鎂合金正被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、電子以及消費(fèi)品工業(yè)中的各種結(jié)構(gòu)件。目前鎂合金鑄件多采用壓鑄、半固態(tài)鑄造、擠壓鑄造以及低壓鑄造等方法進(jìn)行生產(chǎn)。低壓鑄造由于其充型過程的平穩(wěn)性以及優(yōu)良的凝固補(bǔ)縮性能，被廣泛用于形狀復(fù)雜、質(zhì)量要求高、壁厚不均勻的鎂合金鑄件生產(chǎn)中，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋、導(dǎo)彈殼體、渦輪增壓器葉輪、汽車輪轂、紡織機(jī)械等重要鑄件的成形，是獲得優(yōu)質(zhì)鎂合金鑄件的最優(yōu)方法之一。
目前國內(nèi)鎂合金低壓鑄造裝備多適臺(tái)于單件小批量鑄件的生產(chǎn)，無法用于大批量的連續(xù)化生產(chǎn)。在鎂合金鑄件連續(xù)低壓鑄造生產(chǎn)時(shí)，不僅要求設(shè)備的熔化量大，而且在每次澆注循環(huán)間隔中，需對(duì)升液管內(nèi)的合金液面進(jìn)行懸浮控制，以減少由于合金液面在升液管內(nèi)的往復(fù)上下沖刷而造成鑄件的氧化夾雜，提高鎂合金鑄件的內(nèi)在質(zhì)量。鎂合金低壓鑄造多采用氣體保護(hù)方法實(shí)現(xiàn)阻燃，保護(hù)氣體的引入對(duì)液面加壓控制系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力提出更高要求。為此，本工作針對(duì)鎂合金鑄件連續(xù)化生產(chǎn)技術(shù)的要求，研制了可用于連續(xù)化生產(chǎn)的鎂合金低壓鑄造裝備。
1 雙工位低壓鑄造裝備硬件系統(tǒng)
該鎂合金設(shè)各采用坩堝加壓方式實(shí)現(xiàn)低壓鑄造，單臺(tái)鎂合金低壓鑄造設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由熔化爐、坩堝、坩堝蓋、保溫套、臺(tái)車、導(dǎo)向柱、升降油缸、推拉油缸等組成。熔化爐功率為85 kW，放置在臺(tái)車上。坩堝容量為300 kg鎂合金液，在坩堝的上端面設(shè)計(jì)有密封槽，坩堝與坩鍋蓋之間采用T型螺栓鎖緊密封。在坩堝蓋上設(shè)計(jì)有壓縮空氣的進(jìn)排氣口、保護(hù)氣體進(jìn)氣口以及壓力信號(hào)采集口。在坩堝盞的項(xiàng)部設(shè)計(jì)了保溫套加熱裝置，主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)升液管的加熱。避免鑄件在澆注過程中出現(xiàn)升液管凍結(jié)現(xiàn)象。其采用碳化硅成型燒結(jié)爐膛，功率為5 kW，具有加熱效率高、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。保溫套的上端面設(shè)計(jì)有放置升液管的法蘭孔。臺(tái)車放置在導(dǎo)軌上，在升降油缸和4根導(dǎo)向柱的作用下，可實(shí)現(xiàn)熔化爐的垂直上升與下降運(yùn)動(dòng)，在推拉油缸的作用下，可實(shí)現(xiàn)熔化爐的水平移動(dòng)。
圖1 單臺(tái)鎂合金低壓鑄造設(shè)備實(shí)體圖
