CN102950270B - 一种压铸用多向抽真空装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压铸用多向抽真空装置，包括抽真空单元和真空控制系统；抽真空单元包括真空泵、真空罐、型腔、压室和模架抽气通道、真空阀、电磁阀；型腔抽气通道是由连接在真空罐与真空阀之间的管路构成，压室抽气通道是由真空罐与压室之间的管路构成，模架抽气通道是由真空罐与压铸模具模架之间的管路构成，各模架抽气通道上安装有电磁阀；真空控制系统用于采集各压力及湿度传感器的信息，根据外部的压铸信号使相应的电磁阀开通或关闭，以开通或关闭相应的抽气通道，控制压铸模具的真空度。本发明同时从型腔、压室和模架三个方向上抽真空，抽气速率和效率大大提高，采用工控机控制，提高了检测的高速动态响应能力及数据保存能力。

Description

一种压铸用多向抽真空装置

技术领域

本发明属于铸造技术领域，具体涉及一种压铸用多向抽真空装置。

技术背景

高真空压铸技术是利用真空源排出模具型腔内部的气体使其真空度达到90KPa以上，金属液在此高真空状态下填充模具型腔的一种压铸方法。高真空压铸生产的压铸件含气量仅为1～3mL/100g，可进行T6热处理强化或焊接加工。高真空压铸实现方法主要有两种：一是通过升液管将压室和熔化炉直接连通，金属铝液通过抽真空的方式被吸入到压室内，当真空度达到预定值时再压射成形，该种方法需要专用的压铸机；二是首先抽取模具型腔内的气体，待模具真空度达90kPa以上时，然后利用多浇道以及大面积的内浇口迅速将金属铝液充填型腔。目前使用最广泛的是第二种方法，因为该种方法配合普通的压铸机就能使用。

多向抽真空装置保留和继承了普通压铸方法的优点，但却能大幅减少铸件内部气孔缺陷，提高材料的力学性能特别是韧性，因而适合于高强度高韧性复杂薄壁零件的制造，尤其在汽车关键结构件（保安件）的生产上具有很强的竞争力。

现有的高真空压铸一般是通过安装在模具上的真空阀抽出型腔中的气体，因仅在一个方向上抽真空，故将其称之为单向抽真空压铸技术。单向抽真空压铸技术存在一些不可避免的缺点：1）由于受真空阀排气截面积及溢流槽口截面积的限制，单向抽真空时抽真空的速率不快，尤其是压室内的气体如浇注时产生的烟气难以快速排出，因为它们需沿浇道、内浇口、型腔、溢流槽、溢流槽口、抽气通道以及真空阀等后才能被排出型腔外，路径长，耗费时间多。2）模架与镶块之间的缝隙、模具与顶杆之间的缝隙尽管经过良好的密封，但仍然存在泄漏的可能性，降低型腔中的真空度。3）模具喷涂时，镶块间的缝隙以及型腔顶杆缝隙不可避免地会进入少量涂料，在单向抽真空压铸时，顶杆缝隙中的残留涂料、水分会被抽入型腔进而卷入充填的金属液中，形成气孔、氧化夹杂缺陷。4）现有的真空控制装置多采用PLC控制，PLC存在容量不足，数据保存有限的缺点，从而影响到铸件成形参数数据的保存与追溯。

发明内容

本发明的目的在于解决当前高真空压铸技术中，抽气速度慢，可靠性差、真空控制单元的存储容量有限、数据不便保存的缺点。为此本发明提供了一种压铸用多向抽真空装置。

本发明提供的一种压铸用多向抽真空装置，它包括抽真空单元和真空控制系统；

抽真空单元包括真空泵、真空罐、型腔抽气通道、压室抽气通道、模架抽气通道、真空阀、第一至第三电磁阀；

型腔抽气通道是由连接在真空罐与真空阀之间的管路构成，真空阀安装在压铸模具的动模内，并与型腔上端的排气通道相接；在型腔抽气通道上安装有第一电磁阀；

压室抽气通道是由真空罐与压铸机的压室之间的管路构成，压室抽气通道上安装有第二电磁阀；

模架抽气通道是由真空罐与压铸模具模架之间的管路构成，压铸模具模架处开一道与模架抽气通道连通的抽气槽，抽气槽连通压铸模具模架与模具镶块之间的缝隙；模架抽气通道上安装有第三电磁阀；

