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    一般認為液面加壓控制系統(tǒng)的快速性越好，鑄件的內在品質就越好，因為快速性好的液面加壓控制系統(tǒng)能快速地跟蹤給定的工藝曲線完成對鑄件的填充。因此液面加壓控制系統(tǒng)的快速性就成了衡量液面加壓控制系統(tǒng)好壞的一個重要指標。液面加壓控制系統(tǒng)從原始的液動式的比例調節(jié)發(fā)展到PID調節(jié)又到電動比例調節(jié)后來又升級為組合控制閥調節(jié)，其快速性在這些變動中有較大的提高，尤其是組合閥的引入使其快速性提高更迅速，以至在大的打結式熔池保溫爐嚴重漏氣的情況下跟蹤曲線能嚴格地同給定曲線重合，使操作者在圖像上感覺不到爐體存在嚴重漏氣。甚至組合閥群中出現(xiàn)阻塞、卡死時控制系統(tǒng)的跟蹤曲線仍能完美地踩在給定曲線上使操作者從計算機的顯示上無法知道組合閥群中有故障閥。在組合閥慢慢取代傳統(tǒng)的液面加壓控制的過程中卻出現(xiàn)了以下現(xiàn)象：①在汽車輪轂生產過程中最后充滿溫度最低的內輪緣常常出現(xiàn)縮孔、縮松，較晚充滿且又很薄的輪輞部分也經常出現(xiàn)大面積或局部的縮孔、縮松群，這違背了一個基本共識——即縮孔、縮松易產生在長期被鋁水沖擊的迎流面附近或斷面厚大的高溫區(qū)中，很難出現(xiàn)在薄壁的最后填充的低溫區(qū)。大量汽車輪轂的生產廠家在使用組合閥時這一現(xiàn)象都普遍存在，而在使用比例閥的生產廠家這一現(xiàn)象也存在，只是廢品率較組合閥低。②生產中有時鑄件的輪輞、內輪緣處會出現(xiàn)大面積的縮 孔、縮松，有經驗的操作者清理一下組合閥內的雜物就可消除。③對輪輻越向車輪中心面靠近（即偏距�。�、直徑越大的輪型，其鑄件在輪輞及內輪緣上出現(xiàn)的縮孔、縮松的缺陷越多。④對廢品率較高、難做的鑄件只要在冒口多放一層過濾網或者增加有深過濾作用的泡沫金屬網后其成品率都會有較大的提高。

1  加壓控制系統(tǒng)填充水平型腔及冒口段速度的計算

    目前廣泛使用的各種液面加壓控制系統(tǒng)，只能控制鑄型中液面上升的垂直速度，而無法控制輪輻水平方向、分流錐、冒口處的填充速度，這可以從液體運動的連續(xù)性方程中獲得。

    某輪轂模具結構見圖1。

    以該模具結構為例，做如下計算。

1.1  計算冒口最小截面_s．( @30 mm)處的過流速度

    金屬液以較大速度由冒口充入型腔時，流動很復雜，有濺射及漫流的回落。為研究方便，假設流人型腔的液體都遵循優(yōu)先向下填充的原則（雖略去了液流向型腔上部的沖擊，但對問題本身影響不大，可以滿足工程上對精度的要求），設△t內金屬液填充完0～48.5 mm（外輪緣部分）的型腔體積為V，則有：

式中，u冒為冒口最小截面處的過流速度；△t為金屬液填充時間，可由壓力跟蹤曲線上測出。一般情況下控制系統(tǒng)快速性越好，△t則越小。模擬試驗中，可在比例調解時的充型曲線上測出△t約為1 s，此時式(l)中的訓冒約為6 m/s。

1.2計算分流錐最小截面Sz處的過流速度

    同上，代入相應的數據得：

式中，u錐為分流錐最小截面處的過流速度，令At=l s。

    根據流體連續(xù)性方程，計算出金屬液填充不同高度時流經分流錐的速度，見圖2。

    由圖2可知，金屬液填充到不同高度時流經分流錐的速度相差很大，在水平截面突然擴大的輪輻處的速度可高達設定值的百倍，遠超層流態(tài)的判據，產生液、氣兩相流是不可避免的，這是輪輞、內輪緣出現(xiàn)氣縮孔的主要原因。

