中國(guó)低壓鑄造裝備技術(shù)的發(fā)展與展望

康敬樂，丁蘇沛，孫劍飛，畢維生，張虎，郝啟堂，章旭霞,李建平

（1.濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司,山東濟(jì)南 250306；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150001；3.北京航空航天大學(xué)，北京 100191；4.西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安 710072；5.萬(wàn)豐科技開發(fā)股份有限公司，浙江紹興 312500；6.天水華榮鑄造機(jī)械有限公司，甘肅天水 741000）

中國(guó)低壓鑄造裝備技術(shù)的發(fā)展與展望

康敬樂1，丁蘇沛1，孫劍飛2，畢維生2，張虎3，郝啟堂4，章旭霞5,李建平6

（1.濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司,山東濟(jì)南 250306；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150001；3.北京航空航天大學(xué)，北京 100191；4.西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安 710072；5.萬(wàn)豐科技開發(fā)股份有限公司，浙江紹興 312500；6.天水華榮鑄造機(jī)械有限公司，甘肅天水 741000）

全面、客觀地?cái)⑹隽诵轮袊?guó)低壓鑄造裝備技術(shù)的發(fā)展歷程及其現(xiàn)狀，對(duì)未來(lái)低壓鑄造新技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了展望。認(rèn)為工業(yè)機(jī)器人、電磁泵鑄造技術(shù)、人工智能和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等的綜合應(yīng)用，將成為中國(guó)低壓鑄造產(chǎn)業(yè)中，實(shí)施“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的主旋律。

低壓鑄造；液面加壓；保溫爐；差壓鑄造；鎂合金鑄造；消失模鑄造；工業(yè)機(jī)器人

1 低壓鑄造的由來(lái)

低壓鑄造早在1910年由英國(guó)人E.F.Lake和A.L.J.Queneau提出，并于1911年由Lake取得了巴氏合金的專利[1]。此后發(fā)展過程大致分為三個(gè)階段。第一階段是試驗(yàn)階段（1910-1945年），這個(gè)階段中，繼Lake之后，1920年法國(guó)首先用于鋁合金,1933年德國(guó)A.E.G（通用電氣公司）又取得專利，1937年英國(guó)使用惰性氣體鑄造鎂合金。但由于當(dāng)時(shí)生產(chǎn)率低，升液管、坩堝、模具均有問題，并且鋁合金應(yīng)用不普遍，所以未得到實(shí)際應(yīng)用；第二階段是二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后至20世紀(jì)50年代末，在這個(gè)階段中開始應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，但不很普遍。1945年英國(guó)Alumasc公司首先成功的應(yīng)用于鑄造雨具、烹調(diào)用具等民用工業(yè)零件，此后才在家具、紡織機(jī)械、電氣等行業(yè)發(fā)展起來(lái)，1950年這個(gè)方法由西歐導(dǎo)入北美，1956年當(dāng)時(shí)的西德K.S（Karl Schmidt）公司生產(chǎn)了N.S.U轎車用空冷發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金汽缸蓋，使這個(gè)方法受到重視，所以，后來(lái)把低壓鑄造法稱為Schmidt法。1959年美國(guó)通用汽車公司的雪佛蘭廠把Corvair發(fā)動(dòng)機(jī)上的全部鋁鑄件采用此法生產(chǎn)，并在Massena專門建立了一個(gè)新的鑄造廠。由于這個(gè)方法，適應(yīng)了汽車工業(yè)輕量化的要求，引起了世界各國(guó)的重視和興趣。但在1960年，全世界只有7～8家企業(yè)使用此法，其中主要是美國(guó)、英國(guó)和當(dāng)時(shí)的西德，低壓鑄造機(jī)大約只有30臺(tái)，而且多數(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；20世紀(jì)60年代以后是低壓鑄造的大發(fā)展時(shí)期，這是第三階段。在這個(gè)階段中世界各國(guó)對(duì)低壓鑄造的一些基本原理、設(shè)備的改進(jìn)、工藝的改善等做了大量的工作，并進(jìn)一步擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1970-1971年全世界已有25個(gè)國(guó)家近900臺(tái)設(shè)備正在生產(chǎn)或準(zhǔn)備投產(chǎn)，有的工廠還專門建立了低壓鑄造廠或車間，除上述的Massena廠外，日本東洋工業(yè)公司也建立了一個(gè)面積為5 544 m2,的低壓鑄造車間，生產(chǎn)排量為1 000～2 000 cm3的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋等零件，該低壓鑄造生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍為360 s,每臺(tái)設(shè)備的生產(chǎn)率為10件/時(shí)，當(dāng)時(shí)所生產(chǎn)的鋁鑄件，鑄件質(zhì)量最大的金屬型低壓鑄造件為底軸圓輪（die Kettbaumscheibe）,鑄件質(zhì)量為80 kg;輪廓尺寸最大已達(dá)到1 200 mm以上,鋁鑄件最大耐壓達(dá)到230×0.098 MPa,是用自然時(shí)效硬化的鋁合金G-ALZn10Si3Mg合金制造的。另外，美國(guó)葛里芬公司(Griffin wheel co.)采用低壓鑄造法生產(chǎn)的鑄鋼車輪質(zhì)量達(dá)328 kg。并可生產(chǎn)最大質(zhì)量為10 t的大型電機(jī)轉(zhuǎn)子[2-3]。

至1976年，英國(guó)狄莫（DIMO）公司已向世界各國(guó)出售了約1000臺(tái)低壓鑄造機(jī)，在國(guó)際上享有很高的聲譽(yù)。法國(guó)采用低壓鑄造法每年生產(chǎn)200萬(wàn)個(gè)雷諾（Ranault）汽車汽缸頭，每臺(tái)低壓鑄造機(jī)每小時(shí)生產(chǎn)16～20件，每天生產(chǎn)6 000大型鑄件。法國(guó)的另一家公司一年中用10臺(tái)低壓鑄造機(jī)生產(chǎn)了1 500 t鋁鑄件。在美國(guó)的Massena公司的車間里有30臺(tái)低壓鑄造機(jī)在工作。

20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、芬蘭、意大利、奧地利和當(dāng)時(shí)的西德等歐美國(guó)家加快發(fā)展低壓鑄造技術(shù)，日本從20世紀(jì)50年代起，十分重視低壓鑄造技術(shù)的現(xiàn)代化，日本東京輕金屬制作所有低壓鑄造機(jī)34臺(tái)，一人可操作2～3臺(tái)機(jī)器，生產(chǎn)的鑄件尺寸可達(dá)600×400×400（mm）。

隨著低壓鑄造技術(shù)的發(fā)展又相繼出現(xiàn)了砂型低壓鑄造、熔模殼型低壓鑄造和負(fù)壓鑄型低壓鑄造工藝，其中砂型低壓鑄造進(jìn)展迅速，很適合大型復(fù)雜形狀的薄壁鑄件的生產(chǎn)[3]。

總之，歐洲主要是針對(duì)汽車工業(yè)，發(fā)展了低壓鑄造技術(shù)，隨后，美國(guó)、日本等國(guó)也開始對(duì)低壓鑄造技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，并陸續(xù)投產(chǎn)。當(dāng)時(shí)的蘇聯(lián)也進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，并在20世紀(jì)60年代初出版了低壓鑄造的專著[3]。

