【導讀】得到越來越廣泛的應用。抽真空系統(tǒng)是真空鑄造技術有效應用的關鍵設備，其可靠。性和穩(wěn)定性直接影響鑄件質(zhì)量。高壓鑄造用真空系統(tǒng)的關鍵技術之一是如何使型腔內(nèi)氣體在極短時間內(nèi)排出；二是如何在充型過程中及時關閉真空通道，避免金屬液進入真空系統(tǒng)。但是其成本較高，價格昂貴，而國內(nèi)抽真空系統(tǒng)可靠性低，充型末期。實現(xiàn)模具型腔抽真空的新思路和新方法；道的設計與優(yōu)化真空泵和真空罐組合奠定了理論基礎；線的實時檢測顯示；性能穩(wěn)定可靠的真空壓鑄系統(tǒng)，并通過了鎂合金摩托車輪轂的實驗性生產(chǎn)驗證；造鎂合金輪轂的力學性能較普通輪轂有明顯的提高。

　　

【正文】 鑄件，對促進真空壓鑄技術在我國壓鑄工業(yè)中的廣泛應用有重要意義。 本課題 源自國家 973“鎂合金擠壓鑄造”課題 ， 得到重慶市科委，東莞宜安電器制品有限公司，香港生產(chǎn)力促進局的大力支持。 旨在研究真空壓鑄 系統(tǒng) 的關鍵 技術 ，然后開發(fā)出 具有自主知識產(chǎn)權，符合實際生產(chǎn)要求的 新型真空壓鑄系統(tǒng)，實現(xiàn)經(jīng)濟可靠 性， 克服國內(nèi)真空壓鑄技術應用的瓶頸，通過該技術應用提高壓鑄件產(chǎn)品質(zhì)量， 增強 企業(yè)競爭力。 課題研究內(nèi)容 針對 傳統(tǒng) 壓鑄件氣孔多、致密度差、不能熱處理和焊接，而現(xiàn) 有 真空壓鑄 系 統(tǒng)可靠性差，裝備購置和使用成本高的問題，進行下述真空壓鑄技術研發(fā) 。 （ 1）針對壓鑄 充型 速度快的特點，突破真空截斷技術瓶頸，開發(fā)高動態(tài)響應能力重慶大學碩士學位論文 1 緒論 13 的經(jīng)濟 真空 截斷方法； （ 2） 針對現(xiàn)有真空設備依賴進口的現(xiàn)狀，自主開發(fā)新型真空系統(tǒng)，為高品質(zhì)壓鑄生產(chǎn)提供裝備保障； （ 3）真空排氣方式選擇與真空系統(tǒng)設計，包括模具排氣道 、 真空抽氣管路 、 真空截止閥以及抽真空機組。 要求模具內(nèi)排氣道排氣能力大，能在瞬間 快速 排出型腔內(nèi)氣體， 模具內(nèi)真空截止動態(tài)快速響應， 避免金屬液進入真空系統(tǒng)造成堵塞； （ 4） 針對壓鑄品質(zhì)依賴于工藝參數(shù)配置的現(xiàn)實，用 “虛擬現(xiàn)實 ”與 “生產(chǎn)性實驗 ”相結合的方法 ，通過模擬與實際生產(chǎn)結合進行參數(shù)工藝的優(yōu)化； （ 5） 研究工藝 參數(shù)與鑄件品質(zhì)的關系，確定高品質(zhì)鑄件穩(wěn)定生產(chǎn)條件及優(yōu)化調(diào)控方法 。 重慶大學碩士學位論文 2 氣體流動分析 14 2 氣體流動分析 氣體流動理論 [37] 高速流動的氣體流經(jīng) 模具內(nèi)排氣 管道時，如果管路不長，則壁面摩擦影響不大；同時若氣體與管壁間或管壁與環(huán)境之間沒有進行充分熱交換的條件；或因氣體通過管路的時間較短而來不及與管壁進行充分的熱交換；或氣體與環(huán)境的溫差不大，這時氣體與外界進行熱交換的影響可以忽略。這些絕熱的無摩擦運動均可以視為等熵的氣 體流動。 一元恒定等熵氣流的基本方程組： 質(zhì)量守恒： 0d dv dAvA?? ? ? ? （ ） 能量 方程： 22pvuC?? ? ? （ ） 運動方程： 0dp vdv? ??? （ ） 等 熵狀態(tài)方程 ： kp C?? （ ） 其中： ? —密度， g/cm3； v—速度， cm/s； A—管路截面積， cm2； P—壓力，Pa； u—內(nèi)能， J/kg。 