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                      真空截止閥設(shè)計(jì)要素

                       上海申弘閥門有限公司

之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現(xiàn)在介紹真空截止閥設(shè)計(jì)要素流體阻力小,密封面受介質(zhì)的忡刷和侵蝕小。開閉較省力。介質(zhì)流向不受限制 , 不擾流、不降低壓力。形體簡(jiǎn)單 , 結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度短，制造工藝性好，適用范圍廣。高真空壓鑄是指型腔中的真空度在91KPa 以上的特種壓鑄工藝。由于壓射時(shí)型腔中的真空度高,金屬液卷入的氣體少,鑄件含氣量?jī)H為1～3mL/100g,因此高真空壓鑄件可以實(shí)施熱處理或焊接加工。近年來高真空壓鑄技術(shù)在轎車用重要受力保安件的生產(chǎn)中顯現(xiàn)出了很大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),在歐美、日本等國掀起了一股研發(fā)熱潮真空壓鑄尤其是高真空壓鑄技術(shù)的瓶頸及難點(diǎn)之一是真空截止閥的結(jié)構(gòu)及真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。真空截止閥的主要作用一是給型腔中的氣體提供一個(gè)排除的通道;二是在抽除氣體后及時(shí)關(guān)閉,阻止金屬液進(jìn)入真空管道。目前真空閥的結(jié)構(gòu)形式多種多樣,按其工作原理主要可分為三類: 

①改變通道的截面積, 使金屬液的流動(dòng)性逐步下降,而在進(jìn)入真空管道前金屬液的流動(dòng)自然停止。如鋸齒型的真空閥,亦稱為ZIG-ZAG閥。

②利用金屬液的慣性沖擊力是真空閥的排氣通道關(guān)閉,如GF閥等。

③通過檢測(cè)型腔中金屬液的充填位置,利用液壓或氣壓使真空閥芯關(guān)閉。其中以*、二種結(jié)構(gòu)形式的真空閥應(yīng)用。

以ZIG-ZAG 閥及其配套的真空系統(tǒng)在國內(nèi)壓鑄廠應(yīng)用較為普遍,但是由于ZIG-ZAG 閥的抽氣速度慢,型腔真空度低且波動(dòng)大而不能應(yīng)用于高真空壓鑄,因此上述第二、三種形式的真空閥便成為目前高真空壓鑄用的真空閥。此類結(jié)構(gòu)形式的真空閥為國外產(chǎn)品所壟斷,國內(nèi)對(duì)此的研究和開發(fā)嚴(yán)重不足。所以自主開發(fā)可靠實(shí)用的真空截止閥及真空系統(tǒng),對(duì)推廣高真空壓鑄工藝在我國的應(yīng)用及發(fā)展,提升國內(nèi)壓鑄業(yè)的技術(shù)水平和競(jìng)爭(zhēng)力,有著非常重要的意義。

