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(yè)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(yè)大學，陜西西安 710072；5.萬豐科技開發(fā)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(shù)的發(fā)展與展望（續(xù)）

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(yè)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(yè)大學，陜西西安 710072；5.萬豐科技開發(fā)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(shù)的發(fā)展歷程及其現(xiàn)狀，對未來低壓鑄造新技術(shù)的應用進行了展望。認為工業(yè)機器人、電磁泵鑄造技術(shù)、人工智能和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等的綜合應用，將成為中國低壓鑄造產(chǎn)業(yè)中，實施“中國制造2025”戰(zhàn)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(yè)機器人

（2 國內(nèi)低壓鑄造的發(fā)展歷程（續(xù)上期））

21世紀初，隨著計算機應用技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是不斷地引進國外高水平的低壓鑄造機，以此為借鑒，使得國內(nèi)低壓鑄造液面加壓控制系統(tǒng)的性能進一步提高，主要表現(xiàn)在實時顯示和控制精度及可靠性大幅度提升。

2001年廣豐汽車摩托車鋁鑄件有限公司，將原有的從德國引進的低壓鑄造機液面加壓系統(tǒng)進行了改進，原低壓鑄造機在使用過程中，由于諸多因素致使模擬比例調(diào)節(jié)氣閥損壞率高，使用壽命極短，嚴重制約了鑄造生產(chǎn)能力的達成。這是由于采用模擬比例調(diào)節(jié)閉環(huán)控制時，比例放大板處于較長時間的大電流輸出狀態(tài)下運行，工作過程的頻繁動作、電氣元件老化及溫度漂移等，使得控制系統(tǒng)難以在理想狀態(tài)下運行，高故障率由此產(chǎn)生。故此，該公司采用PLC數(shù)字控制技術(shù)，PWM功能保證了輸出電流的線性調(diào)節(jié)，由CPU224內(nèi)置的PID實現(xiàn)比例調(diào)節(jié)，具有優(yōu)越的環(huán)境適應性和性價比，完全可以替代各類進口低壓鑄造機壓力控制系統(tǒng)[37]。

2002年北京航空航天大學張虎教授率領(lǐng)的課題組研發(fā)成功了BH-1型低壓鑄造壓力控制系統(tǒng)，用于中信戴卡輪轂制造有限公司改造原有的1995年以前進口的低壓鑄造機。該系統(tǒng)主要創(chuàng)新點是：①以自主開發(fā)的數(shù)字組合閥為核心的工業(yè)計算機控制系統(tǒng)，采用了靈敏的壓力傳感器和軟件式PID控制器；②該系統(tǒng)具有較高的控制精度和較短的響應時間，升壓階段壓力偏差值≤5×10-4MPa,時間滯后≤30 ms，保壓階段壓力偏差值≤3×10-4MPa。確保鋁液平穩(wěn)充型，使實際升壓曲線真實地重現(xiàn)設定的升壓曲線；③該系統(tǒng)具有較高的壓力自動補償能力，使得保溫爐內(nèi)的壓力可以根據(jù)設定的曲線精確、重復再現(xiàn)，而不受氣壓波動和金屬液位變動的影響； ④該系統(tǒng)具有較寬的工藝適用范圍，可根據(jù)工藝需要自由設定8段以上的壓力曲線，以800 kg熔池保溫爐為例，最大加壓速率可達100×10-4MPa/s；⑤該系統(tǒng)具有良好的人機對話功能，可以方便的輸入各類工藝參數(shù)，在工控機屏幕上實時顯示鑄造過程的設定壓力曲線和實際控制的壓力曲線，并進行疊加比較；⑥該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)保存及調(diào)用功能，每次鑄造過程的設定壓力曲線和實際控制曲線及鑄件編號、各段鑄造時間均可以數(shù)據(jù)文件的形式自動保存，并可直接通過打印機輸出或傳輸?shù)狡渌嬎銠C進行分析；⑦具有模具冷卻控制功能，滿足了自主工藝優(yōu)化需求。對每路冷卻通道均提供了“ON”、“OFF”、“AUTO”三種工作方式，可按時間控制和溫度控制兩種模式進行模具冷卻；⑧原系統(tǒng)改造后明顯降低了鑄造廢品率，提高了生產(chǎn)率，減少了鑄件的飛邊、毛刺的產(chǎn)生，從而減少了原材料消耗[38]（見圖11）。

圖11 低壓鑄造控制系統(tǒng)(2003年)

2003年2月，北京航空航天大學張虎教授率領(lǐng)的課題組率先研發(fā)成功了全數(shù)字控制的現(xiàn)代低壓鑄造控制系統(tǒng)并迅速獲得應用。整套控制系統(tǒng)包括動力控制、機器運行控制、液面壓力控制和鑄型溫度（冷卻）控制、保溫爐爐溫和鋁液溫度的控制。采用分級控制方式，由工業(yè)計算機完成液面壓力控制和鑄型溫度（冷卻）控制；由智能儀表完成保溫爐爐溫的控制和鋁液溫度的監(jiān)控；由PLC負責控制低壓鑄造過程的順序運行，協(xié)調(diào)機器的全部動作并為機器的順利運行提供安全保障。該系統(tǒng)首先用于進口低壓鑄造機的升級改造。

2003年以來，已有160余臺套系統(tǒng)用于進口低壓鑄造機的升級改造，如原產(chǎn)于意大利的CIVARDI、LPM低壓鑄造機，德國的KURTZ、GIMA低壓鑄造機，英國的PLUME低壓鑄造機，丹麥的RIMATIC低壓鑄造機，美國的IMPIRE低壓鑄造機，保加利亞的CPC差壓鑄造機等。已有600余套用于國內(nèi)眾多汽車車輪生產(chǎn)廠家，并出口到泰國、美國等汽車車輪生產(chǎn)廠家。