2 國(guó)內(nèi)低壓鑄造的發(fā)展歷程

國(guó)內(nèi)低壓鑄造技術(shù)發(fā)展較晚，1955年天津拖拉機(jī)制造廠采用壓縮空氣精密鑄造鋁合金型板[4]，1958年上海郵電器材廠應(yīng)用了低壓鑄造工藝。20世紀(jì)60年代開始，這一工藝在北京、天津、上海、遼寧等地得到了一定程的發(fā)展，70年代中期出版了低壓鑄造的專著[5]和有關(guān)手冊(cè)[6]。

1978年至1984年，當(dāng)時(shí)的一機(jī)部、六機(jī)部、八機(jī)部等相繼召開了低壓鑄造經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)，介紹了國(guó)內(nèi)先進(jìn)的低壓鑄造設(shè)備和工藝[7]，其中代表性的低壓鑄造機(jī)有張家口煤礦機(jī)械廠的搖臂回轉(zhuǎn)低壓鑄造機(jī)、上海汽油機(jī)廠生產(chǎn)的165F缸體的液壓控制低壓鑄造機(jī)、山西電機(jī)廠的轉(zhuǎn)子低壓鑄造機(jī)、江南機(jī)器廠的六工位低壓鑄造機(jī)[8]。其中代表性的控制系統(tǒng)有 801型低壓鑄造液面加壓控制系統(tǒng)[9]、“單循環(huán)”自動(dòng)控制系統(tǒng)[10]、“繼動(dòng)式”液面加壓控制系統(tǒng)[5]、定壓自動(dòng)控制裝置[11]等。其中代表性的鑄件有大連紅旗造船廠用低壓鑄造法成功鑄出10多噸重的萬(wàn)噸輪船用銅質(zhì)螺旋槳；3噸多重的鑄鋼曲軸和直徑為1 160 mm,長(zhǎng)為2 300 mm,總質(zhì)量為5 t的鑄鐵缸套；鐵道部大連機(jī)車車輛廠鑄鐵車間成功地采用低壓鑄造法生產(chǎn)了4000馬力的16V240ZA柴油機(jī)缸蓋[12]。159廠、139廠、129廠等用低壓鑄造技術(shù)鑄造了直徑為500～800 mm、高度為800～1 600 mm的鋁鎂合金薄壁復(fù)雜形狀的大型鑄件。長(zhǎng)沙水泵廠采用砂型低壓鑄造法生產(chǎn)了10CLG-40型混流式銅泵泵體[13]。北京摩托車廠自1965年以來(lái)一直用低壓鑄造法生產(chǎn)東風(fēng)BM021三輪摩托車關(guān)鍵復(fù)雜鋁鑄件，如汽缸蓋、曲軸箱、輪轂等[3]。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，建國(guó)以來(lái)，到20世紀(jì)80年代中期，國(guó)內(nèi)低壓鑄造機(jī)保有量在400臺(tái)左右。但是品種太少，并且多數(shù)是用戶自制的一些簡(jiǎn)易的低壓鑄造機(jī)，可靠性低，通用性差，不能滿足低壓鑄造生產(chǎn)[3]。

在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)的體制下，隨著中國(guó)機(jī)械制造體系的建立和發(fā)展，鑄造生產(chǎn)機(jī)械化程度有了很大提高，逐步形成了中國(guó)鑄造機(jī)械制造業(yè)。據(jù)1982年統(tǒng)計(jì)，從1955-1981年共提供鑄造機(jī)械259個(gè)品種，約54000臺(tái)。機(jī)械部定點(diǎn)的鑄造機(jī)械生產(chǎn)單位有青島、保定和蘇州等21個(gè)鑄造機(jī)械廠和蘇州鑄造機(jī)械工業(yè)公司，其中天水鑄造機(jī)械廠是低壓鑄造機(jī)歸口生產(chǎn)單位。

1982年機(jī)械部濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所根據(jù)國(guó)內(nèi)低壓鑄造生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，并參考英國(guó)狄莫（DIMO）公司VT型低壓鑄造機(jī)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，率先設(shè)計(jì)研發(fā)了J452型金屬型低壓鑄造機(jī)，該機(jī)為坩堝密封，坩堝容量150 kg。1983年由天水鑄造機(jī)械廠完成試制并通過部級(jí)鑒定，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。是國(guó)內(nèi)研制成功的第一臺(tái)低壓鑄造機(jī)通用產(chǎn)品[14]（見圖1）。

1983年北京摩托車制造廠與機(jī)械部沈陽(yáng)鑄造研究所共同研制了新型傾轉(zhuǎn)式半自動(dòng)金屬型低壓鑄造機(jī)，并獲得1985年度北京市技術(shù)開發(fā)優(yōu)秀項(xiàng)目獎(jiǎng)。該機(jī)采用了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)：①整個(gè)機(jī)架可以后傾45°，此結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，整機(jī)占地面積小，更換升液管方便，同時(shí)也可方便清理和更換坩堝以及噴刷涂料和舀出堝底剩余鋁液；②該機(jī)保溫爐采用電阻加熱，爐體密封，采用石墨坩堝，減少了鐵質(zhì)對(duì)鋁液的污染；③采用電液聯(lián)合控制，設(shè)計(jì)了6種不同的自動(dòng)操作程序，全部22個(gè)動(dòng)作按一次按鈕，即可按程序自動(dòng)完成；④該機(jī)液面加壓系統(tǒng)采用沈陽(yáng)鑄造研究所研發(fā)，1981年通過鑒定的DZ型加壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)以大流量調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行元件，具有較強(qiáng)的泄漏補(bǔ)償能力；⑤該機(jī)取件機(jī)構(gòu)有旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)兩個(gè)油缸驅(qū)動(dòng)，完成水平旋轉(zhuǎn)接取鑄件和把鑄件翻轉(zhuǎn)落到傳送帶上兩個(gè)作用；⑥該機(jī)電加熱保溫套采用36 V安全電壓供電， 主要參數(shù)為：保溫爐坩堝容量（AL液）150 kg,合型機(jī)構(gòu)導(dǎo)柱間距1 100×600（mm），主合型油缸行程650 mm、開型力240 kN，側(cè)油缸行程115 mm, 側(cè)油缸開型力90 kN，液壓系統(tǒng)額定工作壓力120×0.098 MPa。該機(jī)是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)新型傾轉(zhuǎn)式低壓鑄造機(jī)通用產(chǎn)品[15]。

圖1 J452型150kg金屬型低壓鑄造機(jī)（1983年）

1986年繼J452型150 kg低壓鑄造機(jī)之后，國(guó)家機(jī)械委濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所又設(shè)計(jì)研發(fā)了J453型300 kg金屬型低壓鑄造機(jī)，由天水鑄造機(jī)械總廠生產(chǎn)。該機(jī)合型機(jī)構(gòu)采用懸臂式結(jié)構(gòu)，不僅易于更換模具，同時(shí)使升液管和坩堝的使用維修比較方便。保溫爐采用爐體密封型式、石墨坩堝，可提高鋁鑄件質(zhì)量，保溫爐采用碳化硅組合爐襯，可節(jié)電20%～30%。液面加壓系統(tǒng)采用微機(jī)中央控制單元，配以先進(jìn)的檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采取了一系列抗干擾措施，確保系統(tǒng)具有良好的加壓特性，對(duì)設(shè)定的升液、充型、結(jié)殼、增壓和保壓各階段的加壓速率實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤，重復(fù)性高，再現(xiàn)性好，對(duì)氣體泄漏能自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)和補(bǔ)償，并能給出壓力-時(shí)間曲線，為實(shí)現(xiàn)低壓鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化控制提供了有利條件。該機(jī)主要參數(shù)為：坩堝容量（AL液）300 kg，開型力130～190 kN,合型力93 kN。液面加壓主要參數(shù)：升液、充型加壓速率范圍0～0.8 N/cm2·s,最高工作壓力200 kPa,最大允許泄漏量2.5 m3/h[16-17]。