真空控制系统用于采集各压力传感器及各湿度传感器的信息，根据外部的压铸信号使相应的电磁阀开通或关闭，以开通或关闭相应的抽气通道，控制压铸模具的真空度。

作为上述技术方案的改进，真空控制系统包括第一至第五压力传感器，第一至第三湿度传感器，位移编码器，工控机，可编程控制器，数据采集模块，以及报警器；

第一压力传感器安装在真空罐上，用于测量真空罐中的真空度；

第二压力传感器和第一湿度传感器均安装在型腔抽气通道上，分别用于测试压铸模具的型腔的真空度和湿度；

第三压力传感器和第二湿度传感器均安装在压室抽气通道上，分别用于测试压铸机的压室的真空度和湿度；

第四压力传感器和第三湿度传感器均安装在模架抽气通道上，用于测试压铸模具的模架抽气通道真空度和湿度；

位移编码器安装在压铸机的压射杆上；

第五压力传感器安装在压铸机的压射油缸上；

数据采集模块的输入端分别与各压力传感器，以及各湿度传感器电连接，输出端与工控机连接；用于收集抽气通道的真空度和湿度数据并传送到工控机中；

可编程控制器分别与位移编码器，各电磁阀，报警器及工控机连接；可编程控制器作为下位机，根据压铸机的动作信号，负责对真空系统中的执行元件进行相应的驱动和控制；

工控机分别与可编程控制器和数据采集模块连接，负责对整个系统动作进行监控和检测，包括参数设置，维护测试；数据采集，数据保存；状态监测，动作显示。

为充分发挥多向抽真空装置的优点，满足市场越来越高的压铸件内部质量及力学性能等要求，本发明提供了上述一种压铸用多向抽真空装置。该多向抽真空装置是同时从型腔、压室和模架三个方向上抽真空。相对于从型腔抽真空这种单向的抽真空压铸方式，本发明抽气速率和效率大大提高，因为从压室抽真空有利于快速抽取压室内的烟气、水蒸汽，从而减少进入型腔中的机会，消除对充型过程的影响；从模架处抽真空是指在模架处开一道抽气槽抽取模架与镶块之间的气体，这样可有效防止外部泄漏的气体进入型腔，避免型腔中的真空度降低，并且由于型腔内外压力平衡，降低了顶杆缝隙中的涂料、水分等残留物进入模具型腔中的几率，减少金属液充填时的氧化夹杂缺陷。本发明采用工控机和PLC联合控制，提高了检测的高速动态响应能力及数据保存能力。具体而言，本发明的效果说明如下：

（1）根据本发明的真空装置，在获得真空启动信号后，高真空的真空罐可以在1s钟内通过3条抽气通道快速将型腔中的气体抽出，将型腔中的真空度抽至90KPa以上。

（2）根据本发明的真空控制系统，可以方便地对相关数据进行输入、显示、保存，可以监测抽气通道中的真空度和湿度数据。还可以检测真空罐中的真空度，当真空罐中的真空压力过低时，报警提示。

（3）根据本发明的多向抽真空装置，使用的真空阀是液压驱动式真空阀，其工作原理是根据压射冲头的位移信号由外接液压系统提供的油压主动驱动阀芯开闭，从而大大提高了真空阀的工作可靠性。

（4）本发明装置利用位移编码器采集压铸机压射冲头的移动位置作为控制信号，避免了在模具中设置金属液检测机构或装置，简化了设计工序和模具结构。相比于现有的多向抽真空装置，具有控制精度高、设置维护简便、故障率低、使用寿命长的优点。

附图说明

图1为本发明提供的多向抽真空装置的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本实例提供的液压驱动式真空阀的一种具体实施方式的结构示意图；

