砂溫調(diào)節(jié)器在鑄造砂型3D 打印中的應(yīng)用

李培亮

（共享裝備股份有限公司，寧夏 銀川 750021）

為節(jié)省鑄造成本，鑄造用砂都是采用舊砂再生進(jìn)行循環(huán)利用。而舊砂再生后溫度較高需要通過(guò)砂溫調(diào)節(jié)器降低到一定溫度才能使用，3D 打印用砂對(duì)于溫度的控制又比較嚴(yán)格，砂溫的高度會(huì)直接影響樹(shù)脂及固化劑的反應(yīng)速度和發(fā)氣量，從而影響砂芯的質(zhì)量[1]。目前砂溫調(diào)節(jié)器主要存在精度低、誤差大以及容易堵塞的問(wèn)題。本文主要從硬件設(shè)置和程序控制兩個(gè)方面來(lái)解決這些問(wèn)題。

1 砂溫調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 砂溫調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)組成

圖1 所示為砂溫調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)示意圖，砂調(diào)主要由本體、砂調(diào)上下砂庫(kù)、冷卻系統(tǒng)、溫度檢測(cè)系統(tǒng)、插板閥等構(gòu)成。圖1 中，101 為插板閥，102 為進(jìn)水口，103 為出水口，104 為冷卻水管，105 為控制熱電偶，106 為對(duì)比熱電偶，107 與108 為檢修門(mén)，201 為下料位，202 為堆積砂。

圖1 砂調(diào)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 砂溫調(diào)節(jié)器的工作原理

砂調(diào)上砂庫(kù)用來(lái)緩存待冷卻的砂子，3D 打印用砂灼減量要求要小于0.2%，機(jī)械再生方式很難保證，一般通過(guò)熱法再生來(lái)循環(huán)利用砂子，經(jīng)過(guò)熱法再生冷卻后進(jìn)入砂調(diào)上砂庫(kù)的砂子溫度一般高于100 ℃[2]，需要通過(guò)砂調(diào)將溫度精確控制到3D 用砂所需求的溫度范圍。砂調(diào)內(nèi)部均勻布滿(mǎn)冷卻水管，下方為進(jìn)水口，上方為出水口，水管在砂調(diào)內(nèi)部間隙易在15 mm～20 mm，砂調(diào)中的砂子填充在水管的間隙中，間隙太小砂子容易堵塞，間隙太大降溫效果不明顯。水管下方有檢測(cè)砂溫的傳感器和放砂的插板閥，當(dāng)砂子降低到指定的溫度時(shí)，打開(kāi)插板閥放砂。

2 硬件的設(shè)置

2.1 砂庫(kù)料位計(jì)高度的確定

圖2 所示為砂庫(kù)料位計(jì)布局圖。砂調(diào)上砂庫(kù)須設(shè)置下料位，若砂庫(kù)下料位觸發(fā)，說(shuō)明砂調(diào)上砂庫(kù)中已經(jīng)沒(méi)有砂了，應(yīng)阻止砂調(diào)繼續(xù)放砂，否則砂調(diào)本體中的砂子放空后內(nèi)部的冷卻水管就會(huì)暴露在空氣中，空氣與水管壁接觸就會(huì)因預(yù)冷液化，導(dǎo)致冷卻水管壁結(jié)露，砂子再次覆蓋水管就會(huì)打濕結(jié)塊，堵塞砂調(diào)，局部堵塞后會(huì)影響砂調(diào)內(nèi)部砂子流動(dòng)效果和整體的降溫效果，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致熱電偶周?chē)白硬涣鲃?dòng)，熱電偶感應(yīng)假溫度而使熱砂未冷卻就從插板閥放下去，影響后端用砂設(shè)備的砂芯質(zhì)量。因砂子靜態(tài)時(shí)會(huì)有一個(gè)堆積角度[3]，若下料位高度設(shè)置不合理，則會(huì)出現(xiàn)下料位沒(méi)有觸發(fā)，但局部砂位已經(jīng)降低到冷卻水管暴露在空氣中的高度，因此下料位高度需要經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，可以參考公式（1）計(jì)算：

圖2 砂庫(kù)料位計(jì)布局圖

式中：h-料位計(jì)高度；w-砂庫(kù)的寬度；l-料位計(jì)的長(zhǎng)度；α-砂子的靜態(tài)堆積角度。

2.2 溫度傳感器的要求

本文以熱電偶為溫度傳感器來(lái)闡述使用要求：砂調(diào)本體中的砂子通過(guò)與冷卻水管進(jìn)行熱交換達(dá)到降溫的效果，而熱電偶主要用來(lái)檢測(cè)砂調(diào)中的砂子實(shí)際砂溫，當(dāng)砂溫降低到要求的溫度時(shí)，打開(kāi)插板閥放砂，要對(duì)砂溫進(jìn)行精確控制，則對(duì)熱電偶的位置及熱電偶的數(shù)量又有如下的要求。

2.2.1 熱電偶位置

熱電偶設(shè)置在最底層的冷卻水管下端，距離與冷卻水管之間的間隙保持一致。若熱電偶距離冷卻水管太近，水管壁的溫度會(huì)影響熱電偶檢測(cè)的砂溫精度。若熱電偶距離冷卻水管太遠(yuǎn)，冷卻水管不能有效冷卻熱電偶周?chē)纳白樱ɡ鋮s水管周?chē)纳白樱嚯x水管越遠(yuǎn)，降溫速度就越慢），因此熱電偶檢測(cè)的砂溫不能代表目前砂溫真實(shí)的狀態(tài)。

