【導(dǎo)讀】得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。抽真空系統(tǒng)是真空鑄造技術(shù)有效應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)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(guān)鍵技術(shù)之一是如何使型腔內(nèi)氣體在極短時(shí)間內(nèi)排出；二是如何在充型過(guò)程中及時(shí)關(guān)閉真空通道，避免金屬液進(jìn)入真空系統(tǒng)。但是其成本較高，價(jià)格昂貴，而國(guó)內(nèi)抽真空系統(tǒng)可靠性低，充型末期。實(shí)現(xiàn)模具型腔抽真空的新思路和新方法；道的設(shè)計(jì)與優(yōu)化真空泵和真空罐組合奠定了理論基礎(chǔ)；線的實(shí)時(shí)檢測(cè)顯示；性能穩(wěn)定可靠的真空壓鑄系統(tǒng)，并通過(guò)了鎂合金摩托車輪轂的實(shí)驗(yàn)性生產(chǎn)驗(yàn)證；造鎂合金輪轂的力學(xué)性能較普通輪轂有明顯的提高。

　　

【正文】 鑄件，對(duì)促進(jìn)真空壓鑄技術(shù)在我國(guó)壓鑄工業(yè)中的廣泛應(yīng)用有重要意義。 本課題 源自國(guó)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(jìn)局的大力支持。 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(shí)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(guó)內(nèi)真空壓鑄技術(shù)應(yīng)用的瓶頸，通過(guò)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(jìng)爭(zhēng)力。 課題研究?jī)?nèi)容 針對(duì) 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(gòu)置和使用成本高的問(wèn)題，進(jìn)行下述真空壓鑄技術(shù)研發(fā) 。 （ 1）針對(duì)壓鑄 充型 速度快的特點(diǎn)，突破真空截?cái)嗉夹g(shù)瓶頸，開發(fā)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 13 的經(jīng)濟(jì) 真空 截?cái)喾椒ǎ? （ 2） 針對(duì)現(xiàn)有真空設(shè)備依賴進(jìn)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(shè)計(jì)，包括模具排氣道 、 真空抽氣管路 、 真空截止閥以及抽真空機(jī)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(dòng)態(tài)快速響應(yīng)， 避免金屬液進(jìn)入真空系統(tǒng)造成堵塞； （ 4） 針對(duì)壓鑄品質(zhì)依賴于工藝參數(shù)配置的現(xiàn)實(shí)，用 “虛擬現(xiàn)實(shí) ”與 “生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn) ”相結(jié)合的方法 ，通過(guò)模擬與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合進(jìn)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(guān)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(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(zhǎng)，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(méi)有進(jìn)行充分熱交換的條件；或因氣體通過(guò)管路的時(shí)間較短而來(lái)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。這些絕熱的無(wú)摩擦運(yùn)動(dòng)均可以視為等熵的氣 體流動(dòng)。 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(yùn)動(dòng)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(duì)于一元恒定氣流，盡管在實(shí)際流動(dòng)中有摩擦?xí)斐蓹C(jī)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(jī)械能仍以熱能的形式存在于系統(tǒng)中，所以一元?dú)饬鞯哪芰糠匠碳瓤墒褂糜诶硐霘怏w的可逆絕熱流動(dòng)（等熵流動(dòng)）又適用 于實(shí)際流體的不可逆絕熱流動(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。在型腔真空排氣過(guò)程中，可將氣體流動(dòng)視為等熵運(yùn)動(dòng)。 通過(guò)上述等熵氣流的基本方程（ — ）結(jié)合實(shí)際真空泵抽出型腔氣體過(guò)程，推導(dǎo)出 氣體排氣時(shí)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(guān)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(gè)真空系統(tǒng)中需要抽出重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 氣體流動(dòng)分析 15 的氣體負(fù)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(lái)的氣體流量 +抽真空容積外部大 氣通過(guò)壁材料滲透進(jìn)入的氣體量 +工藝過(guò)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(dāng)真空系統(tǒng)對(duì)被抽氣容積抽氣時(shí)，真空系統(tǒng)對(duì)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(shí)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(qiáng)變化率為 ptdd ，抽真空容積內(nèi)氣體減少量即 是ptdVd 。