真空截止閥設計要素

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之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現在介紹真空截止閥設計要素流體阻力小,密封面受介質的忡刷和侵蝕小。開閉較省力。介質流向不受限制 , 不擾流、不降低壓力。形體簡單 , 結構長度短，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。由于壓射時型腔中的真空度高,金屬液卷入的氣體少,鑄件含氣量僅為1～3mL/100g,因此高真空壓鑄件可以實施熱處理或焊接加工。近年來高真空壓鑄技術在轎車用重要受力保安件的生產中顯現出了很大的技術和經濟優勢,在歐美、日本等國掀起了一股研發熱潮真空壓鑄尤其是高真空壓鑄技術的瓶頸及難點之一是真空截止閥的結構及真空系統的設計。真空截止閥的主要作用一是給型腔中的氣體提供一個排除的通道;二是在抽除氣體后及時關閉,阻止金屬液進入真空管道。目前真空閥的結構形式多種多樣,按其工作原理主要可分為三類: 

①改變通道的截面積, 使金屬液的流動性逐步下降,而在進入真空管道前金屬液的流動自然停止。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閉,如GF閥等。

③通過檢測型腔中金屬液的充填位置,利用液壓或氣壓使真空閥芯關閉。其中以*、二種結構形式的真空閥應用。

以ZIG-ZAG 閥及其配套的真空系統在國內壓鑄廠應用較為普遍,但是由于ZIG-ZAG 閥的抽氣速度慢,型腔真空度低且波動大而不能應用于高真空壓鑄,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。此類結構形式的真空閥為國外產品所壟斷,國內對此的研究和開發嚴重不足。所以自主開發可靠實用的真空截止閥及真空系統,對推廣高真空壓鑄工藝在我國的應用及發展,提升國內壓鑄業的技術水平和競爭力,有著非常重要的意義。

真空截止閥設計要素
  1．真空閥的設計標準和適用范圍
  (1)真空閥的分類公稱壓力低于標準大氣壓力的閥門稱為真空閥門。
  真空閥通常根據工作壓力（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)真空閥設計標準真空閥的設計標準見表1-19。
    (3)真空閥的應用范圍
    1)石化工業用真空閥。石化工業用真空閥，通常用于化纖工業潤滑脂精煉等設備系
  統中。要求閥門既能用于低真空系統，又能用于壓力系統。真空系統的壓力通常為0.005~
  0.133Pa，壓力系統的壓力為1．O~4.OMPa。
    結構形式通常為直流式Y形真空截止閥，這種閥門與普通Y形截止閥基本相同。
    2)冶金工業用真空閥。冶金工業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、電氣絕緣處理等設備中。
    結構形式通常有插板閥、翻板閥、擋板閥以及真空蝶閥等。
    3)核工業用真空閥。在核工業領域，廣泛使用各類真空閥門，在高能物理、受控熱核聚
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。
    結構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
流）閥。
    2．設計要求
    上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥,氣動截止閥,電動蝶閥,氣動蝶閥真空截止閥并不是一個特別的閥種，是同普通截止閥一樣結構的閥門，只不過多了一些將
殊的真空要求。除了要進行一般閥門的殼體強度和密封試驗外，關鍵要進行閥門全開啟狀態和
關閉狀態的漏氣速率測試，所以一般不采用鑄鐵、鑄鋼的閥體和閥蓋，因為鑄件結構較為松
疏，表面會含存一定量的空氣。如無法違避時內表面必須機加工或打磨干凈，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很大的漏氣點，所以高真空截止閥都采用波紋管結構。

1 高真空壓鑄用真空截止閥的結構設計

1.1 真空截止閥的結構及動作原理

本文設計的高真空壓鑄用截止閥利用金屬液體的慣性沖擊力來關閉排氣通道,采用一主動一從動兩活塞,通過杠桿方式連接起來的驅動結構,不同于現有的真空截止閥結構。如圖1 所示,真空截止閥的動作原理為:

①壓鑄過程開始時,壓鑄模具閉合,隨著動模一起運動的真空閥的動型1 推動復位導桿4 ,4 則壓縮彈簧8 ,此時杠桿12 處于活動狀態,即真空截止閥處在解除鎖定狀態下;

②液態金屬進入壓鑄模具型腔后,通過進料口16 進入導流通道,此時它會首先接觸并由沖擊力推動主動活塞13 ; 

