中國低壓鑄造裝備技術的發展與展望

康敬樂，丁蘇沛，孫劍飛，畢維生，張虎，郝啟堂，章旭霞,李建平

（1.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司,山東濟南 250306；2.哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱 150001；3.北京航空航天大學，北京 100191；4.西北工業大學，陜西西安 710072；5.萬豐科技開發股份有限公司，浙江紹興 312500；6.天水華榮鑄造機械有限公司，甘肅天水 741000）

中國低壓鑄造裝備技術的發展與展望

康敬樂1，丁蘇沛1，孫劍飛2，畢維生2，張虎3，郝啟堂4，章旭霞5,李建平6

（1.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司,山東濟南 250306；2.哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱 150001；3.北京航空航天大學，北京 100191；4.西北工業大學，陜西西安 710072；5.萬豐科技開發股份有限公司，浙江紹興 312500；6.天水華榮鑄造機械有限公司，甘肅天水 741000）

全面、客觀地敘述了新中國低壓鑄造裝備技術的發展歷程及其現狀，對未來低壓鑄造新技術的應用進行了展望。認為工業機器人、電磁泵鑄造技術、人工智能和互聯網技術等的綜合應用，將成為中國低壓鑄造產業中，實施“中國制造2025”戰略的主旋律。

低壓鑄造；液面加壓；保溫爐；差壓鑄造；鎂合金鑄造；消失模鑄造；工業機器人

1 低壓鑄造的由來

低壓鑄造早在1910年由英國人E.F.Lake和A.L.J.Queneau提出，并于1911年由Lake取得了巴氏合金的專利[1]。此后發展過程大致分為三個階段。第一階段是試驗階段（1910-1945年），這個階段中，繼Lake之后，1920年法國首先用于鋁合金,1933年德國A.E.G（通用電氣公司）又取得專利，1937年英國使用惰性氣體鑄造鎂合金。但由于當時生產率低，升液管、坩堝、模具均有問題，并且鋁合金應用不普遍，所以未得到實際應用；第二階段是二次世界大戰結束后至20世紀50年代末，在這個階段中開始應用于實際生產，但不很普遍。1945年英國Alumasc公司首先成功的應用于鑄造雨具、烹調用具等民用工業零件，此后才在家具、紡織機械、電氣等行業發展起來，1950年這個方法由西歐導入北美，1956年當時的西德K.S（Karl Schmidt）公司生產了N.S.U轎車用空冷發動機鋁合金汽缸蓋，使這個方法受到重視，所以，后來把低壓鑄造法稱為Schmidt法。1959年美國通用汽車公司的雪佛蘭廠把Corvair發動機上的全部鋁鑄件采用此法生產，并在Massena專門建立了一個新的鑄造廠。由于這個方法，適應了汽車工業輕量化的要求，引起了世界各國的重視和興趣。但在1960年，全世界只有7～8家企業使用此法，其中主要是美國、英國和當時的西德，低壓鑄造機大約只有30臺，而且多數結構簡單；20世紀60年代以后是低壓鑄造的大發展時期，這是第三階段。在這個階段中世界各國對低壓鑄造的一些基本原理、設備的改進、工藝的改善等做了大量的工作，并進一步擴大了其應用范圍。據統計，1970-1971年全世界已有25個國家近900臺設備正在生產或準備投產，有的工廠還專門建立了低壓鑄造廠或車間，除上述的Massena廠外，日本東洋工業公司也建立了一個面積為5 544 m2,的低壓鑄造車間，生產排量為1 000～2 000 cm3的發動機缸體、缸蓋等零件，該低壓鑄造生產線的生產節拍為360 s,每臺設備的生產率為10件/時，當時所生產的鋁鑄件，鑄件質量最大的金屬型低壓鑄造件為底軸圓輪（die Kettbaumscheibe）,鑄件質量為80 kg;輪廓尺寸最大已達到1 200 mm以上,鋁鑄件最大耐壓達到230×0.098 MPa,是用自然時效硬化的鋁合金G-ALZn10Si3Mg合金制造的。另外，美國葛里芬公司(Griffin wheel co.)采用低壓鑄造法生產的鑄鋼車輪質量達328 kg。并可生產最大質量為10 t的大型電機轉子[2-3]。

至1976年，英國狄莫（DIMO）公司已向世界各國出售了約1000臺低壓鑄造機，在國際上享有很高的聲譽。法國采用低壓鑄造法每年生產200萬個雷諾（Ranault）汽車汽缸頭，每臺低壓鑄造機每小時生產16～20件，每天生產6 000大型鑄件。法國的另一家公司一年中用10臺低壓鑄造機生產了1 500 t鋁鑄件。在美國的Massena公司的車間里有30臺低壓鑄造機在工作。

20世紀80年代中期，美國、英國、法國、芬蘭、意大利、奧地利和當時的西德等歐美國家加快發展低壓鑄造技術，日本從20世紀50年代起，十分重視低壓鑄造技術的現代化，日本東京輕金屬制作所有低壓鑄造機34臺，一人可操作2～3臺機器，生產的鑄件尺寸可達600×400×400（mm）。

隨著低壓鑄造技術的發展又相繼出現了砂型低壓鑄造、熔模殼型低壓鑄造和負壓鑄型低壓鑄造工藝，其中砂型低壓鑄造進展迅速，很適合大型復雜形狀的薄壁鑄件的生產[3]。

總之，歐洲主要是針對汽車工業，發展了低壓鑄造技術，隨后，美國、日本等國也開始對低壓鑄造技術進行試驗研究，并陸續投產。當時的蘇聯也進行了系統的試驗研究，并在20世紀60年代初出版了低壓鑄造的專著[3]。

