一款高精度鑄造機液壓控制系統的特性研究

戴啟鵬，王朝輝，王志波，呂昌龍，包明迅

（遼寧忠旺機械設備制造有限公司機械設計院，遼寧 遼陽 111000）

由于鋁及鋁合金具有良好的物理性能 ，易于成型及可回收等特點，故被廣泛應用于航空航天、交通運輸、建筑裝飾、電子家電、印刷包裝、文體衛生等國防和民用領域。近年來，我國鋁型材需求量也隨之迅速增長，2020年，預測達到3680萬噸。然而，由于我國鋁加工業起步較晚，技術仍然比較落后，各類產品較為低端，競爭能力弱。這也必然要求我國鋁加工企業及科研機構不斷加快鋁加工技術的研發，加大投入，迎頭趕上，在競爭中求生存求發展。

1 鑄造機的工藝流程和鑄造原理

1.1 鋁合金圓棒/扁錠工藝流程簡述

采用電解原鋁液與中間及重熔鋁錠配料生產圓鑄錠，一般的鋁合金圓棒生產工藝，是采用熔煉爐-保溫爐-熔體在線處理-鑄造-均熱爐-鋸切的生產技術。中間合金與重熔鋁錠、返回廢料及電解原鋁液經配料后裝入熔煉爐熔煉，通過扒渣、攪拌及取樣分析和調整合金成分合格后，再轉入傾翻式保溫爐進行精煉，鋁液經熔體在線處理裝置除氣、除渣，最后，經內導式液壓半連續鑄造機鑄成鋁合金圓棒/扁錠，檢驗合格后方為成品。

1.2 鑄造原理

融化的鋁水在進入結晶器與引錠頭形成的碗裝空間內，經過結晶器和引錠頭的冷卻（固體之間熱傳遞）形成碗狀固體硬殼，鑄造開始后，引錠頭緩慢移動，金屬硬殼跟隨下降，與此同時，石墨環周圍繼續形成新的金屬硬殼（見圖1），結晶器出口拉出的鋁棒經過結晶器上高速噴出的冷卻水第二次更高效地冷卻。鋁棒中間位置的鋁水完全凝固成鋁棒/錠。在此過程中，熔融鋁的凝固速度和引錠頭的下降速度必須完美地配合才能做出好的鋁棒/錠，如下降速度過快輕則鋁棒/錠出現中心裂紋，重則鋁液完全泄漏鑄棒/錠失敗。如下降速度過慢，則鋁棒/錠表面光潔度不好，且影響鑄造效率。

圖1 金屬硬殼形成示意圖

2 鋁合金圓棒鑄造機設備構成及功能

鑄造機結構圖如圖2。

（1）鑄造機液壓站：控制鑄造油缸升降，傾翻裝置傾翻/回落動作。

（2）鑄造盤：與引錠頭機構同時使用,相當于鑄造鋁棒的模具，包括分配流道、結晶器、水箱、油氣潤滑管道等。

（3）副井排水系統：在鑄造過程中，維持鑄井內水位。

（4）冷卻水供水系統：為鑄造盤提供持續不斷的冷卻水水源，包括常規供水水路和應急供水水路。

（5）傾翻裝置：用于鑄造結束后移走鑄造盤，鑄造開始前鑄造盤歸位。

（6）鑄造平臺/引錠頭：可上升下降，用于牽引圓棒鑄造。

（7）內導式油缸及扭矩限制器：為鑄造平臺升降提供動力，徑向力過大時，保護液壓缸。

鑄造機這些結構中傾翻裝置的安裝精度、內導式液壓油缸的質量和安裝精度是直接影響整套設備質量的關鍵因素。傾翻裝置安裝時，要保證鑄造盤的水平度，鑄造盤與油缸位置的相對位置誤差不能超過允許范圍。內導式油缸不得有爬行現象。鑄造過程中，偏移量不得超過允許范圍。這些要求都是為了保證鑄造過程中每對結晶器和引錠頭的相對位置基本一致。這是能保證整個鑄造平臺鋁棒完整鑄造不出現局部漏鋁現象的先決條件。