真空截止閥設(shè)計(jì)要素
  1．真空閥的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和適用范圍
  (1)真空閥的分類公稱壓力低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力的閥門稱為真空閥門。
  真空閥通常根據(jù)工作壓力（即真空度）可分為三大類：
  低真空閥：壓力為101325~0.133Pa：
高真空閥：壓力為0.133—1.33 x10-6Pa：
超高真空閥：壓力為1. 33×l0“～1. 33×l0—l。P。．
(2)真空閥設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)真空閥的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)見表1-19。
    (3)真空閥的應(yīng)用范圍
    1)石化工業(yè)用真空閥。石化工業(yè)用真空閥，通常用于化纖工業(yè)潤滑脂精煉等設(shè)備系
  統(tǒng)中。要求閥門既能用于低真空系統(tǒng)，又能用于壓力系統(tǒng)。真空系統(tǒng)的壓力通常為0.005~
  0.133Pa，壓力系統(tǒng)的壓力為1．O~4.OMPa。
    結(jié)構(gòu)形式通常為直流式Y(jié)形真空截止閥，這種閥門與普通Y形截止閥基本相同。
    2)冶金工業(yè)用真空閥。冶金工業(yè)通常使用真空或高真空閥門，用于合金鋼的真空冶
煉、真空脫氧、真空熱處理、真空鑄造、電氣絕緣處理等設(shè)備中。
    結(jié)構(gòu)形式通常有插板閥、翻板閥、擋板閥以及真空蝶閥等。
    3)核工業(yè)用真空閥。在核工業(yè)領(lǐng)域，廣泛使用各類真空閥門，在高能物理、受控?zé)岷司?br />變研究中，使用高真空和超高真空閥門；在同位素分離工廠中，使用高真空和低真空閥門。
    結(jié)構(gòu)形式通常以金屬波紋管或膜片作為閥桿密封元件，并要求高清潔度的真空截止（節(jié)
流）閥。
    2．設(shè)計(jì)要求
    上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥,氣動(dòng)截止閥,電動(dòng)蝶閥,氣動(dòng)蝶閥真空截止閥并不是一個(gè)特別的閥種，是同普通截止閥一樣結(jié)構(gòu)的閥門，只不過多了一些將
殊的真空要求。除了要進(jìn)行一般閥門的殼體強(qiáng)度和密封試驗(yàn)外，關(guān)鍵要進(jìn)行閥門全開啟狀態(tài)和
關(guān)閉狀態(tài)的漏氣速率測(cè)試，所以一般不采用鑄鐵、鑄鋼的閥體和閥蓋，因?yàn)殍T件結(jié)構(gòu)較為松
疏，表面會(huì)含存一定量的空氣。如無法違避時(shí)內(nèi)表面必須機(jī)加工或打磨干凈，表面粗糙度Ra
加工至3. 2ILm以下。
    真空截止閥盡可能采用鍛壓件，內(nèi)表面的表面粗糙度Ra加工至3.2¨。以下。閥門中腔填料處是一個(gè)很大的漏氣點(diǎn)，所以高真空截止閥都采用波紋管結(jié)構(gòu)。

1 高真空壓鑄用真空截止閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 真空截止閥的結(jié)構(gòu)及動(dòng)作原理

本文設(shè)計(jì)的高真空壓鑄用截止閥利用金屬液體的慣性沖擊力來關(guān)閉排氣通道,采用一主動(dòng)一從動(dòng)兩活塞,通過杠桿方式連接起來的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),不同于現(xiàn)有的真空截止閥結(jié)構(gòu)。如圖1 所示,真空截止閥的動(dòng)作原理為:

①壓鑄過程開始時(shí),壓鑄模具閉合,隨著動(dòng)模一起運(yùn)動(dòng)的真空閥的動(dòng)型1 推動(dòng)復(fù)位導(dǎo)桿4 ,4 則壓縮彈簧8 ,此時(shí)杠桿12 處于活動(dòng)狀態(tài),即真空截止閥處在解除鎖定狀態(tài)下;

②液態(tài)金屬進(jìn)入壓鑄模具型腔后,通過進(jìn)料口16 進(jìn)入導(dǎo)流通道,此時(shí)它會(huì)首先接觸并由沖擊力推動(dòng)主動(dòng)活塞13 ; 

③主動(dòng)活塞13 受到液態(tài)金屬的壓力向右運(yùn)動(dòng),推動(dòng)杠桿12 ;杠桿12 從而帶動(dòng)從動(dòng)活塞7 向右運(yùn)動(dòng),從動(dòng)活塞7 左側(cè)的錐閥關(guān)閉,真空截止閥截止,這一過程應(yīng)在液態(tài)金屬到達(dá)從動(dòng)活塞7 的錐閥之前完成;

④當(dāng)壓鑄過程完成后,壓鑄模具打開,被壓縮的彈簧8 推動(dòng)復(fù)位導(dǎo)桿4 和擋板9 ,通過杠桿7 帶動(dòng)主動(dòng)活塞13 和從動(dòng)活塞7 向左運(yùn)動(dòng),使真空截止閥打開并復(fù)位鎖定。

由圖1 可知, 真空截止閥的設(shè)計(jì)具有如下兩個(gè)特點(diǎn):

