真空熔鑄過程重量變化測(cè)量裝置及方法

王俊濤 巴曉玉 劉淞寧 彭立斌

（沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

真空熔鑄過程重量變化測(cè)量裝置及方法

王俊濤 巴曉玉 劉淞寧 彭立斌

（沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

目前，國內(nèi)的真空感應(yīng)熔鑄爐，設(shè)備自身大多采用間接澆鑄過程檢測(cè)，不能進(jìn)行澆鑄時(shí)間過程精確的直接檢測(cè)。因此，設(shè)計(jì)采用一種測(cè)量重量變化的方式，即對(duì)坩堝熔料的澆鑄重量變化進(jìn)行直接測(cè)量，以真實(shí)反映澆鑄的過程。該方法既可以精確反映澆鑄時(shí)間、澆鑄速度，也可以反映澆鑄均勻度，進(jìn)行澆鑄過程、質(zhì)量的控制。

稱重傳感器；真空感應(yīng)熔化爐；數(shù)據(jù)采集；澆鑄過程

國內(nèi)的真空感應(yīng)熔鑄設(shè)備，現(xiàn)今澆注過程測(cè)量大多采用坩堝翻轉(zhuǎn)角度測(cè)量法、計(jì)時(shí)法、經(jīng)驗(yàn)法，測(cè)量誤差和人為誤差大。只有大噸位模件的澆注過程測(cè)量時(shí)采用稱重法，即采用爐體、坩堝外部整體稱重測(cè)量，對(duì)被澆注件與爐體或坩堝同時(shí)稱重測(cè)量，間接檢測(cè)整個(gè)過程中熔液重量的變化。然而，對(duì)于小型部件的澆注過程不能采用整體稱重測(cè)量。

小型澆注件重量（熔液重量）相對(duì)爐體或坩堝重量十分小，測(cè)量數(shù)據(jù)誤差很大，不能準(zhǔn)確地反映實(shí)際澆注熔液的重量變化。尤其在真空、高頻、高溫環(huán)境下，國內(nèi)目前沒有直接采用稱重傳感器對(duì)真空澆注過程中重量變化測(cè)量的技術(shù)及設(shè)備。國內(nèi)及國外的稱重傳感器耐高溫值最高是250℃，沒有將此類傳感器直接應(yīng)用于真空、高頻、高溫內(nèi)部環(huán)境下的技術(shù)。

本裝置采用耐溫250℃的稱重傳感器，經(jīng)過隔熱保護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用到真空高頻熔化爐體內(nèi)部，組成熔注模具、熔料、隔熱保護(hù)結(jié)構(gòu)一同稱重的結(jié)構(gòu)。使設(shè)備在熔料注入過程中，精確檢測(cè)到重量的變化，并將檢測(cè)到的重量變化過程數(shù)據(jù)傳輸?shù)綘t體外部的無紙記錄儀或終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

1.系統(tǒng)類型及實(shí)現(xiàn)方法

“真空熔注測(cè)量系統(tǒng)”用于測(cè)量鑄件澆注過程中的重量變化，是一種用來在一次側(cè)的傳感器檢測(cè)而生成數(shù)據(jù)過程曲線的檢測(cè)裝置。即采用一種測(cè)量重量變化的方式，安裝耐溫250℃的重量傳感器，對(duì)坩堝熔料的澆注重量變化進(jìn)行測(cè)量，產(chǎn)生與重量變化量相對(duì)應(yīng)的電壓變化信號(hào)，輸送到無紙記錄儀進(jìn)行換算處理，形成對(duì)應(yīng)的變化曲線和單位時(shí)間內(nèi)的重量變化值，以此原理實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)澆注注入過程的測(cè)量記錄。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及原理分析

2.1測(cè)量裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

真空熔注過程檢測(cè)裝置由托架、隔熱保護(hù)裝置、傳感系統(tǒng)、顯示屏、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)等組成。鑄模放置在托架上，托架為杠桿結(jié)構(gòu)，鑄模的質(zhì)量變化經(jīng)傳力銷作用于傳感器，經(jīng)密封插座傳至爐外記錄儀，記錄儀記錄并存儲(chǔ)爐內(nèi)熔注重量變化數(shù)據(jù)，供追朔分析。