图中，1-动模，2-顶杆，3-型腔，4-内浇口，5-定模，6-金属液，7-压室），8-浇注口，9-压射冲头，10-压射杆，11-压射油缸，12-位移编码器，13-真空罐，14-第一压力传感器，15-真空泵，16-排气通道，17-液压驱动式真空阀，18-型腔抽气通道，19-第一电磁阀，20-压室抽气通道，21-第二电磁阀，22-模架抽气通道，23-第三电磁阀，24-通液压油管，25-第四电磁阀，26-第二压力传感器，27-第一湿度传感器，28-第三压力传感器，29-第二湿度传感器，30-第四压力传感器，31-第三湿度传感器，32-数据采集模块，33-可编程逻辑控制器即PLC，34-工控机，35-报警器，36-第五压力传感器；37-阀体，38-排气口，39-阀芯，40-抽气口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本实例提供的多向抽真空装置包含有抽真空单元和真空控制系统。

本实例装置与压铸机和压铸模具配合使用。

压铸模具采用现有技术，它包括动模1、定模5、顶杆2及由动模1和定模5及顶杆形成的型腔3。型腔3通过下端的内浇口4与压铸机压室7连接，型腔3上端设有排气通道16。

压铸机的结构也可以采用现有技术，其压室7的末端装设有与压射油缸11中的压射活塞连接的压射杆10，压射杆10的顶端装有压射冲头9。

抽真空单元包括真空泵15、真空罐13和型腔抽气通道18、压室抽气通道20和模架抽气通道22、真空阀17、第一至第四电磁阀19、21、23和25。

型腔抽气通道18是由连接在真空罐13与真空阀17之间的管路构成，真空阀17安装在压铸模具的动模1的内，并与型腔3上端的排气通道16相接。真空阀17的通/断状态决定了型腔抽气通道18的关闭和开启。

在型腔抽气通道18上安装有电磁阀19，电磁阀19的通/断状态决定了真空阀17与真空罐18之间是否连通。

压室抽气通道20是由真空罐13与压铸机的压室7之间的管路构成，压室抽气通道20上安装有电磁阀21，电磁阀21的通/断状态决定了压室7与真空罐13之间是否连通。

模架抽气通道22是由真空罐13与压铸模具模架之间的管路构成，压铸模具模架处开一道与模架抽气通道22连通的抽气槽，用于抽取模架与镶块之间的气体。模架抽气通道22上安装有电磁阀23，电磁阀23的通/断状态决定了模架与真空罐13之间是否连通。

型腔抽气通道18、压室抽气通道20和模架抽气通道22可以采用真空管等密封性好的管路。

真空控制系统可以采集各压力传感器及各湿度传感器的信息，根据外部的压铸信号使相应的电磁阀开通或关闭，以开通或关闭相应的抽气通道，控制压铸装置的真空度。具体地说，真空控制系统可以方便地对相关数据进行输入、显示、保存；可以监测抽气通道中的真空度和湿度，并实时显示各通道的真空度、湿度分别与时间的曲线；同时可以检测压射冲头的位置、压射缸的压力，并实时显示压射压力、速度与位移的关系曲线。可以检测真空罐中的真空度，当真空罐中的真空压力过低时，报警提示。

本实例提供的真空控制系统包含有第一至第五压力传感器14、26、28、30和36，第一至第三湿度传感器27、29和31，位移编码器12，工控机34，可编程控制器33，数据采集模块32，以及报警器35。

第一压力传感器14安装在真空罐13上，用于测量真空罐13中的真空度。

第二压力传感器26和第一湿度传感器27均安装在型腔抽气通道18上，分别用于测试压铸模具的型腔3的真空度和湿度。

第三压力传感器30和第二湿度传感器31均安装在压室抽气通道20上，分别用于测试压铸机的压室7的真空度和湿度。

第四压力传感器28和第三湿度传感器29均安装在模架抽气通道22上，用于测试压铸模具的模架抽气通道真空度和湿度。

位移编码器12安装在压铸机的压射杆10上，用于感受其移动变化。

第五压力传感器36安装在压铸机的压射油缸11上，用于感受其压力变化。

数据采集模块32的输入端分别与各压力传感器36、14、26、28、30，以及各湿度传感器27、29、31电连接，输出端与工控机34连接；用于收集抽气通道的真空度和湿度等一些数据并传送到工控机34中。

