淺談機電一體化對精密鑄造澆筑過程控制的作用

尤偉華，范桂山

（保定立中東安輕合金部件制造有限公司，河北 保定 071000）

近年來，我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，不論是代步工具的不斷變換，還是重工業(yè)各機械設備的更新?lián)Q代，都離不開機械配件的鑄造，鑄造是獲得產(chǎn)品毛柸的主要方法之一，是機械工藝最重要的基礎工藝。為進一步了解我國鑄造業(yè)的發(fā)展前景，剖析發(fā)展所存在的問題，探討加快發(fā)展的對策措施，促進機械工業(yè)的健康快速發(fā)展，本文對機電一體化在精密鑄造過程中控制的作用進行分析討論。

1 鑄造澆筑工藝的發(fā)展

鑄造工藝可以分為三個基本部分：即鑄造金屬準備、鑄型準備和鑄件準備。

（1）鑄造工藝的發(fā)展現(xiàn)狀。①鑄造技術創(chuàng)新能力薄弱。鑄造工藝沿用傳統(tǒng)澆筑模式，生產(chǎn)工程中手動操作比例較高；②先進鑄造工藝應用基礎需要突破：精密鑄造澆筑生產(chǎn)技術水平相對落后，鑄件質量低，材料能源消費高、經(jīng)濟效益差。③鑄造工藝難以實現(xiàn)生產(chǎn)的需求：鑄造澆筑原輔材料生產(chǎn)供應地社會化、專業(yè)化、商品化差距大，在種類、質量等方面不能滿足新工藝、新產(chǎn)業(yè)的需求。④節(jié)能減排是關鍵：人類對環(huán)境質量要求的提高，使得鑄造澆筑產(chǎn)業(yè)開始大力重視環(huán)境保護。在鑄造塵毒治理、污水凈化、廢渣利用等取得顯著效果。

（2）鑄造工藝的發(fā)展趨勢。①鑄造合金材料。在鑄造合金器件材料選擇上以強韌化、輕量化、精密化、高?；癁槟繕?，開展鑄造新材料，同時研制耐磨、耐蝕、耐熱等各種有色合金新材料；開發(fā)鑄造合金鋼新品種。②合金冶煉。開發(fā)新的合金孕育技術，推廣合金包芯技術，提高鑄造澆筑成功率，降低鑄件廢品率并提高鑄件綜合性能。

2 鑄造澆筑系統(tǒng)的設計原則、內(nèi)容及步驟

（1）鑄造澆筑系統(tǒng)的設計原則。①使液態(tài)合金平穩(wěn)充滿鑄型，不沖擊型壁和型芯，不產(chǎn)生渦流和噴濺，不卷入氣體，并利于型腔內(nèi)的空氣和其他氣體排出型外，防止金屬液過度氧化產(chǎn)生沙眼、冷豆、氣孔等鑄造缺陷。②阻擋/過濾夾雜物進入型腔，以免在鑄件上形成渣孔及夾雜。③調(diào)節(jié)鑄型及鑄件各部分溫差，控制鑄件的凝固順序，不阻礙鑄件的收縮，減少鑄件的變形和開裂傾向。④合金液流不應沖刷冷鐵和芯撐，防止冷鐵激冷效果的降低及表面熔化，避免芯撐過早軟化和融化造成鑄件壁厚變化。⑤液態(tài)合金以最短的距離，最合適的時間，充滿型腔，保證有足夠的壓力，且金屬液面在型腔內(nèi)有必要的上升速度，使鑄件按照設計順序凝固，以確保鑄件的質量。

（2）鑄造澆筑系統(tǒng)的設計內(nèi)容及步驟。①選擇澆筑系統(tǒng)的類型和結構。②合理的在鑄型中布置澆注系統(tǒng)及確定內(nèi)澆道的引入位置和個數(shù)。③計算澆筑時間和澆筑系統(tǒng)中的最小斷面積確定直澆道的高度。④按經(jīng)驗比例數(shù)據(jù)決定其他組元的斷面積。⑤大批量生產(chǎn)時需要經(jīng)過生產(chǎn)階段的反復驗證，如有不足之處，應調(diào)整各項設計內(nèi)容，甚至修改工藝方案,直到合理并保證質量為止。

