李樹高

（廣東科達潔能股份有限公司，廣東佛山528313）

0 引言

近年來，我國在半固態(tài)金屬成形技術(shù)研究領(lǐng)域取得了很大的進展，但在工業(yè)應(yīng)用方面仍需要更進一步的提升，據(jù)了解，目前在汽車領(lǐng)域與通信領(lǐng)域?qū)Π牍虘B(tài)擠壓技術(shù)都有迫切的需求。然而，在半固態(tài)漿料制備方面，將金屬漿料從保溫爐取出到注入半固態(tài)裝置的過程中，金屬漿料潔凈度和溫度是半固態(tài)制漿成功的關(guān)鍵因素[1-6]。目前壓鑄行業(yè)通用的給湯機一般采用開口式湯勺，會將保溫爐內(nèi)鋁液表層的氧化鋁舀到湯勺內(nèi)，極易造成夾渣的現(xiàn)象，從而影響半固態(tài)漿料的質(zhì)量[7-8]。目前行業(yè)內(nèi)普遍采用的解決辦法是，加大鑄件的排渣及加大鑄件的料柄，只采用中間層的優(yōu)質(zhì)鋁料，但該辦法仍無法有效解決問題，容易造成浪費，增加產(chǎn)品成本。

廣東科達潔能股份有限有限公司曾研發(fā)設(shè)計了一種閉式高潔凈取注漿機[9-10]，但由于該樣機結(jié)構(gòu)龐大，湯罐材料易粘鋁、取液位置有偏差導(dǎo)致取液量誤差較大等原因，導(dǎo)致該機未能達到設(shè)定目標。為了更進一步解決該問題，在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的解決方案，重新設(shè)計了一種真空定量給湯機[11-12]。

1 新原理方案的提出

如圖1、圖2所示，在初始工作狀態(tài)下，真空湯罐部件位于金屬熔煉爐的上方。當開始工作時，真空湯罐部件的密封活塞打開，升降部件將真空湯罐部件往爐內(nèi)移動，下降到一定位置后，真空發(fā)生器開始對湯罐進行抽真空，此時真空湯罐部件速度降為低速并繼續(xù)向下運動，當湯罐的下端浸入金屬液液面時，湯罐內(nèi)部開始建立壓力，當湯罐下端伸入金屬液一定深度時，通過與湯罐內(nèi)部連通的壓力傳感器進行測量，當達到設(shè)定的壓力P1，系統(tǒng)判定已經(jīng)浸入液面達到取漿位，湯罐停止下探。真空發(fā)生器（或真空泵）停止對湯罐抽真空，打開電磁閥，對湯罐進行卸壓，將汲取的金屬液進行部分排除，對稱重傳感器的數(shù)值進行清零處理，以消除因湯罐浸入金屬液而產(chǎn)生的浮力，然后關(guān)上該電磁閥。繼續(xù)對湯罐進行抽真空，此時由于罐外壓力比罐內(nèi)壓力大，在大氣壓作用下將金屬液往湯罐內(nèi)壓，湯罐內(nèi)的金屬液質(zhì)量表現(xiàn)在稱重傳感器的輸出數(shù)值上，當稱重傳感器（輸出）讀數(shù)達到設(shè)定取液質(zhì)量m后，系統(tǒng)判定取液到量，停止抽真空，并瞬時用氣缸推動活塞封閉湯罐罐。然后升降部件將湯罐提起，完成取液。然后XY軸機械臂將湯罐及金屬液輸送到喂液點。喂液時，用氣缸將湯罐的密封活塞打開，并且打開湯罐卸壓的電磁閥將閉式湯罐上部的真空破壞，使金屬液釋放到壓鑄機的壓室內(nèi)，為了控制金屬液的釋放速度，可以調(diào)整電磁閥前端的單向節(jié)流閥，調(diào)整氣體流入湯罐內(nèi)的速度，達到控制金屬液釋放速度的目的。