2.2.2 熱電偶數(shù)量

如圖1，熱電偶采用兩組，105 為控制熱電偶（用來(lái)檢測(cè)砂溫，控制插板閥的開(kāi)關(guān)），106 為對(duì)比熱電偶（檢測(cè)兩個(gè)熱電偶的溫差，判斷是否有熱電偶出現(xiàn)故障）。對(duì)比熱電偶的作用為：當(dāng)控制熱電偶與對(duì)比熱電偶的溫差大于3 ℃時(shí)，說(shuō)明兩個(gè)熱電偶有一個(gè)有故障，此時(shí)需要報(bào)警提示，將熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)或更換新的熱電偶，防止因熱電偶檢測(cè)的溫度誤差而導(dǎo)致砂溫不合格就打開(kāi)插板閥放砂。

2.3 水冷系統(tǒng)的要求

由于冷卻水從砂調(diào)進(jìn)水口102 進(jìn)去，將砂子冷卻后從103 出水口出來(lái)，那么出水口的溫度相比進(jìn)水口就會(huì)升高很多，需要外部的冷卻系統(tǒng)將水溫降低到一定的溫度后才能再次進(jìn)入砂調(diào)，達(dá)到給砂調(diào)持續(xù)降溫的作用?，F(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)的水溫控制技術(shù)目前比較成熟，本文不再贅述，砂調(diào)進(jìn)水口的水溫要求相對(duì)恒定，供水溫度宜比砂子要求的溫度中心值低10 ℃左右（如砂溫中心值要求是25 ℃，則冷卻水溫控制在15 ℃左右），溫差太大，冷卻系統(tǒng)的能耗高，溫差太小，砂調(diào)的降溫效率太低。如圖1，冷卻水從砂調(diào)下方的進(jìn)水口102 進(jìn)入冷卻水管104，將砂子循環(huán)冷卻后，從砂調(diào)上方的出水口103 出來(lái)。

3 程序控制系統(tǒng)

通過(guò)熱電偶檢測(cè)砂溫，當(dāng)砂溫降低到設(shè)定值后，插板閥間隔打開(kāi)放砂，每次開(kāi)啟時(shí)間2 s，間隔1 min，當(dāng)溫度高于上限時(shí)，停止放砂。若溫度長(zhǎng)時(shí)間高于上限，需要臨時(shí)打開(kāi)一次插板閥2 s，防止熱電偶檢測(cè)誤差。

3.1 砂調(diào)上砂庫(kù)下料位在程序控制中的作用

當(dāng)下料位觸發(fā)時(shí)，不允許打開(kāi)插板閥放砂，否則砂位會(huì)降低至冷卻水管以下，導(dǎo)致冷卻水管壁結(jié)露，從而打濕砂子結(jié)塊。

3.2 插板閥開(kāi)啟的溫度條件

如砂溫要求為25 ℃±2 ℃，當(dāng)熱電偶檢測(cè)砂溫降低至23 ℃時(shí)，打開(kāi)插板閥，開(kāi)始放砂，當(dāng)砂溫升高至27 ℃時(shí)，關(guān)閉插板閥，停止放砂，當(dāng)砂溫再一次降低至23 ℃時(shí)再次開(kāi)啟放砂，如此循環(huán)，控制冷卻后的砂溫在23 ℃～27 ℃.

3.3 插板閥的開(kāi)啟頻次

由于熱電偶感應(yīng)實(shí)際溫度需要時(shí)間，所以插板閥的開(kāi)啟需要間隔開(kāi)啟，即到放砂溫度23 ℃時(shí)，插板閥打開(kāi)2 s 后關(guān)閉（這個(gè)時(shí)間與砂調(diào)的尺寸以及插板閥漏砂孔的大小有關(guān)，實(shí)際根據(jù)放砂一次，砂溫升高不超過(guò)1 ℃為原則），間隔1 min 再打開(kāi)2 s，如此循環(huán)，直到砂溫升高至27 ℃時(shí)，停止放砂。

3.4 熱電偶檢測(cè)誤差消除

由于熱電偶位于冷卻水管的下方，砂子冷卻速度與冷卻水管縫隙中的砂子冷卻速度不一致，導(dǎo)致熱電偶檢測(cè)的砂溫與實(shí)際值有一定的差異，會(huì)導(dǎo)致砂溫長(zhǎng)時(shí)間低于27 ℃，但未達(dá)到23 ℃的開(kāi)啟放砂條件，若此時(shí)手動(dòng)開(kāi)啟一次放砂，會(huì)發(fā)現(xiàn)溫度低于23 ℃了，說(shuō)明放砂前熱電偶感應(yīng)的砂溫與真實(shí)溫度有差異，此時(shí)就需要設(shè)置二級(jí)自動(dòng)放砂條件。若砂溫在23 ℃～27 ℃之間維持30 min 以上（每個(gè)設(shè)備這個(gè)時(shí)間不一致，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定），此時(shí)應(yīng)該自動(dòng)開(kāi)啟一次放砂，砂子經(jīng)過(guò)一次流動(dòng)后，此時(shí)熱電偶感應(yīng)的砂溫才是真實(shí)的溫度，再次回到循環(huán)放砂的狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

在碳中和的大背景下，資源循環(huán)利用與節(jié)能減排要同時(shí)考慮，因此建議：設(shè)計(jì)砂溫調(diào)節(jié)器時(shí)在保證出砂溫度的同時(shí)綜合考慮能耗、效率以及余熱利用等方面的問(wèn)題。