自動真空澆注機的研究與開發

2013-08-22 07:35:08王杰，鄭勐

制造業自動化 2013年24期

王杰，鄭勐

（西安理工大學工程訓練中心，西安 710054）

0 引言

真空澆注成型工藝是根據成型模具材料或零件材料的固化要求，將材料按一定比例混合后進入容器，然后將容器放入到真空澆注機中，抽真空，充分攪拌混合材料后，將其澆注到模架或模具中，待固化后成型出模具或產品零件。真空澆注成型技術可廣泛用于汽車、家電、輕工、醫療、農業機械、軍工等行業新產品的研發、產品試制或小批量零件生產，使用該技術可縮短企業新產品的研發周期，提高企業競爭力。

真空澆注成型技術誕生于20世紀80年代[1]，此后我國引進了真空澆注機。近10多年來，我國通過自主研發，生產的真空澆注機不但能滿足國內需求，且有出口。國產的真空澆注機價格便宜，但普遍存在著機械化、自動化程度低的問題，真空澆注成型工藝的一些工序還是手動完成，如材料的混合、材料量的控制用量杯，這對于小零件的成型有較大影響。為提高產品質量和生產效益，企業迫切需要性價比高的自動真空澆注機。由于進口的自動真空澆注機價格昂貴，使得一般的中小企業望而卻步，國內也有少數企業研制自動真空澆注機，但多為大型設備。因此，研制出符合我國實際的性能好、價格低，滿足廣大中小企業及科研院所需求的自動真空澆注機具有重要意義。

圖1 自動真空澆注機結構原理簡圖

1 自動真空澆注機的結構及工作原理

自動真空澆注機是集機械、電工、電子、真空、計量、化工、鑄造等技術為一體的設備，其結構較復雜，對技術的要求也較高。圖1為自動真空澆注機結構原理簡圖，主要由計量部件、混合部件、攪拌部件、灌注部件組成。圖中粗實線為澆鑄材料管線；虛線為真空管線；雙點畫線為壓縮空氣管線。工作過程為：真空泵開啟，料罐和灌注倉抽真空，同時按需要準備A、B料，并用料管連接放料的容器與對應料罐的料閥。待抽好真空后，將料閥打開，A、B料進入相應的料罐，送料結束后，關閉閥門，攪拌器開始工作。攪拌完成后，計量單向閥氣缸動作，閥門打開，開始進料，伺服電機開始工作，滾珠絲杠做回轉運動，絲杠螺母帶動計量杠桿運動，使柱塞及計量單向閥氣缸上移，以便形成盛料的空腔。待料充滿空腔，計量單向閥氣缸動作，閥門關閉，伺服電機帶動柱塞及計量單向閥氣缸下移，壓迫進入到計量缸底部的料，形成壓力，打開出料閥，出料。至此，計量泵完成一次計量，重復攪拌完成后的一系列動作，直到達到澆鑄所需的量。從計量泵出來的兩種料經過混合器混合進入灌注倉里的灌注頭。灌注頭下降氣缸動作，灌注頭下降，灌注頭開啟氣缸動作，開始澆鑄。澆鑄完成后，灌注倉破真空，取件。如開始新的澆鑄，繼續以上過程，如不再澆鑄，則清洗料罐、計量缸、混合器及灌注頭，整個工作結束。

2 計量泵的設計

計量裝置的作用是使混合的單組分物料以精確的流量和比例輸入到混合裝置。計量精度直接影響著制品的質量，這就要求計量裝置具有一定的計量精度，計量精度靠計量裝置的制造精度和流量調節精度來保證。

計量泵是自動真空澆注機的核心部件，澆注機對計量泵的要求是結構簡單、無泄漏、耐用、易于維護、便于控制。目前世界上廣泛生產和使用的計量裝置主要有齒輪計量泵和柱塞計量泵兩大類[5]。齒輪計量泵加工難度大，制造成本高。柱塞計量泵分為多行程柱塞計量泵和單行程柱塞計量泵。綜合考慮生產工藝條件，如供料壓力、排料壓力、物料溫度及粘度、生產工藝是否連續等，生產制品的大小等因素，選擇單行程柱塞計量泵。

