真空定量给汤机的研发设计

李树高

（广东科达洁能股份有限公司，广东佛山528313）

0 引言

近年来，我国在半固态金属成形技术研究领域取得了很大的进展，但在工业应用方面仍需要更进一步的提升，据了解，目前在汽车领域与通信领域对半固态挤压技术都有迫切的需求。然而，在半固态浆料制备方面，将金属浆料从保温炉取出到注入半固态装置的过程中，金属浆料洁净度和温度是半固态制浆成功的关键因素[1-6]。目前压铸行业通用的给汤机一般采用开口式汤勺，会将保温炉内铝液表层的氧化铝舀到汤勺内，极易造成夹渣的现象，从而影响半固态浆料的质量[7-8]。目前行业内普遍采用的解决办法是，加大铸件的排渣及加大铸件的料柄，只采用中间层的优质铝料，但该办法仍无法有效解决问题，容易造成浪费，增加产品成本。

广东科达洁能股份有限有限公司曾研发设计了一种闭式高洁净取注浆机[9-10]，但由于该样机结构庞大，汤罐材料易粘铝、取液位置有偏差导致取液量误差较大等原因，导致该机未能达到设定目标。为了更进一步解决该问题，在此基础上，本文提出了一种新的解决方案，重新设计了一种真空定量给汤机[11-12]。

1 新原理方案的提出

如图1、图2所示，在初始工作状态下，真空汤罐部件位于金属熔炼炉的上方。当开始工作时，真空汤罐部件的密封活塞打开，升降部件将真空汤罐部件往炉内移动，下降到一定位置后，真空发生器开始对汤罐进行抽真空，此时真空汤罐部件速度降为低速并继续向下运动，当汤罐的下端浸入金属液液面时，汤罐内部开始建立压力，当汤罐下端伸入金属液一定深度时，通过与汤罐内部连通的压力传感器进行测量，当达到设定的压力P1，系统判定已经浸入液面达到取浆位，汤罐停止下探。真空发生器（或真空泵）停止对汤罐抽真空，打开电磁阀，对汤罐进行卸压，将汲取的金属液进行部分排除，对称重传感器的数值进行清零处理，以消除因汤罐浸入金属液而产生的浮力，然后关上该电磁阀。继续对汤罐进行抽真空，此时由于罐外压力比罐内压力大，在大气压作用下将金属液往汤罐内压，汤罐内的金属液质量表现在称重传感器的输出数值上，当称重传感器（输出）读数达到设定取液质量m后，系统判定取液到量，停止抽真空，并瞬时用气缸推动活塞封闭汤罐罐。然后升降部件将汤罐提起，完成取液。然后XY轴机械臂将汤罐及金属液输送到喂液点。喂液时，用气缸将汤罐的密封活塞打开，并且打开汤罐卸压的电磁阀将闭式汤罐上部的真空破坏，使金属液释放到压铸机的压室内，为了控制金属液的释放速度，可以调整电磁阀前端的单向节流阀，调整气体流入汤罐内的速度，达到控制金属液释放速度的目的。

图1 真空定量给汤机结构示意图

图2 气动回路结构图

2 新原理方案简单验证试验

根据前述原理，我们在原闭式高洁净取注浆机[10]的基础上设计了一套简易的汤罐试验装置来展开系列研究试验。如图3、图4所示，我们在汤罐的下方放置了一台电子称以及一盆水，以模拟抽铝工况，另外在闭式汤罐上绑了一把钢直尺，以测量其探入液面的深度，汤罐侧面设置有观察窗口，以观察液体在汤罐内部的流动情况。在试验时，对汤罐进行抽真空，同时升降部件将闭式汤罐伸入水中，罐内产生负压，在真空压力传感器的压力检测到位之后，停止下探，停止抽真空，称重传感器清零。真空气动系统继续对闭式汤罐开始抽真空汲水，当抽水质量达到设定值之后，关闭闭式汤罐的阀芯，停止抽真空，然后将闭式汤罐往上提，离开水面为止，记录电子秤的数值以及称重传感器显示的数值，进行比较。

根据抽水试验数据（图5）来看，负压检测取液到位误差范围为0～7 mm，抽水的速度可控，抽水质量误差在±1.0%范围内，以上指标均达到方案设计要求。

3 样机方案设计及关键部件设计

图3 原理验证装置

图4 原理验证装置

图5 抽水试验数据

根据广东科达洁能股份有限公司开发的金属内腔挤压成形设备项目的需求以及与压铸行业内的生产节拍相比较，将真空定量给汤机的一次给汤周期设定为25 s，其整体方案如图6所示。该真空定量给汤机由XY轴机械臂、汤罐部件、气动系统、电气控制系统等四部分组成。其中，XY轴机械臂用于将汤罐部件从熔炉移动到浇口，汤罐部件实现铝液的汲取、盛装及保温，气动系统用于将铝液从熔炉内汲取到汤罐内，电气控制系统实现对铝液的定量控制及系统运行。

