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1、讲授人：郝启堂,低压铸造成形工艺及控制技术,一、传统的铸造成形方法,1. 砂型铸造 (1) 砂型铸造种类潮模砂(粘土砂)、水玻璃砂、树脂砂 (2) 砂型铸造特点及适用范围不受零件轮廓尺寸和复杂程度限制，成本低，但尺寸精度较低，不能很好地发挥材料的固有性能。 (3) 砂型铸造的发展与其它成形工艺相结合，向优质铸件精确成形的方向发展。,2. 金属型铸造 (1) 金属型铸造种类与相它成形工艺相结合，分为重力金属型铸造、(高)压铸(造)、低压金属 型铸造、离心铸造。 (2) 金属型铸造特点及适用范围适合于中小轮廓尺寸和复杂程度较低的零件，模具成本高，但效率也高， 尺寸精度高，能够很好地发挥材料的固有性
2、能。,3. 熔模精密铸造(石膏型铸造) (1) 熔模精密铸造种类耐火材料壳型、石膏型 (2) 熔模精密铸造特点及适用范围零件轮廓尺寸受限，复杂程度可以很高；流程长，成本高；尺寸精 度较高，不能很好地发挥材料的固有性能。 (3) 熔模精密铸造的发展向大尺寸零件、自动化生产方向发展。,二、低压铸造原理,2.1 概述 在二十世纪初期，国外开始研究并应用低压铸造工艺，同时期，英国E. H. Lake登记了第一个低压铸造专利，主要用于巴氏合金的铸造。法国人制定了用于铝合金和铜合金的计划，并首先在铝合金铸造生产中得到推广使用。第二次世界大战爆发后，随着航空工业的发展，英国广泛地采用低压铸造生产技术要求较高
3、的航空发动机的气缸等轻铝合金铸件，并采用金属型低压铸造，大量生产高硅铝合金铸件。北美的汽车工业和电机工业又广泛采用金属型低压铸造生产汽缸、电机转子等重要铸件。这样，低压铸造工艺迅速扩散到通用机械、纺织机械、仪表和商业产品的领域。 我国从五十年代开始研究低压铸造，但发展一直比较缓慢。随着汽车工业的发展，和大量新技术的采用，在上世纪末和本世纪初，低压铸造在我国得到快速发展，国产低压铸造机的功能和性能，及使用的稳定性和可靠性已经接近或达到国际先进水平，被大量用于汽车轮毂、汽车缸盖等铸件的生产。,V型汽车铝缸盖,汽车轮毂,铝合金缸盖,英国黑豹汽车桥梁铸件,2.2 低压铸造原理 低压铸造是使液态金属在压
4、力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。由于所用的压力较低，所以叫做低压铸造。其工艺过程如下：在装有合金液的密封容器（如坩埚）中，通入干燥的压缩空气，作用在保持一定浇注温度的金属液面上，造成密封容器内与铸型型腔的压力差，使金属液在气体压力的作用下，沿升液管上升，通过浇口平稳地进入型腔，并适当增大压力并保持坩埚内液面上的气体压力，使型腔内的金属液在较高压力作用下结晶凝固。然后解除液面上的气体压力，使开液管中未凝固的金属液依靠自重流回坩埚中，再开型并取出铸件，至此，一个完整的低压浇铸工艺完成。,低压铸造加压方式： 坩埚加压式 容器加压式低压铸造装备结构形式： (1) 金属型低压铸造装备 (2) 砂
5、型或壳型低压铸造装备,三、低压铸造特点,低压铸造的浇注工艺参数可在工艺范围内任意设置调整，可保证液体金属充型平稳，减少或避免金属液在充型时的翻腾、冲击、飞溅现象，从而减少了氧化渣的形成，避免或减少铸件的缺陷，提高了铸件质量。 金属液在压力作用下充型，可以提高金属液的流动性，铸件成形性好，有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件，对于大型薄壁铸件的成形更为有利。 铸件在压力作用下结晶凝固，并能得到充分地补缩，故铸件组织致密，机械性能高。 具有自然的顺序凝固特点。 有利于降低铸件的针孔度级别。 提高了金属液的工艺收得率，一般情况下不需要冒口，使金属液的收得率大大提高，收得率一般可达90。 劳动条件好；生