圖2 鑄造機結構圖

3 內導式鋁合金鑄造機的發展概況

國外早在20世紀50年代就己經開始對鋁及鋁合金圓棒液壓半連續鑄造機進行研究，但是，受當時的液壓元件性能、自動化控制水平，尤其是內導式液壓缸 運行平穩性的限制，其優勢（平穩性、可靠性、承載能力等）無法顯現出來，而且弊病較多（液壓泄漏大、平穩性差等），故未能得到廣泛的應用。近30年來，隨著高質量高性能的液壓元件與低摩擦液壓缸的不斷問世，以及自動化控制水平的顯著提升，為研發高性能的內導式鋁合金圓悻鑄造機提供了可能。現代化的鋁合金圓棒鑄造機具有穩定性高、鑄速范圍寬、精度高、負載能力大及結構簡單、機械磨損小、壽命長、維護方便等特點，特別適用于高質量、大噸位、大規格斷面的鋁錠鑄造，圖3所示為鋁合金半連續鑄造機鑄造過程示意圖。

圖3 鋁合金半連續鑄造機鑄造過程示意圖

在國內，鋁合金鑄造的研發起步較晚。生產廠商主要為一些小型民企，其生產的鑄造機也基本上為傳統的外導式結構。傳統的外導式鑄造機一般將其導軌固定在鑄井的井壁上，而將導輪或滑板安裝在運動的頂板側面，引錠平臺及頂板的升降運動是靠安裝在鑄井地基上的液壓缸實現的，液壓缸桿端則裝有一個萬向接頭。（圖4所示為外導式鑄造機。）這種結構的致命缺點：要保證鑄造運行過程中不出現爬行，保證圓鑄錠的質量，則需要花大量的時間來錐護導軌和支挿,而且為了液壓缸下降（鑄造速度）平穩，導輪與導軌的間隙不能過于小，而間隙大了，又會影響圓鑄錠的直線度。同時，由于導軌加工精度等因素影響也制約了液壓系統性能在鑄速精度上的發揮。因此，無法滿足高質量的圓鑄錠及硬合金產品對鑄速穩定性要求高的特點。同時，具有設備維護頻繁、故障率高，生產安全性差等缺點。而采用內導式液壓缸代替外導即可消除以上的弊端，液壓缸活塞桿頭部與鑄造平臺采用剛性連接并且不與鑄井井壁接觸，大大增加了鑄造平臺運行的平穩性，同時，通過液壓缸內部的導向裝置確保了在鑄造的整個過程防止鑄造平臺的偏轉，大大提高了產品的品質及降低設備的故障率。再配以精確的液壓控制系統，使得產品性能有了較大的提升。

圖4 外導式鑄造機

4 高精度鑄造機產品研發的背景與意義

隨著鋁合金材料在航天航空、交通運輸等領域的高精密零件的廣泛應用，必然對材料的性能要求提出了更高的要求，從而對鋁合金材料的生產工藝控制也提出了更苛刻的條件，進一步對生產裝備水平、控制精度等要求也不斷地提高，尤其是對于硬質合金7★★★系的難于成型、易于開裂的工藝特點尤為突出。國內在經過從引進吸收國外技術到逐步嘗試自主研發過程中也積累了不少經驗，為研發適合高品質鋁合金鑄造工藝的裝備提供了條件。

近幾年，我國鋁合金鑄造生產線項目每年均以幾十套的速度在增長，而生產線的設備主要依賴進口，主要以美國的瓦格斯達夫（Wagstaff）、奧爾梅斯 （Almex）、加拿大的羅馬（Loma）等廠家為代表。隨著中國市場的擴大，2009年開始，海德魯鋁業（Hydro）旗下的海卡斯特（Hycast）裝備公司也進軍中國市場。而這些生產線裝備制造商對鑄造機的主要元件內導式液壓缸也均未全部自己能夠生產的，其主要集中為德國的洪格爾（Hunger）、羅馬（Loma）的邁格納 以及力士樂（Rexroth）等少數專業廠家在生產。中國企業在面對這些少數生產裝備制造商及內導式液壓缸的專業廠商，不得不承受高昂的價格和漫長的生產周期。