XY轴机械臂主要由立柱、横梁部件、平移滑座组件、升降直线模组等部分组成，如图7所示，只需要实现对汤罐在XY轴方向上的平稳输送，并符合配套压铸设备的生产节拍即可。根据前期的验证试验得知，汲取10 kg铝液需要的时间为8 s，放液时间为4 s，为此，XY机械臂的运行周期为10 s，负载的汤罐及10 kg铝液质量共80 kg，各零部件皆以此参数进行选型计算。另外，为了优化结构，我们主要对横梁的强度进行了校核，当负载分别在两端时，经过有限元分析，横梁的变形分别为1.20 mm、2.73 mm，如图8、图9所示，计算分析证明该变形并不影响整机的性能及精度。

图6 整体方案设计图

汤罐部件是整个设备的核心部件之一，包括连接座、气缸、密封垫1、导向铜套1、称重传感器、阀芯连接轴、导向铜套2、汤罐固定座、密封垫2、下法兰、阀芯汤罐等，如图10所示。它要求汤罐部件整体密闭性好，在高温、多烟尘污染环境下作业，尤其是汤罐及阀芯直接与铝液接触需要能承受700℃的高温；阀芯与汤罐之间的开、关动作顺畅，并在关闭阀芯后能够封住铝液不滴漏；汤罐内部不粘铝，在平移过程中不产生较大的热量损失。经过多轮反复试验，最终我们采用一种耐高温复合陶瓷材料经过特殊工艺方法制作汤罐及阀芯，该种材料不易被铝金属液浸润，具有耐高温、耐热冲击好、保温性好、强度高等优点。

作为一款合格的真空定量给汤机来说，取汤精度也是其核心要素之一，压铸行业的摆臂式给汤机的给汤精度普遍在±（1.5%～2.0%）之间，经过前期的试验数据分析，我们确定将其取汤精度控制在±1.0%以内。影响取汤精度的因素主要包括称重传感器自身的性能误差、取汤位置误差0～7 mm（前期试验数据）、电气控制系统的响应误差等，我们主要考虑前两种因素。根据模型，汤罐部分的质量约50 kg，鉴于称重传感器在满量程20%～80%范围内的线性度较好，误差较小，选用100 kg量程的称重传感器，C3等级，综合误差为±0.02%FS，称重传感器自身误差带来的质量误差为△m1=100×（±0.02%FS）=±0.02 kg。

图8 横梁变形有限元分析

图9 横梁变形有限元分析

闭式汤罐取汤位置与取汤精度的影响：结合原理图11来看，由于采用的是闭式汤罐底部伸入液面系统判断到位后，称重传感器输出（读数）置0，然后再抽取质量m的铝液的称量方式，因此闭式汤罐探入液面深度的误差精度影响为△m2=ρ×V=ρ×πd2×△h/4。其中：△h=7 mm，ρ=2.6 g/cm3。假设取液质量为3 kg，其精度±1.0%计算，其允许的误差质量为△m=±0.03 kg，则罐口直径d=［（△m2-△m1）/（ρπ△h）］1/2≈3.74 cm=37.4 mm。即汤罐的阀口直径应该小于37.4 mm，我们取d=30 mm。

图10 汤罐部件

图11 闭式汤罐取汤位置原理图

图12 简易炉盖

4 样机应用改进

随着真空定量给汤机样机的研制完成，我们立即在广东科达洁能股份有限有限公司研制的金属内腔挤压成形机上投入使用。在使用过程中不断持续改进，并经过总结使用经验，对现场的保温炉进行了改造，在作业时增加一个只留出取液口的简易炉盖（图12），可以降低散热，减小熔炉能耗。经过对设备的长期测试，我们发现，采用该真空定量给汤机所取的铝液中氧化铝等杂质大幅减少。

5 结语

综上所述，真空定量给汤机是一种新型的给汤设备，它采用的是熔池液面之下吸入铝液，能够摒除熔池表层氧化物，铝液通过罐内外压差而进入陶瓷汤罐，不卷入空气，在铝液输送到浇口的过程中与空气也不接触，不产生新的氧化物。汤罐为耐高温复合陶瓷材料，输送过程中铝液温度损失小，而且取液质量精度高，能够使压铸件产品的质量得到进一步提升，更可以缩小熔炉的敞开面积，降低散热，减小熔炉的能耗，这对于行业来说非常具有推广价值。