①主動(dòng)活塞與從動(dòng)活塞之間采用簡(jiǎn)單的杠桿傳動(dòng),使從動(dòng)活塞可獲得較大的位移比,保證了閥關(guān)閉的靈敏度及可靠性。

②在主動(dòng)活塞、從動(dòng)活塞與定型的接觸處均采用了可更換活塞套的設(shè)計(jì),從而避免了定型等關(guān)鍵部件的磨損,降低了維修費(fèi)用,經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

1.2 鎖定及復(fù)位機(jī)構(gòu)

圖2 為真空截止閥的鎖定及復(fù)位機(jī)構(gòu)的俯視圖。壓鑄模具打開時(shí),彈簧7 的彈性回復(fù)力通過復(fù)位檔板5推動(dòng)杠桿3 前移,帶動(dòng)主、從活塞復(fù)位鎖定,真空氣路打開。模具閉合時(shí),則使杠桿處于可移動(dòng)狀態(tài)。

1.3 真空閥真空氣路的主動(dòng)關(guān)閉機(jī)構(gòu)

在模具的調(diào)試階段,或者壓鑄時(shí)沒有設(shè)置增壓階段的情況下,液態(tài)金屬到達(dá)真空截止閥主動(dòng)活塞的頂端時(shí),由于其壓力不足,可能無法推動(dòng)主動(dòng)活塞動(dòng)作,因此有可能導(dǎo)致液態(tài)金屬直接流入從動(dòng)活塞內(nèi)的真空氣道,從而堵塞了氣路。為了防止上述情況下液態(tài)金屬堵塞真空氣路,必須在真空截止閥中設(shè)置額外的動(dòng)力以關(guān)閉閥芯。如圖3所示,本真空截止閥設(shè)計(jì)中采用內(nèi)置氣缸4 作為主動(dòng)關(guān)閉機(jī)構(gòu),通過外接壓縮空氣由氣缸直接推動(dòng)杠桿,從而帶動(dòng)從動(dòng)活塞關(guān)閉。

1.4 真空截止閥的潤滑和冷卻

良好的潤滑是真空截止閥各部件正確可靠動(dòng)作的重要保障。同時(shí)真空閥工作在高溫下,主、從活塞受熱膨脹將增大移動(dòng)時(shí)的摩擦阻力,從而降低了閥的可靠性。因此為保證真空截止閥在高溫下正確動(dòng)作,還需為其設(shè)置冷卻結(jié)構(gòu)。

圖4 為真空截止閥的潤滑油路,考慮到主動(dòng)活塞受熱及摩擦阻力zui大,所以僅給主動(dòng)活塞進(jìn)行了潤滑,黃油在重力的作用下自動(dòng)流入活塞與活塞套間的縫隙。圖5 為主從活塞的冷卻通道,設(shè)置在真空截止閥定型中與潤滑系統(tǒng)不同的截面上,采用風(fēng)冷形式。
 

1.5 真空氣路堵塞的檢測(cè)

及時(shí)檢測(cè)真空閥是否堵塞是確認(rèn)高真空壓鑄是否正常進(jìn)行的一個(gè)關(guān)鍵。本文在真空閥中設(shè)計(jì)了堵塞檢測(cè)回路,并以回路中的阻力大小作為判斷的依據(jù)。

2 高真空壓鑄用真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 真空系統(tǒng)的工作原理

圖6 為高真空壓鑄用真空系統(tǒng)的原理圖。真空系統(tǒng)使用接近開關(guān)感應(yīng)壓射沖頭的位置,從而控制電磁閥的通斷,進(jìn)而控制緩沖罐與真空截止閥的之間氣路的通斷。其工作過程如下:

①壓鑄過程開始時(shí),壓射沖頭推動(dòng)液態(tài)金屬向前移動(dòng),在澆口被封閉之后,當(dāng)壓射沖頭移動(dòng)到特定位置時(shí),接近開關(guān)感應(yīng)到其位置的變化,從而由斷開狀態(tài)變成閉合狀態(tài);

