠桿 12，杠桿 12 帶動(dòng)從動(dòng)活塞 7 向右運(yùn)動(dòng)，而使得從動(dòng)活塞左端的錐形閥口關(guān)閉。 圖 不同真空系統(tǒng)的排氣曲線圖 Fig Exhausting curve of different system 機(jī)械真空閥對應(yīng)的“全 過程 真空”對型腔的排氣效果最 為 理想，型腔壓力急劇降低，并在 充型 階段 高真空 繼續(xù)保持，充型末期 真空度達(dá)到 最高值；冷卻塊對應(yīng)的“形式真空”，其效果約為“全 過程 真空”的一半。當(dāng)前國內(nèi)真空壓鑄系統(tǒng)的 發(fā)展 應(yīng)用中還存在的主要問題如下： （ 1） 國外 可靠性高的 真空壓鑄 技術(shù) 受專利保護(hù)，真空壓鑄系統(tǒng)成本較高，價(jià)格昂貴， 其廣泛應(yīng)用受到了 限制； （ 2） 國內(nèi)真空技術(shù) 研究 發(fā)展 起步 較晚，真空系統(tǒng)主要還是依靠齒狀冷卻快進(jìn)行排氣，該系統(tǒng)排氣 能力 不足，排氣狀態(tài)不穩(wěn)定，未 能 很好的體現(xiàn)出真空壓鑄技術(shù)的優(yōu)勢；（ 3） 真空壓鑄系統(tǒng)在使用過程中，常出現(xiàn) 真空截止不及時(shí)導(dǎo)致 金屬液進(jìn)入真空閥，冷卻后造成堵塞，需常停機(jī)檢修。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 氣體流動(dòng)分析 14 2 氣體流動(dòng)分析 氣體流動(dòng)理論 [37] 高速流動(dòng)的氣體流經(jīng) 模具內(nèi)排氣 管道時(shí)，如果管路不長，則壁面摩擦影響不大；同時(shí)若氣體與管壁間或管壁與環(huán)境之間沒有進(jìn)行充分熱交換的條件；或因氣體通過管路的時(shí)間較短而來不及與管壁進(jìn)行充分的熱交換；或氣體與環(huán)境的溫差不大，這時(shí)氣體與外界進(jìn)行熱交換的影響可以忽略。 被抽容器容積用 V表示， 抽真空容積內(nèi)壓強(qiáng)變化率為 ptdd ，抽真空容積內(nèi)氣體減少量即 是ptdVd 。在初始壓力 P1=100Kpa，所抽容積體積 V=6L 的情況下 （針對實(shí)際輪轂生產(chǎn)的型腔及壓室容積） 分析排氣道截面積對排氣過程的影響。 在初始壓力 P0=100Kpa，有效抽 速 Se=30L/s 的情況下，分析型腔容積對型腔排氣過程的影響。型腔內(nèi)氣體即由排氣槽流經(jīng)齒形排氣道到外部真空系統(tǒng) 所在的真空源 ，實(shí)現(xiàn)排氣。 由上述分析可知：提高有效抽速 Se 或減小容積 V 都可以縮短排氣時(shí)間，對于真空系統(tǒng)的排氣管路，增大排氣截面積，縮短管路長度利于減小沿程壓力損失，提高 排氣速度，都可以縮短排氣時(shí)間，使型腔快速達(dá)到高真空。 從（ ）式可以看出，影響真空排氣時(shí)間的主要因素是有效抽速 Se 和型腔與排氣道容積 V， 從（ ）式得出 有效抽速 Se主要受管道流導(dǎo) C 的影響，大截面的大流導(dǎo)利于有效抽速 Se的增加 。 在低真空條件下，真空系統(tǒng)本身內(nèi)表面的出氣量與系統(tǒng)總的氣體負(fù)荷相比，可以忽略不計(jì)，在低真空條件下計(jì)算抽氣時(shí)間可以不 考慮表面出氣的影響，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)漏氣、放氣很小以致極限壓力可以忽略 ，且與白抽容器間的連接管路較短，其流導(dǎo)影響也可以忽略，可得真空系統(tǒng)的抽氣方程為： p etdV S P S Pd ? ? ? ?gg （ ） 積分得： lnpVt p CS? ? ? （ ） 型腔氣體流動(dòng)分析 排氣道截面積對排氣時(shí)間的影響 在等熵的條件下來分析型腔中的氣體流動(dòng)。