壓鑄模型芯針冷卻控制裝置的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

趙蕓蕓,董軍剛,萬(wàn) 里

(1武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430073;2華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074)

壓力鑄造成形是一種先進(jìn)高效的制造成形技術(shù),在汽車(chē)、通訊、家電等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用.近年來(lái),隨著全球?qū)?jié)能減排、產(chǎn)品輕量化技術(shù)的大力開(kāi)發(fā)和重視,壓鑄件結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,尺寸越來(lái)越大,精度越來(lái)越高.因此大型復(fù)雜精密壓鑄件的生產(chǎn)技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)壓鑄企業(yè)的一個(gè)新挑戰(zhàn).

壓鑄生產(chǎn)中,模具溫度對(duì)鑄件質(zhì)量有很大影響,是必須要控制的重要參數(shù)之一.壓鑄模的模溫控制通常采取水冷方式[1].雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)壓鑄模具冷卻有較多的探討[2-4],但對(duì)于大型復(fù)雜壓鑄模中細(xì)小芯針的冷卻方法卻缺乏研究.因此,筆者開(kāi)發(fā)了一種基于高壓循環(huán)水冷卻+風(fēng)冷的壓鑄模型芯針冷卻控制裝置,并對(duì)此應(yīng)用效果進(jìn)行了測(cè)試.

1 壓鑄模型芯針冷卻控制系統(tǒng)的工作原理

壓鑄模型芯針冷卻控制裝置的工作原理如圖1所示.該控制裝置包括制冷系統(tǒng)、高壓循環(huán)水冷卻系統(tǒng)和吹氣冷卻系統(tǒng).主要工作過(guò)程如下.

1)制冷原理.壓縮機(jī)9、冷凝器10、制冷劑儲(chǔ)液器11、壓力調(diào)節(jié)器12、干燥過(guò)濾器13、蒸發(fā)器14等部件構(gòu)成一個(gè)完整的制冷循環(huán)通路.當(dāng)水箱中的冷卻水溫度超過(guò)設(shè)定溫度時(shí),制冷通道中的制冷劑R22經(jīng)由壓縮機(jī)9形成高溫高壓氣態(tài)狀,流經(jīng)設(shè)置在裝置頂端的冷凝器10進(jìn)行冷卻(由強(qiáng)制流動(dòng)的空氣冷卻)后,形成常溫高壓液態(tài)狀.冷凝后的制冷劑液體通過(guò)干燥過(guò)濾器13,除去混入系統(tǒng)中的水分與雜質(zhì),再由膨脹閥或毛細(xì)管(壓力調(diào)節(jié)器12)形成低壓低溫氣態(tài)制冷劑.這種低壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)入設(shè)置在水箱1中的蒸發(fā)器14后即開(kāi)始進(jìn)行吸熱工作(即制冷),從而將水箱中的高溫水冷卻至預(yù)定溫度.制冷劑蒸發(fā)吸熱后又由壓縮機(jī)吸入,再開(kāi)始下一個(gè)制冷循環(huán).當(dāng)水箱中冷卻水的溫度達(dá)到合適的設(shè)定溫度時(shí),制冷系統(tǒng)自動(dòng)停止.

2)循環(huán)水冷卻原理.在正常壓鑄生產(chǎn)中,由于高溫鋁液和模具不斷的熱交換,模具溫度會(huì)不斷升高,模具上型芯針部位的溫度非常高,因此要對(duì)型芯針部位進(jìn)行冷卻.水箱1、高壓輸送泵2、單向閥3、出水電磁閥4、節(jié)流閥5、截止閥6及8、壓鑄模7、進(jìn)出水管道27及26組成一個(gè)完整的循環(huán)水冷卻通路.冷卻水流經(jīng)型芯針內(nèi)部通道時(shí)與型芯針進(jìn)行連續(xù)熱交換,從而使型芯針部位的溫度降低.

3)吹氣冷卻原理.由于型芯針內(nèi)的冷卻管道直徑僅有1～2 mm,且模具溫度在100℃以上,冷卻水在里面極易氣化形成氣阻,導(dǎo)致冷卻水很難進(jìn)入管道內(nèi),從而極大影響冷卻效果,所以采用吹氣方法將殘留的水蒸氣吹出,以保證冷卻管道的暢通.空氣壓縮機(jī)18、截止閥 19及6、氣動(dòng)三聯(lián)件 20、電磁閥21、單向閥22、進(jìn)出水管道27及26、水箱1構(gòu)成一個(gè)完整的吹氣冷卻通道.

圖1 型芯針冷卻控制裝置工作原理圖

2 壓鑄模型芯針冷卻控制裝置的設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的壓鑄模型芯針冷卻控制裝置包括電氣控制系統(tǒng)、制冷控制系統(tǒng)、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)和吹氣冷卻系統(tǒng).工作方式設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)模式.圖2為自動(dòng)模式的順序流程圖.