鑄模的加熱溫度為970℃，鑄造時(shí)鋼水溫度可達(dá)1650℃，而傳感器的工作溫度在250℃以下。為使傳感器能夠正常工作，測(cè)量裝置設(shè)置了多重保溫隔熱措施。托架側(cè)面設(shè)置了隔熱擋板及隔熱盒，阻止鑄模的輻射傳熱，安裝在爐體上的支架不僅是托架的支撐件，外部還安裝了可保護(hù)三面的隔熱擋板，阻隔來自鑄模及鋼水的輻射熱能傳導(dǎo)。傳感器的安裝座與水冷爐體焊接，傳感器外部的保護(hù)罩與安裝座緊密貼合，將傳感器周圍冷卻。傳感器外部空間充填隔熱保溫棉，阻隔高溫。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

傳感器與托架之間采用延長傳熱路徑、減小傳熱截面、選用低導(dǎo)熱系數(shù)材料等措施阻隔熱傳導(dǎo)。

采集的澆注數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，都顯示在無紙記錄儀的液晶屏上。同時(shí)，將測(cè)量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)，供隨時(shí)調(diào)用輸出。

模具托架設(shè)計(jì)成L型，將模具的重力改變?yōu)樗椒较颍瑢鞲衅靼惭b于真空爐內(nèi)壁，延長熱量傳遞路徑，防止外泄的高溫鋼水直接向傳感器傳熱。熱源與傳感器間設(shè)計(jì)多重?fù)醢澹档蜔嵩磳?duì)傳感器的輻射傳遞。支架、杠桿等選擇傳熱性能差的材料，墊板等選擇隔熱性好的材料，降低熱量的傳導(dǎo)。傳感器與爐壁間的安裝座安裝了導(dǎo)熱性好的材料，通過冷卻水迅速帶走熱量降低傳感器的溫度。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.2系統(tǒng)測(cè)量原理

真空爐內(nèi)熔鑄模具放置在“L”形傳力托架之上，耐溫250℃的重量傳感器安裝在爐體側(cè)壁的安裝座內(nèi)。當(dāng)熔液注入模具時(shí)，該部位的重量發(fā)生變化，通過“L”形傳力托架側(cè)面的傳感器頂桿頂壓傳感器，受感部傳感器檢測(cè)到重量的應(yīng)力變化，產(chǎn)生與重量變化量相對(duì)應(yīng)的電壓變化信號(hào)，經(jīng)變送器的隔離變換，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4mA～20mA電流信號(hào)，輸送到無紙記錄儀進(jìn)行換算處理，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的變化曲線（單位時(shí)間內(nèi)的重量變換值）。該曲線實(shí)時(shí)反映出熔注的速度、均勻度、熔注時(shí)間以及熔液重量的變化量。全部數(shù)據(jù)在無紙記錄儀中得到記錄和存儲(chǔ)。同時(shí)，也可以直接實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)終端的數(shù)據(jù)通信，將檢測(cè)過程數(shù)據(jù)及曲線數(shù)據(jù)輸送給終端。

該稱重傳感器置放于高溫的真空環(huán)境，盡管擁有各種防護(hù)保溫措施，也必須對(duì)其進(jìn)行溫度監(jiān)控，以保證傳感器自身工作正常。采用熱電偶對(duì)該傳感器的工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，檢測(cè)其工作溫度滿足傳感器使用的工作條件。

記錄儀的檢測(cè)數(shù)據(jù)也可以通過RS232數(shù)據(jù)端口進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸?shù)焦た貦C(jī)，將無紙記錄儀采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份及數(shù)據(jù)圖像放大分析。

2.3數(shù)據(jù)采樣過程及過程曲線分析

如圖2所示。工件熔注全過程曲線所示。

圖2　工件熔注全過程曲線

熔注全過程在曲線圖內(nèi)主要分為5個(gè)工作過程，分別為：

①工件放置過程

工件放置過程主要是操作者將模具放置到稱重支架上并調(diào)整澆注角度的一個(gè)過程。

②棒料熔化及抽真空過程

是實(shí)施澆注前必要的工藝條件準(zhǔn)備，由曲線圖可以看出，隨著真空度的增加變化，稱重傳感器顯示的重量數(shù)值緩慢地下降。記錄儀記錄了此段過程的時(shí)間以及由于真空度變化所產(chǎn)生的重量變化過程。