本次設計的鋁合金鑄造機的內導式液壓油缸是通過韶關液壓缸廠依圖制作，已經經過初次實驗，如果調試安裝后達到預期效果，在生產成本上，將比照采購國外廠家大大縮小；在生產周期上，也將比照采購國外廠家大大縮小。

5 半連續鑄造機63T的液壓系統設計要求

液壓控制系統是內導式鋁合金圓棒鑄造機的核心，其性能直接決定鑄造機整機的質量。它為鑄造速度精度、鑄長的精度及安全鑄造提供保證，對產品質量及設備的穩定起著關健性的作用。本章著重介紹鑄造機液壓系統的設計。

5.1 鑄造機結構對液壓系統的要求

圖5 鑄造機液壓系統

通過設備的結構不難看出，這個系統有兩組執行裝置，內導式柱塞油缸和兩個傾翻油缸。傾翻油缸負責帶動鑄造盤傾翻和回落，兩個傾翻油缸機械同步。傾翻缸最大傾翻角度90°左右，可在任意位置停止不動。傾翻過程不能抖動。所以，控制傾翻油缸的閥組內應該有液壓鎖或者平衡閥等裝置。

內導式柱塞缸負責鑄造平臺的升降，液壓油缸耐壓值小于6MPa，油缸在上升時為液壓泵提供動力，下降是靠自重提供動力，鑄造過程一直靠重力提供動力，隨著鑄造的進行重力越來越大。鑄造不同規格鋁棒時的鑄造速度不同，鋁棒直徑越大，鑄造速度越慢；直徑越小鑄造速度越快。且內導式鑄造油缸的直徑大行程長，工作中油箱內液位變化必然很大。油箱體積需要足夠大。鑄造平臺在鑄造開始前，需要快速準確地完成引錠頭和結晶器的合模，所以，需要鑄造油缸能夠快速升降和慢速升降。引錠頭和結晶器合模后不會立刻開始鑄造，需要等待鋁水情況合適才會開始，時間較長，所以需要油缸能夠保證位置，在無動作時，油缸下落速度小于1mm/30min,所以在鑄造缸控制中多采用球閥結構。

5.2 安全鑄造對液壓系統的要求

（1）由于高溫液態鋁水（820℃）具有很大的危險性，如與很多材料接觸會引起燃燒，飛濺到人身上會導致燙傷，嚴重時可能致命，更危險的是當高溫鋁水直接與冷卻水接觸時，會因為熱能從液態鋁水轉移到液態的水，而造成水蒸氣爆炸，液態水迅速轉化為氣態水，氣體壓力以極快的比例增大，從而產生爆炸，隨著熱氣（水蒸氣）的爆炸，液態鋁水與爆炸氣體一起噴濺，傷物傷人，嚴重時，可能導致整個車間的摧毀。因此，鑄機對安全鑄造提出很高的要求。除對冷卻水與鋁液間的密封性嚴格要求外，對內導式液壓缸運行速度穩定性要求也很高，以避免在鑄造過程由于鑄速突變引起圓鑄錠在未完全冷卻成型時的塌陷，從而導致鋁液直接外溢至鑄井，與冷卻水直接接觸帶來的危險。

（2）在鑄造過程中，出現突然停電或電氣故障，很容易出現鋁水外溢的危險，或鑄造機停止鋁水凝固在鑄盤上損壞設備。為避免突發危險，需要液壓系統在突然停電或電磁閥故障的情況下，也能保證鑄盤上的鋁水完成鑄造。需要旁路不受電氣控制的鑄造回路。

