低壓鑄造設(shè)備液面壓力控制系統(tǒng)的研究

韓志勇 王宇

摘要：與傳統(tǒng)重力鑄造工藝相比，低壓鑄造工藝有著十分明顯的優(yōu)勢，可以制造出比傳統(tǒng)工藝質(zhì)量更好的鑄件?？梢圆捎脦в欣鋮s系統(tǒng)的模具，通過對(duì)模具溫度場的控制，可以實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固，并且鑄件直接從底部進(jìn)行澆注和補(bǔ)縮，基于此，本文主要對(duì)低壓鑄造設(shè)備液面壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞：低壓鑄造設(shè)備;液面壓力;控制系統(tǒng)

1、低壓鑄造工藝流程

低壓鑄造是通過較小的氣體壓力將金屬液填充到鑄造模具型腔內(nèi)的一種鑄造方法。低壓鑄造的示意圖如圖1。具體工藝過程主要分為6個(gè)階段：①升液;②充型;③增壓;④保壓;⑤卸壓;⑥冷卻。低壓鑄造整個(gè)工作流程可以用曲線表示，如圖2所示。

（1）升液工藝過程0～T0時(shí)間內(nèi)，惰性氣體通過進(jìn)氣管進(jìn)入融化金屬液，在氣體壓力的作用下將融化金屬液通過液管輸入到模具澆口。在融化金屬液上升的過程中，氣體壓力要保持均勻進(jìn)入金屬液，保證金屬液上升平穩(wěn)，避免金屬液產(chǎn)生飛濺和產(chǎn)生氣孔。金屬液升液時(shí)間為T0，產(chǎn)生的壓力達(dá)到P0。

（2）充型工藝過程T0～T1時(shí)間內(nèi)，融化的金屬液通過模具澆口進(jìn)入型腔內(nèi)，從型腔底部平穩(wěn)上升，直至充滿型腔。充填過程中，氣體的壓力保持恒定特別重要。若氣體壓力過大，導(dǎo)致金屬液流動(dòng)速度加快，造成鑄件產(chǎn)生夾渣現(xiàn)象。若氣體壓力過小，導(dǎo)致金屬液流動(dòng)速度變慢，造成鑄件難以成型。金屬液升液時(shí)間為T1-T0，產(chǎn)生的壓力達(dá)到P1。

（3）增壓工藝過程T1～T2時(shí)間內(nèi)，對(duì)鑄模內(nèi)的融化金屬液繼續(xù)加壓。增壓過程中，若壓力過大，能夠保證很好的補(bǔ)縮效果，得到更加致密的鑄件。但是，鑄件模具的金屬液容易沖出型腔，造成損失。若壓力過小，鑄件補(bǔ)縮效果較差，鑄件組織致密性降低，產(chǎn)生氣孔，縮松等現(xiàn)象。金屬液增壓時(shí)間為T2～T1，產(chǎn)生的壓力達(dá)到P2。

（4）保壓工藝過程T2～T3時(shí)間內(nèi)，鑄模內(nèi)的融化金屬液開始凝固，由液體變成固體。鑄件在凝固過程中，必然產(chǎn)生收縮，需要繼續(xù)保持一段時(shí)間壓力，完成金屬液的補(bǔ)充。若保壓時(shí)間太長，生產(chǎn)效率降低，還有可能造成鑄件粘在型腔下部。若保壓時(shí)間太短，由于重力的作用，型腔內(nèi)的鑄件在沒有完全凝固的狀態(tài)下就會(huì)下落，有可能導(dǎo)致鑄件脫落嚴(yán)重，造成浪費(fèi)。金屬液保壓時(shí)間為T3～T2，產(chǎn)生的壓力保持在P2。

（5）卸壓工藝過程T3～T4時(shí)間內(nèi)，鑄模內(nèi)的壓力從最大值突然降低到0，壓力降低速度很快。型腔的壓力降低時(shí)間為T4～T3，產(chǎn)生的壓力大約降低到0。

（6）冷卻工藝過程T4～T5時(shí)間內(nèi)，當(dāng)型腔卸壓完成后，鑄件開始冷卻。若冷卻時(shí)間太長，鑄件取模相對(duì)困難，有可能粘貼在型腔。若冷卻時(shí)間太短，鑄件容易發(fā)生變形、開裂、斷紋現(xiàn)象等。鑄件冷卻時(shí)間為T5～T4，型腔的壓力依然保持在0。

2、壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1控制方案

為了更好的控制金屬液面在上升、填充時(shí)的壓力，對(duì)以前的研究成果進(jìn)行了比較分析。通過研究發(fā)現(xiàn)，低壓鑄造控制的主要對(duì)象是控制好金屬液在保溫爐內(nèi)的壓力，要確保保溫爐內(nèi)壓力變化過程與設(shè)計(jì)參數(shù)一致，也就是要保證壓力追蹤誤差最小。

因此，壓力控制系統(tǒng)必須安裝壓力傳感器，主要用來在線監(jiān)測保溫爐內(nèi)壓力變化狀況，將壓力讀數(shù)值與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比。最后，將實(shí)驗(yàn)值與理論值的追蹤誤差輸入到壓力控制器中進(jìn)行調(diào)整，從而控制在線監(jiān)測的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，最終完成壓力的變化控制。

