王 杰，鄭 勐

（西安理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，西安 710054）

0 引言

真空澆注成型工藝是根據(jù)成型模具材料或零件材料的固化要求，將材料按一定比例混合后進(jìn)入容器，然后將容器放入到真空澆注機(jī)中，抽真空，充分?jǐn)嚢杌旌喜牧虾?，將其澆注到模架或模具中，待固化后成型出模具或產(chǎn)品零件。真空澆注成型技術(shù)可廣泛用于汽車、家電、輕工、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)機(jī)械、軍工等行業(yè)新產(chǎn)品的研發(fā)、產(chǎn)品試制或小批量零件生產(chǎn)，使用該技術(shù)可縮短企業(yè)新產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

真空澆注成型技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代[1]，此后我國(guó)引進(jìn)了真空澆注機(jī)。近10多年來(lái)，我國(guó)通過(guò)自主研發(fā)，生產(chǎn)的真空澆注機(jī)不但能滿足國(guó)內(nèi)需求，且有出口。國(guó)產(chǎn)的真空澆注機(jī)價(jià)格便宜，但普遍存在著機(jī)械化、自動(dòng)化程度低的問(wèn)題，真空澆注成型工藝的一些工序還是手動(dòng)完成，如材料的混合、材料量的控制用量杯，這對(duì)于小零件的成型有較大影響。為提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益，企業(yè)迫切需要性價(jià)比高的自動(dòng)真空澆注機(jī)。由于進(jìn)口的自動(dòng)真空澆注機(jī)價(jià)格昂貴，使得一般的中小企業(yè)望而卻步，國(guó)內(nèi)也有少數(shù)企業(yè)研制自動(dòng)真空澆注機(jī)，但多為大型設(shè)備。因此，研制出符合我國(guó)實(shí)際的性能好、價(jià)格低，滿足廣大中小企業(yè)及科研院所需求的自動(dòng)真空澆注機(jī)具有重要意義。

圖1 自動(dòng)真空澆注機(jī)結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖

1 自動(dòng)真空澆注機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

自動(dòng)真空澆注機(jī)是集機(jī)械、電工、電子、真空、計(jì)量、化工、鑄造等技術(shù)為一體的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對(duì)技術(shù)的要求也較高。圖1為自動(dòng)真空澆注機(jī)結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖，主要由計(jì)量部件、混合部件、攪拌部件、灌注部件組成。圖中粗實(shí)線為澆鑄材料管線；虛線為真空管線；雙點(diǎn)畫線為壓縮空氣管線。工作過(guò)程為：真空泵開(kāi)啟，料罐和灌注倉(cāng)抽真空，同時(shí)按需要準(zhǔn)備A、B料，并用料管連接放料的容器與對(duì)應(yīng)料罐的料閥。待抽好真空后，將料閥打開(kāi)，A、B料進(jìn)入相應(yīng)的料罐，送料結(jié)束后，關(guān)閉閥門，攪拌器開(kāi)始工作。攪拌完成后，計(jì)量單向閥氣缸動(dòng)作，閥門打開(kāi)，開(kāi)始進(jìn)料，伺服電機(jī)開(kāi)始工作，滾珠絲杠做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絲杠螺母帶動(dòng)計(jì)量杠桿運(yùn)動(dòng)，使柱塞及計(jì)量單向閥氣缸上移，以便形成盛料的空腔。待料充滿空腔，計(jì)量單向閥氣缸動(dòng)作，閥門關(guān)閉，伺服電機(jī)帶動(dòng)柱塞及計(jì)量單向閥氣缸下移，壓迫進(jìn)入到計(jì)量缸底部的料，形成壓力，打開(kāi)出料閥，出料。至此，計(jì)量泵完成一次計(jì)量，重復(fù)攪拌完成后的一系列動(dòng)作，直到達(dá)到澆鑄所需的量。從計(jì)量泵出來(lái)的兩種料經(jīng)過(guò)混合器混合進(jìn)入灌注倉(cāng)里的灌注頭。灌注頭下降氣缸動(dòng)作，灌注頭下降，灌注頭開(kāi)啟氣缸動(dòng)作，開(kāi)始澆鑄。澆鑄完成后，灌注倉(cāng)破真空，取件。如開(kāi)始新的澆鑄，繼續(xù)以上過(guò)程，如不再澆鑄，則清洗料罐、計(jì)量缸、混合器及灌注頭，整個(gè)工作結(jié)束。