圖2 自動(dòng)模式工作流程

3 壓鑄模型芯針冷卻裝置的效果評(píng)價(jià)

3.1 試驗(yàn)基本參數(shù)

圖3為某轎車(chē)底盤(pán)后副車(chē)架三維實(shí)體圖,外形尺寸1078 mm×367 mm×156 mm,鑄件重量6.5 kg.該件為汽車(chē)底盤(pán)中的重要保安零件,內(nèi)部質(zhì)量及力學(xué)性能要求高,其本體抗拉強(qiáng)度≥240 MPa,屈服強(qiáng)度≥145 MPa,伸長(zhǎng)率≥6%.

3.2 試驗(yàn)所用模具裝置

后副車(chē)架細(xì)小針孔分布見(jiàn)圖3,定模上型芯針的分布見(jiàn)圖4.型芯針內(nèi)部冷卻通道直徑1.8 mm.

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中,設(shè)置了三組試驗(yàn):第一組為不使用型芯針冷卻控制裝置;第二組為設(shè)置型芯針冷卻控制裝置處于手動(dòng)狀態(tài);第三組為設(shè)置型芯針冷卻控制裝置處于自動(dòng)狀態(tài).在這三組實(shí)驗(yàn)中,使用熱成像儀捕捉開(kāi)模后后副車(chē)架定模上芯針溫度分布情況,通過(guò)三組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比,來(lái)評(píng)價(jià)型芯針冷卻控制裝置的冷卻效果.圖5為不使用型芯針冷卻裝置時(shí)定模型針的溫度分布圖.圖6為使用手動(dòng)模式時(shí)的溫度分布圖.圖7為使用自動(dòng)模式時(shí)的溫度分布圖.

由圖5可以看出,在不使用型芯針冷卻裝置時(shí),型芯針及其周?chē)臏囟炔▌?dòng)范圍比較大,由圖中的溫度坐標(biāo)值可以看出,最低溫度為111.9℃,最高溫度為327.0℃,溫度波動(dòng)范圍為170℃～190℃.

由圖6可知,當(dāng)設(shè)為手動(dòng)模式時(shí),型芯針及其周邊的溫度下降很明顯,最低溫度為77.2℃,最高溫度為181.5℃.溫度波動(dòng)范圍為65℃～90℃.

由圖7可知,當(dāng)設(shè)為自動(dòng)模式時(shí),型芯針及其周?chē)臏囟入m然也有所下降,但下降幅度沒(méi)有手動(dòng)模式明顯.模具最低溫度為 62.2℃,最高溫度為295.1℃,溫度波動(dòng)范圍為190℃～220℃.

圖8別顯示了在三種模式下位置1芯針的溫度分布對(duì)比圖.位置 1在不冷卻時(shí)溫度為210℃～225℃,自動(dòng)冷卻時(shí)溫度為100℃～125℃,手動(dòng)冷卻為75℃～115℃.雖然自動(dòng)模式和手動(dòng)模式都能使芯針溫度降低,但降低幅度不一樣,這是由于手動(dòng)模式時(shí),每一個(gè)壓鑄周期中冷卻循環(huán)水始終處于運(yùn)行狀態(tài),而自動(dòng)模式時(shí)只是在壓鑄周期的開(kāi)合模期間運(yùn)行.顯然,芯針的溫度并不是越低越好.當(dāng)溫度過(guò)低時(shí),鑄件針孔及周邊部位易出現(xiàn)比較嚴(yán)重的冷隔缺陷.

X光檢測(cè)結(jié)果表明,當(dāng)沒(méi)有冷卻時(shí),型芯針底部及側(cè)壁和右上角部位的圓孔孔壁等處有明顯的縮孔缺陷;而在手動(dòng)冷卻模式下,由于芯針溫度下降,上述兩處的縮孔情況有了明顯改善,但仍有輕微縮裂;在自動(dòng)冷卻模式下,縮孔則完全消除.

4 結(jié)束語(yǔ)

在大型復(fù)雜壓鑄件的技術(shù)開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)中,模具溫度的控制是不能忽視的重要工藝參數(shù)之一.筆者開(kāi)發(fā)的基于高壓冷卻循環(huán)水的壓鑄模用型芯針冷卻控制裝置,對(duì)偏長(zhǎng)、直徑較小的型芯針有良好的冷卻效果,可有效降低鑄件型芯針底部的縮孔/縮松缺陷的產(chǎn)生,提高了鑄件內(nèi)部質(zhì)量.

[1]Henry Hu,Fang Chen,Xiang Chen.Effect of cooling water flow rates on local temperatures and heat transfer of casting dies[J].Journal of Materials Processing Technology,2004(148):57-67.

[2]Nguyen t,Wang L,Rohan P,etc.Recent innovative developments in die casting research[C]∥.Proceedings of 10 Asian Foundry Congress.Nagoya,Japan,2008:21-24.

[3]史宇翔.一種壓鑄模具冷卻裝置.實(shí)用新型專(zhuān)利[P].專(zhuān)利號(hào):200820235074,2008,12.

[4]張百在,萬(wàn) 里,董軍剛,等.一種壓鑄模型芯針的冷卻控制方法及裝置[P].中國(guó)專(zhuān)利,專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?2010101202430.