20世紀(jì)70年代末80年代初，哈爾濱工業(yè)大學(xué)任天慶教授帶領(lǐng)課題組，在國(guó)內(nèi)率先開展了低壓鑄造和差壓鑄造液面加壓控制系統(tǒng)的研究。分別采用水模擬方法，研究液面加壓與水柱升高及液面變化的規(guī)律；在定容積條件下，研究執(zhí)行閥口開度與水柱升高的規(guī)律；應(yīng)用電容充電的原理，研制電子線性信號(hào)發(fā)生器，用于控制液面加壓速率的變化。

1983年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的CLD型差壓鑄造液面加壓控制系統(tǒng)在沈陽(yáng)139廠經(jīng)廠校合作完成，生產(chǎn)出差壓鑄造艙體鑄件，并投入生產(chǎn)。“CLD型差壓鑄造液面加壓控制系統(tǒng)”，“YTF低壓鑄造液面加壓控制系統(tǒng)”，1983年末分別獲得國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)三等獎(jiǎng)。

20世紀(jì)80年代初哈爾濱工業(yè)大學(xué)任天慶老師和碩士研究生林海峰將Z80單板機(jī)引入到低壓、差壓鑄造液面加壓控制系統(tǒng)中，80年代中期，與北京239廠進(jìn)行廠校合作研制出用于“導(dǎo)彈艙體差壓鑄造微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”并投入生產(chǎn)。1986年7月獲航天工業(yè)部二等獎(jiǎng)。

1986年與航天699廠合作，針對(duì)紅旗七號(hào)薄壁件位標(biāo)器罩鑄件，研制出符合設(shè)計(jì)要求的薄壁件位標(biāo)器罩鑄件。1987年與航天159廠合作完成“低壓鑄造微機(jī)控制系統(tǒng)研究”項(xiàng)目，該系統(tǒng)用于低壓鑄造件的生產(chǎn)中，獲得好評(píng)?！凹t旗七號(hào)薄壁件位標(biāo)器罩差壓鑄造工藝及設(shè)備”，該二項(xiàng)目分別于1988年和1989年獲得航天工業(yè)部二等獎(jiǎng)和航空航天工業(yè)部二等獎(jiǎng)。

20世紀(jì)80年代，哈爾濱工業(yè)大學(xué)為國(guó)內(nèi)軍用砂型差壓低壓鑄造技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。總之，哈爾濱工業(yè)大學(xué)不僅是國(guó)內(nèi)低壓鑄造技術(shù)的發(fā)源地，而且為低壓鑄造領(lǐng)域培養(yǎng)了眾多的開拓型人才。

在“八五”計(jì)劃期間，國(guó)家公布的《汽車工業(yè)產(chǎn)業(yè)政策》中，除了明確轎車關(guān)鍵零部件和經(jīng)濟(jì)型等內(nèi)容外，還將鑄鍛件毛坯列為六項(xiàng)重點(diǎn)之一，這說(shuō)明鑄鍛件在汽車工業(yè)發(fā)展中的重要地位。汽車用鑄件朝著輕量化、精密化和強(qiáng)韌化方向發(fā)展，其中鋁合金化是重要手段，如缸體、缸蓋、變速箱殼體、進(jìn)氣岐管、活塞、輪轂等；汽車用鋁合金鑄件的主要鑄造方法是壓鑄、重力鑄造和低壓鑄造。其中壓鑄件占主導(dǎo)地位，壓鑄件的代表性鑄件是汽缸體；低壓鑄造和重力鑄造的標(biāo)志性鑄件是鋁合金整體車輪和汽缸蓋。另一方面，從汽車制造業(yè)的要求來(lái)看，當(dāng)時(shí)國(guó)產(chǎn)鑄造機(jī)械的主要弱點(diǎn)明顯地表現(xiàn)為缺乏可靠性、成套性和多樣性，低壓鑄造機(jī)則尤為如此。如何擺脫困境，可借鑒的發(fā)展模式主要是合資經(jīng)營(yíng)、技術(shù)引進(jìn)及國(guó)際合作[18]。

“八五”期間，隨著國(guó)家汽車和摩托車行業(yè)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)低壓鑄造機(jī)也取得了較快發(fā)展，1993年，機(jī)械部濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所和灌南壓鑄機(jī)廠共同研制成功了J453F型300 kg摩托車整體車輪專用低壓鑄造機(jī)，坩堝容量（AL液）300 kg，模具尺寸960×960×700（mm），生產(chǎn)率12～14件/h[19]。

1993-1994年，機(jī)械部濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所和天水星火機(jī)床廠共同研制成功了新型J455型500 kg金屬型低壓鑄造機(jī)，該機(jī)成為當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最大的低壓鑄造機(jī)通用產(chǎn)品，填補(bǔ)了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)空白。該機(jī)采用了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)：①率先采用輻射式加熱熔池保溫爐，既消除了采用鐵坩堝時(shí)鋁合金被污染的可能性，又克服了石墨坩堝壽命短的缺點(diǎn)，并且在工作位實(shí)現(xiàn)側(cè)面加鋁液，大大提高了低壓鑄造機(jī)的生產(chǎn)效率；②主機(jī)結(jié)構(gòu)采用四立柱式合型機(jī)構(gòu)，具有可以吸收熱膨脹的裝置，使得合型精度高，導(dǎo)向桿磨損?。虎墼摍C(jī)采用雙油缸龍門式正頂出機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)模具需要，在開型的任何位置頂出鑄件，節(jié)省了生產(chǎn)節(jié)拍，提高生產(chǎn)率；④該機(jī)保溫爐傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用電磁制動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確。采用鏈輪-鏈條驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)同步垂直升降，使升液管與模具澆口可靠密封；⑤該機(jī)液壓系統(tǒng)率先采用插裝閥控制技術(shù)，提高了液壓閥的抗污染能力。采用高低壓雙聯(lián)葉片泵，降低了能耗，節(jié)省功率；⑥電氣控制系統(tǒng)率先采用PLC控制技術(shù)，使得低壓鑄造機(jī)的程序控制便捷和多樣化；⑦液面加壓系統(tǒng)采用PLC的CPU作為控制單元，A/D和D/A模塊作為數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。人機(jī)界面采用模擬顯示屏，形象地顯示加壓過程及各節(jié)點(diǎn)的變化情況。液面加壓的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的電動(dòng)執(zhí)行器，先導(dǎo)部分用電子式可逆微電機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)主閥口的開度反饋控制。主要參數(shù)為：熔池容量（AL液）500 kg,有效用鋁量為375 kg,首臺(tái)用戶為重慶通用機(jī)器廠。

盡管如此，由于國(guó)內(nèi)保溫爐加熱元件和熔池爐襯材料的使用壽命太低，從而制約了該機(jī)的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展。