可编程控制器33分别与位移编码器12，各电磁阀21、23、19、25，报警器35及工控机34电连接。可编程控制器33作为下位机，根据压铸机的动作信号，负责对真空系统中的执行元件进行相应的驱动和控制，包括真空回路电磁阀、油路回路电磁阀以及真空泵15的驱动和控制等。PLC通过位移编码器12检测冲头的行程距离，在不同的位置处发出信号控制电磁阀19、电磁阀21、电磁阀23、电磁阀25的通断和报警器35的报警。PLC的输入信号还包括压铸机信号（包括合模信号，开模信号，压射信号，高速压射信号等等）。当真空罐中的真空度低于工控机34中设定的最低值时，可编程控制器33控制报警器35报警，并发出信号使真空泵15工作，达到真空度设定最低值时，报警器停止工作，达到真空度设定最大值时，真空泵15也停止工作。真空度设定最低值和最大值均根据压铸装置的具体要求自行设定。

工控机34分别与可编程控制器33和数据采集模块32连接，负责对整个系统动作进行监控和检测，包括参数设置，维护测试；数据采集，数据保存；状态监测，动作显示等。在压铸正常过程中，数据采集模块32将采集到的冲头压力和冲头的行程传送到工控机34中，以冲头压力/时间和冲头行程/时间的曲线表现出来；除此之外，数据采集模块32将采集到的3条抽气通道的真空度和湿度传送到工控机34中，也分别以真空度和湿度的实时曲线和历史曲线表现和存储下来。

本实例的真空阀17可采用液压驱动式真空阀，它通过液压油管24与外部的液压驱动装置相连，液压油管24上设置第四电磁阀25，其通/断状态决定了真空阀17的关闭和开启。本发明提供的多向抽真空装置的工作过程为：

首先，压铸机带动动模1、定模5合模，动、定模1和5同步带动真空阀17也闭合，形成一个密封良好的包含型腔3、排气通道16、内浇口4的一个空间。压铸机合模到位信号下可编程控制器33控制电磁阀25打开真空阀17，随后将温度合适的金属液6通过压室7上的浇注口8浇入由压室7和冲头9组成的内腔中。压铸机启动压射杆10带动压射冲头9慢速前移，推动金属液前进。当压射冲头刚好走过浇注口8时，可编程控制器33接收到位移编码器12的位移信号，发出打开电磁阀19、21、23的信号，此时压室、模架和模具型腔开始抽真空，工控机检测各真空通道内的真空度和湿度。当压射冲头9到达压室7的抽真空距离即冲头前端刚好接近压室真空口时，压室抽真空回路上的电磁阀21关闭，压室抽真空停止。当冲头9达到压铸机高速压射位置（慢速/高速切换点）时，型腔抽真空回路上的电磁阀19关闭，模具上的真空阀17关闭，型腔抽真空过程停止。压射过程结束时，模架抽真空回路上的电磁阀23关闭，模架抽真空过程停止。金属液6凝固完毕，打开动模1和定模5取铸件，真空阀17随之同步打开，进入下一循环的抽真空过程。

如图2所示是液压驱动式真空阀的一个优选结构，它包括阀体37和阀芯39，阀芯39有前端凸出的肩部和塞杆，在阀体37中心轴线处开有中心通孔，中心通孔分为前部与后部二部分，阀体37前面开有与中心通孔前部连通的排气口40，用于与模具型腔相连，阀体37顶部开有与中心通孔前部连通的抽气口38，用于与型腔抽气通道18相连。中心通孔前部的孔径大于阀芯39塞杆的直径，间隙部分为抽气通路；中心通孔后部的孔径与阀芯39塞杆紧密配合，用于实现阀体37中心通孔与外部环境的密封。阀芯39塞杆贯穿中心通孔，阀芯39塞杆与中心通孔同轴，阀芯39可以在阀体37内部前后往复运动；阀芯39前端肩部和排气口40可以实现紧密贴合和脱离，用来控制真空气路的关闭和导通。