2  液面加壓控制系統(tǒng)快速性對鑄件質量影響的分析

2.1高速填充

    當金屬液填充水平截面突然擴大的輪輻時，為了保持在該段的正常垂直升液速度，快速性極好的液面加壓控制系統(tǒng)將迫使金屬液以極快的速度流經冒口細徑段、分流錐的最小過流環(huán)面、輪輻的水平段，此時的速度可以達設定的垂直上升速度的100倍。這時輪輻內充滿空氣，高速填充的金屬液與空氣相互作用形成液、氣兩相流。繼續(xù)充型時，將把液、氣兩相流推向輪輞及內輪緣處。當金屬液溫度較低時，來不及排出其中的氣體而留在凝固的金屬中，形成大面積的縮孔、縮松，這就是為什么縮孔、縮松經常出現(xiàn)在金屬液溫度最低、最后充填的內輪緣及壁最薄的輪輞上的原因。

2.2組合閥

    為使組合閥快速性好，閥組過流面積按等比級數分布。為使閥在切換過程中對系統(tǒng)的沖擊很�。�即曲線鋸齒形波動很�。�，必須有幾個過流面積很小的閥，而過流面積越小的閥在使用中被切人流通面積中的概率越大。當送氣管路中灰塵、雜物較多時，很易把口徑小的閥孔阻塞住或把可上下滑動的閥芯卡死，造成該閥無法工作。此時計算機自動把大口徑的閥推入系統(tǒng)的調節(jié)中，造成壓力出現(xiàn)較大的波動（增大輪輞出現(xiàn)氣縮孔的可能）。組合閥快速性好，開關時間與壓力傳感器滯后時間相近，因而在電腦的屏幕上顯示不出這種壓力波動（快速性好則削弱由跟蹤曲線判斷系統(tǒng)故障能力），工人從熒光屏看到輪輞突然出現(xiàn)大面積縮孔、縮松得知這一問題，通過對組合閥及時清理，問題得以解決。

2.3偏距

    偏距越小的輪子（輪輻越靠近車輪中心面），金屬液填充鑄型時，當金屬液流經冒口沖向輪輻就會像瀑布一樣下沉到外輪緣處，沒有形成支承爐壓升高的液柱，控制系統(tǒng)沒有感知爐壓升高而進一步投人大口徑的閥向爐內供氣，結果金屬液以更大的速度流經冒口、分流錐、輪輻的水平段。這會把更多的輪輻中的空氣卷入液、氣兩相流中。隨著充型的繼續(xù)，將把高含氣量的液、氣兩相流推到輪輞及內輪緣處，進而造成該處的縮孔、縮松劇增。輪子的直徑越大，其質量也大，為了保持充型時液面的垂直上升速度（雖然不大），需要提供更多的鋁

液，因而金屬液流經輪輻的水平速度將更大，將有更多的氣體進入輪輞、內輪緣，將造成更多的鑄造缺陷，這是輪子越大、偏距越小生產起來就越困難的原因。

2.4過濾網

    當鑄件廢品率較高時增放一個泡沫過濾網后使廢品率得以降低的原因不是因為過濾網對金屬液過濾（除去更多的雜質）造成的，是因為不均勻的減速造成的。當金屬液的流量越小時，過濾片對流體的流動阻力小，其流速變化很�。ㄉ�液及輪輞填充段），當填充輪輻段時流速劇增，這時過濾片對流體的阻力劇增，迫使金屬液無法用高速填充，只能平穩(wěn)填充，因而液、氣兩相流中氣體含量降低，進入輪輞、內輪緣處的氣體減少，廢品率降低。

3  填充水平型腔及冒口段速度的控制

3.1車輪設計

    上面的分析可知，輪子的設計要使輪輻盡量與外輪緣平面靠近且平行（偏距大），這樣充型時可以減少或消滅金屬液像瀑布一樣從冒口處下沉到外輪緣。大大減少填充該段的水平速度，也就減少帶進輪輞、內輪緣的氣體，為減少廢品創(chuàng)造條件。