為保證鎂合金鑄件生產(chǎn)的連續(xù)性，采用了兩臺(tái)鎂合金低壓鑄造設(shè)備，在兩臺(tái)設(shè)備之間設(shè)置了鑄型工作平臺(tái)，作為澆注工位，用于放置、固定鑄型。在正常工作時(shí)，其中一臺(tái)熔化爐內(nèi)鎂合金熔化處理好后，蓋上坩堝蓋，通過臺(tái)車的移動(dòng)和升降，實(shí)現(xiàn)熔化爐與鑄型工作平臺(tái)之間的對(duì)接密封，進(jìn)行低壓鑄造生產(chǎn)。當(dāng)坩堝內(nèi)的合金液澆注完后，移動(dòng)另外一臺(tái)熔化爐到工作臺(tái)繼續(xù)澆注，從而實(shí)現(xiàn)低壓鑄造設(shè)備的雙工位連續(xù)性生產(chǎn)。此外由于臺(tái)車與鑄型工作平臺(tái)對(duì)接后，平臺(tái)的中心孔要與坩堝蓋同軸，必須采用限位機(jī)構(gòu)對(duì)臺(tái)車的行走位置及升降位置進(jìn)行嚴(yán)格控制。
在鎂合金的阻燃保護(hù)上，采用了自主開發(fā)的鎂合金低壓鑄造專用混氣系統(tǒng)，該混氣系統(tǒng)裝置可實(shí)現(xiàn)干燥空氣、SF6及C023種氣體的按比例混合，并針對(duì)鎂合金低壓鑄造的特點(diǎn)，提供常壓熔煉、澆注過程保護(hù)、泄露保護(hù)三路出口。
2 液面懸浮控制技術(shù)原理及實(shí)現(xiàn)
2.1 液面懸浮控制原理
鎂合金低壓鑄造連續(xù)化生產(chǎn)時(shí)，澆注的零件絕大多數(shù)是中小型鑄件，每次澆注鑄件所用合金液量小。通常條件下，低壓鑄造在澆注完成后對(duì)卸壓階段的排氣速度不進(jìn)行控制，澆注系統(tǒng)及升液管內(nèi)殘留的鎂合金液會(huì)迅速回流，在升液管內(nèi)產(chǎn)生氧化皮，并會(huì)在下一次澆注過程中被金屬液帶入鑄型，在鑄件中形成氧化夾雜等鑄造缺陷。此外，升液管內(nèi)的鎂合金液無法采用氣體保護(hù)阻燃，其反復(fù)沖刷升液管，會(huì)在升液管內(nèi)壁上產(chǎn)生許多燃點(diǎn)，為鑄件的連續(xù)生產(chǎn)埋下安全隱患�？紤]上述因素，在鎂合金低壓鑄造連續(xù)化生產(chǎn)中采用了液面懸浮控制技術(shù)。
鎂合金液面懸浮是指在鎂合金低壓鑄造時(shí)，控制升液管內(nèi)鎂合金液面高度，使鎂合金液面懸浮在升液管管口處，澆注時(shí)鎂合金液直接從升液管管口進(jìn)入鑄型型腔，澆注完成后，控制坩堝內(nèi)的壓力，使?jié)沧⑾到y(tǒng)中未凝固的鎂合金液緩慢回流，并使金屬液面保持在升液管口處，等待下一次的澆注。為此需要對(duì)每次澆注完成后坩堝內(nèi)的壓力進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)鎂合金液面在升液管口處的懸浮。
鎂合金液面懸浮控制的示意如圖2所示。ho為預(yù)留的懸浮安全高度，日為澆注單件鎂合金鑄件所造成的坩堝內(nèi)金屬液面的下降高度。為實(shí)現(xiàn)液面的精確懸浮控制，需要在低壓澆注第1件時(shí)在升液管口處放置一個(gè)觸點(diǎn)信號(hào)，當(dāng)金屬液沿升液管上升時(shí)導(dǎo)通觸點(diǎn)信號(hào)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)記錄下觸點(diǎn)信號(hào)導(dǎo)通時(shí)坩堝內(nèi)的實(shí)際壓力值Pno鎂合金低壓鑄造用坩堝為直筒型，其半徑為r，底部半球形為存渣部分。已知鑄件的質(zhì)量為M澆注單件后對(duì)應(yīng)坩堝內(nèi)金屬液面的下降高度H為：
H＝M/ρπγ2 (1)
式中，ρ——鎂合金液密度。
根據(jù)帕斯卡原理，則低壓鑄造澆注時(shí)需要的懸浮壓力為：
式中：n——澆注的鑄件個(gè)數(shù)，n=1，2，3......；
ho——安全懸浮高度，通常取ho=20 mm。
由式(2)可知，只需要知道澆注鑄件質(zhì)量M、澆注次數(shù)n、初始懸浮壓力值Po以及坩堝的內(nèi)徑r，就可以對(duì)每次澆注后的金屬液面高度進(jìn)行懸浮控制了。
圖2 液面懸浮示意圖
2.2 液面懸浮控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
2.2.1 液面懸浮氣控系統(tǒng)