1995年北京第三屆國(guó)際鑄造鍛壓及工業(yè)爐展覽會(huì)上展出的低壓鑄造機(jī)反映了當(dāng)時(shí)的世界先進(jìn)水平，中國(guó)濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所、日本五十鈴制作所、德國(guó)KURTZ（庫(kù)爾茲）公司和GIMA公司，丹麥RIMATICa/s(瑞馬迪克)公司，英國(guó)PLUME公司、意大利BORLI（波爾利）等公司展出的產(chǎn)品，真可謂精品紛呈，是世界各國(guó)高水平低壓鑄造機(jī)的集中亮相，開啟了國(guó)內(nèi)低壓鑄造機(jī)大規(guī)模技術(shù)引進(jìn)的序幕。當(dāng)時(shí)的國(guó)外低壓鑄造機(jī)廠家，可以進(jìn)行“交鑰匙”工程，承擔(dān)從設(shè)備選型、設(shè)計(jì)制造模具，編制低壓鑄造工藝、指導(dǎo)生產(chǎn)出合格鑄件的一攬子服務(wù)，幫助用戶實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和高效率生產(chǎn)，來(lái)自各自公司的電子、機(jī)械、模具和低壓鑄造工藝專家參與了低壓鑄造機(jī)和模具設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試，其標(biāo)志性鑄件就是鋁合金整體車輪，一般5 min生產(chǎn)一件，合格鑄件達(dá)到85%～90%，班產(chǎn)合格件為70件以上。其中德國(guó)GIMA公司是杰出代表。其主要新技術(shù)表現(xiàn)在：①輻射式的熔池保溫爐加熱元件采用SIC棒加熱，裝在傳熱性能優(yōu)異的耐熱不銹鋼管內(nèi)，防止鋁液對(duì)加熱元件飛濺和高溫侵蝕；②升液管的材質(zhì)為陶瓷、陶瓷和碳素復(fù)合材料或硅鐵合金，具有優(yōu)越的耐熱沖擊和高溫耐腐蝕性能，使用壽命達(dá)一年以上，對(duì)鋁液的污染極?。虎垡簤合到y(tǒng)采用水乙二醇為液壓介質(zhì)，具有不燃的特性；④控制系統(tǒng)采用PLC，控制整個(gè)低壓鑄造過程的各個(gè)環(huán)節(jié)動(dòng)作和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)，人機(jī)界面采用彩色或黑色屏幕顯示鑄造狀態(tài)和報(bào)警信息，如鑄造過程中信號(hào)燈閃爍，出現(xiàn)故障時(shí)，音響報(bào)警；⑤編程后，可完全準(zhǔn)確地控制鑄造過程，代替人對(duì)機(jī)器的操作管理，避免了因人為因素可能產(chǎn)生的誤動(dòng)作，使生產(chǎn)過程穩(wěn)定化。另外，所有的指令及有關(guān)的反饋信息可以存儲(chǔ)起來(lái)，需要時(shí)能在屏幕上顯示，或由打印機(jī)打印輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)鑄造過程的監(jiān)視、記錄和診斷檢查；⑥液面加壓系統(tǒng)采用CPU控制，專門調(diào)節(jié)鋁合金液的加壓速率，并按給定的加壓曲線加壓，具有精確地重復(fù)再現(xiàn)性。由高精度壓力傳感器和高靈敏度澆注閥、PID控制器和模擬顯示屏組成。加壓速率可自由選取8個(gè)速率規(guī)范和20種加壓模式，最高控制壓力0.15 MPa,加壓控制精度±0.000 5 MPa。具有液位補(bǔ)償和氣體泄漏補(bǔ)償功能，并可以通過預(yù)壓力發(fā)訊和金屬傳感器發(fā)訊來(lái)實(shí)現(xiàn)鋁液（喉口）懸浮功能[20]。

總之，“八五”期間，在國(guó)內(nèi)低壓鑄造技術(shù)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)外低壓鑄造成套技術(shù)的大規(guī)模引進(jìn)，不僅極大地推動(dòng)了中國(guó)汽車制造業(yè)鋁合金鑄造技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也顯著地改變了國(guó)內(nèi)低壓鑄造機(jī)相對(duì)落后的局面，使得國(guó)內(nèi)低壓鑄造機(jī)的制造廠家進(jìn)一步看到了差距，明確了發(fā)展方向。回顧這段歷史，我們不能不說(shuō)這是中國(guó)低壓鑄造裝備技術(shù)發(fā)展史的一個(gè)轉(zhuǎn)折，以此為契機(jī)，造就了中國(guó)低壓鑄造裝備發(fā)展中輝煌的20年，中國(guó)鑄造機(jī)械從引進(jìn)、開發(fā)、再創(chuàng)新這一發(fā)展模式中受益匪淺。這也是國(guó)家在改革開放大潮中“以市場(chǎng)換技術(shù)”的戰(zhàn)略實(shí)施。從此，國(guó)內(nèi)低壓鑄造技術(shù)發(fā)展進(jìn)入了快車道。

“九五”期間，中國(guó)鑄造機(jī)械發(fā)展的戰(zhàn)略方針是以應(yīng)用新技術(shù)、開發(fā)新產(chǎn)品品種，提高經(jīng)濟(jì)效益，降低產(chǎn)品成本為重點(diǎn)，在產(chǎn)品效率高、控制先進(jìn)、高可靠性、成套性上下功夫，要以滿足轎車工業(yè)的需求為突破口，注重特種鑄造設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用；盡快將“八五”振興鑄造機(jī)械的科技成果商品化、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化；把強(qiáng)化產(chǎn)品質(zhì)量和提供其可靠性放在首位，注重選用可靠的外購(gòu)元器件。其中低壓鑄造機(jī)就是重點(diǎn)發(fā)展的鑄造機(jī)械產(chǎn)品品種之一[21]。

1997年，濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所率先研發(fā)成功了J454型400 kg雙升液管金屬型低壓鑄造機(jī)。該機(jī)采用輻射式熔池保溫爐，可以一模兩件，生產(chǎn)摩托車用汽缸頭，生產(chǎn)率大為提高。首臺(tái)用戶為廣東中南鋁合金輪轂有限公司。

1998年，濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所率先研發(fā)成功了通用型600 kg砂型低壓鑄造機(jī)。該機(jī)采用碳化硅坩堝，爐體密封，主體設(shè)計(jì)是保溫爐固定，砂箱平臺(tái)水平移動(dòng)采用變頻調(diào)速，垂直升降動(dòng)作采用雙油缸驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)；液面加壓系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)率先采用計(jì)算機(jī)工作站作為上位機(jī)，能實(shí)時(shí)顯示實(shí)際加壓曲線對(duì)設(shè)定的加壓曲線的跟蹤，為提高增壓速率，首次采用了雙回路增壓系統(tǒng)。該機(jī)生產(chǎn)軍用鋁合金鑄件，凈質(zhì)量達(dá)400 kg左右。裝機(jī)后參加了1999年50周年國(guó)慶閱兵。

1999年濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所率先研發(fā)成功JZ456型600 kg大型砂型/金屬兩用低壓鑄造機(jī)，該機(jī)即可從事砂型低壓鑄造生產(chǎn)，也可實(shí)現(xiàn)金屬型低壓鑄造，同時(shí)，保溫爐采用碳化硅坩堝，爐體密封，并具有熔化功能，解決了二次氧化造渣和鋁液吸氣等難題，該機(jī)用于生產(chǎn)高速列車用轉(zhuǎn)向架齒輪箱體類復(fù)雜薄壁鋁鑄件，凈質(zhì)量達(dá)200 kg左右。首臺(tái)用戶為鐵道部戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所，是鐵道部“九五”攻關(guān)項(xiàng)目之一[22]（見圖2）。

