镁合金正被广泛应用于航空、航天、汽车、电子以及消费品工业中的各种结构件。目前镁合金铸件多采用压铸、半固态铸造、挤压铸造以及低压铸造等方法进行生产。低压铸造由于其充型过程的平稳性以及优良的凝固补缩性能，被广泛用于形状复杂、质量要求高、壁厚不均匀的镁合金铸件生产中，如汽车发动机缸体缸盖、导弹壳体、涡轮增压器叶轮、汽车轮毂、纺织机械等重要铸件的成形，是获得优质镁合金铸件的最优方法之一。
目前国内镁合金低压铸造装备多适台于单件小批量铸件的生产，无法用于大批量的连续化生产。在镁合金铸件连续低压铸造生产时，不仅要求设备的熔化量大，而且在每次浇注循环间隔中，需对升液管内的合金液面进行悬浮控制，以减少由于合金液面在升液管内的往复上下冲刷而造成铸件的氧化夹杂，提高镁合金铸件的内在质量。镁合金低压铸造多采用气体保护方法实现阻燃，保护气体的引入对液面加压控制系统的控制精度和抗干扰能力提出更高要求。为此，本工作针对镁合金铸件连续化生产技术的要求，研制了可用于连续化生产的镁合金低压铸造装备。
1 双工位低压铸造装备硬件系统
该镁合金设各采用坩埚加压方式实现低压铸造，单台镁合金低压铸造设备的结构如图1所示，主要由熔化炉、坩埚、坩埚盖、保温套、台车、导向柱、升降油缸、推拉油缸等组成。熔化炉功率为85 kW，放置在台车上。坩埚容量为300 kg镁合金液，在坩埚的上端面设计有密封槽，坩埚与坩锅盖之间采用T型螺栓锁紧密封。在坩埚盖上设计有压缩空气的进排气口、保护气体进气口以及压力信号采集口。在坩埚盏的项部设计了保温套加热装置，主要用于实现对升液管的加热。避免铸件在浇注过程中出现升液管冻结现象。其采用碳化硅成型烧结炉膛，功率为5 kW，具有加热效率高、运行可靠的特点。保温套的上端面设计有放置升液管的法兰孔。台车放置在导轨上，在升降油缸和4根导向柱的作用下，可实现熔化炉的垂直上升与下降运动，在推拉油缸的作用下，可实现熔化炉的水平移动。
图1 单台镁合金低压铸造设备实体图
为保证镁合金铸件生产的连续性，采用了两台镁合金低压铸造设备，在两台设备之间设置了铸型工作平台，作为浇注工位，用于放置、固定铸型。在正常工作时，其中一台熔化炉内镁合金熔化处理好后，盖上坩埚盖，通过台车的移动和升降，实现熔化炉与铸型工作平台之间的对接密封，进行低压铸造生产。当坩埚内的合金液浇注完后，移动另外一台熔化炉到工作台继续浇注，从而实现低压铸造设备的双工位连续性生产。此外由于台车与铸型工作平台对接后，平台的中心孔要与坩埚盖同轴，必须采用限位机构对台车的行走位置及升降位置进行严格控制。
在镁合金的阻燃保护上，采用了自主开发的镁合金低压铸造专用混气系统，该混气系统装置可实现干燥空气、SF6及C023种气体的按比例混合，并针对镁合金低压铸造的特点，提供常压熔炼、浇注过程保护、泄露保护三路出口。
2 液面悬浮控制技术原理及实现
2.1 液面悬浮控制原理
镁合金低压铸造连续化生产时，浇注的零件绝大多数是中小型铸件，每次浇注铸件所用合金液量小。通常条件下，低压铸造在浇注完成后对卸压阶段的排气速度不进行控制，浇注系统及升液管内残留的镁合金液会迅速回流，在升液管内产生氧化皮，并会在下一次浇注过程中被金属液带入铸型，在铸件中形成氧化夹杂等铸造缺陷。此外，升液管内的镁合金液无法采用气体保护阻燃，其反复冲刷升液管，会在升液管内壁上产生许多燃点，为铸件的连续生产埋下安全隐患。考虑上述因素，在镁合金低压铸造连续化生产中采用了液面悬浮控制技术。
镁合金液面悬浮是指在镁合金低压铸造时，控制升液管内镁合金液面高度，使镁合金液面悬浮在升液管管口处，浇注时镁合金液直接从升液管管口进入铸型型腔，浇注完成后，控制坩埚内的压力，使浇注系统中未凝固的镁合金液缓慢回流，并使金属液面保持在升液管口处，等待下一次的浇注。为此需要对每次浇注完成后坩埚内的压力进行精确控制，实现镁合金液面在升液管口处的悬浮。
镁合金液面悬浮控制的示意如图2所示。ho为预留的悬浮安全高度，日为浇注单件镁合金铸件所造成的坩埚内金属液面的下降高度。为实现液面的精确悬浮控制，需要在低压浇注第1件时在升液管口处放置一个触点信号，当金属液沿升液管上升时导通触点信号，计算机控制系统自动记录下触点信号导通时坩埚内的实际压力值Pno镁合金低压铸造用坩埚为直筒型，其半径为r，底部半球形为存渣部分。已知铸件的质量为M浇注单件后对应坩埚内金属液面的下降高度H为：
