JY4 000 t精密挤压铸造机研发设计

郑桂云，葛树志

（中建投（绍兴）机械科技有限公司，浙江绍兴 312000）

公司现有的JY400 t，JY800 t精密挤压机不能满足副车架，电池包等大型铸件的需求，为了扩大产能，适应市场需求研发设计了JY4 000 t精密挤压铸造机。

1 JY4 000 t精密挤压铸造机结构

JY4 000 t精密挤压铸造机由八大部分组成，分别是注料部分，合型部分，顶出部分，压射部分，液压部分，护门部分，操作平台部分，电气部分。其生产过程为：首先合型部分进行合型，然后闭锁模具，注料部分把铝液充进模具型腔，压射部分推动冲头前进挤压铝液进行第一次挤压，设定时间到顶出部分做二次挤压，冷却一定时间后合型部分开模，开模到位，顶出部分顶出铸件，取出铸件，压射回程。设备的最大特点是整个铸造过程中可以对铸件进行二次挤压，铸件无缩孔、缩松等缺陷，组织细密，力学性能高于其他铸造方法。设备的整体结构如图1所示。

图1 JY4 000 t精密挤压铸造机整机结构图

2 JY4 000 t精密挤压铸造机主要参数设计

JY4 000 t精密挤压铸造机主要参数如表1所示。该设备设计的最大合型力为40 000 kN，最大压射力为185 t，最大装模厚度为2 200 mm，最小装模厚度为900 mm.

表1 JY4 000 t精密挤压机主要参数

2.1 压射系统的主要参数设计

已知压射力：F=1 850 kN，工作压力：PN=25 MPa，最高允许压力 Pmax，Pmax≤1.2 PN，Pmax=30 MPa.

2.1.1 压射缸直径计算

根据 F=（π/4）D2·P，

1 850 000=0.785×D2×25×1 000 000，得出D=307 mm，取 D=310 mm.

式中：D—压射缸直径，单位mm.

2.1.2 活塞杆直径d（单位mm）的计算

对于双作用单边活塞杆液压缸，活塞杆直径：

式中：ψ—速比，查表取1.85，得出d=210 mm.

2.1.3 压射缸壁厚δ

由于 δ/D=0.08～0.3，压射缸缸筒壁厚 δ≥Pmax×D（/2.3σp-3Pma）x，压射缸材料45钢，许用应力：

σp=σb/n

式中：σb—材料的抗拉强度：σb=600 MPa；

n—安全系数，通常取n=5，

许用应力σp=600/5=120 MPa，

所以 δ≥Pmax×D（/2.3σp-3Pma）x=30×310（/2.3×120-3×30）=50 mm，压射缸法兰固定采用卡环结构，卡环深15 mm，故压射缸壁厚取65 mm，压射缸外径D1=310+65×2=440 mm.

2.1.4 压射行程

由于设计的挤压机特殊的进料方式，压射行程比标准的挤压机行程短，故取L=800 mm；

2.1.5 压射缸进油比例阀的选择

设计压射速度vmax=0.8 m/s，压射缸单位时间所需最大流量 Vmax，Vmax=π/4×D21×v×60=0.785×3.12×8×60=3 620 L/min，根据此流量选择压射缸进油比例阀规格，查询派克样本，比例阀通径流量对应关系见表2.

根据派克比例阀流量选63 mm通径的插件才能满足最大速度要求，由于比例阀大了，而低速封口段最低速度为0～0.1 m/s，此时的流量Vmin=π/4×根据力士乐比例阀样本（见表3），选取通径为25 mm的比例阀，以达到低速封口段要求。

表2 派克比例阀流量表

表3 力士乐比例阀流量表

2.2 压射蓄能器体积的确定

压射过程中需要用到的蓄能器里有效油的体积：

蓄能器总体积V0：

式中：P2—最高工作压力，定为14 MPa；

P1—最低工作压力，MPa.

挤压机蓄能器工作时，系统稳定性要求比较高，但因为系统有增压，为了减少蓄能器的体积，所以加大允许压力降到15%，P1=P2（1-15%）=14×85%=11.9 MPa；

P0为充气压力，为塞式蓄能器在压射系统中做辅助动力源，充气压力一般取0.8～0.9 P1，P0=0.8×11.9=9.52 MPa.

以上压力均为绝对压力，相应的气体体积分别为 V0，V1，V2；指数 n，绝热过程 n=1.4，（对氮气），则1/n=0.715，VW为有效工作容积，L，VW=V1-V2，

蓄能器总容积取600 L，活塞蓄能器取2个100 L，和4个100 L气瓶。

增压蓄能器泵站的高压储存在蓄能器里，最高工作压力Pmax= 25 MPa，根据：

式中△V2—压射缸内增压压缩的液压油体积变化，

Vw—压射缸中液压油的体积Vw=60 L，

△P—压力变化量，P=Pmax-P1=25-11.9=13.1MPa；

K—液压油体积压缩系数，K=（5～7）×10-10m2/N；

△V2=△P·Vw/E=13.1×106×60×10-9/1.6=0.49L.