2 國內低壓鑄造的發展歷程

國內低壓鑄造技術發展較晚，1955年天津拖拉機制造廠采用壓縮空氣精密鑄造鋁合金型板[4]，1958年上海郵電器材廠應用了低壓鑄造工藝。20世紀60年代開始，這一工藝在北京、天津、上海、遼寧等地得到了一定程的發展，70年代中期出版了低壓鑄造的專著[5]和有關手冊[6]。

1978年至1984年，當時的一機部、六機部、八機部等相繼召開了低壓鑄造經驗交流會，介紹了國內先進的低壓鑄造設備和工藝[7]，其中代表性的低壓鑄造機有張家口煤礦機械廠的搖臂回轉低壓鑄造機、上海汽油機廠生產的165F缸體的液壓控制低壓鑄造機、山西電機廠的轉子低壓鑄造機、江南機器廠的六工位低壓鑄造機[8]。其中代表性的控制系統有 801型低壓鑄造液面加壓控制系統[9]、“單循環”自動控制系統[10]、“繼動式”液面加壓控制系統[5]、定壓自動控制裝置[11]等。其中代表性的鑄件有大連紅旗造船廠用低壓鑄造法成功鑄出10多噸重的萬噸輪船用銅質螺旋槳；3噸多重的鑄鋼曲軸和直徑為1 160 mm,長為2 300 mm,總質量為5 t的鑄鐵缸套；鐵道部大連機車車輛廠鑄鐵車間成功地采用低壓鑄造法生產了4000馬力的16V240ZA柴油機缸蓋[12]。159廠、139廠、129廠等用低壓鑄造技術鑄造了直徑為500～800 mm、高度為800～1 600 mm的鋁鎂合金薄壁復雜形狀的大型鑄件。長沙水泵廠采用砂型低壓鑄造法生產了10CLG-40型混流式銅泵泵體[13]。北京摩托車廠自1965年以來一直用低壓鑄造法生產東風BM021三輪摩托車關鍵復雜鋁鑄件，如汽缸蓋、曲軸箱、輪轂等[3]。

據不完全統計，建國以來，到20世紀80年代中期，國內低壓鑄造機保有量在400臺左右。但是品種太少，并且多數是用戶自制的一些簡易的低壓鑄造機，可靠性低，通用性差，不能滿足低壓鑄造生產[3]。

在計劃經濟的體制下，隨著中國機械制造體系的建立和發展，鑄造生產機械化程度有了很大提高，逐步形成了中國鑄造機械制造業。據1982年統計，從1955-1981年共提供鑄造機械259個品種，約54000臺。機械部定點的鑄造機械生產單位有青島、保定和蘇州等21個鑄造機械廠和蘇州鑄造機械工業公司，其中天水鑄造機械廠是低壓鑄造機歸口生產單位。

1982年機械部濟南鑄造鍛壓機械研究所根據國內低壓鑄造生產經驗，并參考英國狄莫（DIMO）公司VT型低壓鑄造機的結構及參數，率先設計研發了J452型金屬型低壓鑄造機，該機為坩堝密封，坩堝容量150 kg。1983年由天水鑄造機械廠完成試制并通過部級鑒定，填補了國內空白。是國內研制成功的第一臺低壓鑄造機通用產品[14]（見圖1）。

1983年北京摩托車制造廠與機械部沈陽鑄造研究所共同研制了新型傾轉式半自動金屬型低壓鑄造機，并獲得1985年度北京市技術開發優秀項目獎。該機采用了多項先進技術：①整個機架可以后傾45°，此結構比較簡單，整機占地面積小，更換升液管方便，同時也可方便清理和更換坩堝以及噴刷涂料和舀出堝底剩余鋁液；②該機保溫爐采用電阻加熱，爐體密封，采用石墨坩堝，減少了鐵質對鋁液的污染；③采用電液聯合控制，設計了6種不同的自動操作程序，全部22個動作按一次按鈕，即可按程序自動完成；④該機液面加壓系統采用沈陽鑄造研究所研發，1981年通過鑒定的DZ型加壓系統。該系統以大流量調節閥作為執行元件，具有較強的泄漏補償能力；⑤該機取件機構有旋轉和翻轉兩個油缸驅動，完成水平旋轉接取鑄件和把鑄件翻轉落到傳送帶上兩個作用；⑥該機電加熱保溫套采用36 V安全電壓供電， 主要參數為：保溫爐坩堝容量（AL液）150 kg,合型機構導柱間距1 100×600（mm），主合型油缸行程650 mm、開型力240 kN，側油缸行程115 mm, 側油缸開型力90 kN，液壓系統額定工作壓力120×0.098 MPa。該機是國內第一臺新型傾轉式低壓鑄造機通用產品[15]。

圖1 J452型150kg金屬型低壓鑄造機（1983年）

1986年繼J452型150 kg低壓鑄造機之后，國家機械委濟南鑄造鍛壓機械研究所又設計研發了J453型300 kg金屬型低壓鑄造機，由天水鑄造機械總廠生產。該機合型機構采用懸臂式結構，不僅易于更換模具，同時使升液管和坩堝的使用維修比較方便。保溫爐采用爐體密封型式、石墨坩堝，可提高鋁鑄件質量，保溫爐采用碳化硅組合爐襯，可節電20%～30%。液面加壓系統采用微機中央控制單元，配以先進的檢測和執行機構，采取了一系列抗干擾措施，確保系統具有良好的加壓特性，對設定的升液、充型、結殼、增壓和保壓各階段的加壓速率實現自動跟蹤，重復性高，再現性好，對氣體泄漏能自動進行檢測和補償，并能給出壓力-時間曲線，為實現低壓鑄造工藝參數優化控制提供了有利條件。該機主要參數為：坩堝容量（AL液）300 kg，開型力130～190 kN,合型力93 kN。液面加壓主要參數：升液、充型加壓速率范圍0～0.8 N/cm2·s,最高工作壓力200 kPa,最大允許泄漏量2.5 m3/h[16-17]。