圖1 真空定量給湯機結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 氣動回路結(jié)構(gòu)圖

2 新原理方案簡單驗證試驗

根據(jù)前述原理，我們在原閉式高潔凈取注漿機[10]的基礎(chǔ)上設(shè)計了一套簡易的湯罐試驗裝置來展開系列研究試驗。如圖3、圖4所示，我們在湯罐的下方放置了一臺電子稱以及一盆水，以模擬抽鋁工況，另外在閉式湯罐上綁了一把鋼直尺，以測量其探入液面的深度，湯罐側(cè)面設(shè)置有觀察窗口，以觀察液體在湯罐內(nèi)部的流動情況。在試驗時，對湯罐進行抽真空，同時升降部件將閉式湯罐伸入水中，罐內(nèi)產(chǎn)生負壓，在真空壓力傳感器的壓力檢測到位之后，停止下探，停止抽真空，稱重傳感器清零。真空氣動系統(tǒng)繼續(xù)對閉式湯罐開始抽真空汲水，當抽水質(zhì)量達到設(shè)定值之后，關(guān)閉閉式湯罐的閥芯，停止抽真空，然后將閉式湯罐往上提，離開水面為止，記錄電子秤的數(shù)值以及稱重傳感器顯示的數(shù)值，進行比較。

根據(jù)抽水試驗數(shù)據(jù)（圖5）來看，負壓檢測取液到位誤差范圍為0～7 mm，抽水的速度可控，抽水質(zhì)量誤差在±1.0%范圍內(nèi)，以上指標均達到方案設(shè)計要求。

3 樣機方案設(shè)計及關(guān)鍵部件設(shè)計

圖3 原理驗證裝置

圖4 原理驗證裝置

圖5 抽水試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)廣東科達潔能股份有限公司開發(fā)的金屬內(nèi)腔擠壓成形設(shè)備項目的需求以及與壓鑄行業(yè)內(nèi)的生產(chǎn)節(jié)拍相比較，將真空定量給湯機的一次給湯周期設(shè)定為25 s，其整體方案如圖6所示。該真空定量給湯機由XY軸機械臂、湯罐部件、氣動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等四部分組成。其中，XY軸機械臂用于將湯罐部件從熔爐移動到澆口，湯罐部件實現(xiàn)鋁液的汲取、盛裝及保溫，氣動系統(tǒng)用于將鋁液從熔爐內(nèi)汲取到湯罐內(nèi)，電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)對鋁液的定量控制及系統(tǒng)運行。

XY軸機械臂主要由立柱、橫梁部件、平移滑座組件、升降直線模組等部分組成，如圖7所示，只需要實現(xiàn)對湯罐在XY軸方向上的平穩(wěn)輸送，并符合配套壓鑄設(shè)備的生產(chǎn)節(jié)拍即可。根據(jù)前期的驗證試驗得知，汲取10 kg鋁液需要的時間為8 s，放液時間為4 s，為此，XY機械臂的運行周期為10 s，負載的湯罐及10 kg鋁液質(zhì)量共80 kg，各零部件皆以此參數(shù)進行選型計算。另外，為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)，我們主要對橫梁的強度進行了校核，當負載分別在兩端時，經(jīng)過有限元分析，橫梁的變形分別為1.20 mm、2.73 mm，如圖8、圖9所示，計算分析證明該變形并不影響整機的性能及精度。

圖6 整體方案設(shè)計圖

湯罐部件是整個設(shè)備的核心部件之一，包括連接座、氣缸、密封墊1、導(dǎo)向銅套1、稱重傳感器、閥芯連接軸、導(dǎo)向銅套2、湯罐固定座、密封墊2、下法蘭、閥芯湯罐等，如圖10所示。它要求湯罐部件整體密閉性好，在高溫、多煙塵污染環(huán)境下作業(yè)，尤其是湯罐及閥芯直接與鋁液接觸需要能承受700℃的高溫；閥芯與湯罐之間的開、關(guān)動作順暢，并在關(guān)閉閥芯后能夠封住鋁液不滴漏；湯罐內(nèi)部不粘鋁，在平移過程中不產(chǎn)生較大的熱量損失。經(jīng)過多輪反復(fù)試驗，最終我們采用一種耐高溫復(fù)合陶瓷材料經(jīng)過特殊工藝方法制作湯罐及閥芯，該種材料不易被鋁金屬液浸潤，具有耐高溫、耐熱沖擊好、保溫性好、強度高等優(yōu)點。