6、产效率高，易实现机械化和自动化，也是低压铸造的突出优点。,低压铸造对合金牌号的适用范围较宽，基本上可用于各种铸造合金。不仅用于铸造有色合金，而且可用于铸铁、铸钢。特别是对于易氧化的有色合金，更显示它的优越性能，即能有效地防止金属液在浇注过程中产生氧化夹渣。 低压铸造对铸型材料没有特殊要求，凡可作为铸型的各种材料，都可以用作低压铸造的铸型材料。与重力铸造和特种铸造应用的铸型基本相同，如砂型（粘土砂、水玻璃砂、树脂砂等）、壳型、金属型、石墨型、熔模精铸壳型、陶瓷型等都可应用。总之，低压铸造对铸型材料要求没有严格限制。,(a) 增压釜铸造(100) (b) 反重力低压铸造(100) 涡道铸件增压釜和
7、反重力低压铸造条件下相同部位的微观组织,某型号进气道唇口铸件,汽车涡轮增压器,美国Wellman公司生产的导弹燃料舱和喷气式发动机进气道,四、低压铸造与其它铸造法的比较,低压铸造适用的合金范围广，铝合金、镁合金、铜合金、高密度黑色金属。压力铸造一般只适用于铸造性能较好的合金，如铝硅合金、锌合金、镁合金等。 压力铸造一般用于生产批量大的中小铸件，低压铸造可适用于不同大小、不同批量的铸件。就砂型低压铸造而言，所能成形的铸件轮廓尺寸、铸件重量几乎不受限制。 压力铸造是在高速高压下充型，型腔中的气体不易排除，易于产生气孔，所生产的铸件不能进行热处理，而低压铸造则与此相反。为此，压力铸造生产的铸件一般只
8、作功能件使用或者不重要的结构件使用。 压力铸造所用的铸型(金属型)，要求高、制造困难、周期长、成本高。低压铸造应用的金属模要求较低，制造容易，模具费用只相当于压铸模费用的1/4。采用石墨型、壳型、砂型低压铸造时，模具费用更低。而且低压铸造适用的铸型种类多、范围广。 低压铸造的设备比压力铸造的设备简单，且容易制造。,五、低压铸造设备的分类及应用,按照加压介质分类： 普通低压铸造设备 电磁低压铸造设备,按照所使用铸型分类： 金属型低压铸造设备 砂型低压铸造设备,按照承压方式分类： 坩埚加压型低压铸造设备 罐体加压型低压铸造设备,特点：凝固环境为正压，排气困难，生产效率较低，铸件轮廓受限，铸件致密度
9、较低压铸造高。跑火易对装备造成损坏。,适用性：各种类型的复杂厚壁或中等壁厚优质构件(平均壁厚大于8mm)。单件浇注重量400Kg左右。可用于金属型(配套开合型和顶出机构)、砂型、石膏型、精铸模壳以及消失模。,六、类似于低压铸造的其它反重力铸造方法及应用,差压铸造,调压铸造、真空吸铸,调 压 铸 造,真 空 吸 注,特点：凝固环境为负压，排气顺畅，生产效率较低，铸件轮廓受限。针孔度等级不易控制,适用性：各种类型的复杂薄壁构件(平均壁厚小于5mm)。单件浇注重量小于100Kg。主要用于砂型、石膏型、精铸模壳。,真空差压铸造,调压充型,正压凝固,概念上的反重力铸造方法。负压充型，正压凝固。具有调压或
10、真空吸注的充型和差压铸造的凝固特点，但过程可控性差，凝固正压建立速度慢，无法对铸件致密度形成明显影响。,金属型低压铸造生产线,金属型差压铸造生产线,主要用于金属型铸造， 由于需要实现开合模 动作，所以，主要结 构为四立柱形式。但 保温炉形式有所区别。 有金属坩埚、石墨坩 埚、碳化硅坩埚和耐 火材料打结坩埚。,日本五十铃制作所生产的“上模滑动式低压铸造机”,铸造机本体： 控制机械的高度，实现整体搬运安装 作业平台仅有550mm，2个台阶 模具的开模压力根据使用情况可调，采用节能型的液压控制系统 液压装置是小型的，可以置于平台下面 由于上模是滑动的，所以能够提高安装模具的效率和换模作业的安全性 采
11、用伺服电机驱动，实现了高速运转 下模具有升降功能，开模高度可以变更,铝液保持炉： 铝液保持炉由加压室和保温室2个槽构成 降低保持炉的高度，所以实现了小型、无地坑化 升液管安装在炉内，实现了无升液管化。另外，由于模具的浇道与液面的距离短，所以能够减少热量的损失以及氧化物的产生 能够保持恒定的液面高度，铸造条件同一 为了清除铝液中的杂质以及控制氧化物的生成，在保温室侧设置了脱氧装置 铸造作业(加压)时，可以进行清扫保温室及添加铝液作业,德国琦玛(GIMA)低压铸造机,西北工业大学开发的非标反重力低压、差压、调压和真空吸铸设备 主要用于砂型、精铸模壳、石膏型等的铸件成形，用途不同，配制也不同，但主