圖2 JZ456型600kg砂型金屬型低壓鑄造機(jī)（1999年）

“九五”期間，國(guó)內(nèi)低壓鑄造裝備制造能力得到了顯著提高，國(guó)內(nèi)低壓鑄造機(jī)的主要生產(chǎn)廠家有濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所（J453F，J454，J455）、上海機(jī)械制造工藝研究所（FDZ-A，F(xiàn)DZ-C）、天水鑄造機(jī)械廠（J452, J453），天水星火機(jī)床廠（J455）、江蘇灌南壓鑄機(jī)廠（J453A, J453B）和沈陽(yáng)鑄造研究所（803液面加壓系統(tǒng)）[23]。

另外沈陽(yáng)工業(yè)學(xué)院CLP系列液面加壓系統(tǒng)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)的YTF型低壓鑄造用液面加壓系統(tǒng)及CLD型差壓主鑄造用液面加壓系統(tǒng)主要用來(lái)生產(chǎn)軍品鑄件，應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

20世紀(jì)90年代初，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與159廠合作，對(duì)由保加利亞引進(jìn)的差壓鑄造機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，采用8051單片機(jī)，設(shè)計(jì)適用于差壓鑄造液面加壓控制的主板和程序。充分發(fā)揮51系列單片機(jī)適用于工業(yè)環(huán)境的特點(diǎn)，明顯地提高了系統(tǒng)的抗環(huán)境干擾能力和系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。1992年12月10日“自動(dòng)差壓鑄造機(jī)（VP1250）多功能微機(jī)控制系統(tǒng)研究”項(xiàng)目，獲航空航天工業(yè)部三等獎(jiǎng)。

繼而，對(duì)原來(lái)使用Z80單板機(jī)的低壓、差壓鑄造的用戶進(jìn)行升級(jí)，提高了系統(tǒng)的抗干擾性和工作穩(wěn)定性，更好地服務(wù)于鑄件的生產(chǎn)。

這一時(shí)期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對(duì)西安黃河某大型薄壁件產(chǎn)品，研制了具有低壓、差壓鑄造功能的成套設(shè)備，鑄件單件質(zhì)量由32 kg降到18 kg。針孔度、抗拉強(qiáng)度、鑄件質(zhì)量、密封性明顯提高；還為侯馬平陽(yáng)廠、239廠、211廠研制了差/低壓鑄造液面加壓控制系統(tǒng)，在為昆明705所50工廠研制的設(shè)備中，采用了51系列中的80C552單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心件。

1998年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)安閣英教授領(lǐng)導(dǎo)課題組，針對(duì)總裝95預(yù)研課題需要，研制了一套差壓鑄造設(shè)備，安裝在哈爾濱工業(yè)大學(xué)鑄造實(shí)驗(yàn)室，用于鋁合金大型、薄壁、復(fù)雜艙體件的研制工作。該設(shè)備液面加壓控制系統(tǒng)首次采用研華工控機(jī)+A/D板卡進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換、D/A板卡進(jìn)行數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，+I/O板卡進(jìn)行開關(guān)量的輸入和輸出，+中間繼電器，構(gòu)成電路控制系統(tǒng)。使用C語(yǔ)言編程，使用動(dòng)畫軟件編制屏幕顯示畫面參數(shù)。氣路控制系統(tǒng)仍采用氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行閥，通過閥口的開度變化來(lái)跟蹤工藝參數(shù)。為太原884廠研制的低/差壓鑄造液面加壓控制系統(tǒng)中即為工控機(jī)與氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥組成。

這一時(shí)期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在對(duì)保加利亞引進(jìn)的控制系統(tǒng)的消化、吸收和升級(jí)的過程中，控制水平和穩(wěn)定性有了明顯提高。

盡管如此，“九五”初期，國(guó)內(nèi)低壓鑄造機(jī)設(shè)備與工藝嚴(yán)重脫節(jié)的局面沒有徹底改變，鑄件的模具設(shè)計(jì)，主要憑經(jīng)驗(yàn)，對(duì)液態(tài)金屬在鑄型中的流動(dòng)、傳熱與凝固也是憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，大部分模具設(shè)計(jì)無(wú)冷卻和加熱系統(tǒng)，一般很難保證鑄件實(shí)現(xiàn)順序凝固和充分補(bǔ)縮。低壓鑄造機(jī)的關(guān)鍵零部件（如減壓閥的流量小，升液管容易被侵蝕；保溫套功率低且壽命短等） 可靠性低；低壓鑄造機(jī)自動(dòng)化程度不高，并且無(wú)模具快速定位，更換（裝卸）模具比較麻煩[23]。

針對(duì)當(dāng)時(shí)這一現(xiàn)狀，1997年9月國(guó)家科委批準(zhǔn)“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“鋁合金鑄件金屬型精密成型技術(shù)及成套裝備研究開發(fā)與應(yīng)用示范”正式實(shí)施。其主要內(nèi)容是J458型800 kg金屬型低壓鑄造機(jī)開發(fā)與研制。經(jīng)過濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所和煙臺(tái)路通精密合金有限公司近3年的聯(lián)合攻關(guān)， 1999年8月完成了低壓鑄機(jī)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，9月完成了全線熱負(fù)荷聯(lián)動(dòng)調(diào)試，并生產(chǎn)出合格鑄件，進(jìn)行了小批量試生產(chǎn)。

2000年9月，國(guó)家鑄造鍛壓機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)生產(chǎn)示范線低壓鑄造設(shè)備部分的攻關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了全面檢測(cè)； 2000年10月山東省機(jī)械廳組織了終驗(yàn)收。該項(xiàng)目獲機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)優(yōu)秀科技成果獎(jiǎng)和山東省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。

攻關(guān)項(xiàng)目中所開發(fā)的J458型800 kg金屬型低壓鑄造機(jī)，在當(dāng)時(shí)是國(guó)內(nèi)最大的低壓鑄造機(jī)。其中包含了多項(xiàng)新技術(shù)，如比例伺服控制的液面加壓系統(tǒng)，多通道模溫控制系統(tǒng)和長(zhǎng)壽命輻射式熔池式大容量保溫爐等，并首次將氣動(dòng)比例技術(shù)應(yīng)用于低壓鑄造；采用工控機(jī)和PLC的D/A和A/D模塊轉(zhuǎn)換，通過兩者的數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)了低壓鑄造加壓過程的實(shí)時(shí)閉環(huán)反饋控制和工藝參數(shù)的計(jì)算機(jī)同步顯示，壓力控制精度為±0.000 3 MPa,達(dá)到了當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平。

圖3 J458型800 kg金屬型低壓鑄機(jī)（2000年）

在主機(jī)方面所開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)是： ①合型安全限位機(jī)構(gòu)；②氣缸驅(qū)動(dòng)式排氣裝置；③液壓系統(tǒng)中合型背壓控制閥；④保溫爐傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；⑤喉口非電熱保溫過渡管。