20世紀70年代末80年代初，哈爾濱工業大學任天慶教授帶領課題組，在國內率先開展了低壓鑄造和差壓鑄造液面加壓控制系統的研究。分別采用水模擬方法，研究液面加壓與水柱升高及液面變化的規律；在定容積條件下，研究執行閥口開度與水柱升高的規律；應用電容充電的原理，研制電子線性信號發生器，用于控制液面加壓速率的變化。

1983年，哈爾濱工業大學研制的CLD型差壓鑄造液面加壓控制系統在沈陽139廠經廠校合作完成，生產出差壓鑄造艙體鑄件，并投入生產。“CLD型差壓鑄造液面加壓控制系統”，“YTF低壓鑄造液面加壓控制系統”，1983年末分別獲得國防科學技術工業委員會三等獎。

20世紀80年代初哈爾濱工業大學任天慶老師和碩士研究生林海峰將Z80單板機引入到低壓、差壓鑄造液面加壓控制系統中，80年代中期，與北京239廠進行廠校合作研制出用于“導彈艙體差壓鑄造微型計算機控制系統”并投入生產。1986年7月獲航天工業部二等獎。

1986年與航天699廠合作，針對紅旗七號薄壁件位標器罩鑄件，研制出符合設計要求的薄壁件位標器罩鑄件。1987年與航天159廠合作完成“低壓鑄造微機控制系統研究”項目，該系統用于低壓鑄造件的生產中，獲得好評。“紅旗七號薄壁件位標器罩差壓鑄造工藝及設備”，該二項目分別于1988年和1989年獲得航天工業部二等獎和航空航天工業部二等獎。

20世紀80年代，哈爾濱工業大學為國內軍用砂型差壓低壓鑄造技術的發展奠定了良好的基礎。總之，哈爾濱工業大學不僅是國內低壓鑄造技術的發源地，而且為低壓鑄造領域培養了眾多的開拓型人才。

在“八五”計劃期間，國家公布的《汽車工業產業政策》中，除了明確轎車關鍵零部件和經濟型等內容外，還將鑄鍛件毛坯列為六項重點之一，這說明鑄鍛件在汽車工業發展中的重要地位。汽車用鑄件朝著輕量化、精密化和強韌化方向發展，其中鋁合金化是重要手段，如缸體、缸蓋、變速箱殼體、進氣岐管、活塞、輪轂等；汽車用鋁合金鑄件的主要鑄造方法是壓鑄、重力鑄造和低壓鑄造。其中壓鑄件占主導地位，壓鑄件的代表性鑄件是汽缸體；低壓鑄造和重力鑄造的標志性鑄件是鋁合金整體車輪和汽缸蓋。另一方面，從汽車制造業的要求來看，當時國產鑄造機械的主要弱點明顯地表現為缺乏可靠性、成套性和多樣性，低壓鑄造機則尤為如此。如何擺脫困境，可借鑒的發展模式主要是合資經營、技術引進及國際合作[18]。

“八五”期間，隨著國家汽車和摩托車行業的飛速發展，國內低壓鑄造機也取得了較快發展，1993年，機械部濟南鑄造鍛壓機械研究所和灌南壓鑄機廠共同研制成功了J453F型300 kg摩托車整體車輪專用低壓鑄造機，坩堝容量（AL液）300 kg，模具尺寸960×960×700（mm），生產率12～14件/h[19]。

1993-1994年，機械部濟南鑄造鍛壓機械研究所和天水星火機床廠共同研制成功了新型J455型500 kg金屬型低壓鑄造機，該機成為當時國內最大的低壓鑄造機通用產品，填補了當時國內空白。該機采用了多項先進技術：①率先采用輻射式加熱熔池保溫爐，既消除了采用鐵坩堝時鋁合金被污染的可能性，又克服了石墨坩堝壽命短的缺點，并且在工作位實現側面加鋁液，大大提高了低壓鑄造機的生產效率；②主機結構采用四立柱式合型機構，具有可以吸收熱膨脹的裝置，使得合型精度高，導向桿磨損小；③該機采用雙油缸龍門式正頂出機構，可以根據模具需要，在開型的任何位置頂出鑄件，節省了生產節拍，提高生產率；④該機保溫爐傳動機構采用電磁制動電機實現水平移動，運行平穩，定位準確。采用鏈輪-鏈條驅動，實現同步垂直升降，使升液管與模具澆口可靠密封；⑤該機液壓系統率先采用插裝閥控制技術，提高了液壓閥的抗污染能力。采用高低壓雙聯葉片泵，降低了能耗，節省功率；⑥電氣控制系統率先采用PLC控制技術，使得低壓鑄造機的程序控制便捷和多樣化；⑦液面加壓系統采用PLC的CPU作為控制單元，A/D和D/A模塊作為數模轉換模塊，大大提高了系統的可靠性。人機界面采用模擬顯示屏，形象地顯示加壓過程及各節點的變化情況。液面加壓的執行機構采用的電動執行器，先導部分用電子式可逆微電機，來實現主閥口的開度反饋控制。主要參數為：熔池容量（AL液）500 kg,有效用鋁量為375 kg,首臺用戶為重慶通用機器廠。