長期的生產(chǎn)實踐促成了鋁合金車輪結(jié)構(gòu)特征和現(xiàn)代低壓鑄造生產(chǎn)技術(shù)的完美結(jié)合，既提高了鋁合金車輪性能，又實現(xiàn)了低成本，使得低壓鑄造成為鋁合金車輪的主流生產(chǎn)方法。然而，隨著乘用車輪胎日益扁平化，鋁合金車輪尺寸越來越大，現(xiàn)有的鋁合金車輪低壓鑄造生產(chǎn)技術(shù)的局限性日益顯現(xiàn)，如何提高大尺寸車輪輪輻輪心部位的力學性能，已成為制約鋁合金車輪進一步輕量化的瓶頸，引起越來越多生產(chǎn)廠家的關(guān)注。

為此，2013年后，北京航空航天大學研發(fā)了直接增壓低壓鑄造機、強化冷卻與控制技術(shù)，結(jié)合旋壓成形工藝優(yōu)化，實現(xiàn)了“細晶鑄旋”大尺寸車輪本體綜合性能的協(xié)同提高。

針對航空航天行業(yè)單件小批量生產(chǎn)方式，基于BH系列低壓鑄造控制系統(tǒng)的專用型BH-2系列低壓鑄造機，于2003年7月在某航天企業(yè)用于生產(chǎn)鋁合金艙體類鑄件。該機操作簡單，參數(shù)設定方便，可以準確實現(xiàn)工藝人員設計的壓力曲線，鑄件成品率大幅提高（圖11）。

另外，在全數(shù)字式液面加壓控制系統(tǒng)基礎上，研制的差壓鑄造機，于2007年5月在某軍工研究院用于生產(chǎn)艦船用部件，至今已可靠運行近10年（圖12）。

圖12 全數(shù)字式液面加壓控制的差壓鑄造機（2007年）

2004年沈陽理工大學和沈陽工業(yè)大學聯(lián)合研制成功了CLP-10型低壓鑄造液面加壓控制系統(tǒng)，由觸摸屏人機界面、PLC和組合閥組成。該系統(tǒng)主要創(chuàng)新點是：①觸摸屏采用日本三菱公司的GOT90，與PLC（FX2N）通訊采用485通訊方式，可以實現(xiàn)高速通訊所需的總線連接；②人機界面通過Windows WAV文件，可以支持聲音輸出；③能實現(xiàn)梯形圖監(jiān)控功能，縮短排除梯形圖故障編寫所需的時間；④采用模糊控制算法，實現(xiàn)反饋控制，并具有泄漏補償能力，充型速度可以根據(jù)設定值精確地重復再現(xiàn)，界面清晰明了，編程簡單，便于操作；⑤該系統(tǒng)還具有故障測試功能，如果傳感器異常，閥口開度過大，升液速率過快等都會進入到相應的故障子程序中，進行故障提示[39]。

圖13 CY3000型銅合金差壓鑄造機（2015年）

2007年，哈爾濱工業(yè)大學孫劍飛教授課題組為120廠研制了工作罐直徑為2.2 m的鋁合金差壓和低壓鑄造機，當年解決了復雜鑄件的鑄造成形問題。之后，課題組陸續(xù)為113廠、114廠、120廠、800所、59所、大連船用推進器廠等單位研制反重力鑄造設備和控制系統(tǒng)20余臺套，差壓鑄造設備上罐體內(nèi)徑最大達2 500 mm（Al）、3 000 mm(Cu)。在進行液面充形過程精確控制的同時，著重加強了溫度場和氣氛控制與反重力鑄造過程的結(jié)合，以解決鎂合金反重力鑄造過程的安全性問題；同時，應使用單位要求，部分地使用了開合罐、金屬液供給的自動控制技術(shù)，提高了穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率（見圖13、圖14）。

從理論上講，低壓鑄造技術(shù)是差壓鑄造的一種特例，調(diào)壓鑄造是差壓鑄造的延續(xù)，其實同屬于反重力鑄造技術(shù)范疇。在21世紀初的10年間，隨著世界各國航空航天、國防、汽車等基礎產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，鑄件正朝著少、無加工余量，薄壁、高精度、高性能、復雜、整體化的方向邁進[40-42]，反重力鑄造裝備諸技術(shù)得到了長足的進步。

2001年沈陽黎明發(fā)動機制造公司和沈陽工業(yè)學院聯(lián)合研究開發(fā)了一種新型低壓鑄造機，即真空充型傾轉(zhuǎn)加壓倒置鑄造法。它是將盛有液態(tài)金屬的容器與鑄型分別放在兩個耐高壓的容器中，用一根管子聯(lián)通，鑄型在上，坩堝在下。充型前上罐和下罐同步抽到一定的真空度，靜置一段時間后進一步去除液態(tài)金屬中的氣體；然后按一定的工藝要求加大下罐的壓力使金屬液充滿型腔。再傾轉(zhuǎn)整個裝置，使其上下罐倒置。與此同時，上下罐同步加壓，使鑄型內(nèi)的金屬液在壓力下凝固。該方法集中了真空低壓鑄造和差壓鑄造及高壓釜鑄造的優(yōu)點，使鑄件的組織更加致密，基本上消除了氣孔和縮孔?？纱蠓鹊靥岣卟牧系谋葟姸燃绊g性。