3 鑄造澆筑工藝控制存在的缺陷

根據(jù)澆筑工藝的系統(tǒng)設計原則，澆筑過程要嚴格控制各方面的操作條件才能生產(chǎn)出高質量的機械元件。因此，傳統(tǒng)的澆筑過程人為因素的影響力較大，其次是工藝條件的人工控制。另一方面來講，依靠人力作業(yè)，成本較高，由于合金澆筑所需的溫度較高，人工操作極易發(fā)生安全事故，安全性相對較低，且效率低下；更有一部分技術工人考慮到工藝過程的安全性問題令擇他業(yè)，技術工人流失嚴重，使得人工鑄造澆筑工藝更加不成熟。

隨著國內(nèi)鑄造技術裝備的不斷發(fā)展，我國鑄造借鑒國外經(jīng)驗，將新興的機電一體化工業(yè)與傳統(tǒng)的鑄造工藝結合，因此自動造型機等鑄造裝備將被逐步推廣，取代人工完成相應的工作，機電一體化的作用逐漸被提上日程。

4 機電一體化的應用

隨著科學技術的迅猛發(fā)展，機電一體化應用于各個領域。集中在機械加工方面自動化，逐漸被應用于加工設備的生產(chǎn)單元中。

（1）機電一體化概述。機電一體化是在以機械、電子技術和計算機學科為主的多門學科相互滲透、相互結合過程中逐漸形成和發(fā)展起來的一門新興邊緣技術學科，是技術人員將電子技術與機械制造技術結合起來，開發(fā)出的一種具有智能化應用特點的科技，機電一體化技術屬于具有綜合性特點的現(xiàn)代科技。在熱加工方面，機電一體化設備主要用于自動化加熱的控制，自動保溫及控溫，在電子信息方面，機械的自動化逐漸朝著高智能化發(fā)展，并且擴展到其他諸多領域。

（2）機電一體化的優(yōu)勢。①系統(tǒng)控制作用，安全性可靠性提高，一體化產(chǎn)品一般都有自動監(jiān)視器、報警、自動斷電、自動保護等功能，在工作過程中遇到過載、過壓、過流、短路等電力故障時，能采取自動保護措施，顯著提高設備的安全性和可靠性。②使用性能改善，機電一體化普遍采用程序控制和數(shù)字顯示，系統(tǒng)可重復實現(xiàn)全部動作，操作性能大大提高。③生產(chǎn)能力和工作質量提高。機電一體化產(chǎn)品都具有信息自動處理和自動控制功能，可精確的保證機械的執(zhí)行機構，保證最佳的工作質量和產(chǎn)品合格率。④調(diào)整和維護方便。機電一體化產(chǎn)品在安裝調(diào)試時，可通過改變控制程序來實現(xiàn)工作方式的改變。

（3）機電一體化在智能制造中的作用。①生產(chǎn)流程控制。這一技術主要是利用電子技術中所存在的人機界面控制裝置、光電控制系統(tǒng)對整個生產(chǎn)流程進行控制，這樣才能確?？刂频娜嫘?、系統(tǒng)性，最大程度上提高生產(chǎn)線效率和質量。②智能制造。融合先進的生產(chǎn)技術和智能控制，將其應用到智能制造過程中，降低生產(chǎn)人員的失誤，減少人工成本。

5 機電一體化在精密鑄造澆筑技術的控制應用

鑄造技術被廣泛應用于我國的制造產(chǎn)業(yè)，我們以低壓抽真空鑄造技術和鋁鐵復合制動盤鑄造裝置為例，來分析機電一體化對精密鑄造控制的作用。

5.1 低壓抽真空鑄造技術

由于傳統(tǒng)的低壓鑄造工藝生產(chǎn)產(chǎn)品易出現(xiàn)氣孔、氧化夾渣、縮松等問題，低壓抽真空鑄造技術將低壓制造工藝與真空鑄造技術相結合可有效地降低鑄件氣孔、縮松報廢。真空鑄造是使用通風鑄模的工藝，使融化的金屬依靠空氣壓力流入鑄模，然后抽取空氣形成真空，這種鑄造方法主要用于具有精巧細節(jié)的小零件或珠寶。