對于一元恒定氣流，盡管在實際流動中有摩擦會造成機械能的損失，但只要所討論的系統(tǒng)與外界不發(fā)生熱交換，則所損失的機械能仍以熱能的形式存在于系統(tǒng)中，所以一元氣流的能量方程既可使用于理想氣體的可逆絕熱流動（等熵流動）又適用 于實際流體的不可逆絕熱流動。在本課題中，等熵運動有其實際意義，因為氣體是在短管中進行高速流動，管壁摩擦與熱交換的影響很小。在型腔真空排氣過程中，可將氣體流動視為等熵運動。 通過上述等熵氣流的基本方程（ — ）結合實際真空泵抽出型腔氣體過程，推導出 氣體排氣時間與抽氣速度，管道截面積，排氣容積以及末態(tài)型腔壓力的關系。 真空系統(tǒng)的抽氣方程 真空排氣的目的是將被抽容器內(nèi)的各種氣體抽出，而一個真空系統(tǒng)中需要抽出重慶大學碩士學位論文 2 氣體流動分析 15 的氣體負荷量為：抽真空容積中的漏氣量 +抽真空容積材料表面釋放出來的氣體流量 +抽真空容積外部大 氣通過壁材料滲透進入的氣體量 +工藝過程中抽真空容積內(nèi)產(chǎn)生的氣體量 +抽真空容積本身存在的大氣量 1 f s g aQ Q Q Q Q Q? ? ? ? ? （ ） 當真空系統(tǒng)對被抽氣容積抽氣時，真空系統(tǒng)對容積的有效抽速若以 eS 表示，抽真空容積內(nèi)壓力用 P 表示，則單位時間內(nèi)系統(tǒng)所排出的氣體流量即使 eSP。 被抽容器容積用 V表示， 抽真空容積內(nèi)壓強變化率為 ptdd ，抽真空容積內(nèi)氣體減少量即 是ptdVd 。根據(jù)動態(tài)平衡方程，可列出以下方程： 1p e f s gtdV S P Q Q Q Qd ? ? ? ? ? ? （ ） 即容器內(nèi)氣體減少量等于容器內(nèi)氣體抽出的量與氣體各種泄露量之和。 對于一個設計，加工制造良好的真空系統(tǒng)，抽氣方程（ ）中的放氣、滲氣、蒸汽和漏氣的氣流量都是微小的。在抽氣初期，真空系統(tǒng)的氣體負荷主要是容器 內(nèi)原有的空間大氣，隨著容器中壓強的降低，原有的大氣迅速減少，到 了 后期容器中殘存的氣體主要是漏氣 和 放氣，而且主要的氣體成分是水蒸氣。 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)總的氣體負荷相比，可以忽略不計，在低真空條件下計算抽氣時間可以不 考慮表面出氣的影響，當系統(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? ? ? （ ） 型腔氣體流動分析 排氣道截面積對排氣時間的影響 在等熵的條件下來分析型腔中的氣體流動。抽氣 管 路的流通能力和流通特性決定了單位時間內(nèi)流過的空氣量（質(zhì)量或體積），是判斷 型腔 真空能否快速實現(xiàn)的 重要 依據(jù) [38]。有效截面積 As 表示單位時間內(nèi)流過的空氣量， As 由一元等熵方程組 和系統(tǒng)抽氣方程 推導得出表達式為： 重慶大學碩士學位論文 2 氣體流動分析 16 1210 . 1 0 1 3 2731 2 . 9 l g 0 . 1 0 1 3s pVA t p T?? ? （ ） 其中： V—容器容積， m3； P P2—初始壓力和殘余壓力， Pa； T1—初始溫度， K； t—時 間 ， s。 從（ ）式可以看出有效排氣截面積 As 與排氣時間 t 成反比，大排氣面積有利于型腔內(nèi)的氣體快速地抽出，排氣面積越大，抽氣時間越短，型腔越容易達到極限真空度。在初始壓力 P1=100Kpa，所抽容積體積 V=6L 的情況下 （針對實際輪轂生產(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。 