圖14 金屬/砂型差壓鑄造機（2013年）

該機適用于石膏型、金屬型、砂型、陶瓷型、熔模型和消失模等多種成形方式。該機具有多種鑄造方式可供選擇，即可按一般低壓鑄造，也可按惰性氣體保護下低壓鑄造、真空低壓鑄造、差壓鑄造、惰性氣體保護差壓鑄造、真空差壓鑄造等6種鑄造方法；加上傾轉(zhuǎn)功能還可按類似高壓釜鑄造，可進一步提高鑄件的致密度。該方法是中國低壓鑄造技術(shù)領(lǐng)域中的巨大創(chuàng)新[42-44]。

2002年西北工業(yè)大學郝啟堂教授課題組研發(fā)成功了大型薄壁鋁合金鑄件樹脂砂型低壓鑄造設備，該機主要由設備主體、鑄型輸送臺車、氣控系統(tǒng)、PLC電氣控制系統(tǒng)、保溫爐和液壓系統(tǒng)六部分組成。主要特點是：①壓力容器和鎖緊環(huán)是該設備的主體，保溫爐置于壓力容器之中，在油缸驅(qū)動下使鎖緊環(huán)鎖緊，實現(xiàn)罐體密封；②鑄型輸運臺車在液壓系統(tǒng)驅(qū)動下可以前后運動，鑄型平臺可自動升降，最大輸運質(zhì)量可達60 t；③工作原理：液態(tài)金屬準備就緒后，先鎖緊中隔板，然后放入升液管，鑄型輸運臺舉升后水平移送到工作位后，鑄型輸運臺下降，完成鑄型與中隔板的密封，并確認澆口與升液管上端口對齊后，隨之啟動液面加壓系統(tǒng)加壓，完成鑄件的澆注過程；④該機液面加壓系統(tǒng)采用數(shù)字組合閥控制，由8個電磁閥、8個手動截止閥和8個節(jié)流閥組成，可以提供256中不同的狀態(tài)，對應256種不同的充型速率，從而滿足壓力控制的精度要求；⑤數(shù)字組合閥的響應時間和調(diào)節(jié)速度比氣動薄膜閥等要快，其兩種不同狀態(tài)之間的切換時間僅為80 ms，因此跟蹤精度高，實現(xiàn)平穩(wěn)充型，有效地抑制液面波動；⑥計算機控制軟件使用Windows平臺，采用Delphi編程，參數(shù)設置界面提供了鑄造過程需要的各種信息，包括工藝參數(shù)、觸點使用信息、PID參數(shù)、溫度場信息、工作信息和跟蹤特性參數(shù)等，所有這些參數(shù)可以保存和讀??；⑦采用PID+模糊控制算法，有效地解決了氣動薄膜調(diào)節(jié)閥控制滯后的問題，克服了澆注超高鑄件(大于2m)存在液面波動的問題；⑧該機生產(chǎn)的鋁鑄件質(zhì)量達1.8 t，鑄件組織致密，力學性能和冶金品質(zhì)優(yōu)越；⑨該設備不僅適用大型薄壁樹脂砂鋁合金低壓鑄造，也可用于石膏型和熔模低壓鑄造[45]（見圖15）。

圖15 1 500 kg鋁合金分體式砂型反重力鑄造裝備(2002年)

2009年西北工業(yè)大學郝啟堂教授課題組研發(fā)成功了多功能鋁合金反重力鑄造裝備，主要創(chuàng)新點是：①該機采用分離式上下罐體作為裝備主體，下罐內(nèi)放置電阻爐，低壓鑄造時，不使用上罐，差壓鑄造和調(diào)壓鑄造時上罐內(nèi)放置鑄型。在控制軟件的調(diào)控下，與氣路控制系統(tǒng)相結(jié)合，既可以只使用下罐，實現(xiàn)大型薄壁鋁合金鑄件的低壓鑄造，又可以同時使用上下罐，實現(xiàn)中小型鋁合金鑄件的差壓鑄造和調(diào)壓鑄造；②對控制算法的優(yōu)化處理以及氣路系統(tǒng)中受數(shù)字信號直接控制的數(shù)字組合閥的使用，提高了液面加壓系統(tǒng)的響應速度、壓力控制精度及其穩(wěn)定性；③低壓鑄造時，氣源壓縮空氣通過數(shù)字組合閥進入下罐，使坩堝內(nèi)金屬液在壓力作用下升液，充入型腔，澆注完成后，打開排氣閥缷壓；④差壓鑄造時，將上下罐密封后，先使上下罐同步進氣，建立同步壓力后，使上罐內(nèi)氣體，經(jīng)數(shù)字組合閥在壓力控制下排出，使得上下罐產(chǎn)生壓差，實現(xiàn)澆注過程。也可以使氣源氣體在數(shù)字組合閥的控制下按照設定的加壓工藝曲線進入下罐，同樣在上下罐產(chǎn)生壓差，完成加壓過程；⑤調(diào)壓鑄造時，先開啟真空泵，同時給上、下罐抽真空，達到預定的真空度后停泵，給下罐增壓，通過數(shù)字組合閥調(diào)節(jié)進氣量，使下罐內(nèi)壓力按照設定的加壓工藝曲線變化，同樣金屬液在壓差作用下升液、充型。鑄件凝固后使上下罐互通，升液管內(nèi)的金屬液在排氣閥的控制下緩慢回落[46]。

這種裝備已在沈陽鑄造研究所、北京航空材料研究院、鷹普航空（鑄件）有限公司等單位推廣使用[47]（見圖16）。

圖16 多功能鋁合金砂型反重力鑄造機(2009年)

