真空定量給湯機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)

李樹(shù)高

（廣東科達(dá)潔能股份有限公司，廣東佛山528313）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)在半固態(tài)金屬成形技術(shù)研究領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)展，但在工業(yè)應(yīng)用方面仍需要更進(jìn)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(guò)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(jī)一般采用開(kāi)口式湯勺，會(huì)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(wú)法有效解決問(wèn)題，容易造成浪費(fèi)，增加產(chǎn)品成本。

廣東科達(dá)潔能股份有限有限公司曾研發(fā)設(shè)計(jì)了一種閉式高潔凈取注漿機(jī)[9-10]，但由于該樣機(jī)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(jī)未能達(dá)到設(shè)定目標(biāo)。為了更進(jìn)一步解決該問(wèn)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(jì)了一種真空定量給湯機(jī)[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(dāng)開(kāi)始工作時(shí)，真空湯罐部件的密封活塞打開(kāi)，升降部件將真空湯罐部件往爐內(nèi)移動(dòng)，下降到一定位置后，真空發(fā)生器開(kāi)始對(duì)湯罐進(jìn)行抽真空，此時(shí)真空湯罐部件速度降為低速并繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)湯罐的下端浸入金屬液液面時(shí)，湯罐內(nèi)部開(kāi)始建立壓力，當(dāng)湯罐下端伸入金屬液一定深度時(shí)，通過(guò)與湯罐內(nèi)部連通的壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的壓力P1，系統(tǒng)判定已經(jīng)浸入液面達(dá)到取漿位，湯罐停止下探。真空發(fā)生器（或真空泵）停止對(duì)湯罐抽真空，打開(kāi)電磁閥，對(duì)湯罐進(jìn)行卸壓，將汲取的金屬液進(jìn)行部分排除，對(duì)稱重傳感器的數(shù)值進(jìn)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(duì)湯罐進(jìn)行抽真空，此時(shí)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(dāng)稱重傳感器（輸出）讀數(shù)達(dá)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(shí)用氣缸推動(dòng)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(jī)械臂將湯罐及金屬液輸送到喂液點(diǎn)。喂液時(shí)，用氣缸將湯罐的密封活塞打開(kāi)，并且打開(kāi)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(jī)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(dá)到控制金屬液釋放速度的目的。

圖1 真空定量給湯機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 氣動(dòng)回路結(jié)構(gòu)圖

2 新原理方案簡(jiǎn)單驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)前述原理，我們?cè)谠]式高潔凈取注漿機(jī)[10]的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)易的湯罐試驗(yàn)裝置來(lái)展開(kāi)系列研究試驗(yàn)。如圖3、圖4所示，我們?cè)跍薜南路椒胖昧艘慌_(tái)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(cè)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(dòng)情況。在試驗(yàn)時(shí)，對(duì)湯罐進(jìn)行抽真空，同時(shí)升降部件將閉式湯罐伸入水中，罐內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，在真空壓力傳感器的壓力檢測(cè)到位之后，停止下探，停止抽真空，稱重傳感器清零。真空氣動(dòng)系統(tǒng)繼續(xù)對(duì)閉式湯罐開(kāi)始抽真空汲水，當(dāng)抽水質(zhì)量達(dá)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(kāi)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(jìn)行比較。

根據(jù)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖5）來(lái)看，負(fù)壓檢測(cè)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(biāo)均達(dá)到方案設(shè)計(jì)要求。

3 樣機(jī)方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

圖3 原理驗(yàn)證裝置

圖4 原理驗(yàn)證裝置

圖5 抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)廣東科達(dá)潔能股份有限公司開(kāi)發(fā)的金屬內(nèi)腔擠壓成形設(shè)備項(xiàng)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(jī)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(jī)由XY軸機(jī)械臂、湯罐部件、氣動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等四部分組成。其中，XY軸機(jī)械臂用于將湯罐部件從熔爐移動(dòng)到澆口，湯罐部件實(shí)現(xiàn)鋁液的汲取、盛裝及保溫，氣動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)鋁液的定量控制及系統(tǒng)運(yùn)行。

XY軸機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(yàn)證試驗(yàn)得知，汲取10 kg鋁液需要的時(shí)間為8 s，放液時(shí)間為4 s，為此，XY機(jī)械臂的運(yùn)行周期為10 s，負(fù)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(jìn)行選型計(jì)算。另外，為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)，我們主要對(duì)橫梁的強(qiáng)度進(jìn)行了校核，當(dāng)負(fù)載分別在兩端時(shí)，經(jīng)過(guò)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(jì)算分析證明該變形并不影響整機(jī)的性能及精度。

圖6 整體方案設(shè)計(jì)圖

湯罐部件是整個(gè)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(kāi)、關(guān)動(dòng)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(guò)程中不產(chǎn)生較大的熱量損失。經(jīng)過(guò)多輪反復(fù)試驗(yàn)，最終我們采用一種耐高溫復(fù)合陶瓷材料經(jīng)過(guò)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(rùn)，具有耐高溫、耐熱沖擊好、保溫性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。

作為一款合格的真空定量給湯機(jī)來(lái)說(shuō)，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(jī)的給湯精度普遍在±（1.5%～2.0%）之間，經(jīng)過(guò)前期的試驗(yàn)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(yàn)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(jí)，綜合誤差為±0.02%FS，稱重傳感器自身誤差帶來(lái)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(lái)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(jì)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(jiǎn)易爐蓋

4 樣機(jī)應(yīng)用改進(jìn)

隨著真空定量給湯機(jī)樣機(jī)的研制完成，我們立即在廣東科達(dá)潔能股份有限有限公司研制的金屬內(nèi)腔擠壓成形機(jī)上投入使用。在使用過(guò)程中不斷持續(xù)改進(jìn)，并經(jīng)過(guò)總結(jié)使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的保溫爐進(jìn)行了改造，在作業(yè)時(shí)增加一個(gè)只留出取液口的簡(jiǎn)易爐蓋（圖12），可以降低散熱，減小熔爐能耗。經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)備的長(zhǎng)期測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)，采用該真空定量給湯機(jī)所取的鋁液中氧化鋁等雜質(zhì)大幅減少。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，真空定量給湯機(jī)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(guò)罐內(nèi)外壓差而進(jìn)入陶瓷湯罐，不卷入空氣，在鋁液輸送到澆口的過(guò)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(guò)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(jìn)一步提升，更可以縮小熔爐的敞開(kāi)面積，降低散熱，減小熔爐的能耗，這對(duì)于行業(yè)來(lái)說(shuō)非常具有推廣價(jià)值。