壓鑄模型芯針冷卻控制裝置的開發與應用

趙蕓蕓,董軍剛,萬 里

(1武漢工程大學機電工程學院,湖北 武漢 430073;2華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室,湖北 武漢 430074)

壓力鑄造成形是一種先進高效的制造成形技術,在汽車、通訊、家電等行業獲得廣泛應用.近年來,隨著全球對節能減排、產品輕量化技術的大力開發和重視,壓鑄件結構越來越復雜,尺寸越來越大,精度越來越高.因此大型復雜精密壓鑄件的生產技術已成為國內壓鑄企業的一個新挑戰.

壓鑄生產中,模具溫度對鑄件質量有很大影響,是必須要控制的重要參數之一.壓鑄模的模溫控制通常采取水冷方式[1].雖然國內外對壓鑄模具冷卻有較多的探討[2-4],但對于大型復雜壓鑄模中細小芯針的冷卻方法卻缺乏研究.因此,筆者開發了一種基于高壓循環水冷卻+風冷的壓鑄模型芯針冷卻控制裝置,并對此應用效果進行了測試.

1 壓鑄模型芯針冷卻控制系統的工作原理

壓鑄模型芯針冷卻控制裝置的工作原理如圖1所示.該控制裝置包括制冷系統、高壓循環水冷卻系統和吹氣冷卻系統.主要工作過程如下.

1)制冷原理.壓縮機9、冷凝器10、制冷劑儲液器11、壓力調節器12、干燥過濾器13、蒸發器14等部件構成一個完整的制冷循環通路.當水箱中的冷卻水溫度超過設定溫度時,制冷通道中的制冷劑R22經由壓縮機9形成高溫高壓氣態狀,流經設置在裝置頂端的冷凝器10進行冷卻(由強制流動的空氣冷卻)后,形成常溫高壓液態狀.冷凝后的制冷劑液體通過干燥過濾器13,除去混入系統中的水分與雜質,再由膨脹閥或毛細管(壓力調節器12)形成低壓低溫氣態制冷劑.這種低壓氣態制冷劑進入設置在水箱1中的蒸發器14后即開始進行吸熱工作(即制冷),從而將水箱中的高溫水冷卻至預定溫度.制冷劑蒸發吸熱后又由壓縮機吸入,再開始下一個制冷循環.當水箱中冷卻水的溫度達到合適的設定溫度時,制冷系統自動停止.

2)循環水冷卻原理.在正常壓鑄生產中,由于高溫鋁液和模具不斷的熱交換,模具溫度會不斷升高,模具上型芯針部位的溫度非常高,因此要對型芯針部位進行冷卻.水箱1、高壓輸送泵2、單向閥3、出水電磁閥4、節流閥5、截止閥6及8、壓鑄模7、進出水管道27及26組成一個完整的循環水冷卻通路.冷卻水流經型芯針內部通道時與型芯針進行連續熱交換,從而使型芯針部位的溫度降低.

3)吹氣冷卻原理.由于型芯針內的冷卻管道直徑僅有1～2 mm,且模具溫度在100℃以上,冷卻水在里面極易氣化形成氣阻,導致冷卻水很難進入管道內,從而極大影響冷卻效果,所以采用吹氣方法將殘留的水蒸氣吹出,以保證冷卻管道的暢通.空氣壓縮機18、截止閥 19及6、氣動三聯件 20、電磁閥21、單向閥22、進出水管道27及26、水箱1構成一個完整的吹氣冷卻通道.

圖1 型芯針冷卻控制裝置工作原理圖

2 壓鑄模型芯針冷卻控制裝置的設計

筆者設計的壓鑄模型芯針冷卻控制裝置包括電氣控制系統、制冷控制系統、循環水冷卻系統和吹氣冷卻系統.工作方式設有手動和自動模式.圖2為自動模式的順序流程圖.