在模具工藝方面，采用當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)的CIMATRON軟件，成功地開發(fā)出CAD/CAM 模具設(shè)計(jì)和加工三維造型及數(shù)控加工轉(zhuǎn)換技術(shù)，配以日本進(jìn)口的立式、臥式加工中心、數(shù)控銑床及數(shù)控電火花加工設(shè)備，使得汽車輪轂?zāi)＞叱叽缇冗_(dá)到±0.1 mm,表面粗糙度在1.6 μm以上，選用日本SKD61材質(zhì)和優(yōu)化熱處理工藝，提高了模具制造質(zhì)量和使用壽命[24]（見圖3）。

總之，“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目完成后，不僅大幅度地提高了國(guó)內(nèi)低壓鑄造機(jī)的整體技術(shù)水平，而且基本扭轉(zhuǎn)了低壓鑄造機(jī)設(shè)備與工藝嚴(yán)重脫節(jié)的局面，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)汽車鋁合金輪轂鑄件的生產(chǎn)提供了高水平的低壓鑄造機(jī)。

回顧歷史，20世紀(jì)90年代是我國(guó)汽車摩托車工業(yè)突飛猛進(jìn)發(fā)展的十年，對(duì)低壓鑄造裝備來(lái)說(shuō)也是新技術(shù)層出不窮，不斷涌現(xiàn)的十年。

1998-1999年，濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所和日本本田金屬技研技術(shù)合作，研制開發(fā)了J455A型500kg汽車用鋁合金缸蓋低壓鑄造機(jī)，是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)缸蓋專用低壓鑄造機(jī)，該機(jī)具有三自由度取件機(jī)械手，可以完成伸縮、升降、旋轉(zhuǎn)三個(gè)動(dòng)作，結(jié)構(gòu)緊湊；同時(shí)具有14路模具水冷和6路氣冷通道，為鑄件實(shí)現(xiàn)順序凝固創(chuàng)造了有利條件，同時(shí)，使得模具溫度隨著澆注過程，呈規(guī)律性地變化，進(jìn)一步減少了生產(chǎn)節(jié)拍，以質(zhì)量為10 kg左右的缸蓋為例，5 min一件，生產(chǎn)率提高一倍，并且由于模溫較低，通過激冷作用，使得鑄件的內(nèi)在質(zhì)量顯著提高。該機(jī)首次采用大屏幕彩色觸摸屏工控機(jī)+觸摸屏人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了液面加壓過程和模具水冷氣冷及機(jī)器動(dòng)作程序三者同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且同時(shí)實(shí)時(shí)顯示六點(diǎn)模具溫度連續(xù)變化曲線，同時(shí)具有上下限報(bào)警功能，為穩(wěn)定工藝參數(shù)和確保鑄件質(zhì)量提供便利。每一鑄件的工藝參數(shù)均具有可追溯性，需要查看時(shí)，可以方便地調(diào)出或打印。該機(jī)保溫爐為輻射式熔池保溫爐，采用美國(guó)聯(lián)礦鋁合金專用澆注料和日本進(jìn)口硅碳棒，提高了其可靠性，保溫爐爐門側(cè)面加鋁采用氣缸驅(qū)動(dòng)式連桿機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)每澆注1～2個(gè)鑄件時(shí)，操作者通過腳踏開關(guān)使?fàn)t門自動(dòng)打開，用澆勺添加與在制鑄件總質(zhì)量相同的鋁液，從而維持保溫爐內(nèi)鋁液液位的基本恒定，確保工藝參數(shù)始終保持不變。另外該機(jī)采用了多種安全措施，如雙安全棒機(jī)構(gòu)，確保下芯時(shí)安全；在操作側(cè)設(shè)有光電開關(guān)保護(hù)；開型安全限位機(jī)構(gòu)等，該機(jī)首臺(tái)用戶是廣東肇慶本田金屬有限公司，用來(lái)為廣州本田雅閣轎車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金缸蓋的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)行配套，取得了可喜的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

從此開始，到21世紀(jì)初，濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所先后為該公司提供了14臺(tái)這種缸蓋低壓鑄造機(jī)。與此同時(shí)，還分別為廣東肇慶動(dòng)力技研有限公司和重慶秦安鑄造有限公司提供4臺(tái)和6臺(tái)缸蓋低壓鑄造機(jī)[25]（見圖4）。

濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所從1982年開始，到21世紀(jì)初，在20多年的時(shí)間里開發(fā)研制了多種類型的低壓鑄造裝備，為低壓鑄造裝備的系列化和通用化做出了顯著的貢獻(xiàn)，并且為中國(guó)汽車制造業(yè)提供了鋁合金輪轂和鋁合金缸蓋專用低壓鑄造機(jī)，使得汽車零部件輕量化技術(shù)在其鑄造領(lǐng)域得到了進(jìn)一步發(fā)展。代表了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

圖4 J455A型500kg汽車用鋁合金缸蓋低壓鑄造機(jī)（1999年）

縱然如此，在當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)高水平的低壓鑄造裝備的應(yīng)用和批量生產(chǎn)仍是制約其發(fā)展的瓶頸。故此，在21世紀(jì)的前10年，濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所開始致力于低壓鑄造裝備技術(shù)的普及和應(yīng)用。

2000-2001年濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所率先研制成功JZ456型650 kg大型雙升液管金屬型專用低壓鑄造機(jī),其機(jī)器臺(tái)面尺寸與1 000 kg的低壓鑄造機(jī)相當(dāng)，該機(jī)用于生產(chǎn)中國(guó)三峽水電站輸變電項(xiàng)目中的一系列高難度大型鑄件，其中標(biāo)志性鑄件就是法蘭和三通或四通罐體，前者鑄件法蘭面有嚴(yán)格的密封要求，另一端管部坡口需要與罐體焊接，鑄造難度非常大，往往顧此失彼。這在國(guó)外也沒有采用低壓鑄造工藝的公開報(bào)道，通過與沈陽(yáng)高壓開關(guān)有限公司全力合作，巧妙地用“雙升液管+縫隙式內(nèi)澆口”這一兼?zhèn)涞蛪鸿T造和重力鑄造工藝的特點(diǎn)，成功地澆出了合格鑄件，經(jīng)X-射線探傷和氣密性檢測(cè)以及耐壓試驗(yàn)，完全達(dá)到瑞士ABB公司的性能要求，并將原有的金屬型重力鑄造工藝改為低壓鑄造工藝，大大提高了生產(chǎn)率和勞動(dòng)效率，并且鑄件的表面粗糙度和力學(xué)性能也顯著提高。為三峽工程輸變電設(shè)備中組合電器關(guān)鍵零部件的國(guó)產(chǎn)化做出了貢獻(xiàn)。

這一先進(jìn)的低壓鑄造裝備還使得三通或四通罐體鑄件可以采用“金屬型外殼+樹脂砂芯”半金屬型半砂型方式生產(chǎn)，并且可以根據(jù)鑄件情況選擇中心單升液管或兩側(cè)雙升液管澆注，該機(jī)至今仍在繼續(xù)生產(chǎn)，在完善模具工藝基礎(chǔ)上，沈陽(yáng)高壓開關(guān)有限公司被列為國(guó)家“863”計(jì)劃的生產(chǎn)基地[26]（見圖5）。