根據(jù)動(dòng)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(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)，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(fù)荷主要是容器 內(nèi)原有的空間大氣，隨著容器中壓強(qiáng)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(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(duì)排氣時(shí)間的影響 在等熵的條件下來(lái)分析型腔中的氣體流動(dòng)。抽氣 管 路的流通能力和流通特性決定了單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的空氣量（質(zhì)量或體積），是判斷 型腔 真空能否快速實(shí)現(xiàn)的 重要 依據(jù) [38]。有效截面積 As 表示單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的空氣量， As 由一元等熵方程組 和系統(tǒng)抽氣方程 推導(dǎo)得出表達(dá)式為： 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 氣體流動(dòng)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?jí)毫蜌堄鄩毫Γ?Pa； T1—初始溫度， K； t—時(shí) 間 ， s。 從（ ）式可以看出有效排氣截面積 As 與排氣時(shí)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(shí)間越短，型腔越容易達(dá)到極限真空度。在初始?jí)毫?P1=100Kpa，所抽容積體積 V=6L 的情況下 （針對(duì)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(duì)排氣過(guò)程的影響。 時(shí)間 T（ s） 圖 不同抽真空 排氣道直徑，型腔壓力隨抽真空時(shí)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(dòng)，在相同的抽氣時(shí)間內(nèi)，型腔達(dá)到的真空度更高，或是要達(dá)到同一真空度需要的抽氣時(shí)間更短。 氣體流速與型腔容積對(duì)排氣時(shí)間的影響 型腔內(nèi)排氣時(shí)間的表達(dá)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(xué)碩士學(xué)位論文 2 氣體流動(dòng)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?jí)毫Γ?Pa； P—型腔殘余壓力， Pa； Sp—泵抽速， L/s；C—排氣管道的流導(dǎo)（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(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 。 在初始?jí)毫?P0=100Kpa，型腔容積 V=6L 的情況下分析真空泵抽氣速率對(duì)型腔排氣過(guò)程的影響。 時(shí)間 T（ s） 圖 . 不同抽氣速率，型腔壓力隨抽氣時(shí)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(dá)到極限真空所需要的時(shí)間也越短。此處指的抽氣速度是指對(duì)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(shí)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(dǎo) C 的共同影響，大截面管路的流導(dǎo) C 大，有效排氣速度 Se 也越大，型腔更容易達(dá)到 高 真空。 在初始?jí)毫?P0=100Kpa，有效抽 速 Se=30L/s 的情況下，分析型腔容積對(duì)型腔排氣過(guò)程的影響。 型腔壓力P/1KPa 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 氣體流動(dòng)分析 18 0204060801001200 1 2 3時(shí)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(shí)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(shí)間內(nèi)，型腔里的真空度越低，型腔達(dá)到極限真空所需要的時(shí)間也越長(zhǎng)。所以一方面增加排氣管路截面積以增大流導(dǎo)，提高有效抽速，縮短排氣時(shí)間，另一方面應(yīng)盡量縮短排氣管路的長(zhǎng)度，避免因截面積增大造成所抽容積的增大而增加排氣時(shí)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(shí)間，對(duì)于真空系統(tǒng)的排氣管路，增大排氣截面積，縮短管路長(zhǎng)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。 采用直通排氣道，盡量增大管路截面積和減小管道長(zhǎng)度利于型腔氣體的快速排出。 型腔氣體流動(dòng)對(duì)排氣道的要求 在 國(guó)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(shè)計(jì) 大多數(shù) 采用的是齒狀結(jié)構(gòu)。 其 原理在于通過(guò)在模具上 設(shè)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(lái) ， 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(shí)現(xiàn)排氣。 齒形的薄片通道 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 是多次轉(zhuǎn)折 呈鋸齒狀 ，金屬 熔體 進(jìn)入薄片通道 后， 受冷 溫度降低 凝固 慢慢 失去流動(dòng)能力而 停止流動(dòng)， 在齒狀排氣道內(nèi)凝固下來(lái)， 堵塞薄片通道關(guān)閉真空源 。 設(shè)計(jì)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(xué)碩士學(xué)位論文 2 氣體流動(dòng)分析