盡管如此，由于國內保溫爐加熱元件和熔池爐襯材料的使用壽命太低，從而制約了該機的進一步應用與發展。

1995年北京第三屆國際鑄造鍛壓及工業爐展覽會上展出的低壓鑄造機反映了當時的世界先進水平，中國濟南鑄造鍛壓機械研究所、日本五十鈴制作所、德國KURTZ（庫爾茲）公司和GIMA公司，丹麥RIMATICa/s(瑞馬迪克)公司，英國PLUME公司、意大利BORLI（波爾利）等公司展出的產品，真可謂精品紛呈，是世界各國高水平低壓鑄造機的集中亮相，開啟了國內低壓鑄造機大規模技術引進的序幕。當時的國外低壓鑄造機廠家，可以進行“交鑰匙”工程，承擔從設備選型、設計制造模具，編制低壓鑄造工藝、指導生產出合格鑄件的一攬子服務，幫助用戶實現高質量和高效率生產，來自各自公司的電子、機械、模具和低壓鑄造工藝專家參與了低壓鑄造機和模具設計、制造和調試，其標志性鑄件就是鋁合金整體車輪，一般5 min生產一件，合格鑄件達到85%～90%，班產合格件為70件以上。其中德國GIMA公司是杰出代表。其主要新技術表現在：①輻射式的熔池保溫爐加熱元件采用SIC棒加熱，裝在傳熱性能優異的耐熱不銹鋼管內，防止鋁液對加熱元件飛濺和高溫侵蝕；②升液管的材質為陶瓷、陶瓷和碳素復合材料或硅鐵合金，具有優越的耐熱沖擊和高溫耐腐蝕性能，使用壽命達一年以上，對鋁液的污染極小；③液壓系統采用水乙二醇為液壓介質，具有不燃的特性；④控制系統采用PLC，控制整個低壓鑄造過程的各個環節動作和實現自動循環，人機界面采用彩色或黑色屏幕顯示鑄造狀態和報警信息，如鑄造過程中信號燈閃爍，出現故障時，音響報警；⑤編程后，可完全準確地控制鑄造過程，代替人對機器的操作管理，避免了因人為因素可能產生的誤動作，使生產過程穩定化。另外，所有的指令及有關的反饋信息可以存儲起來，需要時能在屏幕上顯示，或由打印機打印輸出，實現了對整個鑄造過程的監視、記錄和診斷檢查；⑥液面加壓系統采用CPU控制，專門調節鋁合金液的加壓速率，并按給定的加壓曲線加壓，具有精確地重復再現性。由高精度壓力傳感器和高靈敏度澆注閥、PID控制器和模擬顯示屏組成。加壓速率可自由選取8個速率規范和20種加壓模式，最高控制壓力0.15 MPa,加壓控制精度±0.000 5 MPa。具有液位補償和氣體泄漏補償功能，并可以通過預壓力發訊和金屬傳感器發訊來實現鋁液（喉口）懸浮功能[20]。

總之，“八五”期間，在國內低壓鑄造技術試驗研究的基礎上，結合國外低壓鑄造成套技術的大規模引進，不僅極大地推動了中國汽車制造業鋁合金鑄造技術的發展，同時也顯著地改變了國內低壓鑄造機相對落后的局面，使得國內低壓鑄造機的制造廠家進一步看到了差距，明確了發展方向。回顧這段歷史，我們不能不說這是中國低壓鑄造裝備技術發展史的一個轉折，以此為契機，造就了中國低壓鑄造裝備發展中輝煌的20年，中國鑄造機械從引進、開發、再創新這一發展模式中受益匪淺。這也是國家在改革開放大潮中“以市場換技術”的戰略實施。從此，國內低壓鑄造技術發展進入了快車道。

“九五”期間，中國鑄造機械發展的戰略方針是以應用新技術、開發新產品品種，提高經濟效益，降低產品成本為重點，在產品效率高、控制先進、高可靠性、成套性上下功夫，要以滿足轎車工業的需求為突破口，注重特種鑄造設備的開發與應用；盡快將“八五”振興鑄造機械的科技成果商品化、高新技術產業化；把強化產品質量和提供其可靠性放在首位，注重選用可靠的外購元器件。其中低壓鑄造機就是重點發展的鑄造機械產品品種之一[21]。

1997年，濟南鑄造鍛壓機械研究所率先研發成功了J454型400 kg雙升液管金屬型低壓鑄造機。該機采用輻射式熔池保溫爐，可以一模兩件，生產摩托車用汽缸頭，生產率大為提高。首臺用戶為廣東中南鋁合金輪轂有限公司。

1998年，濟南鑄造鍛壓機械研究所率先研發成功了通用型600 kg砂型低壓鑄造機。該機采用碳化硅坩堝，爐體密封，主體設計是保溫爐固定，砂箱平臺水平移動采用變頻調速，垂直升降動作采用雙油缸驅動，運行平穩；液面加壓系統在國內率先采用計算機工作站作為上位機，能實時顯示實際加壓曲線對設定的加壓曲線的跟蹤，為提高增壓速率，首次采用了雙回路增壓系統。該機生產軍用鋁合金鑄件，凈質量達400 kg左右。裝機后參加了1999年50周年國慶閱兵。

1999年濟南鑄造鍛壓機械研究所率先研發成功JZ456型600 kg大型砂型/金屬兩用低壓鑄造機，該機即可從事砂型低壓鑄造生產，也可實現金屬型低壓鑄造，同時，保溫爐采用碳化硅坩堝，爐體密封，并具有熔化功能，解決了二次氧化造渣和鋁液吸氣等難題，該機用于生產高速列車用轉向架齒輪箱體類復雜薄壁鋁鑄件，凈質量達200 kg左右。首臺用戶為鐵道部戚墅堰機車車輛工藝研究所，是鐵道部“九五”攻關項目之一[22]（見圖2）。

圖2 JZ456型600kg砂型金屬型低壓鑄造機（1999年）

“九五”期間，國內低壓鑄造裝備制造能力得到了顯著提高，國內低壓鑄造機的主要生產廠家有濟南鑄造鍛壓機械研究所（J453F，J454，J455）、上海機械制造工藝研究所（FDZ-A，FDZ-C）、天水鑄造機械廠（J452, J453），天水星火機床廠（J455）、江蘇灌南壓鑄機廠（J453A, J453B）和沈陽鑄造研究所（803液面加壓系統）[23]。