實踐證明，鑄造工藝決定鑄造裝備，鑄造裝備推動鑄造技術(shù)的進步，低壓鑄造技術(shù)的發(fā)展尤為如此，比如鋁合金電磁泵技術(shù)的應用等。

2002-2003年，華北工學院和天津大學在電磁泵低壓鑄造工藝試驗研究的基礎上，率先開發(fā)研制了鋁合金用直流平面電磁泵低壓鑄造裝備技術(shù)。該裝備主要由保溫爐、電磁泵、工作電源（由勵磁電源和電場電源組成）、控制電路和溫控電路及鑄型鎖緊裝置等構(gòu)成。其主要創(chuàng)新點為：①基本參數(shù)：坩堝容量（Al液）200 kg,最大充型壓力和保壓壓力0.5 MPa，最大加壓速率3 kgf/cm2/s;②保溫爐用于盛放金屬液，并與電磁泵通過管道相連接，由計算機控制的電場電源及勵磁電源與電磁泵上的電極及電磁鐵相連，為電磁泵提供動力，實現(xiàn)低壓鑄造過程的升液、充型及保壓；③電磁泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機械泵相比，采用非接觸式驅(qū)動方式，省去了機械轉(zhuǎn)動部件，在與空氣完全隔絕的狀態(tài)下，輸送液態(tài)金屬，可精確控制流動參數(shù)，使得被傳輸液體流動平穩(wěn)，處于低湍流狀態(tài)；④電磁泵充型保壓低壓鑄造系統(tǒng)，與傳統(tǒng)低壓鑄造相比，避免了氧化和吸氣，所有金屬液經(jīng)過強磁場作用，對改善鑄件顯微組織和性能有積極作用[48]；④保溫爐內(nèi)不加壓縮空氣，并可在保護氣氛下工作，防止金屬液被二次污染，減少氣孔和二次氧化夾渣的形成[49]；⑤該設備的一個顯著特點是升液管口有電加熱部件，使鑄型的澆注系統(tǒng)形成了正的溫度梯度，有利于鑄件順序凝固，提高鑄件品質(zhì)；⑥該方法生產(chǎn)的典型鑄件是渦輪增壓器葉輪和微型車發(fā)動機缸蓋及導彈罩殼等鋁合金鑄件，具有很大的發(fā)展?jié)摿50-52]。

從21世紀初至今的15年左右的時間，由于鎂合金具有密度小，比強度和比剛度高、減振性和散熱性好等諸多優(yōu)點，在國內(nèi)汽車、航空、航天、電子和通訊等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應用，鎂合金材料及其成形方法的研究與開發(fā)取得了令人矚目的成就。當然，鎂合金壓鑄仍是主要成形技術(shù)，占有主導地位，約90%左右；其次是鎂合金砂型重力鑄造、鎂合金半固態(tài)鑄造和鎂合金擠壓鑄造；鎂合金低壓鑄造或差壓鑄造的應用比較緩慢[53-54]。

2004年華中科技大學率先進行了鎂合金真空低壓消失模鑄造新技術(shù)的研究，它是將低壓鑄造和真空消失模鑄造有機地結(jié)合起來，應用于鎂（鋁）合金的精密成形，開發(fā)的一種新型的鎂（鋁）合金真空低壓消失模鑄造裝備[54-55]。

該方法的顯著特點是：①金屬液下真空和氣壓的雙重作用下升液、充型，使鎂合金液的充型能力較重力消失模大為提高，可容易地克服鎂合金消失模鑄造中常見的澆不足、冷隔等缺陷，且不需要太高的澆注溫度，是鑄造高精度、薄壁復雜鎂合金鑄件的好方法；②在整個充型、冷卻過程中液態(tài)鎂合金不與空氣接觸，且泡沫塑料模樣的熱解產(chǎn)物對鎂合金成形時起自然保護作用，消除了液態(tài)鎂合金升液充型時的氧化燃燒現(xiàn)象，可鑄造出外形美觀、結(jié)構(gòu)復雜的鎂合金鑄件；③與壓鑄相比，具有設備投資小，鑄件成本低，鑄件內(nèi)在品質(zhì)好，可以進行熱處理強化等優(yōu)點。與砂型相比，具有鑄件尺寸精度高，表面粗糙度低，生產(chǎn)率高的優(yōu)勢，同時，較好地解決了液態(tài)鎂合金成形時易氧化燃燒的問題；④采用鎂合金真空低壓消失模鑄造時升液管上端部的直澆口即為補縮通道，鑄件在壓力下凝固，內(nèi)在品質(zhì)好，金屬利用率高；⑤以AZ91D鎂合金為例，澆注溫度780 ℃、充型壓力0.3 MPa，系統(tǒng)流量3 m3/h,真空度-0.03 MPa、泡沫密度0.16 mg/cm3；⑥該方法生產(chǎn)的典型零件是電機殼體、飛機導輪及排氣管等；⑦該方法也適用于鋁合金的消失模鑄造，可生產(chǎn)高品質(zhì)的薄壁復雜鋁合金消失模精密鑄件，具有廣闊的應用前景[54，56]。

2006年中國空間技術(shù)研究院518所率先進行了航天器復雜薄壁鎂合金鑄件的低壓鑄造工藝研究。該工藝在MDY1000型低壓鑄造設備上進行，合金牌號是ZM15，鑄件尺寸為?1 200×100（mm），整個低壓鑄造過程通入鎂合金保護氣體SF6+CO2防止坩堝內(nèi)鎂合金液燃燒。鑄造工藝是在鑄件頂部設置冒口，在底部放置冷鐵，金屬液在壓力作用下以底注的方式注入型腔，依靠冒口和低壓使金屬液從上下兩個方面對鑄件進行補縮。所獲得的鑄件尺寸精度高、內(nèi)部品質(zhì)優(yōu)良，經(jīng)X光探傷檢驗，完全符合鑄件力學性能要求[57]。

