铸造工程中金属液态模拟与控制技术研究

铸造工程中金属液态模拟与控制技术研究

韩再旭，刘学，孔祥生，孙海波，宋阳，于鸿硕，宋亮亮

东北轻合金有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市  150000

摘要：铸造工艺是现代工业的起点，它的出现引领人类社会向更强大生产能力、更复杂生产流程、更先进生产体系迈进。从工业术语角度分析，“铸造机械设备”既是一个技术概念，也是一个产品概念。作为技术概念来讲，铸造机械设备包含了一系列生产流程，需要多门学科知识与技能的支持，该技术主要用来完成“从金属原料到机械器件”的制造过程，具体环节涉及熔炼、浇注、冷凝、清理等，是一个产品实物“从无到有”的过程。在金属铸造过程中，选择合适的加压速度对铸件充型非常关键，单一恒定的充型压力补缩效果较差，容易产生缩松、缩孔、冷隔、浇不足等缺陷，而采用分级压缩控制方法能够根据铸造阶段对压力的需要进行变压控制和分级加压，消除铸件缩松缩孔等缺陷出现的概率，从而获得性能优良的铸件成品。

关键词：铸造；金属；控制技术  

随着将自动化控制技术引入到铸造机械设备生产过程中，意味着生产力的进一步升级，在电气设备、程序模块、机械臂、计算机控制系统等支持下，铸造机械生产的自动化控制不再依赖人工力量，实现了铸造生产模式从“机械化”向“自动化”的转变，是一个技术创新的过程；立足当下，自动化控制技术已经充分渗透到现代工业的各种场景与多元领域，如何利用该技术强化铸造机械设备生产效能，是我国铸造产业应提高重视的课题。金属铸造技术在金属铸造中已经成为研究的热点，分析了金属铸造分级控制系统组成，对金属铸造分级控制系统进行了总体设计，对分级控制模块硬件进行了研究，对提高我国精密铸造技术的水平具有借鉴意义。

一、金属铸造分级控制系统组成

金属铸造分级控制是在真空条件下对铸件进行低压充型，在高压条件下完成结晶的过程。真空条件下的低压充型能够防止气体进入氧化铸件，减少松缩、缩孔等因气体原因造成的缺陷。在低压条件下能够减少充型过程紊流与升液的相互影响，消除型腔中的反压力，使铸件结晶组织氧化渣少、组织致密。金属铸造分级控制是在真空压差铸造的基础上进行分级加压，对保压阶段和充型阶段进行分级加压处理，这种铸造方法能够使铸件充型均匀，降低补缩的概率。金属铸造分级控制系统由下储气罐、上储气罐、真空泵、铸机、控制阀、连通管、数字组合阀组成。设备下罐与下储气罐通过开关阀、数字组合阀相连接，设备上罐与上储气罐通过开关阀、数字组合阀相连接，真空泵与设备通过开关阀相连接。设备的下罐与上罐之间通过开关阀相连通。开关阀打开，设备上罐进气，数字调节阀的开度决定进气的速率。压差式金属铸造分级控制是对真空压差铸造方法在保压和充型两个阶段进行了优化，在保压和充型两个阶段采用不同的控制算法实施精准控制，使整个铸造过程稳定、连续。

二、金属铸造控制系统设计

1、控制系统总体设计。金属铸造分级控制采取网络化、分散式设计理念，控制系统主要包括下位机和上位机两部分，下位机包括炉内温度控制与检测装置、金属铸造过程分级控制装置和气体流量检测装置。上位机为工业控制计算机，通过工业总线与下位机进行实时通讯，负责运行状态参数显示、工艺参数输入、数据保存与处理等。上位机与下位机的实时通讯可以实现铸造过程的远程控制，并且能够实时分析铸造工艺参数曲线。系统工作时，压力传感器负责采集设备储气罐的压力，通过控制算法得出控制量，同时采集的工艺参数通过工业总线实时传输给上位机。温度控制装置负责控制和检测保温炉中的温度，通过总线传送给上位机，上位机实时显示温度变化趋势。气体流量检测装置实时检测气体的流量，并通过总线传送给上位机控制软件，通过控制算法分析处理后控制字组合阀的开关度。