（3）由于在鑄造機工作過程中，鑄造井內一直存在溫水和水蒸氣，容易造成管道銹蝕,所以，液壓系統管道選擇不銹鋼材質，且井下管道盡量少用接頭,減少漏油概率。

5.3 鑄棒工藝對液壓系統的要求

鑄造工藝要求圓鑄錠鑄造過程的鑄速誤差為控制在速度設定值的±1.5%，鑄速的不穩定可能增加圓鑄錠的內部裂紋、柱狀晶粒等的工藝缺陷。鑄造平臺在鑄造開始前需要快速準確完成引錠頭和結晶器的合模，所以，需要鑄造油缸能夠快速升降和慢速升降。引錠頭和結晶器合模后，不會立刻開始鑄造，需要等待鋁水情況合適才會開始，時間較長，所以需要油缸能夠保證位置。在無動作時，油缸下落速度小于1mm/30min,所以，在鑄造缸控制中多采用球閥結構。此外，在工藝上鑄造機要求設備滿足氣滑鑄造和油滑鑄造兩種鑄造工藝。

6 半連續鑄造機63t液壓原理圖（圖6）

圖6 半連續鑄造機63t液壓原理圖

根據設計要求，使用Y型換向閥加雙向節流閥控制傾翻架，同時，依靠油缸附加雙向平衡閥（sun螺紋插裝閥集成）保持傾翻機在翻轉時隨時停止與任意位置且過程無抖動。鑄造速度控制回路為該液壓系統控制重點，主要包括速度的穩定性及精確度。鑄造平臺（主缸）在鑄造時，靠自重下降，鑄造開始時，關閉油泵，通過設定給定指令給流量控制閥一定的預開度，開始鑄造時二通插裝閥打開，鑄造平臺開始下降，鑄造開始。油液通過后，質量流量計將流量值轉換成電信號與設定的流量值（鑄造平臺下降速度）信號比較后，經過PID計算，輸出差值的模擬信號去調整流量控制閥的開度，從而控制流量的大小，達到控制鑄造速度的目的。鑄錠的長度，也就是內導缸下降的位移，可以通過計算通過質量流量計的累積流量與主缸缸徑的比值得到。

本液壓系統鑄造速度控制回路選用FISHER流量控制閥加EMERSON質量流量計，閉環控制鑄造速度（PLC設定控制閥開口，質量流量計計算流量后發出信號反饋控制閥），因為鑄造機在鑄造工藝上分為氣滑鑄造和油滑鑄造，鑄造速度范圍為5～310mm/min,鑄造速度范圍較大，如果單使用大量程流量控制閥和大量程質量流量計控制，會使鑄造速度的控制精度下降，導致鑄造速度產生波動不穩的現象，匹配合適量程的流量控制閥和質量流量計能更精準的控制閥門開度，降低鑄造速度變化時的波動。故取用兩件流量控制閥（一大一小）兩件質量流量計（一大一小），以鑄造速度80mm/min為界限，根據鑄造工藝選擇合適的流量控制閥及質量流量計。鑄造機處于非鑄造工況時，主要由以下幾個動作組成：快速上升、慢速上升、嚙合上升以及快速下降。考慮到設計的標準化、模塊化，同時，為使系統維護、維修簡便，本設計中除嚙合上升動作外，統一采用伊頓動態功能二通插裝閥及相應蓋板，而嚙合上升動作采用電磁換向閥加疊加調速閥構成液壓控制回路。選用動態功能的插裝閥及蓋板，是因為其特征是閥的開啟關閉與A B油口壓力無關，依靠控制壓力（本系統為外引先導壓力油源+蓄能器）來可靠關閉，可以實現平穩而準確的操作。

此外，由于鑄造行業為高危行業，鑄造機鑄造過程中為了安全保險，電控系統中有UPS為其系統保護在鑄造時突然斷電時保持15min，同時，在液壓系統中同樣考慮在鑄造過程中如出現設備整機或局部故障時的應急系統。當狀況發生時，打開手工應急發訊球閥，油液經固定開度的節流插裝閥通過質量流量計回到油箱。

7 結語

本文大概介紹了鑄造機的工藝和原理、鑄造機的結構形式，以及本人所設計的半連續鑄造機63T液壓系統的功能及其特性，本人水平有限，有很多地方講述不到位，只是希望借以本文拋磚引玉，讓國內其他鑄造機液壓系統設計者能揚長避短，做出更好的液壓系統。