為實(shí)現(xiàn)液面懸浮控制，在常規(guī)低壓鑄造氣控系統(tǒng)的排氣支路上并聯(lián)了一路懸浮電磁閥排氣支路，用于液面懸浮階段的壓力調(diào)節(jié)控制，氣控系統(tǒng)原理如圖3所示。在低壓鑄造結(jié)晶保壓階段完成后，先用電控氣動(dòng)球閥進(jìn)行快速排氣，在接近懸浮壓力時(shí)，采用懸浮電磁閥進(jìn)行排氣。在整個(gè)懸浮過程中，當(dāng)坩堝內(nèi)壓力低于設(shè)定懸浮壓力時(shí)，由數(shù)字組合閥向坩堝內(nèi)補(bǔ)氣；當(dāng)坩堝內(nèi)壓力高于設(shè)定懸浮壓力時(shí)，由懸浮電磁閥向外排氣，從而保證鎂合金液面始終懸浮于升液管口處。
圖3 液面懸浮氣控系統(tǒng)原理圖
由于采用坩堝加壓方式，坩堝內(nèi)的空間小，即使坩堝內(nèi)氣體壓力調(diào)節(jié)變化很小，也會(huì)造成較大的金屬液面波動(dòng)，為此在坩堝進(jìn)氣管路上串聯(lián)了一個(gè)0.3 m3的儲(chǔ)氣罐，起到緩沖作用，并可提高壓力調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。
2.2.2 液面懸浮控制軟件的設(shè)置
在自主開發(fā)的控制軟件中，除正常低壓鑄造工藝所需的工藝參數(shù)外，還增加了鑄件質(zhì)量和鑄件數(shù)量2個(gè)工藝參數(shù)。低壓鑄造前，需要輸入所澆注的鑄件質(zhì)量，控制軟件會(huì)根據(jù)式(2)將鑄件質(zhì)量參數(shù)自動(dòng)換算成每一澆注循環(huán)后所需的懸浮壓力增量，并根據(jù)觸點(diǎn)信號(hào)導(dǎo)通時(shí)記錄的壓力值和已完成的澆注次數(shù)，確定第一次澆注完成后所需的實(shí)際懸浮壓力值。鑄件數(shù)量參數(shù)僅用于對(duì)澆注循環(huán)次數(shù)進(jìn)行記錄。
此外，在控制軟件中對(duì)澆注完成后的排氣階段增加了一個(gè)條件判斷。當(dāng)坩堝內(nèi)的氣體壓力與需要懸浮壓力之間差值大于3 kPa時(shí)，采用電控氣動(dòng)球閥排氣，達(dá)到快速排氣的目的；當(dāng)差值小于等于3 kPa時(shí)，則關(guān)閉電控氣動(dòng)球閥，采用懸浮電磁閥進(jìn)行排氣，以減少排氣量使金屬液緩慢下落至所需的懸浮高度。此外，還設(shè)置了液面懸浮高度微量調(diào)整選項(xiàng)，可根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)液面懸浮高度進(jìn)行微量調(diào)整，避免累積誤差對(duì)液面懸浮高度造成較大影響。
3 高精度壓力控制技術(shù)
3.1 模糊PID復(fù)合控制器的原理及設(shè)計(jì)
控制軟件所采用的控制器是影響低壓鑄造壓力控制精度及液面懸浮控制精度與穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)。目前的控制軟件中主要采用PID控制，其控制簡單、穩(wěn)定性、可靠性高，但壓差控制精度差、階躍信號(hào)超調(diào)量大以及適應(yīng)性差。模糊控制不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，具有魯棒性強(qiáng)、上升時(shí)間短及超調(diào)量小等優(yōu)點(diǎn)，但模糊控制并不能消除靜態(tài)誤差。為結(jié)合PID控制器和模糊控制器的相互優(yōu)點(diǎn)，本研究研制了一種新型模糊PID復(fù)合控制器。