2、分级控制模块硬件设计。金属铸造分级控制模块主要包括压力检测电路、主微处理器电路、开关量输入接口电路、LED 压力显示电路、电磁阀门驱动电路、电源电路及通信接口电路等部分组成。微处理器是系统的核心，采用 STC89C516RD 微处理器完成复位电路、存储电路和扩展定时控制器。压力检测电路由 Max197A/D 转换电路、I/V 转换与隔离电路、传感器组成。开关阀驱动电路控制 6 个气动开关，分别是：上罐开关阀、下罐开关阀、连通阀、真空阀、卸压阀，压差式金属铸造分级控制系统开关信号主要有漏液信号、锁紧到位信号、充型到顶信号等。金属铸造分级控制系统中的 LED 压力显示电路是能够观察压力值的变化，该系统分别是储气罐压力值、下罐压力值、上罐压力值。金属铸造分级控制系统通信接口电路采用 STC89C516RD 单片机，该单片机自带异步通信口，通过外接 75176 芯片能够转换成 485 总线通信，在 75176 与STC89C516RD 的异步通信口之间采取光耦隔离的方式能够使使单片机系统与总线之间相互隔离。系统通过六组电源通过交流电转换为直流电后进行供电，电源之间相互隔离。

三、铸造生产过程自动化控制技术

现代铸造工业转型升级需求为前提，以为铸造企业培育创新型、实战型人才为目标，围绕“铸造设备与自动化”展开知识整合与内容组织，该书内容贴近实际，将研究视野聚焦到现代铸造工业车间，同时在章节和栏目编排上契合高校常规教材模式，注重理论与实践的有效衔接。

《铸造设备及自动化》一书逻辑简约、结构清晰，全面介绍了铸造机械设备生产过程自动化控制技术的应用场景。该书所表现出的逻辑思维非常简洁，从读者角度，不需要过度考虑铸造相关知识点的联系，即便是初学者，也能够从各章节中获得完整、系统的阅读体验。究其原因，在于该书采取了铸造生产车间情境创设的方法，将所涉及的铸造机械设备、生产工艺流程、自动化控制技术等嵌入到具体的生产环节，将具体生产部门的具体任务呈现出来。例如，铸造企业车间中包含的工部很多，包括“砂处理工部”“熔化工部”“造型工部”等，每个工部对应的核心设备是不同的，所对应的自动化控制技术是存在差异的，现实中铸造人才是基于工部展开工作的，因此该书采取“情境创设法”能够将自动化控制技术应用讲解得更加全面。同时，该书的结构非常清晰，每章内的知识点与自动化控制技术的衔接密切，例如在介绍砂处理工部任务时，重点讲解了“混砂机”这一核心设备的自动化控制技术。此外，该书全面介绍了铸造机械设备生产过程自动化控制技术的应用场景，包括黏土砂造型设备及自动化场景、树脂砂与水玻璃砂造型设备及自动化等，对于读者是很好的参考材料。

《铸造设备及自动化》一书摒旧推新、与时俱进，结合具体案例分析了铸造设备及其自动化技术应用的发展趋势。该书在突出铸造机械设备生产自动化控制优势的同时，也对一些陈旧技术进行了摒弃，如在阶段工作中，由于铸件需要在不同时序、工序下完成，这种生产方式只适合小批量的铸件，因此要尽可能摒弃大功率、大能耗的铸造设备，通过提高自动化技术优势来弥补生产力缺陷。同时，作者思想与时俱进，在探讨铸造设备升级与自动化控制技术创新的同时，强调铸造产业应该主动践行生态文明理念。书中基于开放式工业体系架构的建设案例，提出人工智能、物联网及大数据三种技术，将成为铸造设备与自动化控制的重要趋势。

基于网络化集成型金属铸造分级控制控制系统的设计方法，并对系统总体结构和硬件进行了设计，通过该种控制方法能够加强对凝固过程和充型能力的实时控制，从而使铸件能够获得较好的补缩凝固条件，得到性能优良、组织细致的铸件成品。智能控制算法在金属铸造分级控制控制系统中的应用将是未来的研究热点，结合互联网监控技术将能够对整个铸造系统进行精准实时的监控和控制。

参考文献：

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