③工件熔液注入過程

當(dāng)溶液溫度滿足工藝要求的溶注溫度時(shí)，進(jìn)行熔液注入。此過程可以在曲線圖內(nèi)的澆注過程中，真實(shí)地反映出模具重量變化與時(shí)間的關(guān)系。此過程也是本課題追求的目標(biāo)值過程，課題的最終目的就是為了得到這個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)曲線，即采集記錄（或測(cè)量）過程。

④工件冷卻過程

當(dāng)注入完成后，需要真空環(huán)境下一定時(shí)間的降溫冷卻過程，記錄儀同樣記錄了此段過程所用的時(shí)間，熱電偶采集傳感器的溫度數(shù)據(jù)，監(jiān)督傳感器的工作溫度，高溫報(bào)警，避免損壞傳感器。

⑤工件取出過程

此過程記錄了工件由破真空到取出的全過程。當(dāng)真空度恢復(fù)到大氣壓力的同時(shí)通過對(duì)曲線的觀察，可發(fā)現(xiàn)模具重量有一個(gè)跳變值。

通過對(duì)曲線的分析，系統(tǒng)能夠記錄并反映整個(gè)工件熔注的時(shí)間、不同重量的工件熔料、不同加工者澆注操作時(shí)的快慢區(qū)別等等工藝數(shù)據(jù)。通過對(duì)曲線的分析，能夠區(qū)分不同加工者的工作習(xí)慣，以及在澆注過程中澆注速度如何影響澆注模件的合格品的數(shù)據(jù)關(guān)系，通過數(shù)據(jù)分析可以了解加工曲線與合格品之間的模糊聯(lián)系。

采樣數(shù)據(jù)半個(gè)月備份一次，以防數(shù)據(jù)丟失。采集的數(shù)據(jù)可在無紙記錄儀上直接查看分析，也可通過線纜或U盤連接到上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)或分析。

3.應(yīng)用效果及前景

經(jīng)過項(xiàng)目的調(diào)試、應(yīng)用試驗(yàn)，采用重量傳感器可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量熔注時(shí)間過程的生產(chǎn)應(yīng)用。

①通過應(yīng)用重量傳感器對(duì)澆注重量變化過程的在線測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)澆注過程全面監(jiān)測(cè)，為澆注生產(chǎn)的整體質(zhì)量提供一個(gè)可靠的分析研究數(shù)據(jù)依據(jù)。同時(shí)，可以以此為基礎(chǔ)方法，進(jìn)行精確地熔注工藝課題試驗(yàn)以及推廣應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)全面、精確的工藝質(zhì)量控制及提高。

②其他同類真空熔鑄設(shè)備可以全部采用此類方法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)、改造應(yīng)用。

結(jié)論

通過對(duì)重量傳感器的應(yīng)用調(diào)研，進(jìn)行了深入地研究、分析、試驗(yàn)，證明只要對(duì)傳感器進(jìn)行嚴(yán)密地高溫隔離，采用特殊保溫材料，對(duì)壓力應(yīng)變片、傳輸導(dǎo)線進(jìn)行特殊防護(hù)，即可實(shí)現(xiàn)傳感器正常檢測(cè)應(yīng)用。

現(xiàn)有多臺(tái)真空熔鑄設(shè)備，大多采用坩堝翻轉(zhuǎn)角度測(cè)量法、時(shí)間計(jì)時(shí)法、經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行的間接測(cè)量熔鑄實(shí)時(shí)過程。而重量傳感器的應(yīng)用，將徹底改變這種傳統(tǒng)的方式，更加精確、直觀地進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熔鑄動(dòng)作、時(shí)間的精密控制及分析研究，提高精密熔鑄的質(zhì)量。

國內(nèi)真空熔鑄設(shè)備應(yīng)用普遍，數(shù)量眾多，皆可以稱重的方法實(shí)現(xiàn)直接地監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)精確的自動(dòng)化控制，提高設(shè)備的先進(jìn)技術(shù)能力，最終實(shí)現(xiàn)精密鑄造工藝全面質(zhì)量的提高。

[1]葉湘濱，等.傳感器與測(cè)試技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[2]張洪潤.傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)300例[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2008.

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