另外沈陽工業學院CLP系列液面加壓系統和哈爾濱工業大學研發的YTF型低壓鑄造用液面加壓系統及CLD型差壓主鑄造用液面加壓系統主要用來生產軍品鑄件，應用于航空航天領域。

20世紀90年代初，哈爾濱工業大學與159廠合作，對由保加利亞引進的差壓鑄造機控制系統進行改進，采用8051單片機，設計適用于差壓鑄造液面加壓控制的主板和程序。充分發揮51系列單片機適用于工業環境的特點，明顯地提高了系統的抗環境干擾能力和系統工作的穩定性。1992年12月10日“自動差壓鑄造機（VP1250）多功能微機控制系統研究”項目，獲航空航天工業部三等獎。

繼而，對原來使用Z80單板機的低壓、差壓鑄造的用戶進行升級，提高了系統的抗干擾性和工作穩定性，更好地服務于鑄件的生產。

這一時期，哈爾濱工業大學針對西安黃河某大型薄壁件產品，研制了具有低壓、差壓鑄造功能的成套設備，鑄件單件質量由32 kg降到18 kg。針孔度、抗拉強度、鑄件質量、密封性明顯提高；還為侯馬平陽廠、239廠、211廠研制了差/低壓鑄造液面加壓控制系統，在為昆明705所50工廠研制的設備中，采用了51系列中的80C552單片機作為系統的核心件。

1998年，哈爾濱工業大學安閣英教授領導課題組，針對總裝95預研課題需要，研制了一套差壓鑄造設備，安裝在哈爾濱工業大學鑄造實驗室，用于鋁合金大型、薄壁、復雜艙體件的研制工作。該設備液面加壓控制系統首次采用研華工控機+A/D板卡進行模擬量到數字量的轉換、D/A板卡進行數字量到模擬量的轉換，+I/O板卡進行開關量的輸入和輸出，+中間繼電器，構成電路控制系統。使用C語言編程，使用動畫軟件編制屏幕顯示畫面參數。氣路控制系統仍采用氣動薄膜調節閥作為執行閥，通過閥口的開度變化來跟蹤工藝參數。為太原884廠研制的低/差壓鑄造液面加壓控制系統中即為工控機與氣動薄膜調節閥組成。

這一時期，哈爾濱工業大學在對保加利亞引進的控制系統的消化、吸收和升級的過程中，控制水平和穩定性有了明顯提高。

盡管如此，“九五”初期，國內低壓鑄造機設備與工藝嚴重脫節的局面沒有徹底改變，鑄件的模具設計，主要憑經驗，對液態金屬在鑄型中的流動、傳熱與凝固也是憑經驗估計，大部分模具設計無冷卻和加熱系統，一般很難保證鑄件實現順序凝固和充分補縮。低壓鑄造機的關鍵零部件（如減壓閥的流量小，升液管容易被侵蝕；保溫套功率低且壽命短等） 可靠性低；低壓鑄造機自動化程度不高，并且無模具快速定位，更換（裝卸）模具比較麻煩[23]。

針對當時這一現狀，1997年9月國家科委批準“九五”科技攻關項目“鋁合金鑄件金屬型精密成型技術及成套裝備研究開發與應用示范”正式實施。其主要內容是J458型800 kg金屬型低壓鑄造機開發與研制。經過濟南鑄造鍛壓機械研究所和煙臺路通精密合金有限公司近3年的聯合攻關， 1999年8月完成了低壓鑄機現場調試，9月完成了全線熱負荷聯動調試，并生產出合格鑄件，進行了小批量試生產。

2000年9月，國家鑄造鍛壓機械質量監督檢驗中心對生產示范線低壓鑄造設備部分的攻關內容進行了全面檢測； 2000年10月山東省機械廳組織了終驗收。該項目獲機械工業聯合會優秀科技成果獎和山東省科技進步三等獎。

攻關項目中所開發的J458型800 kg金屬型低壓鑄造機，在當時是國內最大的低壓鑄造機。其中包含了多項新技術，如比例伺服控制的液面加壓系統，多通道模溫控制系統和長壽命輻射式熔池式大容量保溫爐等，并首次將氣動比例技術應用于低壓鑄造；采用工控機和PLC的D/A和A/D模塊轉換，通過兩者的數據通訊，實現了低壓鑄造加壓過程的實時閉環反饋控制和工藝參數的計算機同步顯示，壓力控制精度為±0.000 3 MPa,達到了當時的國際先進水平。

圖3 J458型800 kg金屬型低壓鑄機（2000年）

在主機方面所開發的關鍵技術是： ①合型安全限位機構；②氣缸驅動式排氣裝置；③液壓系統中合型背壓控制閥；④保溫爐傳動機構；⑤喉口非電熱保溫過渡管。

在模具工藝方面，采用當時國際先進的CIMATRON軟件，成功地開發出CAD/CAM 模具設計和加工三維造型及數控加工轉換技術，配以日本進口的立式、臥式加工中心、數控銑床及數控電火花加工設備，使得汽車輪轂模具尺寸精度達到±0.1 mm,表面粗糙度在1.6 μm以上，選用日本SKD61材質和優化熱處理工藝，提高了模具制造質量和使用壽命[24]（見圖3）。

總之，“九五”科技攻關項目完成后，不僅大幅度地提高了國內低壓鑄造機的整體技術水平，而且基本扭轉了低壓鑄造機設備與工藝嚴重脫節的局面，同時也為國內汽車鋁合金輪轂鑄件的生產提供了高水平的低壓鑄造機。