H＝M/ρπγ2 (1)
式中，ρ——镁合金液密度。
根据帕斯卡原理，则低压铸造浇注时需要的悬浮压力为：
式中：n——浇注的铸件个数，n=1，2，3......；
ho——安全悬浮高度，通常取ho=20 mm。
由式(2)可知，只需要知道浇注铸件质量M、浇注次数n、初始悬浮压力值Po以及坩埚的内径r，就可以对每次浇注后的金属液面高度进行悬浮控制了。
图2 液面悬浮示意图
2.2 液面悬浮控制技术的实现
2.2.1 液面悬浮气控系统
为实现液面悬浮控制，在常规低压铸造气控系统的排气支路上并联了一路悬浮电磁阀排气支路，用于液面悬浮阶段的压力调节控制，气控系统原理如图3所示。在低压铸造结晶保压阶段完成后，先用电控气动球阀进行快速排气，在接近悬浮压力时，采用悬浮电磁阀进行排气。在整个悬浮过程中，当坩埚内压力低于设定悬浮压力时，由数字组合阀向坩埚内补气；当坩埚内压力高于设定悬浮压力时，由悬浮电磁阀向外排气，从而保证镁合金液面始终悬浮于升液管口处。
图3 液面悬浮气控系统原理图
由于采用坩埚加压方式，坩埚内的空间小，即使坩埚内气体压力调节变化很小，也会造成较大的金属液面波动，为此在坩埚进气管路上串联了一个0.3 m3的储气罐，起到缓冲作用，并可提高压力调节的稳定性。
2.2.2 液面悬浮控制软件的设置
在自主开发的控制软件中，除正常低压铸造工艺所需的工艺参数外，还增加了铸件质量和铸件数量2个工艺参数。低压铸造前，需要输入所浇注的铸件质量，控制软件会根据式(2)将铸件质量参数自动换算成每一浇注循环后所需的悬浮压力增量，并根据触点信号导通时记录的压力值和已完成的浇注次数，确定第一次浇注完成后所需的实际悬浮压力值。铸件数量参数仅用于对浇注循环次数进行记录。
此外，在控制软件中对浇注完成后的排气阶段增加了一个条件判断。当坩埚内的气体压力与需要悬浮压力之间差值大于3 kPa时，采用电控气动球阀排气，达到快速排气的目的；当差值小于等于3 kPa时，则关闭电控气动球阀，采用悬浮电磁阀进行排气，以减少排气量使金属液缓慢下落至所需的悬浮高度。此外，还设置了液面悬浮高度微量调整选项，可根据实际情况，对液面悬浮高度进行微量调整，避免累积误差对液面悬浮高度造成较大影响。
3 高精度压力控制技术
3.1 模糊PID复合控制器的原理及设计
控制软件所采用的控制器是影响低压铸造压力控制精度及液面悬浮控制精度与稳定性的关键技术。目前的控制软件中主要采用PID控制，其控制简单、稳定性、可靠性高，但压差控制精度差、阶跃信号超调量大以及适应性差。模糊控制不需要建立被控对象的精确数学模型，具有鲁棒性强、上升时间短及超调量小等优点，但模糊控制并不能消除静态误差。为结合PID控制器和模糊控制器的相互优点，本研究研制了一种新型模糊PID复合控制器。
模糊PID复合控制器的控制原理如图4所示。系统误差e(k)为k时刻设定压差值减去实际压差值，eo为设定的PID控制器与模糊控制器的切换临界点。根据经验可取eo=0.25 kPa，当|e|≥eo时，采用模糊控制器控制，以减少压差超调保证动态性能；当|e|＜eo时，切换为PID控制，消除静差保证稳态精度。此外，为保证系统输出的连续性，当在两种控制器之间进行切换时，控制器的输出必须相等。
图4 模糊PID复合控制器的原理框图
3.1.1 PID控制器
PID控制器采用如下增量式算法，计算控制输出量△μ(k)：
△μ(k)＝μ(k)－μ(k－1)＝
Kp△e(k)＋KIe(k)+KD[△e(k)－△e(k－1)] (3)
其中，KP、KI、KD分别为比例、积分、微分项系数，在本控制系统中KP=14，KI=4，KD=0.08。
3.1.2 模糊控制器
模糊控制器以偏差e(k)及偏差变化率ce(k)作为输入变量，以数字组合阀的开度控制量μ(k)作为输出变量。模糊控制器分为模糊化、模糊控制规则表以及反模糊化3个部分。
(1)模糊化及隶属度函数