模糊PID復(fù)合控制器的控制原理如圖4所示。系統(tǒng)誤差e(k)為k時(shí)刻設(shè)定壓差值減去實(shí)際壓差值，eo為設(shè)定的PID控制器與模糊控制器的切換臨界點(diǎn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可取eo=0.25 kPa，當(dāng)|e|≥eo時(shí)，采用模糊控制器控制，以減少壓差超調(diào)保證動(dòng)態(tài)性能；當(dāng)|e|＜eo時(shí)，切換為PID控制，消除靜差保證穩(wěn)態(tài)精度。此外，為保證系統(tǒng)輸出的連續(xù)性，當(dāng)在兩種控制器之間進(jìn)行切換時(shí)，控制器的輸出必須相等。
圖4 模糊PID復(fù)合控制器的原理框圖
3.1.1 PID控制器
PID控制器采用如下增量式算法，計(jì)算控制輸出量△μ(k)：
△μ(k)＝μ(k)－μ(k－1)＝
Kp△e(k)＋KIe(k)+KD[△e(k)－△e(k－1)] (3)
其中，KP、KI、KD分別為比例、積分、微分項(xiàng)系數(shù)，在本控制系統(tǒng)中KP=14，KI=4，KD=0.08。
3.1.2 模糊控制器
模糊控制器以偏差e(k)及偏差變化率ce(k)作為輸入變量，以數(shù)字組合閥的開度控制量μ(k)作為輸出變量。模糊控制器分為模糊化、模糊控制規(guī)則表以及反模糊化3個(gè)部分。
(1)模糊化及隸屬度函數(shù)
e(k)和ce(k)的論域分別取為[-1，1]、[-3，3]。系統(tǒng)輸入的實(shí)際值P(的和ce(k)需要按一定的轉(zhuǎn)換比例轉(zhuǎn)化為：E＝αe e(k)和Ec=αec ce(k)，其輸入量比例因子分別為：αe=6和aec=2。誤差E、誤差變化匠和控制輸出量△μ模糊子集取7個(gè)語言變量，為(NB、NM、NS、ZR、PS、PM、PB)(分別表示：負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大)，其三角形隸屬度函數(shù)如圖5所示。
圖5 E、Ec、△μ的隸屬度函數(shù)
(2)模糊控制規(guī)則
采用廣泛使用的If-Then語句，共有25條：
If E＝NB and Ec=NB or NM or NS or ZR
Then μ=PB；
If E=NB and Ec=PS
Then μ=PM；
具體的模糊控制規(guī)則如表1所示。
表1 模糊推理規(guī)則表
(3)反模糊化
反模糊化是將模糊推理接口的模糊化結(jié)果轉(zhuǎn)變成可用于被執(zhí)行機(jī)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的精確量。反模糊化的方法很多，如最大隸屬度法、取中位數(shù)法、加權(quán)平均法等。本研究采用加權(quán)平均法，模糊控制輸出值可由下式計(jì)算：
其中i為控制規(guī)則數(shù)。
對(duì)于得到的輸出解模糊化值μfz(k)，需要乘以比例因子才能得到實(shí)際的控制量輸出值μ(k)=αμμfz(k)，其中輸出比例因子αμ=2。根據(jù)上述推理可得模糊查詢表。從模糊查詢表中讀取的值乘以比例因子αμ后，累加到最終的控制量上去，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)組合閥開度的控制。
3.2 液面加壓控制系統(tǒng)的應(yīng)用
在研制的反重力液面加壓控制系統(tǒng)中，下位機(jī)采用Siemens S7-200 PLC作為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要設(shè)備，上位機(jī)采用研華UNO-2170工業(yè)計(jì)算機(jī)，通過RS485接口與PLC相連，采用面向?qū)ο蟮腄elphi語言編寫控制軟件。