2 計(jì)量泵的設(shè)計(jì)

計(jì)量裝置的作用是使混合的單組分物料以精確的流量和比例輸入到混合裝置。計(jì)量精度直接影響著制品的質(zhì)量，這就要求計(jì)量裝置具有一定的計(jì)量精度，計(jì)量精度靠計(jì)量裝置的制造精度和流量調(diào)節(jié)精度來(lái)保證。

計(jì)量泵是自動(dòng)真空澆注機(jī)的核心部件，澆注機(jī)對(duì)計(jì)量泵的要求是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)泄漏、耐用、易于維護(hù)、便于控制。目前世界上廣泛生產(chǎn)和使用的計(jì)量裝置主要有齒輪計(jì)量泵和柱塞計(jì)量泵兩大類[5]。齒輪計(jì)量泵加工難度大，制造成本高。柱塞計(jì)量泵分為多行程柱塞計(jì)量泵和單行程柱塞計(jì)量泵。綜合考慮生產(chǎn)工藝條件，如供料壓力、排料壓力、物料溫度及粘度、生產(chǎn)工藝是否連續(xù)等，生產(chǎn)制品的大小等因素，選擇單行程柱塞計(jì)量泵。

2.1 計(jì)量泵基本結(jié)構(gòu)及工作原理

自動(dòng)真空澆注機(jī)用計(jì)量泵結(jié)構(gòu)如圖2所示。它由伺服電機(jī)、滾珠絲杠、計(jì)量杠桿、氣缸、計(jì)量杠桿支承套、出料缸、閥針、活塞、出料閥缸、出料閥、Y型密封圈、O型密封圈、自制聚四氟乙烯密封圈和墊片等組成，前3件圖中未畫出，可參考圖1。出料缸固定，計(jì)量杠桿支承套、空心活塞桿、活塞支架、活塞、活塞下堵頭等構(gòu)成柱塞，氣缸作為進(jìn)料單向閥。伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠螺母做直線運(yùn)動(dòng)，計(jì)量杠桿與絲杠螺母、計(jì)量杠桿支承套鉸接，因此，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，柱塞及氣缸上下移動(dòng)（以圖2左邊為上）。攪拌完成后，伺服電機(jī)工作，柱塞及氣缸上移，在出料缸下部形成空腔，攪拌好的物料通過(guò)進(jìn)料接頭進(jìn)入出料閥缸，再通過(guò)空心活塞桿上的孔進(jìn)入活塞桿，氣缸動(dòng)作，打開(kāi)計(jì)量單向進(jìn)料閥，物料進(jìn)入空腔，待空腔充滿物料后，氣缸動(dòng)作，關(guān)閉計(jì)量單向進(jìn)料閥，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，柱塞下沖壓出料缸底部物料，形成壓力，再經(jīng)鋼球壓縮彈簧，使其收縮，出料閥打開(kāi)，開(kāi)始排料，排料完畢，泄壓也即完成，彈簧復(fù)位，出料閥關(guān)閉，此即一個(gè)吸、排料循環(huán)。

2.2 計(jì)量泵流量調(diào)節(jié)及特點(diǎn)

柱塞泵的流量：

式中，A為柱塞截面面積；s為柱塞沖程；n為柱塞沖次；η為泵效。由此可見(jiàn)，調(diào)節(jié)流量的途徑有兩個(gè)：

一是改變沖程，二是改變沖次。此計(jì)量泵通過(guò)改變伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)柱塞沖次，通過(guò)改變絲杠螺母行程來(lái)調(diào)節(jié)柱塞沖程，從而達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。