e(k)和ce(k)的论域分别取为[-1，1]、[-3，3]。系统输入的实际值P(的和ce(k)需要按一定的转换比例转化为：E＝αe e(k)和Ec=αec ce(k)，其输入量比例因子分别为：αe=6和aec=2。误差E、误差变化匠和控制输出量△μ模糊子集取7个语言变量，为(NB、NM、NS、ZR、PS、PM、PB)(分别表示：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大)，其三角形隶属度函数如图5所示。
图5 E、Ec、△μ的隶属度函数
(2)模糊控制规则
采用广泛使用的If-Then语句，共有25条：
If E＝NB and Ec=NB or NM or NS or ZR
Then μ=PB；
If E=NB and Ec=PS
Then μ=PM；
具体的模糊控制规则如表1所示。
表1 模糊推理规则表
(3)反模糊化
反模糊化是将模糊推理接口的模糊化结果转变成可用于被执行机构所实现的精确量。反模糊化的方法很多，如最大隶属度法、取中位数法、加权平均法等。本研究采用加权平均法，模糊控制输出值可由下式计算：
其中i为控制规则数。
对于得到的输出解模糊化值μfz(k)，需要乘以比例因子才能得到实际的控制量输出值μ(k)=αμμfz(k)，其中输出比例因子αμ=2。根据上述推理可得模糊查询表。从模糊查询表中读取的值乘以比例因子αμ后，累加到最终的控制量上去，从而实现对组合阀开度的控制。
3.2 液面加压控制系统的应用
在研制的反重力液面加压控制系统中，下位机采用Siemens S7-200 PLC作为现场数据处理与执行机构的主要设备，上位机采用研华UNO-2170工业计算机，通过RS485接口与PLC相连，采用面向对象的Delphi语言编写控制软件。
镁合金低压铸造时采用混合保护气体结合压缩干燥空气作为联合加压气体，实现浇注过程的压力控制和合金阻燃保护，即在合金液处理好并准备浇注时，同时向坩埚内通入混合保护气体和干燥压缩空气，混合保护气体主要起阻燃作用，压缩空气作为调节压力的气体，混合气体的进口压力要高于结晶保压压力0.5 kPa，由控制系统实现坩埚内压力的精确调节，完成镁合金低压铸造。在低压铸造过程中，由于SF6的密度较大，会沉积在坩埚内的镁液表面，起到保护作用。
在充型阶段，虽然压缩空气的迸气量较大，镁液表面的SF6易被空气介质吹散，发生混气现象，但由于混合气体通道的进口压力较高，可保证镁液表面SF6的含量高于0.2％-0.3％的要求，得到较好的阻燃效果。经多次冷态调试和上百次实际浇注件运行证明，液面加压控制系统的压力控制精度无论是在充型阶段还是结晶保压阶段，都能保证控制精度误差在0.5 kPa以内。在实现镁合金液面在升液管口处的悬浮控制中，液面悬浮误差不大于0.5 kPa，液面波动小于0.2 kPa。模糊PID复合控制器的研制，不仅继承了常规PID控制无静差、静态稳定性好的特点，同时又兼有模糊控制适应能力强的优势，适合非线性的反重力铸造过程控制，有效提高了系统的压差控制精度和抗干扰性。液面悬浮技术的应用，不仅减少了金属液在升液管内上升与下降的频率，降低了造成氧化夹杂等铸造缺陷的可能性，而且还缩短了铸型浇注时间，提高了生产效率。
该装备自研制成功以来，在国内某铸造研究所已投入生产运行1年多时间。利用该装备进行了镁合金铸件的低压铸造连续生产，实现了镁合金轮毂及进气歧管等中小型镁合金铸件的批量生产，并获得了很好的经济效益。
4 结束语
1)采用镁合金低压铸造设备的双工位结构设计，通过台车的移动与升降，可以实现两台设备之间的切换，从而保证镁合金铸件的连续化生产。
2)在液面加压控制系统中采用液面悬浮技术，可实现镁合金液面在升液管口的精确悬浮控制，有效降低铸件中的氧化夹杂缺陷，提高生产效率。
3)研制开发的模糊PID复合控制算法，可实现镁合金低压铸造过程的精确控制，压力控制误差在0.5kPa以内。
核心关注：拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的ERP管理思想，集成了ERP软件业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
本文标题：镁合金低压铸造连续化生产技术的研究
相关文章
