CN100379509C - 低压铸造机液面悬浮加压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低压铸造技术，尤其是指一种低压铸造机液面悬浮加压装置。按照本发明的设计方案，其方法为：a、确认初始值：确定升液管内某一设定的悬浮液面高度h₀所对应的压力P_气值；b、储存：将获得的P_气初始值储存在可编程控制器PLC内，作为基准值；c、设定补偿量：先计算出两次浇注间的压力补偿系数ΔH，再计算出两次浇注间的压力补偿量ΔP，并记忆储存；d、再进行卸压控制：使卸压后，在坩埚内的气体压力值等于初始值P_气值加第n个补偿量ΔP。本发明可以提高铸件质量，降低生产成本，提高生产率。

Description

低压铸造机液面悬浮加压控制方法

技术领域

本发明涉及低压铸造技术，尤其是指一种低压铸造机液面悬浮加压装置。

背景技术

在低压铸造中采用的浇注系统是将溶池即坩埚内的液态金属在压力作用下经升液管由下而上运动，充填铸型。

坩埚内的熔融金属需要在高温下保持2～7小时之多，期间可能会经过近百次地加压、排气过程，因此而引起的液面波动，会在液面产生相当厚的氧化物层；液态金属在升液管内长距离的升降回落，会使产生强烈的扰动，将位于液面的氧化物带至坩埚底部，而且使某些升液管内外壁的涂层冲刷剥落，在压铸机充型时，被带入型腔内，使铸件产生氧化夹杂与涂料夹杂，影响到铸件的内在质量；同时，这种大距离的升降回落，会对升液管造成剧烈的冲刷，降低升液管的寿命。

对于那种无须金属液面悬浮的加压装置而言，由于其需要耗用大量的压缩空气，因此成本比较高，尤其对那些必须采用惰性气体作介质的低压浇注来说，成本更高，以致影响到其在实际使用中的价值。

发明内容

本发明的目的在于设计一种低压铸造机液面悬浮加压控制方法，以提高铸件质量，降低生产成本，提高生产率。

按照本发明的设计方案，其方法为：a、确认初始值：确定升液管内某一设定的悬浮液面高度h₀所对应的压力P_气值；b、储存：将获得的P_气初始值储存在可编程控制器PLC内，作为基准值；c、设定补偿量：可编程控制器PLC根据所提供的坩埚横截面积S_坩、液态金属比重γ、加工零件的毛坯重量mg，计算出两次浇注间的压力补偿系数ΔH：

该补偿系数经过可编程控制器PLC内设定的程序计算出两次浇注间的压力补偿量ΔP，并记忆储存；再根据已设定于可编程控制器PLC内的低压浇注控制程序，对每1次低压浇注过程进行补偿；d、在完成低压浇注过程中的升压与保压工序后，再进行卸压控制：使卸压后，在坩埚内的气体压力值等于初始值P_气值加第n个补偿量ΔP，使此时的液面高度正好处于前面设定的悬浮液面高度h₀处，其中，n为正整数，指低压浇注过程的循环次数。

在确认初始值时，可以先设定升液管内的液面高度，再利用可编程控制器PLC内设定线性升压程序，使升液管内的熔融金属液面逐步上升，达到前面设定的高度，再模拟计算出对应于该高度的P_气值。

在确认初始值时，也可以先设定升液管内的液面高度所对应的最低的P_气安全值，再利用可编程控制器PLC内设定的线性递增升压程序，使升液管内的熔融金属液面逐步上升，达到最低的P_气安全值时，暂停，利用可编程控制器PLC内设定的点动补偿程序，进行点动补偿，从而使升液管内的熔融金属再次缓慢上升，直至液面上升到前面设定的悬浮液面高度h₀为止，此时，可编程控制器PLC内进行点动补偿功能所对应的压力值即为P_气值。

在卸压控制工序中，利用可编程控制器PLC内设定的线性递减降压程序，进行卸压，当卸压后，坩埚内的气体压力值等于初始值P_气值加第n个补偿量ΔP时，停止卸压，此时，升液管内的金属液面高度正好处于初始设定的悬浮液面高度h0处。

可编程控制器PLC的输出与模拟量模块的输入端连接，模拟量模块的输出端与电气比例阀的输入端连接，可编程控制器PLC又与输入终端人机界面触摸屏互相连，构成通讯连接回路。