增压蓄能器最高压力P2max=25 MPa，压力降10%，P21=25×0.9=22.5 MPa，充气压力 P20=22.5×0.9=20 MPa，根据蓄能器体积计算公式可得增压蓄能器体积V20=7 L，增压选10 L的耐压30 MPa的蓄能器。

压射部分装配图如图2所示，压射部分液压原理图如图3所示。

图2 压射部分装配图

图3 中合模到位后，合模发讯给V614，一快阀得电，同时S606得电，压力油进入压射缸，下挤压头前进，实现封口后对模具型腔内的铝液进行挤压。冷却时间到S720得电，下挤压头返回，当需要快速时，V613得电，二快阀得电，下挤压头快速前进进行挤压。按下高压按钮，S617，S619打开，分别给增压蓄能器和压射蓄能器充油。

2.3 合型部分的技术参数确定

已知最大工作压力Pmax=25 MPa，最大合型力F合=4 000 t.

由于中间加上挤压顶出缸，中间预留空间大，选4缸结构，缸径尺寸的确定：

合型缸杆径d=660mm.回程速度V回=0.09m/s，机器的整个动作过程中合型时需要的流量最大，但靠的是上面的油箱，由充液阀供油，而回程时完全是靠泵供油，故泵的参数以回程时需要的流量为准，回程的最大流量：

伺服泵控系统81.4 kW意大利菲斯电机+125/125美国SUNNY双联高压齿轮泵+90 kW深圳麦格米特，伺服电机转数设为2 000 r/min，两台伺服泵最大流量（125+125）×2000/1000×2=1000 L/min，满足速度要求。

合型部分与以往设计不同的是，顶出缸顶出力加大，顶出缸除了具有顶出功能之外，还具备二次挤压功能，标准机型顶出力为100 t左右，这次设计的顶出力加大到178 t，以方便对铸件实现二次挤压，挤压速度，挤压力可以在屏幕上设定，实现精准二次挤压。

图3 压射部分液压原理图

双重挤压铸造工艺如图4所示。

下挤压冲头将熔杯中的液态金属推入已密闭的模具中，并持续保压，这称为第一次挤压，上模中上挤压头预留一定的压下量（h），然后上挤压头再下行施以高压，即对半凝固和已凝固的铸件进行第二次挤压，直至将铸件压实或完全凝固。由于实施了直接挤压和间接挤压两种工艺形成的挤压结合，因此实现了两种工艺的互补，可铸造形状复杂的铸件，铸件致密性好，尺寸精度高，表面光洁度高，再加上抽真空系统的配合，铸件可进行固溶强化热处理，铸件的各项指标性能得到很大提高，此设备的研制成功，专门用于生产性能要求高，不容易成型的高端压铸件。

3 JY4 000 t精密挤压铸造机特点与适用性

与通用铸造机相比研制的JY4 000 t挤压铸造机可以生产出更多形状和更高品质的产品。设备能够精确控制冲头压射速度曲线，速度控制精准，配以抽真空配合，加上二次挤压，生产出的铸件能进行固溶热处理，如生产的高铁支架，材料是ZL115，处理后的性能指标经检测机构检测抗拉强度为324 MPa，延伸率为11%，满足高性能铸件的要求，检测报告如图5所示。

图4 双重挤压铸造工艺示意图

4 结论

JY4 000 t精密挤压铸造机和现有的挤压铸造机相比，压射系统固定在于模具下方（含挤压料筒和挤压活塞等），充型结束后下挤压头进行压射，闭模浇注，节省了时间，改善了浇注后的液态金属品质，压射系统使用高性能比例阀，高压蓄能器，使压射速度可实现十段无级调速，其压射力可在50μs时间内达最大值，再加上二次挤压，参数稳定，可实现全过程自动，使用了以工业控制计算实现闭环电路控制系统，可以实现设备的间接挤压、直接挤压、双重挤压铸造的全过程以及其周边设备（喷涂机，料饼切断机，取件机器人等）的自动化生产，可以优选并储存100多副模具 （零件）的最佳工艺参数，确保每副模具生产时，工艺参数稳定。与通用挤压铸造机相比，先进的挤压铸造机可以生产出更多形状和更高品质的产品。如生产的高档挤压铸件，如大型汽车铝轮毂、复杂发动机箱体、高受力转向节及汽车用大型十字梁，电池包，电机壳等都是通用挤压机做不出来的。

图5 高铁支架检测报告