回顧歷史，20世紀90年代是我國汽車摩托車工業突飛猛進發展的十年，對低壓鑄造裝備來說也是新技術層出不窮，不斷涌現的十年。

1998-1999年，濟南鑄造鍛壓機械研究所和日本本田金屬技研技術合作，研制開發了J455A型500kg汽車用鋁合金缸蓋低壓鑄造機，是國內第一臺缸蓋專用低壓鑄造機，該機具有三自由度取件機械手，可以完成伸縮、升降、旋轉三個動作，結構緊湊；同時具有14路模具水冷和6路氣冷通道，為鑄件實現順序凝固創造了有利條件，同時，使得模具溫度隨著澆注過程，呈規律性地變化，進一步減少了生產節拍，以質量為10 kg左右的缸蓋為例，5 min一件，生產率提高一倍，并且由于模溫較低，通過激冷作用，使得鑄件的內在質量顯著提高。該機首次采用大屏幕彩色觸摸屏工控機+觸摸屏人機界面，實現了液面加壓過程和模具水冷氣冷及機器動作程序三者同時實時監控，并且同時實時顯示六點模具溫度連續變化曲線，同時具有上下限報警功能，為穩定工藝參數和確保鑄件質量提供便利。每一鑄件的工藝參數均具有可追溯性，需要查看時，可以方便地調出或打印。該機保溫爐為輻射式熔池保溫爐，采用美國聯礦鋁合金專用澆注料和日本進口硅碳棒，提高了其可靠性，保溫爐爐門側面加鋁采用氣缸驅動式連桿機構，可以實現每澆注1～2個鑄件時，操作者通過腳踏開關使爐門自動打開，用澆勺添加與在制鑄件總質量相同的鋁液，從而維持保溫爐內鋁液液位的基本恒定，確保工藝參數始終保持不變。另外該機采用了多種安全措施，如雙安全棒機構，確保下芯時安全；在操作側設有光電開關保護；開型安全限位機構等，該機首臺用戶是廣東肇慶本田金屬有限公司，用來為廣州本田雅閣轎車發動機鋁合金缸蓋的國產化進行配套，取得了可喜的經濟和社會效益。

從此開始，到21世紀初，濟南鑄造鍛壓機械研究所先后為該公司提供了14臺這種缸蓋低壓鑄造機。與此同時，還分別為廣東肇慶動力技研有限公司和重慶秦安鑄造有限公司提供4臺和6臺缸蓋低壓鑄造機[25]（見圖4）。

濟南鑄造鍛壓機械研究所從1982年開始，到21世紀初，在20多年的時間里開發研制了多種類型的低壓鑄造裝備，為低壓鑄造裝備的系列化和通用化做出了顯著的貢獻，并且為中國汽車制造業提供了鋁合金輪轂和鋁合金缸蓋專用低壓鑄造機，使得汽車零部件輕量化技術在其鑄造領域得到了進一步發展。代表了當時國內先進水平。

圖4 J455A型500kg汽車用鋁合金缸蓋低壓鑄造機（1999年）

縱然如此，在當時國內高水平的低壓鑄造裝備的應用和批量生產仍是制約其發展的瓶頸。故此，在21世紀的前10年，濟南鑄造鍛壓機械研究所開始致力于低壓鑄造裝備技術的普及和應用。

2000-2001年濟南鑄造鍛壓機械研究所率先研制成功JZ456型650 kg大型雙升液管金屬型專用低壓鑄造機,其機器臺面尺寸與1 000 kg的低壓鑄造機相當，該機用于生產中國三峽水電站輸變電項目中的一系列高難度大型鑄件，其中標志性鑄件就是法蘭和三通或四通罐體，前者鑄件法蘭面有嚴格的密封要求，另一端管部坡口需要與罐體焊接，鑄造難度非常大，往往顧此失彼。這在國外也沒有采用低壓鑄造工藝的公開報道，通過與沈陽高壓開關有限公司全力合作，巧妙地用“雙升液管+縫隙式內澆口”這一兼備低壓鑄造和重力鑄造工藝的特點，成功地澆出了合格鑄件，經X-射線探傷和氣密性檢測以及耐壓試驗，完全達到瑞士ABB公司的性能要求，并將原有的金屬型重力鑄造工藝改為低壓鑄造工藝，大大提高了生產率和勞動效率，并且鑄件的表面粗糙度和力學性能也顯著提高。為三峽工程輸變電設備中組合電器關鍵零部件的國產化做出了貢獻。

這一先進的低壓鑄造裝備還使得三通或四通罐體鑄件可以采用“金屬型外殼+樹脂砂芯”半金屬型半砂型方式生產，并且可以根據鑄件情況選擇中心單升液管或兩側雙升液管澆注，該機至今仍在繼續生產，在完善模具工藝基礎上，沈陽高壓開關有限公司被列為國家“863”計劃的生產基地[26]（見圖5）。

圖5 JZ456型650 kg大型雙升液管金屬型低壓鑄造機（2001年）

此后，濟南鑄造鍛壓機械研究所為該公司提供了20多臺J454型400 kg低壓鑄造機和1 400 kg砂型低壓鑄造機及J33系列可傾式金屬型鑄造機。并且廣泛應用于國內其他高壓開關企業，如西安高壓開關有限公司、泰安高壓開關有限公司、南陽匯森精密儀器有限公司、杭州集思鋁制品有限公司、濰坊富通電氣有限公司、陜西國德電氣有限公司、寧夏維爾高壓電氣有限公司等，為這些企業相繼提供了J458型800 kg、J454型400 kg、J452型金屬型低壓鑄造機和800 kg砂型低壓鑄造機、800 kg金屬型砂型兩用低壓鑄造機及J33系列和J34系列可傾式金屬型鑄造機，共計20余臺[27]。

計算機液面加壓控制系統是低壓鑄造裝備技術的核心，從2003年起，濟南鑄造鍛壓機械研究所研發的這一先進的液面加壓控制系統開始廣泛地應用于中國航空航天工業中鋁合金低壓鑄造。