电气比例阀为一个闭环控制回路，其中，控制回路的输出分别与供气电磁阀及排气电磁阀的输入端连接，供气电磁阀与排气电磁阀的输出端再与膜片连接，膜片的输出端再与先导阀连接，先导阀的输出端利用管道与坩埚连接，在先导阀的输出端与控制回路的输入端间连接压力传感器，供气电磁阀与先导阀分别与外接供气管道连接。

本发明的特点是：由于确定了升液管内某一设定的悬浮液面高度h₀所对应的压力P_气值，将影响P_气压力值的众多因素，转化成一个可以确定的基准值，从而为准确地控制悬浮液面高度奠定了基础，而在此以前的各种方法，都无法全面考虑到这些影响因素，也就无法真正地准确控制悬浮液面的高度；在国外虽然能够控制液面悬浮高度，但他们所用设备是一种非常昂贵的装置，这无疑会增加生产成本。

附图说明

图1为液面悬浮机理图。

图2为低压浇注工艺曲线图。

图3为控制系统方框图。

具体实施方式

a、确认初始值：确定升液管内某一设定的悬浮液面高度h₀所对应的压力P_气值；

b、储存：将获得的P_气初始值储存在可编程控制器PLC内，作为基准值；

c、设定补偿量：可编程控制器PLC根据所提供的坩埚横截面积S_坩、液态金属比重γ、加工零件的毛坯重量mg，计算出两次浇注间的压力补偿系数ΔH：

该补偿系数经过可编程控制器PLC内设定的程序计算出两次浇注间的压力补偿量ΔP，并记忆储存；再根据已设定于可编程控制器PLC内的低压浇注控制程序，对每1次低压浇注过程进行补偿；

d、在完成低压浇注过程中的升压与保压工序后，再进行卸压控制：使卸压后，在坩埚内的气体压力值等于初始值P_气值加第n个补偿量ΔP，使此时的液面高度正好处于前面设定的悬浮液面高度h₀处，其中，n为正整数，指低压浇注过程的循环次数。

图1反映了一种液态金属在升液管内的受力状况，从图中可以看出，所谓悬浮，是指升液管内的金属液面高于坩埚内的金属液面，升液管内的金属液面呈悬浮状。图中的各个符号所代表的含义如下：

P_气指坩埚内空气介质所提供的压力；

P_浮是指金属悬浮液面在h₀高度处所受的压力；

H₀指金属液在坩埚内的液面高度；

h₀指金属液在升液管内的悬浮液面高度；

当金属液面在h₀高度处，其所受的力P_浮与反作用力P_气相平衡时，液面就停留在悬浮液面高度h₀处。从而可以得出结论：P_气值的大小决定了金属液面在升液管中悬浮的高度值h₀，对P_气值的定值控制也就达到了对悬浮高度值h₀的定值控制。影响P_气值的因素大致有以下几种：

a、加压装置周围的大气压力变化情况；

b、升液管的内截面积变化情况；

c、坩埚的内截面积变化情况；

d、新的冷空气介质进入坩埚内后，遇到高温所产生的突然膨胀，对坩埚内P_气的影响；

e、坩埚的漏气现象对P_气值的影响；

f、每次添加金属液时，其液面高度的不同。

在以往的控制技术中，由于没有找到一种能综合考虑这些因素的方法，因此，无法精确控制液面的压力，本发明通过设定一个初始悬浮状态，即设定P_气的方法，将上述各种因素化解为一个可以精确控制的参数，从而为精确控制低压铸造过程奠定了基础。

在确认初始值时，我们先介绍低压浇注的工艺过程，如图2所示：

1、OA段曲线为初始悬浮工序；

2、AB段为充型结壳工序；

3、BC段为升压保压工序；

4、CD段为泄放排气工序；

5、悬浮工序。

在上面我们讨论了受力分析中影响P_气压力的多种因素，为了消化这些变化因素，本技术设置了初始悬浮状态，所谓初始悬浮状态是指在每一次坩埚内添加完金属液后，要使金属液面悬浮在规定的高度位置上所要控制的P_气值是永不相同的，因此必须进行初始悬浮高度的认定。

在确认初始悬浮值时，可以采用下述两种方法：

第一种方法：可以先设定升液管内的悬浮液面高度h₀，再利用可编程控制器PLC内设定线性升压程序，使升液管内的熔融金属液面逐步上升，达到前面设定的悬浮液面高度h₀，计算出对应于该高度的P_气悬浮初始压力基准值。