在本課題中，等熵運(yùn)動(dòng)有其實(shí)際意義，因?yàn)闅怏w是在短管中進(jìn)行高速流動(dòng)，管壁摩擦與熱交換的影響很小。 旨在研究真空壓鑄 系統(tǒng) 的關(guān)鍵 技術(shù) ，然后開發(fā)出 具有自主知識產(chǎn)權(quán)，符合實(shí)際生產(chǎn)要求的 新型真空壓鑄系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可靠 性， 克服國內(nèi)真空壓鑄技術(shù)應(yīng)用的瓶頸，通過該技術(shù)應(yīng)用提高壓鑄件產(chǎn)品質(zhì)量， 增強(qiáng) 企業(yè)競爭力。 而國產(chǎn)真空壓鑄系統(tǒng)（包括冷卻塊和時(shí)間行程開關(guān)控制閥）性能效果不穩(wěn)定， 可靠性不高， 型腔內(nèi)達(dá)到的真空度不高（ 500mBar） ,無法滿足高質(zhì)量真空壓鑄件的生產(chǎn)要求。 由以上的分析對比可知，全過程真空排氣 可以使最佳真空狀態(tài)持續(xù)到填充 型腔全過程， 型腔 在 影響鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵 充型后期達(dá)到高真空度， 真空閥由合金液的流動(dòng)慣性關(guān)閉，壓射外形的改變對真空閥的功能無影響 ，該種方式達(dá)到的型腔真空度最高 ，可達(dá)到 100mBar（如圖 ） 。 （ 4） 國內(nèi)壓鑄行業(yè)也看到真空壓鑄技術(shù)的重大發(fā)展趨勢，行業(yè)內(nèi)的技術(shù)人員及一些高等院校也對真空壓鑄技術(shù)進(jìn)行了研究，積極自主研發(fā)真空壓鑄 系統(tǒng)。 閥內(nèi)的各種零 部 件由彈簧力、合模力、 液流慣性、 壓縮空 氣力等自動(dòng)地、安全 可靠 連鎖地實(shí)現(xiàn)各 個(gè) 程序動(dòng)作。但是像排氣糟似的薄片形通道截面小，抽氣量受到限 制；且 齒狀 薄片的充填程度變化不定， 不夠穩(wěn)定， 影響壓射最終比壓建立的作用時(shí)間 ， 也影響 型腔內(nèi)真空度的穩(wěn)定性。這種系統(tǒng)的閥不會(huì)粘金屬液， 因?yàn)樘崆瓣P(guān)閉， 使得 金屬液不會(huì)進(jìn)入真空系統(tǒng)， 壓射的金屬容量也是一定的。 金屬 液的充型 過程在 40%80%的粗真空狀態(tài)下完成。但是因罩式真空裝置 過于龐大 帶來 操作 上的 不便、動(dòng)作程序與一般 的傳統(tǒng) 壓鑄機(jī) 也 不完全相同、投資 成本過高 、 耗能 大 而有效性低， 所以 真正實(shí)際 應(yīng)用 的 較少，到 后來幾乎被完全淘汰。但其抽真空 過程 的控制 以及 抽真空截止 后續(xù)的真空系統(tǒng)維護(hù) 仍 存在著各種各樣的問題， 還 不能很好的 符合 真空 壓鑄過程期望的要求 。 圖 抽真空示意圖 圖 真空壓鑄示意圖 Fig Exhausting of vacuum die casting Fig The process of vacuum die casting 在傳統(tǒng)壓鑄 技術(shù) 中， 如圖 所示， 由于 金屬液 在 內(nèi)澆道 口處的噴射效 應(yīng)， 大量 的金屬熔液將與型腔內(nèi)的空氣和煙氣充分接觸， 型腔內(nèi)的 氣壓在充型 的 最后 末 點(diǎn)將達(dá)到 3000 毫巴以上 甚 至 4000 毫巴； 而 在真空壓鑄中， 型腔內(nèi)氣體先被抽出，重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文