2004年濟南鑄造鍛壓機械研究所率先研發的“150 kg坩堝密封保溫爐+300 kg輻射式熔池保溫爐”雙工位砂型低壓鑄造機，不僅滿足了用戶多品種小批生產，也可適應用于單件大批生產，同時節省了設備投資（見圖6）。

2005年濟南鑄造鍛壓機械研究所率先研發的400 kg雙工位砂型低壓鑄造機，分別采用輻射式熔池保溫爐，保溫爐固定并可傾轉，砂箱平臺為龍門式結構，變頻調速，在電機的驅動下穿梭于2個保溫爐之間，通過液壓驅動的雙油缸實現砂箱平臺的平穩升降，使得砂箱底部澆口與升液管端部的密封與脫離。該機可以滿足鋁硅合金和鋁銅合金在不同工位上交替生產，保溫爐中的剩余鋁液可以方便的倒出，改善了操作者的勞動環境（見圖7）[28]。

圖6 150 kg坩堝密封+300 kg爐體密封雙工位砂型低壓鑄造機（2004年）

圖7 400kg雙工位爐體密封砂型低壓鑄造機（2005年）

2007年濟南鑄造鍛壓機械研究所率先研發成功了“150 kg+300 kg+400 kg”三工位坩堝密封的吊掛式砂型低壓鑄造機，其主要創新點是三工位共用一套微機液面加壓系統，澆注時，通過氣路邏輯控制完成自動切換。即可生產鋁硅合金和鋁銅合金鑄件，也可進行鎂合金鑄件的生產（見圖8）。

圖8 150kg+300kg+400kg三工位坩堝密封砂型低壓鑄造機（2007年）

2008年濟南鑄造鍛壓機械研究所率先研發了JS452C型和JSZ300型鋁合金專用金屬型/砂型多功能鑄造機，可以實現金屬型低壓鑄造和砂型低壓鑄造及金屬型重力鑄造；保溫爐具有熔化功能，采用坩堝密封，適合多品種多種合金多種工藝的試驗研究和中小批量生產。

眾所周知，在摩托車工業中，關鍵零部件是鋁合金整體輪轂和汽缸頭及汽缸體。以輪轂為例，采用低壓鑄造技術是其主要方法，適宜于車輪壁厚不均的鑄造工藝。低壓鑄造的“緩慢充型”和“順序凝固”比壓鑄優越，并且不易產生氣孔、補縮不足；低壓鑄造的“低壓充型”和“增壓結晶”又比金屬型鑄造充型、補縮更好、金屬利用率更高（利用率一般大于80%），力學性能更高（比金屬型提高10%～20%），低壓鑄造的優勢還在于金屬液密閉于保溫爐內不易氧化，升液管插在金屬液中的底部，澆注時避免了二次氧化夾渣，所以鋁液純凈，有利于提高鑄件質量。同時澆注過程和整個機器動作實現了自動化，使得工人的勞動強度和工作環境大為改善。

但是，盡管如此，在中國摩托車工業飛速發展的20世紀90年代，鋁合金整體輪轂低壓鑄造技術并沒有大量推廣，產量占有率不高，僅為25%～30%左右。其原因主要是低壓鑄造裝備的可靠性和成套性差以及鑄造工藝成熟度不夠，造成了產品的合格率低，無法連續正常生產。從而制約了低壓鑄造技術在摩托車鋁合金整體輪轂生產上的應用和推廣[29]。

為此，濟南鑄造鍛壓機械研究所雖然先后研發了J453F型300 kg懸臂式輪轂低壓鑄造機和J454B型400 kg四立柱式新型低壓鑄造機，但其局面并沒有得到徹底改變。

2007年濟南鑄造鍛壓機械研究所率先研發了J456型650 kg雙合型雙升液管低壓鑄造機，該機具有8個靜模抽芯和2個取件裝置；使得兩個模具各自獨立，鋁液充型時型腔背壓互不干擾；合型動作無須同步，聯鎖到位后只需同步澆注即可。既降低了設備精度要求，又提高了生產率，并且減少了設備投資和機器的占地面積（見圖9）。

汽車鋁合金缸體的鑄造方法主要有金屬型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造、消失模鑄造和Cosworth法（即冷芯盒砂芯組芯造型）等。在產品向精密化、節能化和綠色化制造的發展趨勢中，毫無疑問，壓鑄是轎車用鋁合金缸體最廣泛、最普遍采用的方法，但是，它只能生產開艙結構缸體，鑄件壁厚處易產生縮孔，易產生皮下氣孔，設備投資大[30]。

2008年濟南鑄造鍛壓機械研究所率先研發了J457型700 kg鋁合金缸體專用低壓鑄造機，用于生產帶有砂芯的缸體鋁鑄件，即可以獲得閉艙結構的缸體。另外，與壓鑄相比，設備和模具投資大為減少，可以滿足多品種小批量生產需要。

2008年重慶泰迪鑄造機械制造有限公司開發研制了900 kg大型三升液管低壓鑄造機，動模板行程為1 250 mm,動模板尺寸1 800×1 800（mm）,立柱內間距為1 500×1 500（mm）,最小模具厚度750 mm，動模開型力300 kN。主要特點是該機不僅可以采用三升液管生產大型鑄件，也可以采用單升液管或雙升液管生產中小型鑄件，既提高了低壓鑄造機的適用性，也使得大而長的復雜薄壁鋁合金鑄件采用金屬型低壓鑄造成為可能[31]。