液压驱动式真空阀的结构还可以采用其它结构实现。

实施例1

根据本发明的压铸机用高真空装置及多向抽真空装置，在2800KN卧式冷室压铸机上对AlSi7Mg（控制合金中的杂质含量Fe<0.15%，Cu<0.05%）合金进行了压铸。首先对压铸模具作良好的密封，具体密封方式可以采用现有的高真空压力铸造用压铸模的密封结构（武汉工程大学于2007年提出了“一种高真空压力铸造用压铸模的密封结构”（公开号为CN201061825Y，公开日为2008-05-21），真空阀结构采用液压驱动式真空阀，然后将AlSi7Mg合金熔化、精练、加入适量的变质剂和细化剂，控制合适的温度待浇。同时模具预热到150～200℃。将适量的金属液浇入压室，冲头先慢压射封住浇注口，抽真空开始，压室、型腔、模具三向抽气，真空罐中的真空压力在10KPa以下。冲头继续前进接近压室真空口时，压室抽真空回路上的电磁阀关闭，压室抽真空停止。当冲头达到压铸机高速压射位置（慢速/高速切换点）时，模具上的液压驱动式真空阀关闭，型腔抽真空过程停止。压射过程结束时，模架抽真空过程停止，液压驱动式真空阀打开，此时真空系统在1s内将型腔中的气体压力抽至10KPa以下。所得高真空压铸件经T6热处理后，铸件表面没有鼓泡，组织致密。抗拉强度大于240MPa，屈服强度大于140MPa，伸长率大于8%。

实施例2

根据本发明的压铸机用高真空装置及多向抽真空装置，在2800KN卧式冷室压铸机上对AlSi10Mg（控制合金中的杂质含量Fe<0.15%，Cu<0.05%）合金进行了压铸。首先可采用高真空压力铸造用压铸模的密封结构对压铸模具作良好的密封，真空阀结构采用液压驱动式真空阀，然后将AlSi10Mg合金熔化、精练、加入适量的变质剂和细化剂，控制合适的温度待浇。同时模具预热到150～200℃。将适量的金属液浇入压射室，冲头先慢压射封住浇注口，抽真空开始，压室、型腔、模具三向抽气，真空罐中的真空压力在10KPa以下。冲头继续前进接近压室真空口时，压室抽真空回路上的电磁阀关闭，压室抽真空停止。当冲头达到压铸机高速压射位置（慢速/高速切换点）时，模具上的液压驱动式真空阀关闭，型腔抽真空过程停止。压射过程结束时，模架抽真空过程停止，液压驱动式真空阀打开，此时真空系统在1s内将型腔中的气体压力抽至10KPa以下。所得高真空压铸件经T6热处理后，铸件表面没有鼓泡，组织致密。抗拉强度大于260MPa，屈服强度大于150MPa，伸长率大于8%。

对比例1

在没有采用本发明的高真空装置及多向抽真空装置，即采用普通压铸方法压铸ZL101合金。因铸件中含量大量的气孔，热处理后气体膨胀而引起铸件表面鼓泡。铸件的抗拉强度小于200MPa，屈服强度小于110MPa，伸长率低于4.5%。因此采用本发明的高真空装置及真空系统可以抽出型腔、压室及模架缝隙中的气体，减少了压铸过程中的卷气现象，所获得的铸件组织致密，可进行热处理强化，铸件的力学性能提高，适合于高强度、高韧性铝合金压铸件的制造。

对比例2

采用单向抽真空的高真空装置及多向抽真空装置，即仅从型腔抽气的高真空方法压铸ZL101合金，所得高真空压铸件经T6热处理后，铸件表面有少量鼓泡，组织较致密，组织中含有一些杂质，抗拉强度、屈服强度和伸长率均小于多向抽真空的多向抽真空装置。因此采用本发明的高真空装置及真空系统提高了压铸过程中的真空度，减少气体和涂料等杂质的影响，进一步提高了铸件的力学性能，适合于高强度、高韧性铝合金压铸件的制造。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种压铸用多向抽真空装置，它包括抽真空单元和真空控制系统；