作為一款合格的真空定量給湯機來說，取湯精度也是其核心要素之一，壓鑄行業(yè)的擺臂式給湯機的給湯精度普遍在±（1.5%～2.0%）之間，經(jīng)過前期的試驗數(shù)據(jù)分析，我們確定將其取湯精度控制在±1.0%以內(nèi)。影響取湯精度的因素主要包括稱重傳感器自身的性能誤差、取湯位置誤差0～7 mm（前期試驗數(shù)據(jù)）、電氣控制系統(tǒng)的響應(yīng)誤差等，我們主要考慮前兩種因素。根據(jù)模型，湯罐部分的質(zhì)量約50 kg，鑒于稱重傳感器在滿量程20%～80%范圍內(nèi)的線性度較好，誤差較小，選用100 kg量程的稱重傳感器，C3等級，綜合誤差為±0.02%FS，稱重傳感器自身誤差帶來的質(zhì)量誤差為△m1=100×（±0.02%FS）=±0.02 kg。

圖8 橫梁變形有限元分析

圖9 橫梁變形有限元分析

閉式湯罐取湯位置與取湯精度的影響：結(jié)合原理圖11來看，由于采用的是閉式湯罐底部伸入液面系統(tǒng)判斷到位后，稱重傳感器輸出（讀數(shù)）置0，然后再抽取質(zhì)量m的鋁液的稱量方式，因此閉式湯罐探入液面深度的誤差精度影響為△m2=ρ×V=ρ×πd2×△h/4。其中：△h=7 mm，ρ=2.6 g/cm3。假設(shè)取液質(zhì)量為3 kg，其精度±1.0%計算，其允許的誤差質(zhì)量為△m=±0.03 kg，則罐口直徑d=［（△m2-△m1）/（ρπ△h）］1/2≈3.74 cm=37.4 mm。即湯罐的閥口直徑應(yīng)該小于37.4 mm，我們?nèi)=30 mm。

圖10 湯罐部件

圖11 閉式湯罐取湯位置原理圖

圖12 簡易爐蓋

4 樣機應(yīng)用改進

隨著真空定量給湯機樣機的研制完成，我們立即在廣東科達潔能股份有限有限公司研制的金屬內(nèi)腔擠壓成形機上投入使用。在使用過程中不斷持續(xù)改進，并經(jīng)過總結(jié)使用經(jīng)驗，對現(xiàn)場的保溫爐進行了改造，在作業(yè)時增加一個只留出取液口的簡易爐蓋（圖12），可以降低散熱，減小熔爐能耗。經(jīng)過對設(shè)備的長期測試，我們發(fā)現(xiàn)，采用該真空定量給湯機所取的鋁液中氧化鋁等雜質(zhì)大幅減少。

5 結(jié)語

綜上所述，真空定量給湯機是一種新型的給湯設(shè)備，它采用的是熔池液面之下吸入鋁液，能夠摒除熔池表層氧化物，鋁液通過罐內(nèi)外壓差而進入陶瓷湯罐，不卷入空氣，在鋁液輸送到澆口的過程中與空氣也不接觸，不產(chǎn)生新的氧化物。湯罐為耐高溫復(fù)合陶瓷材料，輸送過程中鋁液溫度損失小，而且取液質(zhì)量精度高，能夠使壓鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量得到進一步提升，更可以縮小熔爐的敞開面積，降低散熱，減小熔爐的能耗，這對于行業(yè)來說非常具有推廣價值。