即：将手扶式有触点检测装置放置在升液管内的上方，其触点位置对应于设定的金属悬浮液面高度h₀处，启动P_气值的线性供气电路与气路，P_气值随线性加大，金属液面逐渐上升，当金属液面和探测点处的触点相遇时，控制系统自行停止线性加压装置，此时的P_气值被记忆在控制系统中，一则作为控制系统P_气悬浮初始压力基准值，同时也将此值定位为悬浮高度的保压起始值。

第二种方法：在确认初始值时，也可以先设定升液管内的悬浮液面高度h₀所对应的最低的P_气安全值，再利用可编程控制器PLC内设定的线性递增升压程序，使升液管内的熔融金属液面逐步上升，达到最低的P_气安全值时，暂停，利用可编程控制器PLC内设定的点动补偿程序，进行点动补偿，从而使升液管内的熔融金属再次缓慢上升，直至液面上升到前面设定的悬浮液面高度h₀为止，此时，可编程控制器PLC内进行点动补偿功能所对应的压力值即为P_气悬浮初始压力基准值。

即：可以通过终端控制工业触摸屏上预先设定的悬浮压力参数栏目，选定好最低、最安全位置的悬浮压力值P_气，启动P_气值的线性供气电路与气路，P_气值随线性增大，金属液面逐渐上升，达到选定的P_气值后，保持此值不变，液面停留在升液管内的某个位置，然后，点动“补偿功能”，启动补偿回路，使P_气逐渐加大，液面位置上升，达到规定的高度，停止点动，系统储存该P_气值，作为控制系统P_气悬浮初始压力的基准值，同时也将此值定为悬浮高度的保压起始值。

上述两种方法可任选一种。在试验过程中，证明设定了初始悬浮值后，将可能影响压力的多种因素，转化为一个固定值，在每一次浇注零件的过程中，均可将这一固定值作为运算的基准值，直到坩埚内的重新添加金属液为止。

在卸压控制工序中，利用可编程控制器PLC内设定的线性递减降压程序，进行卸压，当卸压后，坩埚内的气体压力值等于初始值P_气值加第n个补偿量ΔP时，停止卸压，此时，升液管内的金属液面高度正好处于初始设定的悬浮液面高度h₀处。

由于每次浇注完一个工件后，在坩埚内相应地减少了相当于加工零件毛坯重量的液态金属，从而使坩埚内的金属液面下降ΔH高度，要使P_气和P_浮相平衡，必须补偿这一量值的压力，再叠加在上面设定的初始悬浮压力基准值上，才能使金属液面仍悬浮在原有的高度位置上。这一补偿量值的补偿系数计算如下：

设定坩埚内截面积为S_坩；

升液管内截面积S_升；

液态金属比重为γ；

坩埚内液面的下降高度为ΔH；

加工零件的毛坯重量为mg；

液面下降高度ΔH在升液管中也相对加长了悬浮高度ΔH，升液管的壁厚忽略不计，因而可得出下列公式：

ΔH×S_坩×γ＝mg

这就确定了压力补偿系数为：

只需将这一补偿系数所确定的压力值叠加在上一次P_气值上即可再次和P_浮相平衡，从而保持金属液面停留在原先的高度上。同样，在加压浇注过程中的其他工序中均要叠加这一补偿量。

控制技术如图3所示：

可编程控制器PLC的输出与模拟量模块的输入端连接，模拟量模块的输出端与电气比例阀的输入端连接，可编程控制器PLC又与输入终端人机界面触摸屏互相连，构成通讯连接回路。

其中，可编程控制器PLC的型号为CPU224，其主要功能是按编辑好的程序进行程序控制和数字逻辑运算。程序主要如下几个：

1、初始悬浮程序，这是一个线性递增方程，作用是：使通入坩埚内的气压力值等于升液管内的熔融金属悬浮液面高度h₀，相对应的P_气值，从而完成初始悬浮工序。

2、充型结壳程序，也是一个线性递增方程或抛物线方程，其作用是完成充型结壳浇注工序。

3、升压保压程序，也是一个线性递增方程，其作用是完成升压保压浇注工序。

4、卸压悬浮程序，是一个线性递减方程，其作用是完成卸压浇注工序，并使进入坩埚内的气体压力值等于升液管内熔融金属悬浮液面高度h₀相对应的气压值等于初始值P_气值加第n个补偿量ΔP值，从而使金属液面悬浮在高度h₀处。