圖9 J456型650kg雙合型雙升液管低壓鑄造機 （2007年）

2009年濟南鑄造鍛壓機械研究所和重慶東熱有限公司合作，率先研發了J4515型1 500 kg雙工位浸入式加熱雙室爐低壓鑄造機。該機是生產鋁合金缸蓋的專用低壓鑄造機，其創新點是：①共用一個1 500 kg保溫室，兩套液面加壓系統和兩個400 kg加壓室分別對應兩臺低壓鑄造主機；②所有加熱元件均為浸入式加熱，熱效率高；③沒有傳統意義上的升液管，按照帕斯卡原理，通過控制加壓室的液位，不僅實現了鋁合金液的液面（喉口）懸浮，而且取消了升液過程，也就減少了加壓時間，從而提高了生產率；④在工作中保溫室可以正常進行二次除氣、精煉，從而減少了生產準備時間，提高了低壓鑄造機的運轉率（見圖10）。

為了提高上述雙室爐低壓鑄造機的靈活性，濟南鑄造鍛壓機械研究所和重慶東熱有限公司再度合作，率先研發了J458型800 kg單工位浸入式加熱雙室爐低壓鑄造機，并應用于重慶秦安鑄造有限公司，用來生產長安福特轎車的鋁合金缸蓋鑄件(見圖10)。

圖10 J4515型1500kg雙工位浸入式加熱雙室爐低壓鑄造機（2009年）

2010年新興重工湖北三六一一機械有限公司研發成功了J458型雙升液管液面（喉口）懸浮式低壓鑄造機，該機主要由四柱式主機、輻射式熔池保溫爐、保溫爐傳動機構、取件機械手，PLC電氣控制系統、微機液面加壓系統、模溫控制系統、裝卸模具小車及壓縮空氣處理裝置等組成。主要特點是：①鋁液在升液管中按設定的升液速率自動上升到所需的高度，隨著熔池內鋁液下降和氣體泄漏，系統自動補償壓力，維持液面處于一個固定的液位，當澆注結束后升液管內的液位又能自動恢復到澆注前的高度，實現液面（喉口）懸浮，其重復再現誤差≤0.15%;②液面（喉口）懸浮低壓鑄造避免了鋁液在升液管中反復升降和鋁液在熔池中反復攪拌作用，減少了氧化夾渣的產生和鋁液中夾渣進入模具型腔；③該機開發完成后用于生產珀金斯T3717P072和T3717P097油底殼鋁鑄件，該鑄件是典型的大面積薄壁鑄件，外形尺寸800×330×150（mm）,平均壁厚4 mm,氣密性試驗200 kPa以上[32]。

2012年華中科技大學開發研制了連續式低壓鑄造設備，實質上是保溫室為輻射式加熱的三室爐低壓鑄造機，其主要特點是：①每個鑄造周期內充填型腔的液面高度都控制在恒定高度，因此每次充型壓力恒定，無需壓力補償，減少了液面加壓系統的復雜程度，提高了可靠性，從而有效地提高了鑄件質量；②可在澆注時，對保溫室中的鋁液進行精煉與扒渣處理，減少二次氧化及夾渣；③該機采用日本三菱PLC中的D/A轉換模塊輸出給電氣比例閥，以控制爐內壓力，同時由D/A模塊將爐內的氣壓轉換成數字量給PLC中的CPU，進行反饋控制；④人機界面采用日本HITECH公司的PWS1711-STN型觸摸屏，對低壓鑄造機實現集中管理，傳送操控命令給被控對象，即設定工藝參數[33-34]。

液面加壓系統是低壓鑄造裝備技術的重要組成部分，是獲得高質量鑄件的關鍵環節。在20世紀90年代具有代表性的通用產品是：①濟南鑄造鍛壓機械研究所研發的“模擬顯示+電動執行器”式低壓鑄造伺服加壓控制系統，其特點是結構簡單，實現了實時閉環反饋控制，抗干擾能力強；②沈陽工業學院董秀琦教授率領的課題組研發的CLP系列低壓鑄造伺服加壓控制系統的市場占有率高，可靠性也高，尤其是CLP-5型系統是在CLP-3型系統改進的，既保留了原有系統的一系列優點，有實現了液面（喉口）懸浮，可靠性高[35]；③沈陽鑄造研究所研發的803型液面加壓控制系統是利用直流電機的轉速調節大流量減壓閥的開啟度來適應保溫爐內所需壓力的變化，同樣具有結構簡單，使用方便的特點[36]。（未完待續）

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（未完待續）

Development and prospect of low-pressure casting equipment technology in china

KANG JingLe1, DING SuPei1, SUN JianFei2, BI WeiSheng2, ZHANG Hu3, HAO QiTang4, ZHANG XuXia5, Li JianPing6
（1.Jinan Foundry & Metalforming Machinery Institute Co.,Ltd.,Jinan 250306,Shandong,China；2.Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,Heilongjiang,China；3.Beihang University;Beijing 100191,China；4.Northwestern Polytechnical University,Xian 710072,Shaanxi,China；5.Zhejiang Wanfeng Technology Development Co., Ltd.,Shaoxing 312500 ,Zhejiang,China；6.Tianshui Huarong Foundry Machinery Co., Ltd.,Tianshui 741000,Gansu,China）

The article narrates New China’s development and present situation of low-pressure casting equipment technology comprehensively and objectively. The article also discusses the prospect of some related new technologies, which contains industrial robots, the electromagnetic pump casting technology, artificial intelligence, and the comprehensive application of Internet technology. These technologies will be the main parts of “made in China 2025” – the strategy of China’s low-pressure casting industry.

low pressure casting;liquid level pressurization;holding furnace;counter-pressure casting; magnesium alloy casting; lost foam casting;industrial robots

TG249.2；

A；

1 006-9658（201 6）04-0001-11

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.001

2016-04-11

稿件編號:1604-1330

康敬樂（1960—），男，教授級高級工程師，主要從事鋁合金鑄造裝備技術的研發與應用的工作.