2010年西北工業(yè)大學郝啟堂教授課題組率先研發(fā)了鎂合金雙工位低壓鑄造裝備技術(shù)，解決了鎂合金低壓鑄造連續(xù)化生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸，改變了鎂合金低壓鑄造僅適合單件小批量生產(chǎn)的方式。該機主要由熔化保溫爐、坩堝、臺車及保溫爐傳動機構(gòu)等組成。主要創(chuàng)新點是：①熔化保溫爐功率為85 kW，坩堝容量（Mg液）300 kg;②熔化保溫爐放置在臺車上，臺車放置在導軌上，在升降油缸的驅(qū)動下，實現(xiàn)熔化保溫爐的垂直上升和下降動作。在推拉油缸的作用下，實現(xiàn)熔化保溫爐的水平移動；③在兩熔化保溫爐之間設置固定式鑄型工作平臺，作為澆注工位，用于放置、固定鑄型。在正常工作時，當一個工位的熔化保溫爐內(nèi)鎂合金熔化處理好后，通過臺車的水平移動和垂直升降，實現(xiàn)熔化保溫爐升液管上端口與工作平臺上鑄型澆口之間的對接密封；④當坩堝內(nèi)的鎂合金液澆注完成后，移出澆注工位，再移動另一工位的熔化保溫爐到工作平臺（即澆注工位）繼續(xù)澆注，從而實現(xiàn)鎂合金低壓鑄造在雙工位下交替生產(chǎn)；⑤采用了自主研發(fā)的鎂合金低壓鑄造專用氣體混合系統(tǒng)，實現(xiàn)了干燥空氣、SF6及CO2三種氣體按比例混合，并具有常壓熔煉、澆注過程保護及泄漏保護功能，可確保鎂合金液表面SF6的含量高于0.2%～0.3%;⑥液面加壓系統(tǒng)的上位機采用研華UNO-2170工控機，下位機采用SiemensS7-200PLC模塊作為數(shù)據(jù)處理及控制單元，通過RS485接口與上位機相連，采用Delphi語言編寫控制軟件，開發(fā)了模糊+PID復合控制算法和數(shù)字組合閥控制技術(shù)，使得壓力控制精度無論在充型階段還是在結(jié)晶保壓階段，其誤差均控制在±0.5 kPa以內(nèi)；⑦采用液面（喉口）懸浮技術(shù)，可實現(xiàn)鎂合金液面在升液管口的精確懸浮控制，液面懸浮誤差≯0.5 kPa，液面波動＜0.2 kPa,從而有效降低了鑄件中的氧化夾渣缺陷，提高了生產(chǎn)效率[58]（見圖16、圖17）。

圖17 多功能砂型反重力鑄造機液面加壓控制系統(tǒng)（2010年）

2013年西北工業(yè)大學郝啟堂教授課題組研發(fā)成功了大型鎂合金構(gòu)件低壓鑄造裝備技術(shù)，設備主要由壓力罐、熔化爐、嚙齒式卡箍鎖緊機構(gòu)、中隔板等組成。采用罐體密封方式，壓力容器設計壓力為0.25 MPa,工作壓力0.20 MPa,壓力罐直徑2 000 mm,熔化爐容量（Mg液）1 000 kg。最大單件澆注質(zhì)量可達850 kg.采用模糊+PID復合控制算法和數(shù)字組合閥控制技術(shù)，具有控制精度高，響應速度快的特點。氣體混合系統(tǒng)可實現(xiàn)干燥空氣、SF6及CO2三種氣體在線式按比例混合，對鑄造過程中鎂合金的有效阻燃保護[59]。

2005年沈陽理工大學董秀奇教授率先進行了低壓鑄造大型復雜薄壁純銅鑄件的工藝研究，其原理是：采用焦炭爐熔化，罐體密封結(jié)構(gòu)，銅液除渣去氣脫氧處理后，把整個爐子（內(nèi)含盛有銅液的坩堝）吊放到壓力罐中，然后用蓋上帶有升液管口的上蓋，在壓力罐上口法蘭用硅橡膠圈密封，并用U形楔鐵鎖緊，放入經(jīng)預熱的的升液管及鑄型后，用沈陽理工大學研制的CLP-5型低壓鑄造液面加壓系統(tǒng)按照設定的加壓工藝曲線進行加壓，從而獲得了導熱系數(shù)極大的純銅大型復雜薄壁鑄件。以高爐風口水套鑄件為例，澆注溫度控制在1 150 ℃左右，加壓速率控制在2 cm/s左右[60]。

2013年沈陽鑄造研究所率先進行了船用承壓銅泵鑄件低壓鑄造工藝研究，采用油爐或中頻爐熔化，罐體密封結(jié)構(gòu)。以船用泵體和泵蓋為例，澆注溫度為1 130～1 180 ℃，升液速率控制在5 cm/s左右，充型速率控制在6 cm/s左右，該零件材質(zhì)為硅黃銅ZCuZn6Si4；保壓時間為120 s；該零件外形尺寸分別為402×505×313（mm）、396×505×235（mm）；壁厚10～12 mm,局部法蘭壁厚30 mm,水壓試驗：耐壓壓力＞20 MPa，保壓時間15 min，不得有滲漏現(xiàn)象。通過低壓鑄造工藝設計和數(shù)值模擬優(yōu)化及試驗驗證，形成了可用于生產(chǎn)船用承壓銅泵鑄件的低壓鑄造技術(shù)；該技術(shù)與重力鑄造相比，大大減少了鑄件內(nèi)部的氣孔、氧化夾雜等鑄造缺陷產(chǎn)生的可能性，提高了承壓銅泵鑄件的力學性能和成品率[61]。