2.1 計量泵基本結構及工作原理

自動真空澆注機用計量泵結構如圖2所示。它由伺服電機、滾珠絲杠、計量杠桿、氣缸、計量杠桿支承套、出料缸、閥針、活塞、出料閥缸、出料閥、Y型密封圈、O型密封圈、自制聚四氟乙烯密封圈和墊片等組成，前3件圖中未畫出，可參考圖1。出料缸固定，計量杠桿支承套、空心活塞桿、活塞支架、活塞、活塞下堵頭等構成柱塞，氣缸作為進料單向閥。伺服電機通過聯軸器帶動滾珠絲杠轉動，絲杠螺母做直線運動，計量杠桿與絲杠螺母、計量杠桿支承套鉸接，因此，伺服電機轉動，柱塞及氣缸上下移動（以圖2左邊為上）。攪拌完成后，伺服電機工作，柱塞及氣缸上移，在出料缸下部形成空腔，攪拌好的物料通過進料接頭進入出料閥缸，再通過空心活塞桿上的孔進入活塞桿，氣缸動作，打開計量單向進料閥，物料進入空腔，待空腔充滿物料后，氣缸動作，關閉計量單向進料閥，伺服電機反轉，柱塞下沖壓出料缸底部物料，形成壓力，再經鋼球壓縮彈簧，使其收縮，出料閥打開，開始排料，排料完畢，泄壓也即完成，彈簧復位，出料閥關閉，此即一個吸、排料循環。

2.2 計量泵流量調節及特點

柱塞泵的流量：

式中，A為柱塞截面面積；s為柱塞沖程；n為柱塞沖次；η為泵效。由此可見，調節流量的途徑有兩個：

一是改變沖程，二是改變沖次。此計量泵通過改變伺服電機轉速來調節柱塞沖次，通過改變絲杠螺母行程來調節柱塞沖程，從而達到調節流量的目的。

圖2 計量泵結構

此計量泵具有結構簡單、可靠性高；使用伺服電機調速，提高泵效；良好的密封結構，解決泄露問題，采用Y型密封圈、O型密封圈、自制聚四氟乙烯密封圈及墊片作為密封件，密封成本低；動力源采用伺服電機、進料閥用氣缸控制，便于澆注機實現自動控制。

3 氣動回路設計

氣壓傳動具有傳遞阻力小、速度快、反應靈敏等特點，可用于較遠距離的傳動和控制，自動真空澆注機多處用了氣壓傳動。因此，設計合理的氣動回路對于實現澆注機的運動及控制很重要。

自動真空澆注機氣動回路如圖3所示，回路由二位四通雙電控電磁換向閥、可調節流閥及實現各種功能的氣缸組成。氣動回路實現規定動作時，線圈的通斷電（“+”代表通，“-”代表斷）情況為：1）選擇做模具：T5+、T6-、T11+、T12-；2）選擇做工件：T5-、T6+、T11-、T12+；3）做模具準備：T5+、T6-、T11+、T12-、T13+、T14-、T15+、T16-；4）做模具澆注：T1+、T2-、T7+、T8-、T19+、T20-；5）做模具澆注結束：T1-、T2+、T7-、T8+、T19-、T20+；6）做工件準備：T5-、T6+、T11-、T12+、T13+、T14-、T15+、T16-；7）做工件澆注：T3+、T4-、T9+、T10-、T19+、T20-；8）做工件澆注結束：T3-、T4+、T9-、T10+、T19-、T20+；9）所有工作結束：T3-、T4+、T5-、T6+、T9-、T10+、T11-、T12+、T13-、T14+、T17+、T18-、T19-、T20+。

圖3 自動真空澆注機氣動回路

4 控制系統

可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller），是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序、執行邏輯運算、順序控制、定時計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。

控制系統選用西門子公司生產的S7-200 PLC。