12、要结构为上下罐形式。,坩埚加压型低压铸造设备,七、低压铸造液面加压的控制,电控核心：单板机,单片机,监控程序编写语言：机器码,汇编语言,高级语言 事件驱动可视化编程语言,调节执行机构：一次仪表,气动薄膜阀,电气比例阀 直行程电动阀,组合阀,液面加压控制系统的发展历程,气动薄膜阀,口径大，可以带手动 执行机构，但反应慢， 不适合于快速调节。,电气比例阀,模拟多级控制,数字组合阀,控制软件的“参数设置”屏幕,控制软件的“过程监控”屏幕,控制软件的“数据处理”屏幕,控制软件的“故障定位”屏幕,控制软件的“操作指南”屏幕,液面加压控制算法,传统PID算法,比例环节：及时成比例地反映控制系统的偏差信号e
13、(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。 微分环节：能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。,传统PID控制效果,此次跟踪过程中，升液速度为50mm/s，充型速度为150mm/s。从图中可以看出，在升液和充型阶段存在着较大的气压波动，动态性能较差，而进入到保压阶段，实际曲线与设定曲线基本重合，偏差很小，静态性能良好。,传统PID限幅控制效果,此次跟踪对输出
14、进行了限幅处理。升液速度为30mm/s，充型速度为50mm/s。限定其最大输出，从而保证了升液和充型阶段良好的跟踪效果，但是在结晶增压阶段压力升高很快，为3KPa/s，而输出最大值又被限制，所以产生了较大的偏差。这种方法顾此失彼，不能满足实际生产的要求。,Fuzzy控制算法,模糊化接口、规则库、模糊推理机制和 输出量解模糊化接口等四个部分。,利用Fuzzy控制的液面加压曲线。升液速度为30mm/s，充型速度为50mm/s。从图中可以看出，升液和充型阶段动态跟踪效果良好，但是在转入到保压阶段时产生了振荡和超调，即所谓的零点极限循环振荡。,U模糊查询表,Fuzzy-PID 复合控制算法,Fuzzy
15、-PID混合控制。升液速度为50mm/s，充型速度为150mm/s。当偏差E较小的时候采用PID进行调节，一旦设定曲线变化较大，跟踪误差越来越大，直至达到e0(0.5KPa），然后转入到Fuzzy控制，而Fuzzy控制的动态效果较好，因此不会出现类似于纯模糊控制中的现象。,模糊化PID 控制算法,Fuzzy PID控制器中包含一个传统的PID控制器和一个模糊自整定结构。通过模糊推论在线调整PID的三个参数比例项（KP）、积分项（K）和微分项（KD）以便获得合理的动态响应速度和较高的控制精度。图中 r(t)是设定值，e是设定值和实际值之间的差，ec是差值变化率，u是Fuzzy PID控制器的输出
16、增量。,根据误差和误差变化率在模糊控制表中查找PID参数增量，动态改变PID参数，有效发挥三个参数在不同情况下的调节作用，有效改变动态和静态跟踪品质，充分发挥传统PID的调节能力，增强这种控制算法的适应性。,低压铸造液面加压控制效果评估,低压铸造液面加压控制效果评估,低压铸造液面加压控制效果评估,八、低压铸造流程,金属的熔炼及模具的准备； 浇注前的准备：包括坩埚密封(装配密封盖),升液管中的扒渣，测量液面高度，密封性试验，配模，紧固模具等； 浇注：包括升液、充型、结晶凝固、排气等四个过程； 脱模：包括松型脱模和取件。,低压铸造工艺操作规程,九、低压铸造工艺参数的选择,(1) 升液阶段 (2) 充型阶段 (3) 结壳增压阶段 (4) 结保保压阶段 (5) 结晶增压阶段 (6) 结晶保压阶段,阶段参数定义： (1) 升液阶段：升液速度(mm/s)、升液压力(KPa，p1) (2) 充型阶段：充型速度(mm/s)、充型压力(KPa，p2) (3) 结壳增压阶段：结壳增压压力(KPa,p1=p3p2), 结壳增压速度(KPa/s) (4) 结保保压阶段：结壳保压时间(s) (5) 结晶增压阶段：结晶增压压力(KPa,p2=p4p3), 结晶增压速度(KPa/s) (6) 结晶保压阶段：结晶保压时间(s),