（1）使用機電一體化技術下的新型工藝。鋁液充型階段模具型腔內(nèi)氣體更快速的排除，同時使鋁液保溫爐與模低壓抽真空鑄造是在低壓鑄造的基礎上，結合真空鑄造，可以使模具所處空間形成較大的壓力差，從而減少鑄件氣孔、氧化夾渣、縮松報廢。

（2）具體實施方案。整個過程分為充型、保壓、泄壓三個過程沖壓：電磁閥④打開，③空壓站③向①內(nèi)沖入干燥壓縮空氣，同時打開⑧電（⑦處于關閉狀態(tài)），⑥與⑨真空罐連通，其內(nèi)氣壓快速下降，完成抽真空。同時鋁液由①通過②升液管進入⑤模具型腔，開始充型。保壓：由于模具充型冷卻需要一定時間，所以要進行保壓處理，保證模型的精準度。待充型完畢后關閉⑧，打開⑩，此時真空泵工作將⑨真空罐再次抽真空。此階段④處于開啟狀態(tài)，保證①內(nèi)爐膛壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)，直至鑄件凝固完成。泄壓：裝置里的壓力泄盡，才能繼續(xù)下一步的鑄造技術。鑄造凝固完成后，④電磁閥1關閉，①保溫爐自行泄壓，⑦電磁閥2打開，⑥模具罩與大氣相通，其內(nèi)氣壓恢復至大氣壓力，②升液管中鋁液因重力作用回流至①保溫爐。待自然冷卻結束后即可開模取件。一個鑄造周期完成。

圖1 為低壓真空鑄造工藝圖

5.2 新結構鋁鐵復合制動盤

為降低整車油秏，提升車輛性能，車輛上越來越多的采用鋁鐵復合制動盤。當前汽車制動板多采用鑄鐵材質。以鑄鐵ht 250為代表鑄造工藝生產(chǎn)。由于受材質和優(yōu)異鑄造工藝的局限，鑄鐵制動器制動鼓重量較重，而且位于簧下，增大了汽車油耗，影響加速性能。且鑄鐵材質導熱系數(shù)低，在高速制動或連續(xù)制動中，短時間會產(chǎn)生大量的熱,從而引發(fā)制動盤熱衰退，影響剎車效果及使用壽命。

（1）使用機電一體化技術下的新型工藝。①新結構鋁鐵復合制動盤單個重量相比于鑄鐵制動盤最大減重25%，尾氣排放CO下降4.5%，HC下降2.5%，Nox下降8.8%；燃油率提升3.85%，加速性能提升8%，制動距離下降5%，底盤耐久性提升1.7倍，轉向性能提升6%。②鋁合金導熱系數(shù)達到121-151W/(m?k)，導熱能力是鑄鐵制動盤的2-3倍，可將剎車熱量及時散發(fā)，保證了制動系統(tǒng)的可靠性。

（2）鋁鐵復合剎車盤技術的實施。①首先用灰鑄鐵鑄造剎車盤摩擦環(huán)。②為保障灰鑄鐵摩擦環(huán)和鋁合金剎車鍋更好的結合，將橋接部位殘留的切削液、異物、毛刺去除。③將灰鑄鐵摩擦環(huán)放入400度以上的預熱爐，隨著緩慢的轉動后按順序下轉。④將預熱完成的灰鑄鐵摩擦環(huán)安放到模具中，進行鑄造生產(chǎn)。⑤剎車鍋部位由鋁合金鑄造完成，并與灰鑄鐵摩擦環(huán)的橋接部位相結）合。（鋁合金的熱膨脹系數(shù)為灰鑄鐵的約2倍，溫度變化約1.7倍，這樣由于兩種材質的收縮量差異，在結合部位產(chǎn)生強大的結合力。⑥鑄造完成后進入冷卻臺，冷卻完成后進入切削機，將澆冒口切掉。⑦通過X光檢測鋁合金和灰鑄鐵是否很好的結合。⑧為增加鋁合金強度，進行T5熱處理。⑨使用數(shù)控車床根據(jù)制動盤圖紙要求加工至成品。

6 結束語

綜上所述，機電一體化在精密鑄造澆注過程中控制使得整個鑄造的過程更加自化、智能化，精密化，技術化，同時在一定程度上提高了澆注合金的成功率和標準化，保證了生產(chǎn)經(jīng)濟效益，提高了產(chǎn)品質量，促進了我國工業(yè)水平的提高。