圖5 JZ456型650 kg大型雙升液管金屬型低壓鑄造機(jī)（2001年）

此后，濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所為該公司提供了20多臺(tái)J454型400 kg低壓鑄造機(jī)和1 400 kg砂型低壓鑄造機(jī)及J33系列可傾式金屬型鑄造機(jī)。并且廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)其他高壓開關(guān)企業(yè)，如西安高壓開關(guān)有限公司、泰安高壓開關(guān)有限公司、南陽(yáng)匯森精密儀器有限公司、杭州集思鋁制品有限公司、濰坊富通電氣有限公司、陜西國(guó)德電氣有限公司、寧夏維爾高壓電氣有限公司等，為這些企業(yè)相繼提供了J458型800 kg、J454型400 kg、J452型金屬型低壓鑄造機(jī)和800 kg砂型低壓鑄造機(jī)、800 kg金屬型砂型兩用低壓鑄造機(jī)及J33系列和J34系列可傾式金屬型鑄造機(jī)，共計(jì)20余臺(tái)[27]。

計(jì)算機(jī)液面加壓控制系統(tǒng)是低壓鑄造裝備技術(shù)的核心，從2003年起，濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所研發(fā)的這一先進(jìn)的液面加壓控制系統(tǒng)開始廣泛地應(yīng)用于中國(guó)航空航天工業(yè)中鋁合金低壓鑄造。

2004年濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所率先研發(fā)的“150 kg坩堝密封保溫爐+300 kg輻射式熔池保溫爐”雙工位砂型低壓鑄造機(jī)，不僅滿足了用戶多品種小批生產(chǎn)，也可適應(yīng)用于單件大批生產(chǎn)，同時(shí)節(jié)省了設(shè)備投資（見圖6）。

2005年濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所率先研發(fā)的400 kg雙工位砂型低壓鑄造機(jī)，分別采用輻射式熔池保溫爐，保溫爐固定并可傾轉(zhuǎn)，砂箱平臺(tái)為龍門式結(jié)構(gòu)，變頻調(diào)速，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下穿梭于2個(gè)保溫爐之間，通過液壓驅(qū)動(dòng)的雙油缸實(shí)現(xiàn)砂箱平臺(tái)的平穩(wěn)升降，使得砂箱底部澆口與升液管端部的密封與脫離。該機(jī)可以滿足鋁硅合金和鋁銅合金在不同工位上交替生產(chǎn)，保溫爐中的剩余鋁液可以方便的倒出，改善了操作者的勞動(dòng)環(huán)境（見圖7）[28]。

圖6 150 kg坩堝密封+300 kg爐體密封雙工位砂型低壓鑄造機(jī)（2004年）

圖7 400kg雙工位爐體密封砂型低壓鑄造機(jī)（2005年）

2007年濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所率先研發(fā)成功了“150 kg+300 kg+400 kg”三工位坩堝密封的吊掛式砂型低壓鑄造機(jī)，其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是三工位共用一套微機(jī)液面加壓系統(tǒng)，澆注時(shí)，通過氣路邏輯控制完成自動(dòng)切換。即可生產(chǎn)鋁硅合金和鋁銅合金鑄件，也可進(jìn)行鎂合金鑄件的生產(chǎn)（見圖8）。

圖8 150kg+300kg+400kg三工位坩堝密封砂型低壓鑄造機(jī)（2007年）

2008年濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所率先研發(fā)了JS452C型和JSZ300型鋁合金專用金屬型/砂型多功能鑄造機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)金屬型低壓鑄造和砂型低壓鑄造及金屬型重力鑄造；保溫爐具有熔化功能，采用坩堝密封，適合多品種多種合金多種工藝的試驗(yàn)研究和中小批量生產(chǎn)。

眾所周知，在摩托車工業(yè)中，關(guān)鍵零部件是鋁合金整體輪轂和汽缸頭及汽缸體。以輪轂為例，采用低壓鑄造技術(shù)是其主要方法，適宜于車輪壁厚不均的鑄造工藝。低壓鑄造的“緩慢充型”和“順序凝固”比壓鑄優(yōu)越，并且不易產(chǎn)生氣孔、補(bǔ)縮不足；低壓鑄造的“低壓充型”和“增壓結(jié)晶”又比金屬型鑄造充型、補(bǔ)縮更好、金屬利用率更高（利用率一般大于80%），力學(xué)性能更高（比金屬型提高10%～20%），低壓鑄造的優(yōu)勢(shì)還在于金屬液密閉于保溫爐內(nèi)不易氧化，升液管插在金屬液中的底部，澆注時(shí)避免了二次氧化夾渣，所以鋁液純凈，有利于提高鑄件質(zhì)量。同時(shí)澆注過程和整個(gè)機(jī)器動(dòng)作實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，使得工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作環(huán)境大為改善。

但是，盡管如此，在中國(guó)摩托車工業(yè)飛速發(fā)展的20世紀(jì)90年代，鋁合金整體輪轂低壓鑄造技術(shù)并沒有大量推廣，產(chǎn)量占有率不高，僅為25%～30%左右。其原因主要是低壓鑄造裝備的可靠性和成套性差以及鑄造工藝成熟度不夠，造成了產(chǎn)品的合格率低，無(wú)法連續(xù)正常生產(chǎn)。從而制約了低壓鑄造技術(shù)在摩托車鋁合金整體輪轂生產(chǎn)上的應(yīng)用和推廣[29]。

為此，濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所雖然先后研發(fā)了J453F型300 kg懸臂式輪轂低壓鑄造機(jī)和J454B型400 kg四立柱式新型低壓鑄造機(jī)，但其局面并沒有得到徹底改變。

2007年濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所率先研發(fā)了J456型650 kg雙合型雙升液管低壓鑄造機(jī)，該機(jī)具有8個(gè)靜模抽芯和2個(gè)取件裝置；使得兩個(gè)模具各自獨(dú)立，鋁液充型時(shí)型腔背壓互不干擾；合型動(dòng)作無(wú)須同步，聯(lián)鎖到位后只需同步澆注即可。既降低了設(shè)備精度要求，又提高了生產(chǎn)率，并且減少了設(shè)備投資和機(jī)器的占地面積（見圖9）。

汽車鋁合金缸體的鑄造方法主要有金屬型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造、消失模鑄造和Cosworth法（即冷芯盒砂芯組芯造型）等。在產(chǎn)品向精密化、節(jié)能化和綠色化制造的發(fā)展趨勢(shì)中，毫無(wú)疑問，壓鑄是轎車用鋁合金缸體最廣泛、最普遍采用的方法，但是，它只能生產(chǎn)開艙結(jié)構(gòu)缸體，鑄件壁厚處易產(chǎn)生縮孔，易產(chǎn)生皮下氣孔，設(shè)備投資大[30]。

2008年濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所率先研發(fā)了J457型700 kg鋁合金缸體專用低壓鑄造機(jī)，用于生產(chǎn)帶有砂芯的缸體鋁鑄件，即可以獲得閉艙結(jié)構(gòu)的缸體。另外，與壓鑄相比，設(shè)備和模具投資大為減少，可以滿足多品種小批量生產(chǎn)需要。

2008年重慶泰迪鑄造機(jī)械制造有限公司開發(fā)研制了900 kg大型三升液管低壓鑄造機(jī)，動(dòng)模板行程為1 250 mm,動(dòng)模板尺寸1 800×1 800（mm）,立柱內(nèi)間距為1 500×1 500（mm）,最小模具厚度750 mm，動(dòng)模開型力300 kN。主要特點(diǎn)是該機(jī)不僅可以采用三升液管生產(chǎn)大型鑄件，也可以采用單升液管或雙升液管生產(chǎn)中小型鑄件，既提高了低壓鑄造機(jī)的適用性，也使得大而長(zhǎng)的復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件采用金屬型低壓鑄造成為可能[31]。