鋁合金低壓鑄造是近凈型成形技術(shù)之一，同時也是汽車、摩托車鑄件精密化、薄壁化、輕量化和節(jié)能化的重要手段。因此，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進步，尤其是計算機應用技術(shù)的飛速發(fā)展，促進了汽車、摩托車關(guān)鍵零部件的升級換代。

從21世紀初，至2010年的10年中，國內(nèi)汽車缸體、缸蓋、進氣歧管和整體式輪轂等鋁合金鑄件，開始大量采用低壓鑄造技術(shù)生產(chǎn)。與重力鑄造技術(shù)相比，低壓鑄造不僅提高鑄件的力學性能，也帶來了輕量化效果，并且顯著地提高了經(jīng)濟效益。隨著低壓鑄造機自動化程度的不斷提高，進一步降低了工人的勞動強度，并且明顯改善了勞動環(huán)境，減少了環(huán)境污染。

鑒于這一發(fā)展趨勢，在國家“十二·五”初期，“轎車鋁合金缸蓋、缸體低壓鑄造成套設備”的研發(fā)內(nèi)容，被列入了“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”科技重大專項2011年度課題申報指南中課題3的研究方向1的要求，隨后通過了國家工信部重大專項辦組織的專家評審，并通過了國家財政部的最終審批，正式下達給濟南鑄造鍛壓機械研究所（課題編號為：2011ZX04001-031），2011年初該課題開始進入了實施階段。

該課題完成后的主要技術(shù)成果有：

①通過對液面加壓伺服控制技術(shù)、多通道模具自動水冷控制技術(shù)、浸入式加熱保溫爐技術(shù)、薄壁高強度熱芯盒射芯充填技術(shù)、高頻大振幅鋁合金缸蓋除芯技術(shù)、滿幕簾流幕式丸渣分離技術(shù)和鋁合金件拋丸防爆技術(shù)、成套設備計算機網(wǎng)絡監(jiān)控管理技術(shù)、成套設備可靠性技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)研究，掌握了轎車鋁合金缸蓋低壓鑄造成套設備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計、制造、安裝調(diào)試、用戶現(xiàn)場連線和熱態(tài)安全運行技術(shù)，研發(fā)成功了由5臺套設備組成的轎車鋁合金缸蓋低壓鑄造成套設備，并在用戶處獲得了生產(chǎn)示范應用，生產(chǎn)出了合格的鋁合金低壓鑄造缸蓋毛坯。2015年12月鋁合金缸蓋低壓鑄造成套設備樣機通過了中國工程物理研究院機床裝備檢測評價中心的檢驗，檢驗結(jié)論合格。

②通過對砂型低壓鑄造澆口封堵和翻轉(zhuǎn)技術(shù)、低壓鑄造層流充型技術(shù)、鋁合金鑄件熱裂及變質(zhì)技術(shù)、缸套感應加熱與鑲嵌技術(shù)以及潮模砂混制、冷卻和分離技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)研究，完成了轎車鋁合金缸體潮模砂低壓鑄造成套設備的總體技術(shù)方案設計，并獲得3項國家發(fā)明專利，填補了國內(nèi)該項技術(shù)研究空白，為進一步產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化打下了堅實的基礎。

③通過對上述關(guān)鍵技術(shù)研究和課題實施，獲得多項自主知識產(chǎn)權(quán)成果：①申報并獲授權(quán)國家專利8項，其中發(fā)明專利7項，實用新型專利1項；②制定技術(shù)標準11項，其中國家標準2項，行業(yè)標準6項，企業(yè)技術(shù)規(guī)范3項；③發(fā)表技術(shù)研究論文10篇，其中5篇為英文，4篇在國外專業(yè)雜志上發(fā)表；④研發(fā)新工藝新裝置10項。

④建成了以濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司為中心的低壓鑄造成套設備試驗檢測公共技術(shù)平臺，以及轎車鋁合金缸蓋低壓鑄造成套設備設計、制造的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)基地。該技術(shù)平臺將以開放的方式面向社會，服務于全行業(yè)，為研發(fā)低壓鑄造新原理、新結(jié)構(gòu)和更高水平的低壓鑄造成套設備提供技術(shù)支持，實現(xiàn)資源共享，促進整個行業(yè)技術(shù)進步。

課題實施的主要意義：本課題研制出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)、技術(shù)先進、成套型強、性價比好的轎車鋁合金缸蓋低壓鑄造成套設備；完成了鋁合金缸體潮模砂低壓鑄造成套設備總體技術(shù)方案設計，填補了國內(nèi)該項空白，對提升我國轎車鋁合金缸蓋低壓鑄造成套設備整體技術(shù)水平，促進國內(nèi)全行業(yè)技術(shù)進步具有重要意義。同時，由于該成套設備具有較高的性價比，在我國正在實施的“一帶一路”走出去戰(zhàn)略中，也具有廣闊的市場前景。