壓力控制系統(tǒng)選擇PLC，是因?yàn)镻LC編程相對(duì)簡單靈活、功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性好、維護(hù)方便、設(shè)計(jì)周期短等許多優(yōu)點(diǎn)。因此，根據(jù)低壓鑄造工藝設(shè)計(jì)的流程，金屬液面壓力控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。

總體方案中設(shè)定如下：①人機(jī)界面型號(hào)選擇普羅菲斯AGP3750-T1-D24;②模糊PID控制器型號(hào)選擇HR虹潤HR-LCD-XRD805;③比例放大器型號(hào)選擇力士樂VT5005;④比例閥型號(hào)選擇日本ITV1000-3000;⑤壓力傳感器型號(hào)選擇德國EBS250。

采用智能觸屏可以設(shè)置壓力相關(guān)參數(shù)，設(shè)定參數(shù)值通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)较挛粰C(jī)PLC中，PLC根據(jù)設(shè)置參數(shù)值中的填充、加壓、卸壓的速度及壓力傳感器反饋回來的信號(hào)，能夠快速計(jì)算出加壓速度，從而對(duì)壓力速度及壓力大小進(jìn)行跟蹤。閥門的關(guān)閉程度是根據(jù)PLC人機(jī)界面程序發(fā)出的指令決定的，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后傳輸給信號(hào)放大器模板，信號(hào)放大器輸出的信號(hào)電壓指令決定控制閥關(guān)閉程度，惰性壓縮空氣經(jīng)過控制閥門傳輸給保溫爐。

2.2模糊PID控制

模糊PID控制采用模糊邏輯算法、遵循模糊規(guī)則、具有反饋通道、通過計(jì)算機(jī)控制將PID控制的積分、比例、微分系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，以完成閉環(huán)控制系統(tǒng)的在線控制。模糊PID控制主要包括以下幾個(gè)部分：①參數(shù)模糊化;②參數(shù)解模糊;③模糊規(guī)則推理;④PID控制器。計(jì)算機(jī)通過設(shè)計(jì)者設(shè)定的輸入和在線檢測信號(hào)，計(jì)算出理論壓力與實(shí)際壓力的偏差，以及當(dāng)前的偏差變化情況。同時(shí)，通過“模糊規(guī)則”對(duì)模糊進(jìn)行推理。最后，采取模糊參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，輸出PID控制器的積分、比例、微分系數(shù)。通常情況下，被控制對(duì)象把模糊控制視為“黑箱”，而“黑箱”的控制過程往往遵循“模糊規(guī)則”，計(jì)算機(jī)就能夠“模糊規(guī)則”識(shí)別語言對(duì)“黑箱”進(jìn)行在線控制。

3、仿真及分析

低壓鑄造過程中壓力控制要保證勻速變化，常規(guī)的控制方法很難實(shí)現(xiàn)壓力良好的跟蹤。本文采用模糊的PID控制壓力變化，采用MATLAB軟件對(duì)壓力追蹤誤差進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如下所示：保溫爐面積A1=1.2m2，升液管面積A2=0.12m2，金屬液密度ρ=2.7×103kg/m3，充型速度v=0.8m/s，充型時(shí)間t=20s，量化因子k=1.1，模糊矩陣維數(shù)N=7×7。由壓力追蹤誤差仿真曲線可知，采取模糊PID控制，壓力追蹤適應(yīng)時(shí)間大約需要2.0s，壓力追蹤最大誤差大約為12Pa，而采取模糊PD控制，壓力追蹤適應(yīng)時(shí)間大約需要2.2s，壓力追蹤最大誤差大約為15Pa。因此，采取模糊PID控制系統(tǒng)控制低壓鑄造，壓力追蹤適應(yīng)時(shí)間較短，反應(yīng)較快，理論輸入與實(shí)際輸出的壓力偏差相對(duì)較小，能夠保證低壓鑄造過程中各個(gè)階段壓力的穩(wěn)定，避免了鑄件發(fā)生斷裂現(xiàn)象，保證鑄件質(zhì)量。

4、結(jié)語

本文研究了低壓鑄造液面壓力控制系統(tǒng)，對(duì)低壓鑄造幾個(gè)階段進(jìn)行了分析。采取模糊PID控制裝置對(duì)壓力追蹤誤差進(jìn)行控制，確定了壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。對(duì)低壓鑄造氣體量公式進(jìn)行了計(jì)算，采取MATLAB軟件對(duì)壓力追蹤效果進(jìn)行了仿真，并且與其它控制系統(tǒng)進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明，采取模糊PID控制低壓鑄造系統(tǒng)壓力變化，壓力變化所產(chǎn)生的誤差較小，適應(yīng)時(shí)間較短，為低壓鑄造液面壓力控制的研究提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊威.基于PLC的真空調(diào)壓鑄造智能控制系統(tǒng)研制[D].南昌：南昌航空大學(xué)，2014.

[2]許豪勁.連續(xù)式低壓鑄造技術(shù)的研究與開發(fā)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.