圖9 J456型650kg雙合型雙升液管低壓鑄造機(jī) （2007年）

2009年濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所和重慶東熱有限公司合作，率先研發(fā)了J4515型1 500 kg雙工位浸入式加熱雙室爐低壓鑄造機(jī)。該機(jī)是生產(chǎn)鋁合金缸蓋的專用低壓鑄造機(jī)，其創(chuàng)新點(diǎn)是：①共用一個(gè)1 500 kg保溫室，兩套液面加壓系統(tǒng)和兩個(gè)400 kg加壓室分別對(duì)應(yīng)兩臺(tái)低壓鑄造主機(jī)；②所有加熱元件均為浸入式加熱，熱效率高；③沒有傳統(tǒng)意義上的升液管，按照帕斯卡原理，通過控制加壓室的液位，不僅實(shí)現(xiàn)了鋁合金液的液面（喉口）懸浮，而且取消了升液過程，也就減少了加壓時(shí)間，從而提高了生產(chǎn)率；④在工作中保溫室可以正常進(jìn)行二次除氣、精煉，從而減少了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，提高了低壓鑄造機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率（見圖10）。

為了提高上述雙室爐低壓鑄造機(jī)的靈活性，濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所和重慶東熱有限公司再度合作，率先研發(fā)了J458型800 kg單工位浸入式加熱雙室爐低壓鑄造機(jī)，并應(yīng)用于重慶秦安鑄造有限公司，用來(lái)生產(chǎn)長(zhǎng)安福特轎車的鋁合金缸蓋鑄件(見圖10)。

圖10 J4515型1500kg雙工位浸入式加熱雙室爐低壓鑄造機(jī)（2009年）

2010年新興重工湖北三六一一機(jī)械有限公司研發(fā)成功了J458型雙升液管液面（喉口）懸浮式低壓鑄造機(jī)，該機(jī)主要由四柱式主機(jī)、輻射式熔池保溫爐、保溫爐傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、取件機(jī)械手，PLC電氣控制系統(tǒng)、微機(jī)液面加壓系統(tǒng)、模溫控制系統(tǒng)、裝卸模具小車及壓縮空氣處理裝置等組成。主要特點(diǎn)是：①鋁液在升液管中按設(shè)定的升液速率自動(dòng)上升到所需的高度，隨著熔池內(nèi)鋁液下降和氣體泄漏，系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償壓力，維持液面處于一個(gè)固定的液位，當(dāng)澆注結(jié)束后升液管內(nèi)的液位又能自動(dòng)恢復(fù)到澆注前的高度，實(shí)現(xiàn)液面（喉口）懸浮，其重復(fù)再現(xiàn)誤差≤0.15%;②液面（喉口）懸浮低壓鑄造避免了鋁液在升液管中反復(fù)升降和鋁液在熔池中反復(fù)攪拌作用，減少了氧化夾渣的產(chǎn)生和鋁液中夾渣進(jìn)入模具型腔；③該機(jī)開發(fā)完成后用于生產(chǎn)珀金斯T3717P072和T3717P097油底殼鋁鑄件，該鑄件是典型的大面積薄壁鑄件，外形尺寸800×330×150（mm）,平均壁厚4 mm,氣密性試驗(yàn)200 kPa以上[32]。

2012年華中科技大學(xué)開發(fā)研制了連續(xù)式低壓鑄造設(shè)備，實(shí)質(zhì)上是保溫室為輻射式加熱的三室爐低壓鑄造機(jī)，其主要特點(diǎn)是：①每個(gè)鑄造周期內(nèi)充填型腔的液面高度都控制在恒定高度，因此每次充型壓力恒定，無(wú)需壓力補(bǔ)償，減少了液面加壓系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高了可靠性，從而有效地提高了鑄件質(zhì)量；②可在澆注時(shí)，對(duì)保溫室中的鋁液進(jìn)行精煉與扒渣處理，減少二次氧化及夾渣；③該機(jī)采用日本三菱PLC中的D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出給電氣比例閥，以控制爐內(nèi)壓力，同時(shí)由D/A模塊將爐內(nèi)的氣壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量給PLC中的CPU，進(jìn)行反饋控制；④人機(jī)界面采用日本HITECH公司的PWS1711-STN型觸摸屏，對(duì)低壓鑄造機(jī)實(shí)現(xiàn)集中管理，傳送操控命令給被控對(duì)象，即設(shè)定工藝參數(shù)[33-34]。

液面加壓系統(tǒng)是低壓鑄造裝備技術(shù)的重要組成部分，是獲得高質(zhì)量鑄件的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在20世紀(jì)90年代具有代表性的通用產(chǎn)品是：①濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所研發(fā)的“模擬顯示+電動(dòng)執(zhí)行器”式低壓鑄造伺服加壓控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)閉環(huán)反饋控制，抗干擾能力強(qiáng)；②沈陽(yáng)工業(yè)學(xué)院董秀琦教授率領(lǐng)的課題組研發(fā)的CLP系列低壓鑄造伺服加壓控制系統(tǒng)的市場(chǎng)占有率高，可靠性也高，尤其是CLP-5型系統(tǒng)是在CLP-3型系統(tǒng)改進(jìn)的，既保留了原有系統(tǒng)的一系列優(yōu)點(diǎn)，有實(shí)現(xiàn)了液面（喉口）懸浮，可靠性高[35]；③沈陽(yáng)鑄造研究所研發(fā)的803型液面加壓控制系統(tǒng)是利用直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)大流量減壓閥的開啟度來(lái)適應(yīng)保溫爐內(nèi)所需壓力的變化，同樣具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便的特點(diǎn)[36]。（未完待續(xù)）

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（未完待續(xù)）

Development and prospect of low-pressure casting equipment technology in china

KANG JingLe1, DING SuPei1, SUN JianFei2, BI WeiSheng2, ZHANG Hu3, HAO QiTang4, ZHANG XuXia5, Li JianPing6
（1.Jinan Foundry & Metalforming Machinery Institute Co.,Ltd.,Jinan 250306,Shandong,China；2.Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,Heilongjiang,China；3.Beihang University;Beijing 100191,China；4.Northwestern Polytechnical University,Xian 710072,Shaanxi,China；5.Zhejiang Wanfeng Technology Development Co., Ltd.,Shaoxing 312500 ,Zhejiang,China；6.Tianshui Huarong Foundry Machinery Co., Ltd.,Tianshui 741000,Gansu,China）

The article narrates New China’s development and present situation of low-pressure casting equipment technology comprehensively and objectively. The article also discusses the prospect of some related new technologies, which contains industrial robots, the electromagnetic pump casting technology, artificial intelligence, and the comprehensive application of Internet technology. These technologies will be the main parts of “made in China 2025” – the strategy of China’s low-pressure casting industry.

low pressure casting;liquid level pressurization;holding furnace;counter-pressure casting; magnesium alloy casting; lost foam casting;industrial robots

TG249.2；

A；

1 006-9658（201 6）04-0001-11

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.001

2016-04-11

稿件編號(hào):1604-1330

康敬樂（1960—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事鋁合金鑄造裝備技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用的工作.