3.2比例調節(jié)器

    目前用比例調節(jié)器的液面加壓控制系統(tǒng)的廢品率比組合閥低些，但內輪緣及輪輞處仍然常出現(xiàn)縮孔、縮松。其原因是一味追求快速性好，因而無論是電動比例閥或帶噴嘴擋板的氣動比例閥的快速性雖然不如組合閥但其快速性也很好。快速性稍差一點的是帶電氣閥門定位器的氣動薄膜調節(jié)閥，為進一步減少快速性，去掉氣動薄膜調節(jié)閥上的電器閥門定位器．使之成為裸閥式比例調節(jié)器。1983年成功地用單個氣動薄膜調節(jié)閥組成的( CLP-I)型比例調節(jié)器去控制差壓鑄造的液面加壓，并在139廠運行20多年。2000年又成功地將塵封了17年的推挽式雙閥比例調節(jié)器應用在昆明5002廠的差壓鑄造液面加壓控制系統(tǒng)中，其型號為

（Cl。P-7）型。該系統(tǒng)在5002廠運行8年左右從未出現(xiàn)過故障，后來換成組合閥就不這樣了；廠家反映：前者是動態(tài)調節(jié)，充型平穩(wěn)；后者是階躍調解，不穩(wěn)定（實質是快速性的問題）。現(xiàn)在，沈陽盛京鑄造控制設備廠又把雙閥推挽式比例調節(jié)閥應用于（CLP-II）低壓鑄造液面加壓控制系統(tǒng)。

3.2.1系統(tǒng)結構

    該系統(tǒng)用觸摸屏作人機界面，由氣路和電路兩部分構成，各自獨立，用幾組航空插件相互連接組成。閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)由控制信號發(fā)生器、檢測坩堝內（爐體）壓力的傳感器、比較器、放大器、調節(jié)器、執(zhí)行器等部件組成，將其連接通道都集成在閥柱上。用一個恒壓閥穩(wěn)定外部波動的氣源壓力。設備有外界氣源壓力表顯示氣源壓力，系統(tǒng)可存儲20套工藝曲線，操作者可任意設置、修改、儲存、使用。

3.2.2工作原理

    預先按要求設置好生產鑄件的工藝曲線。推挽式壓力跟蹤系統(tǒng)跟隨控制信號對應的工藝曲線對坩堝（爐體）加壓，因采用閉環(huán)控制，當控制信號給定后，控制系統(tǒng)可排除各種干擾，按原給定的工藝參數完成對鑄件的澆注。

3.2.3系統(tǒng)特點

    本系統(tǒng)為快速性較差的比例調節(jié)器，在填充水平放置的輪輻時充型速度自動變慢有緩沖作用，削弱鋁液在輪輻內的噴射及飛濺，使該處不易產生液、氣兩相流進而為提高輪輞、內輪緣的內在品質提供可能。備有順序凝固和同時凝固的加壓方式，為進一步提高鑄件的內在品質提供可能。采用推挽式壓力跟蹤器控制，從結構上實現(xiàn)超調、過壓保護。

4  生產驗證

    用同一套模具，分別采用組合閥與比例閥(CLP-II)液面加壓控制系統(tǒng)生產同一型號車輪，做了大量試驗，并進行性能測試。在結果對比時，由于輪輻與法蘭部位的冷卻較多，為盡可能地避免其他因素的干擾，選取沒有冷卻的輪輞的性能結果進行對比，結果見表1（表中結果為平均值）。

    從表1中數據可知，采用比例閥液面加壓控制系統(tǒng)，輪輞伸長率提高了50%，強度略有減小。

5  結  語

    (l)液面加壓控制系統(tǒng)的快速性越好，對于有大平面（或橫澆道）處于水平位置的鑄件成形越不利，易造成內輪緣、輪輞處產生氣孔、縮孔，不適宜用組合閥來制作液面加壓控制系統(tǒng)。

(2)液面加壓控制系統(tǒng)快速性較差的比例調節(jié)器，既適用于有大平面（或橫澆道）處于水平位置的鑄件成形，也適用于沒有大平面處于水平位置的鑄件成形，是一種比組合閥更好的液面加壓控制系統(tǒng)。

6摘要

根據流體力學原理，揭示出液面加壓控制系統(tǒng)快速性越好，在填充水平面時，其速度高于液面上升的垂直速度的倍數就越大（可達100倍），因而在該處產生液、氣兩相流并向垂直部分推進，造成最后填充部位出現(xiàn)鑄造缺陷，故快速性差的比例調節(jié)器比快速性好的組合閥更適用于作低壓鑄造的液面加壓控制系統(tǒng)。