抽真空单元包括真空泵（15）、真空罐（13）、型腔抽气通道（18）、压室抽气通道（20）、模架抽气通道（22）、真空阀（17）、第一至第三电磁阀（19、21、23）；

型腔抽气通道（18）是由连接在真空罐（13）与真空阀（17）之间的管路构成，真空阀（17）安装在压铸模具的动模（1）的顶部，并与型腔（3）上端的排气通道（16）相接；在型腔抽气通道（18）上安装有第一电磁阀（19）；

压室抽气通道（20）是由真空罐（13）与压铸机的压室（7）之间的管路构成，压室抽气通道（20）上安装有第二电磁阀（21）；

模架抽气通道（22）是由真空罐（13）与压铸模具模架之间的管路构成，压铸模具模架处开一道与模架抽气通道（22）连通的抽气槽，抽气槽连通压铸模具模架与模具镶块之间的缝隙；模架抽气通道（22）上安装有第三电磁阀（23）；

真空控制系统用于采集各压力传感器及各湿度传感器的信息，根据外部的压铸信号使相应的电磁阀开通或关闭，以开通或关闭相应的抽气通道，控制压铸模具的真空度；

所述真空控制系统包括第一至第五压力传感器（14、26、28、30、36），第一至第三湿度传感器（27、29、31），位移编码器（12），工控机（34），可编程控制器（33），数据采集模块（32），以及报警器（35）；

第一压力传感器（14）安装在真空罐（13）上，用于测量真空罐（13）中的真空度；

第二压力传感器（26）和第一湿度传感器（27）均安装在型腔抽气通道（18）上，分别用于测试压铸模具的型腔（3）的真空度和湿度；

第三压力传感器（30）和第二湿度传感器（31）均安装在压室抽气通道（20）上，分别用于测试压铸机的压室（7）的真空度和湿度；

第四压力传感器（28）和第三湿度传感器（29）均安装在模架抽气通道（22）上，用于测试压铸模具的模架抽气通道真空度和湿度；

第五压力传感器（36）安装在压铸机的压射油缸（11）上；

位移编码器（12）安装在压铸机的压射杆（10）上；

数据采集模块（32）的输入端分别与各压力传感器（14、26、28、30、36），以及各湿度传感器（27、29、31）电连接，输出端与工控机（34）连接；用于收集抽气通道的真空度和湿度数据并传送到工控机（34）中；

可编程控制器（33）分别与位移编码器（12），各电磁阀，报警器（35）及工控机（34）电连接；可编程控制器（33）作为下位机，根据压铸机的动作信号，负责对真空系统中的执行元件进行相应的驱动和控制；

工控机（34）分别与可编程控制器（33）和数据采集模块（32）连接，负责对整个系统动作进行监控和检测，包括参数设置，维护测试；数据采集，数据保存；状态监测，动作显示。

2.根据权利要求1所述的压铸用多向抽真空装置，其特征在于，真空阀（17）采用液压驱动式真空阀，它通过液压油管（24）与外部的液压驱动装置相连，液压油管（24）上设置第四电磁阀（25）。

3.根据权利要求2所述的压铸用多向抽真空装置，其特征在于，液压驱动式真空阀包括阀体（37）和阀芯（39），阀芯（39）有前端凸出的肩部和塞杆，在阀体（37）中心轴线处开有中心通孔，中心通孔分为前部与后部二部分，阀体（37）前面开有与中心通孔前部连通的排气口（40），用于与模具型腔相连，阀体（37）顶部开有与中心通孔前部连通的抽气口（38），用于与型腔抽气通道（18）相连；中心通孔前部的孔径大于阀芯（39）塞杆的直径，间隙部分为抽气通路；中心通孔后部的孔径与阀芯（39）塞杆紧密配合；阀芯（39）塞杆贯穿中心通孔，阀芯（39）塞杆与中心通孔同轴，阀芯（39）能够在阀体（37）内部前后往复运动；阀芯（39）前端肩部和排气口（40）能够实现紧密贴合和脱离，用来控制真空气路的关闭和导通。

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