時間 T（ s） 圖 不同抽真空 排氣道直徑，型腔壓力隨抽真空時間的變化曲線 Fig Cavity pressure for different venting cross section 從圖 得 （ 1）型腔內(nèi)氣體壓力并不是線性減小的，氣體壓力開始降低 迅速 ，隨著壓力本身值的減小，其降低 速度 逐漸變緩 ； （ 2）大排氣截面更利于氣體流動，在相同的抽氣時間內(nèi)，型腔達到的真空度更高，或是要達到同一真空度需要的抽氣時間更短。 氣體流速與型腔容積對排氣時間的影響 型腔內(nèi)排氣時間的表達式為 [38]： eVt S? logPiP （ ） 模具型腔氣體壓力（bar） 型腔壓力P/1Bar 重慶大學碩士學位論文 2 氣體流動分析 17 pe pCSS CS? ? （ ） 其中： V—型腔與排氣道容積， m3，表示合模后所需要抽出的氣體量； Se—有效抽速， L/s； Pi—型腔初始壓力， Pa； P—型腔殘余壓力， Pa； Sp—泵抽速， L/s；C—排氣管道的流導（在單位壓差下，流經(jīng)管路的氣流量的大 ?。?， m179。.s 。 從（ ）式可以看出，影響真空排氣時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 C 的影響，大截面的大流導利于有效抽速 Se的增加 。 在初始壓力 P0=100Kpa，型腔容積 V=6L 的情況下分析真空泵抽氣速率對型腔排氣過程的影響。 時間 T（ s） 圖 . 不同抽氣速率，型腔壓力隨抽氣時間的變化曲線 Fig Cavity pressure for different exhausting speed 由圖 可知：抽氣速度 越大，型腔壓力降低得越快，型腔達到極限真空所需要的時間也越短。此處指的抽氣速度是指對型腔內(nèi)氣體的有效抽速，即：考慮了管路沿程壓力損失之后的實際抽速，由式（ ）可以看出有效抽速 Se 受泵抽速 Sp和排氣管路的流導 C 的共同影響，大截面管路的流導 C 大，有效排氣速度 Se 也越大，型腔更容易達到 高 真空。 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。 型腔壓力P/1KPa 重慶大學碩士學位論文 2 氣體流動分析 18 0204060801001200 1 2 3時間t / s型腔壓力P/1KPaV=5LV=10L 圖 . 不同型腔容積，型腔壓力隨抽氣時間的變化曲線 Fig Cavity pressure for different volume 由圖 可知：型腔容積越大，所需要抽出的氣體量越大。在相同抽氣時間內(nèi)，型腔里的真空度越低，型腔達到極限真空所需要的時間也越長。所以一方面增加排氣管路截面積以增大流導，提高有效抽速，縮短排氣時間，另一方面應盡量縮短排氣管路的長度，避免因截面積增大造成所抽容積的增大而增加排氣時間。 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，都可以縮短排氣時間，使型腔快速達到高真空。 采用直通排氣道，盡量增大管路截面積和減小管道長度利于型腔氣體的快速排出。 型腔氣體流動對排氣道的要求 在 國內(nèi) 現(xiàn)有的真空壓鑄 系統(tǒng) 中，模具內(nèi) 排氣冷卻塊及 排氣道設計 大多數(shù) 采用的是齒狀結構。 其 原理在于通過在模具上 設置有外部助冷 的 集渣包 ，呈齒形 ， 用 齒形集渣包 將 所有 的 排氣槽都連接 起來 ， 然后 再將齒形集渣包與 外部 真空系統(tǒng)相連接。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 ，實現(xiàn)排氣。 齒形的薄片通道 結構設計 是多次轉折 呈鋸齒狀 ，金屬 熔體 進入薄片通道 后， 受冷 溫度降低 凝固 慢慢 失去流動能力而 停止流動， 在齒狀排氣道內(nèi)凝固下來， 堵塞薄片通道關閉真空源 。 設計的 冷卻塊 最頂端的間隙通常 尺寸 小到 ，以 便于 金屬重慶大學碩士學位論文 2 氣體流動分析