在上述國家重大專項研發(fā)實施的基礎上，2013-2014年，濟南鑄造鍛壓機械研究所研制成功了工業(yè)機器人控制的鋁合金汽車缸蓋用低壓鑄造生產(chǎn)單元。主要由缸蓋低壓鑄造機、500 kg熔池式保溫爐、工業(yè)機器人工作站、移動式鋁合金熔化保溫爐和輕型平板輸送機及液壓升降機所組成。其主要創(chuàng)新點為：①兩臺缸蓋低壓鑄造機左右對稱布置，期間設置2臺三自由度取件機械手； ②兩臺500 kg熔池式保溫爐位于低壓機機座之上，靜模板之下，保溫爐側(cè)面加鋁口為氣缸驅(qū)動的連桿機構(gòu)，可以實現(xiàn)自動開合；③一臺工業(yè)機器人工作站為2臺低壓鑄造機配套，實現(xiàn)了鋁液澆勺和取件夾鉗的自動更換；④根據(jù)生產(chǎn)需要，低壓鑄造機每生產(chǎn)1～2個鑄件時，按照設定程序，工業(yè)機器人在工具庫中自動選取澆勺后，從熔化保溫爐的坩堝中定量取出相當于1～2個鑄件的鋁液，并輸送到低壓鑄造機保溫爐的側(cè)面加鋁液處，當氣缸驅(qū)動的連桿機構(gòu)將爐門打開后，工業(yè)機器人將澆勺中的鋁液緩慢平穩(wěn)地加入到爐中，以維持每次澆注時保溫爐內(nèi)液位基本恒定；⑤當?shù)蛪鸿T造過程結(jié)束時，先用三自由度取件機械手將鑄件取出，工業(yè)機器人按照指令，在工具庫中自動將澆勺換為取件夾鉗，將托盤上的鑄件夾緊后，移送到操作側(cè)的平板輸送機上，經(jīng)分揀后，鑄件被移送到下一工序處；⑥由于每次液面加壓時，液位基本恒定，所以工藝參數(shù)基本保持不變，穩(wěn)定了鑄件品質(zhì)；⑦借助于工業(yè)機器人應用技術(shù)，實現(xiàn)了兩臺低壓鑄造機輔助工序的交替自動化生產(chǎn)，不僅減少了設備投資和占地面積，而且大大降低了操作者的勞動強度，改善了工作環(huán)境，提高了生產(chǎn)率[62]（圖18）。

圖18 工業(yè)機器人控制的鋁合金汽車缸蓋用低壓鑄造生產(chǎn)單元(2013年)

2013年秦皇島鴻通機械有限公司開發(fā)成功了新一代低壓鑄造裝備技術(shù)，該裝備主要由主機、液壓系統(tǒng)、液面加壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和保溫爐及其傳動機構(gòu)所組成。其主要創(chuàng)新是：①液壓系統(tǒng)采用伺服控制技術(shù)，使得低壓鑄造保壓時間的能耗大為降低。整個過程沒有高壓溢流，所以液壓油的發(fā)熱也顯著減少，有利于系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)相比，節(jié)能在50%～70%之間；②采用了低壓鑄造多室保溫爐技術(shù)，為實現(xiàn)高效、節(jié)能、環(huán)保要求，保溫室全部采用浸入式加熱，并且用自動控制的閘門使升液室與加壓室斷開與聯(lián)通，可在任意時刻添加鋁液，而不中斷生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)率。在保溫室中鋁液也可以不間斷地精煉、除氣、除渣，從而獲得高品質(zhì)的鋁液，提高鑄件品質(zhì)；③采用了水霧化模具冷卻技術(shù)，用高壓水直接生成細化水霧，代替單純的壓縮空氣冷卻，并配以水冷卻，從而大大提高了冷卻效果[63]。

多年來，浙江萬豐科技開發(fā)有限公司在汽車輪轂低壓鑄造裝備的發(fā)展與應用方面，做出了突出貢獻。

2002年，該公司率先研發(fā)成功了WFZJ-1125型1 100 kg金屬型低壓鑄造機，具有多通道模具水氣混合冷卻系統(tǒng)和多個升液管結(jié)構(gòu)，可生產(chǎn)25吋以上的大型鋁合金輪轂，為當時國內(nèi)最大規(guī)格的低壓鑄造機[64](見圖19)。

圖19 WFZJ-1125型1 100 kg金屬型低壓鑄造機

2011年，浙江萬豐科技開發(fā)有限公司研發(fā)成功了WFZJ-4515型1 500 kg金屬型低壓鑄造機，臺面尺寸達4.5 m×3 m,可生產(chǎn)大型復雜的鋁合金鑄件，如汽車發(fā)動機齒輪箱體和油底殼等，為當時國內(nèi)外最大規(guī)格的低壓鑄造機[65]。

近年來，經(jīng)過不懈努力，浙江萬豐科技開發(fā)有限公司先后研發(fā)成功了WFCY458型800 kg金屬型差壓鑄造機、WFZJ4515-TOO型1 500 kg銅合金低壓鑄造機和WFDJL12-A型浸入式加熱的連續(xù)式低壓鑄造機等（見圖20、圖21、圖22)。

圖20 WFCY458差壓&低壓兩用鑄造機

圖21 WFZJ4515-TOO銅合金低壓鑄造機

圖22 WFDJL12-A連續(xù)式低壓鑄造機

在工業(yè)機器人自動化技術(shù)的應用方面，浙江萬豐科技開發(fā)有限公司起到了帶動作用。借助于工業(yè)機器人，徹底改善了工人的勞動環(huán)境，為實現(xiàn)綠色鑄造取得了可喜的進步。到2014年，該公司根據(jù)用戶的需求和生產(chǎn)方式，研發(fā)了多種低壓鑄造自動化單元，在鑄造過程中，可以實現(xiàn)一人監(jiān)管一條線，人只起巡視檢查作用，除主機外，工業(yè)機器人完成其它全部輔助工作。其主要特點是：①對于產(chǎn)品規(guī)格多、鑄件結(jié)構(gòu)簡單、批量大的鑄件，可以采用兩臺低壓鑄造機配置一臺工業(yè)機器人組成低壓鑄造自動化單元，實現(xiàn)無人化操作，其中工業(yè)機器人完成取件、放過濾網(wǎng)、打鋼印、去飛邊等工序動作，根據(jù)生產(chǎn)需要，工業(yè)機器人布局可以是落地式也可以是倒掛式；②對于產(chǎn)品規(guī)格單一，需人工放置砂芯、批量大的鑄件，可以采用工業(yè)機器人直接從低壓機上取件后，進行冷卻或放置到鉆孔專機上以及后工序的轉(zhuǎn)序；③對于低壓鑄造砂芯結(jié)構(gòu)簡單，砂芯單一的鑄件，可以在上述基礎上，使工業(yè)機器人增加取放砂芯的功能，原來低壓鑄造時，人工放置砂芯需進入模具上下型之間，而且模具溫度很高，有些砂芯重量大，操作時間長。因此，用工業(yè)機器人取代人工取放砂芯尤為重要[66]。