②接近開關(guān)閉合后,電磁閥導(dǎo)通,因而模具型腔通過真空截止閥與緩沖罐連通,此時(shí),真空截止閥處于導(dǎo)通狀態(tài),型腔中的氣體被迅速抽入緩沖罐; 

③壓射沖頭推動(dòng)液態(tài)金屬繼續(xù)向前移動(dòng),在液態(tài)金屬壓射進(jìn)入真空截止閥并由其沖擊力推動(dòng)真空截止閥截止后,抽氣過程結(jié)束;

④壓鑄過程結(jié)束后,真空截止閥復(fù)位,壓射沖頭退回到初始位置,接近開關(guān)也再次感應(yīng)到其位置的變化,由閉合狀態(tài)變成斷開狀態(tài),由此電磁閥斷開,而整個(gè)系統(tǒng)也恢復(fù)到壓鑄過程開始前的狀態(tài),為下一個(gè)壓鑄循環(huán)做好準(zhǔn)備。

2.2 真空系統(tǒng)抽氣速率的計(jì)算

高真空壓鑄工藝要求在壓鑄時(shí)模具型腔中的真空度達(dá)到91 kPa 以上,這迫使真空系統(tǒng)必須確保具有很大的抽氣速度,以便在極短的時(shí)間內(nèi)將型腔中的氣體抽出。本設(shè)計(jì)采用體積比較大的緩沖罐,處于高真空狀態(tài)下的緩沖罐可以快速將模具型腔中的氣體抽至所需的真空度。緩沖罐中的氣體則由真空泵不間斷的抽出。

計(jì)算時(shí)假定模具沒有泄漏,緩沖罐中的極限壓力達(dá)到真空泵的極限壓力條件下,計(jì)算由緩沖罐抽出型腔中氣體的抽氣速率及型腔中所能達(dá)到的理想壓力。計(jì)算結(jié)果表明:抽氣啟動(dòng)后,通過真空截止閥可在1s 內(nèi)將型腔中的氣壓降至765 Pa 左右。因此盡管模具不可避免地會(huì)有適當(dāng)泄漏,本文設(shè)計(jì)真空系統(tǒng)仍可滿足高真空壓鑄工藝對(duì)模具型腔真空度的要求。

NKJ61H真空截止閥主要性能規(guī)范

NKJ61H真空截止閥主要零件材料 Material for Main Parts

NKJ61H真空截止閥主要尺寸及重量Maindimensions ａnd weight

3 應(yīng)用實(shí)例及效果

圖7 為真空截止閥與壓鑄標(biāo)準(zhǔn)試樣模具裝于2 800kN 臥式冷室壓鑄機(jī)上的圖片。圖8 為利用該系統(tǒng)壓鑄出來的ZL101 拉伸試樣。圖9 為高真空壓鑄與普通壓鑄試熱處理后的外觀對(duì)比。由圖10 可以發(fā)現(xiàn),ZL101 合金高真空壓鑄的試棒經(jīng)熱處理后外觀上無明顯的鼓泡現(xiàn)象;ZL101 合金普通壓鑄的試棒經(jīng)熱處理后外觀上出現(xiàn)許多明顯的大氣泡,并呈現(xiàn)顆粒感。

4 結(jié)語

高真空壓鑄用真空截止閥沿用了已有真空截止閥的一主動(dòng)一從動(dòng)兩類活塞,并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)從動(dòng)活塞封閉氣路的動(dòng)作原理。其特點(diǎn)在于采用了杠桿作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu),具有傳動(dòng)比可調(diào),活塞關(guān)閉靈活、快捷、可靠的優(yōu)點(diǎn),避免了現(xiàn)有設(shè)計(jì)靈活性差、可靠性低的缺陷。高真空壓鑄用真空系統(tǒng)的抽氣能力強(qiáng),可在1s 之內(nèi)使模具型腔中的真空度達(dá)到所需的高真空狀態(tài)。試驗(yàn)證明:設(shè)計(jì)的真空閥及真空系統(tǒng)可滿足高真空壓鑄工藝的要求。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有美標(biāo)鈦截止閥