模拟量模块的型号为EM235，其主要功能是：将来自可编程控制器PLC的数字信号转换成电压信号，输送给电气比例阀。

电气比例阀的型号为ITV3000，其主要功能是：接收模拟量模块的电压信号，经过自身的一套控制、反馈电路，输出总是和输入信号成比例变化的输出压力值P_气进入坩埚或熔池内。电气比例阀为一个闭环控制回路，其中，控制回路的输出分别与供气电磁阀及排气电磁阀的输入端连接，供气电磁阀与排气电磁阀的输出端再与膜片连接，膜片的输出端再与先导阀连接，先导阀的输出端利用管道与坩埚连接，在先导阀的输出端与控制回路的输入端间连接压力传感器，供气电磁阀与先导阀分别与外接供气管道连接。

人机界面触摸屏的型号为MT508，其主要功能是：执行终端操作，显示有关工艺参数、工艺曲线、各加工工序的文字提示等，并记忆储存各工艺参数，配合打印机，可打出显示屏上的曲线及数据。

从上述控制系统方框图及其主要部件的功能可以看出，本发明巧妙地将当今科技含量高性能好的可编程控制器PLC控制、模拟量模块的数模转换，通过工业触摸屏与电气比例阀有机地结合运用，使本系统的主控系统简单而又实用。

Claims (6)

1.低压铸造机液面悬浮加压控制方法，其特征是：a、确认初始值：确定升液管内某一设定的悬浮液面高度h₀所对应的压力P_气值；b、储存：将获得的P_气初始值储存在可编程控制器PLC内，作为基准值；c、设定补偿量：可编程控制器PLC根据所提供的坩埚横截面积S_坩、液态金属比重γ、加工零件的毛坯重量mg，计算出两次浇注间的压力补偿系数ΔH：

该补偿系数经过可编程控制器PLC内设定的程序计算出两次浇注间的压力补偿量ΔP，并记忆储存；再根据已设定于可编程控制器PLC内的低压浇注控制程序，对每1次低压浇注过程进行补偿；d、在完成低压浇注过程中的升压与保压工序后，再进行卸压控制：使卸压后，在坩埚内的气体压力值等于初始值P_气值加第n个补偿量ΔP，使此时的液面高度正好处于前面设定的悬浮液面高度h₀处，其中，n为正整数，指低压浇注过程的循环次数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：在确认初始值时，先设定升液管内的液面高度，再利用可编程控制器PLC内设定线性升压程序，使升液管内的熔融金属液面逐步上升，达到前面设定的高度，再模拟计算出对应于该高度的P_气值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：在确认初始值时，先设定升液管内的液面高度所对应的最低的P_气安全值，再利用可编程控制器PLC内设定的线性递增升压程序，使升液管内的熔融金属液面逐步上升，达到最低的P_气安全值时，暂停，利用可编程控制器PLC内设定的点动补偿程序，进行点动补偿，从而使升液管内的熔融金属再次缓慢上升，直至液面上升到前面设定的悬浮液面高度h₀为止，此时，可编程控制器PLC内进行点动补偿功能所对应的压力值即为P_气值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：在卸压控制工序中，利用可编程控制器PLC内设定的线性递减降压程序，进行卸压，当卸压后，坩埚内的气体压力值等于初始值P_气值加第n个补偿量ΔP时，停止卸压，此时，升液管内的金属液面高度正好处于初始设定的悬浮液面高度h₀处。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：可编程控制器PLC的输出与模拟量模块的输入端连接，模拟量模块的输出端与电气比例阀的输入端连接，可编程控制器PLC又与输入终端人机界面触摸屏互相连，构成通讯连接回路。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是：电气比例阀为一个闭环控制回路，其中，控制回路的输出分别与供气电磁阀及排气电磁阀的输入端连接，供气电磁阀与排气电磁阀的输出端再与膜片连接，膜片的输出端再与先导阀连接，先导阀的输出端利用管道与坩埚连接，在先导阀的输出端与控制回路的输入端间连接压力传感器，供气电磁阀与先导阀分别与外接供气管道连接。