據(jù)相關(guān)資料報道，2014年中信戴卡股份有限公司和西門子及TIA博途合作，在中信戴卡寧波輪轂制造有限公司建成了鋁合金輪轂的智能化工廠。其主要創(chuàng)新是：①開發(fā)建設了智能化的輪轂低壓鑄造生產(chǎn)管理平臺，采用SimaticS7-1500控制器，具有強大的集成管理功能，可以操控一批產(chǎn)品從制定生產(chǎn)方案到進入生產(chǎn)線的整個幕后過程，還能基于同一開發(fā)環(huán)境，組態(tài)西門子的所有可編程控制器、人機界面和驅(qū)動裝置；②擁有這種全新控制系統(tǒng)的輪轂低壓鑄造生產(chǎn)線，徹底改變了過去傳統(tǒng)低效的生產(chǎn)管理模式，使操作者從繁重枯燥的生產(chǎn)中解放出來，可以實現(xiàn)1人管理12臺低壓鑄造機，模具調(diào)整更換時間縮短了90%，提高整體效率30%，不良產(chǎn)品率降低了30%；③通過數(shù)據(jù)總線，統(tǒng)一的電子化數(shù)據(jù)和高效的信息集成，所有的手工操作全部移至到工業(yè)信息管理網(wǎng)絡上進行，直接避免了人工或書面的文件傳遞，當不同低壓鑄造機生產(chǎn)同一種輪型時，工藝參數(shù)很容易達到統(tǒng)一，并下載到不同的低壓鑄造機中，若進行改動，則在上位機進行一次性修改即可；④通過搭建的軟件開發(fā)平臺和完備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，與各個低壓鑄造機的SimaticS7-1500PLC通訊與對接，并且實現(xiàn)了和后續(xù)鑄件品質(zhì)管理的X光機控制器的聯(lián)網(wǎng)與對接，完成了高效的品質(zhì)管控，促進了低壓鑄造裝備技術(shù)向自動化和智能化方向發(fā)展[67]。

隨著國內(nèi)低壓鑄造裝備技術(shù)的蓬勃發(fā)展，低壓鑄造機的性能與結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多樣化趨勢，急需制定相關(guān)技術(shù)標準，引導和規(guī)范低壓鑄造裝備的設計與制造及其貿(mào)易，以全面提升低壓鑄造裝備的技術(shù)水平和產(chǎn)品品質(zhì)，促進國內(nèi)低壓鑄造裝備技術(shù)向優(yōu)質(zhì)高效、節(jié)能降耗、安全、環(huán)保的目標邁進。為此，在全國鑄造機械標準化技術(shù)委員會(SAC/TC186)的指導下，濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司、浙江萬豐科技開發(fā)股份有限公司、西北工業(yè)大學和天水華榮鑄造機械有限公司等單位，從2005年開始，近10年來，先后起草制定了國家標準GB 24391—2009《低壓鑄造機 安全要求》、國家標準（GB/T28688—2012）《低壓鑄造機 技術(shù)條件》、行業(yè)標準(JB/T 12247—2015)《低壓鑄造機 型式與參數(shù)》、行業(yè)標準《低壓鑄造機 性能檢測方法》(JB/T 12562—2015)，并頒布實施，對國內(nèi)低壓鑄造技術(shù)的發(fā)展與應用起到了良好的推動作用。

3 低壓鑄造裝備技術(shù)的展望

縱觀低壓鑄造技術(shù)的百年歷史，國內(nèi)低壓鑄造技術(shù)的發(fā)展也經(jīng)歷了近60年的風雨歷程，我們有經(jīng)驗、有成績、也有教訓。當今國內(nèi)低壓鑄造技術(shù)的發(fā)展方向是自動化、智能化、標準化、系列化、專機化。具體表現(xiàn)為：①工業(yè)機器人在低壓鑄造裝備技術(shù)中的應用，將使整個鑄造過程實現(xiàn)自動化，并進一步促進產(chǎn)業(yè)升級；②電磁泵鑄造技術(shù)在鎂合金低壓鑄造方面的應用將更為廣泛；③銅合金低壓鑄造技術(shù)也將日趨成熟；④各種結(jié)構(gòu)的多室爐浸入式加熱的低壓鑄造裝備技術(shù)將成為節(jié)能、降耗的主要產(chǎn)品；⑤人工智能和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合應用，將成為中國低壓鑄造產(chǎn)業(yè)中，實施“中國制造2025”戰(zhàn)略的主旋律。

（本文主要資料來源于作者提供的、公開發(fā)表的專業(yè)期刊和論文集，不涉及專利文獻。所有科研成果和新產(chǎn)品均以披露的時間為準。）

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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；

1006-9658（2016）05-0001-11

10.3969/j.issn.1006-9658.2016.05.001

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(shù)的研發(fā)與應用的工作.