圖2 自動模式工作流程

3 壓鑄模型芯針冷卻裝置的效果評價

3.1 試驗基本參數

圖3為某轎車底盤后副車架三維實體圖,外形尺寸1078 mm×367 mm×156 mm,鑄件重量6.5 kg.該件為汽車底盤中的重要保安零件,內部質量及力學性能要求高,其本體抗拉強度≥240 MPa,屈服強度≥145 MPa,伸長率≥6%.

3.2 試驗所用模具裝置

后副車架細小針孔分布見圖3,定模上型芯針的分布見圖4.型芯針內部冷卻通道直徑1.8 mm.

3.3 實驗結果及分析

實驗中,設置了三組試驗:第一組為不使用型芯針冷卻控制裝置;第二組為設置型芯針冷卻控制裝置處于手動狀態;第三組為設置型芯針冷卻控制裝置處于自動狀態.在這三組實驗中,使用熱成像儀捕捉開模后后副車架定模上芯針溫度分布情況,通過三組試驗的數據對比,來評價型芯針冷卻控制裝置的冷卻效果.圖5為不使用型芯針冷卻裝置時定模型針的溫度分布圖.圖6為使用手動模式時的溫度分布圖.圖7為使用自動模式時的溫度分布圖.

由圖5可以看出,在不使用型芯針冷卻裝置時,型芯針及其周圍的溫度波動范圍比較大,由圖中的溫度坐標值可以看出,最低溫度為111.9℃,最高溫度為327.0℃,溫度波動范圍為170℃～190℃.

由圖6可知,當設為手動模式時,型芯針及其周邊的溫度下降很明顯,最低溫度為77.2℃,最高溫度為181.5℃.溫度波動范圍為65℃～90℃.

由圖7可知,當設為自動模式時,型芯針及其周圍的溫度雖然也有所下降,但下降幅度沒有手動模式明顯.模具最低溫度為 62.2℃,最高溫度為295.1℃,溫度波動范圍為190℃～220℃.

圖8別顯示了在三種模式下位置1芯針的溫度分布對比圖.位置 1在不冷卻時溫度為210℃～225℃,自動冷卻時溫度為100℃～125℃,手動冷卻為75℃～115℃.雖然自動模式和手動模式都能使芯針溫度降低,但降低幅度不一樣,這是由于手動模式時,每一個壓鑄周期中冷卻循環水始終處于運行狀態,而自動模式時只是在壓鑄周期的開合模期間運行.顯然,芯針的溫度并不是越低越好.當溫度過低時,鑄件針孔及周邊部位易出現比較嚴重的冷隔缺陷.

X光檢測結果表明,當沒有冷卻時,型芯針底部及側壁和右上角部位的圓孔孔壁等處有明顯的縮孔缺陷;而在手動冷卻模式下,由于芯針溫度下降,上述兩處的縮孔情況有了明顯改善,但仍有輕微縮裂;在自動冷卻模式下,縮孔則完全消除.

4 結束語

在大型復雜壓鑄件的技術開發及生產中,模具溫度的控制是不能忽視的重要工藝參數之一.筆者開發的基于高壓冷卻循環水的壓鑄模用型芯針冷卻控制裝置,對偏長、直徑較小的型芯針有良好的冷卻效果,可有效降低鑄件型芯針底部的縮孔/縮松缺陷的產生,提高了鑄件內部質量.

[1]Henry Hu,Fang Chen,Xiang Chen.Effect of cooling water flow rates on local temperatures and heat transfer of casting dies[J].Journal of Materials Processing Technology,2004(148):57-67.

[2]Nguyen t,Wang L,Rohan P,etc.Recent innovative developments in die casting research[C]∥.Proceedings of 10 Asian Foundry Congress.Nagoya,Japan,2008:21-24.

[3]史宇翔.一種壓鑄模具冷卻裝置.實用新型專利[P].專利號:200820235074,2008,12.

[4]張百在,萬 里,董軍剛,等.一種壓鑄模型芯針的冷卻控制方法及裝置[P].中國專利,專利申請號:2010101202430.