圖2 計(jì)量泵結(jié)構(gòu)

此計(jì)量泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高；使用伺服電機(jī)調(diào)速，提高泵效；良好的密封結(jié)構(gòu)，解決泄露問(wèn)題，采用Y型密封圈、O型密封圈、自制聚四氟乙烯密封圈及墊片作為密封件，密封成本低；動(dòng)力源采用伺服電機(jī)、進(jìn)料閥用氣缸控制，便于澆注機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

3 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

氣壓傳動(dòng)具有傳遞阻力小、速度快、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，可用于較遠(yuǎn)距離的傳動(dòng)和控制，自動(dòng)真空澆注機(jī)多處用了氣壓傳動(dòng)。因此，設(shè)計(jì)合理的氣動(dòng)回路對(duì)于實(shí)現(xiàn)澆注機(jī)的運(yùn)動(dòng)及控制很重要。

自動(dòng)真空澆注機(jī)氣動(dòng)回路如圖3所示，回路由二位四通雙電控電磁換向閥、可調(diào)節(jié)流閥及實(shí)現(xiàn)各種功能的氣缸組成。氣動(dòng)回路實(shí)現(xiàn)規(guī)定動(dòng)作時(shí)，線圈的通斷電（“+”代表通，“-”代表斷）情況為：1）選擇做模具：T5+、T6-、T11+、T12-；2）選擇做工件：T5-、T6+、T11-、T12+；3）做模具準(zhǔn)備：T5+、T6-、T11+、T12-、T13+、T14-、T15+、T16-；4）做模具澆注：T1+、T2-、T7+、T8-、T19+、T20-；5）做模具澆注結(jié)束：T1-、T2+、T7-、T8+、T19-、T20+；6）做工件準(zhǔn)備：T5-、T6+、T11-、T12+、T13+、T14-、T15+、T16-；7）做工件澆注：T3+、T4-、T9+、T10-、T19+、T20-；8）做工件澆注結(jié)束：T3-、T4+、T9-、T10+、T19-、T20+；9）所有工作結(jié)束：T3-、T4+、T5-、T6+、T9-、T10+、T11-、T12+、T13-、T14+、T17+、T18-、T19-、T20+。

圖3 自動(dòng)真空澆注機(jī)氣動(dòng)回路

4 控制系統(tǒng)

可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller），是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。

控制系統(tǒng)選用西門子公司生產(chǎn)的S7-200 PLC。

4.1 PLC程序設(shè)計(jì)流程

依工作順序，PLC的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

首先選擇模具(A)合成或工件(B)合成，啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)攪拌電機(jī)，然后選擇澆鑄件數(shù)，接著料罐和灌注倉(cāng)抽真空，檢查真空度是否達(dá)標(biāo)，達(dá)標(biāo)后進(jìn)行手動(dòng)澆鑄和自動(dòng)澆鑄的選擇，選擇自動(dòng)澆鑄，需要設(shè)置好參數(shù)，然后處理器根據(jù)設(shè)定值驅(qū)動(dòng)電機(jī)、氣缸等，完成整個(gè)澆鑄過(guò)程。

4.2 PLC程序設(shè)計(jì)及I/O接線

PLC的CPU模塊接線圖如圖5所示，PLC的I/O模塊接線圖如圖6所示。以STL（步進(jìn)梯形指令）編寫真空澆注機(jī)的控制過(guò)程。其中PLC輸入/輸出點(diǎn)分配如表1所示。

表1 PLC輸入/輸出點(diǎn)分配表

續(xù)表1

5 結(jié)束語(yǔ)

本文為自動(dòng)真空澆注機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種通過(guò)控制伺服電機(jī)及單向閥氣缸完成計(jì)量的計(jì)量泵，液體的計(jì)量通過(guò)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)及轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。為自動(dòng)真空澆注機(jī)設(shè)計(jì)了氣動(dòng)回路。采用PLC控制，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)澆鑄過(guò)程的自動(dòng)化。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該自動(dòng)真空澆注機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，能較好地滿足用戶要求。

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