鎂合金低壓鑄造時(shí)采用混合保護(hù)氣體結(jié)合壓縮干燥空氣作為聯(lián)合加壓氣體，實(shí)現(xiàn)澆注過程的壓力控制和合金阻燃保護(hù)，即在合金液處理好并準(zhǔn)備澆注時(shí)，同時(shí)向坩堝內(nèi)通入混合保護(hù)氣體和干燥壓縮空氣，混合保護(hù)氣體主要起阻燃作用，壓縮空氣作為調(diào)節(jié)壓力的氣體，混合氣體的進(jìn)口壓力要高于結(jié)晶保壓壓力0.5 kPa，由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)坩堝內(nèi)壓力的精確調(diào)節(jié)，完成鎂合金低壓鑄造。在低壓鑄造過程中，由于SF6的密度較大，會(huì)沉積在坩堝內(nèi)的鎂液表面，起到保護(hù)作用。
在充型階段，雖然壓縮空氣的迸氣量較大，鎂液表面的SF6易被空氣介質(zhì)吹散，發(fā)生混氣現(xiàn)象，但由于混合氣體通道的進(jìn)口壓力較高，可保證鎂液表面SF6的含量高于0.2％-0.3％的要求，得到較好的阻燃效果。經(jīng)多次冷態(tài)調(diào)試和上百次實(shí)際澆注件運(yùn)行證明，液面加壓控制系統(tǒng)的壓力控制精度無論是在充型階段還是結(jié)晶保壓階段，都能保證控制精度誤差在0.5 kPa以內(nèi)。在實(shí)現(xiàn)鎂合金液面在升液管口處的懸浮控制中，液面懸浮誤差不大于0.5 kPa，液面波動(dòng)小于0.2 kPa。模糊PID復(fù)合控制器的研制，不僅繼承了常規(guī)PID控制無靜差、靜態(tài)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，同時(shí)又兼有模糊控制適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，適合非線性的反重力鑄造過程控制，有效提高了系統(tǒng)的壓差控制精度和抗干擾性。液面懸浮技術(shù)的應(yīng)用，不僅減少了金屬液在升液管內(nèi)上升與下降的頻率，降低了造成氧化夾雜等鑄造缺陷的可能性，而且還縮短了鑄型澆注時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。
該裝備自研制成功以來，在國內(nèi)某鑄造研究所已投入生產(chǎn)運(yùn)行1年多時(shí)間。利用該裝備進(jìn)行了鎂合金鑄件的低壓鑄造連續(xù)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了鎂合金輪轂及進(jìn)氣歧管等中小型鎂合金鑄件的批量生產(chǎn)，并獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。
4 結(jié)束語
1)采用鎂合金低壓鑄造設(shè)備的雙工位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過臺(tái)車的移動(dòng)與升降，可以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)設(shè)備之間的切換，從而保證鎂合金鑄件的連續(xù)化生產(chǎn)。
2)在液面加壓控制系統(tǒng)中采用液面懸浮技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)鎂合金液面在升液管口的精確懸浮控制，有效降低鑄件中的氧化夾雜缺陷，提高生產(chǎn)效率。
3)研制開發(fā)的模糊PID復(fù)合控制算法，可實(shí)現(xiàn)鎂合金低壓鑄造過程的精確控制，壓力控制誤差在0.5kPa以內(nèi)。
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本文標(biāo)題：鎂合金低壓鑄造連續(xù)化生產(chǎn)技術(shù)的研究
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