③主動活塞13 受到液態金屬的壓力向右運動,推動杠桿12 ;杠桿12 從而帶動從動活塞7 向右運動,從動活塞7 左側的錐閥關閉,真空截止閥截止,這一過程應在液態金屬到達從動活塞7 的錐閥之前完成;

④當壓鑄過程完成后,壓鑄模具打開,被壓縮的彈簧8 推動復位導桿4 和擋板9 ,通過杠桿7 帶動主動活塞13 和從動活塞7 向左運動,使真空截止閥打開并復位鎖定。

由圖1 可知, 真空截止閥的設計具有如下兩個特點:

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

②在主動活塞、從動活塞與定型的接觸處均采用了可更換活塞套的設計,從而避免了定型等關鍵部件的磨損,降低了維修費用,經濟實用。

1.2 鎖定及復位機構

圖2 為真空截止閥的鎖定及復位機構的俯視圖。壓鑄模具打開時,彈簧7 的彈性回復力通過復位檔板5推動杠桿3 前移,帶動主、從活塞復位鎖定,真空氣路打開。模具閉合時,則使杠桿處于可移動狀態。

1.3 真空閥真空氣路的主動關閉機構

在模具的調試階段,或者壓鑄時沒有設置增壓階段的情況下,液態金屬到達真空截止閥主動活塞的頂端時,由于其壓力不足,可能無法推動主動活塞動作,因此有可能導致液態金屬直接流入從動活塞內的真空氣道,從而堵塞了氣路。為了防止上述情況下液態金屬堵塞真空氣路,必須在真空截止閥中設置額外的動力以關閉閥芯。如圖3所示,本真空截止閥設計中采用內置氣缸4 作為主動關閉機構,通過外接壓縮空氣由氣缸直接推動杠桿,從而帶動從動活塞關閉。

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作的重要保障。同時真空閥工作在高溫下,主、從活塞受熱膨脹將增大移動時的摩擦阻力,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作,還需為其設置冷卻結構。

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

1.5 真空氣路堵塞的檢測

及時檢測真空閥是否堵塞是確認高真空壓鑄是否正常進行的一個關鍵。本文在真空閥中設計了堵塞檢測回路,并以回路中的阻力大小作為判斷的依據。

2 高真空壓鑄用真空系統的設計

2.1 真空系統的工作原理

圖6 為高真空壓鑄用真空系統的原理圖。真空系統使用接近開關感應壓射沖頭的位置,從而控制電磁閥的通斷,進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,壓射沖頭推動液態金屬向前移動,在澆口被封閉之后,當壓射沖頭移動到特定位置時,接近開關感應到其位置的變化,從而由斷開狀態變成閉合狀態;

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

③壓射沖頭推動液態金屬繼續向前移動,在液態金屬壓射進入真空截止閥并由其沖擊力推動真空截止閥截止后,抽氣過程結束;

④壓鑄過程結束后,真空截止閥復位,壓射沖頭退回到初始位置,接近開關也再次感應到其位置的變化,由閉合狀態變成斷開狀態,由此電磁閥斷開,而整個系統也恢復到壓鑄過程開始前的狀態,為下一個壓鑄循環做好準備。

2.2 真空系統抽氣速率的計算

高真空壓鑄工藝要求在壓鑄時模具型腔中的真空度達到91 kPa 以上,這迫使真空系統必須確保具有很大的抽氣速度,以便在極短的時間內將型腔中的氣體抽出。本設計采用體積比較大的緩沖罐,處于高真空狀態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。

計算時假定模具沒有泄漏,緩沖罐中的極限壓力達到真空泵的極限壓力條件下,計算由緩沖罐抽出型腔中氣體的抽氣速率及型腔中所能達到的理想壓力。計算結果表明:抽氣啟動后,通過真空截止閥可在1s 內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有適當泄漏,本文設計真空系統仍可滿足高真空壓鑄工藝對模具型腔真空度的要求。

NKJ61H真空截止閥主要性能規范

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 應用實例及效果

圖7 為真空截止閥與壓鑄標準試樣模具裝于2 800kN 臥式冷室壓鑄機上的圖片。圖8 為利用該系統壓鑄出來的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比。由圖10 可以發現,ZL101 合金高真空壓鑄的試棒經熱處理后外觀上無明顯的鼓泡現象;ZL101 合金普通壓鑄的試棒經熱處理后外觀上出現許多明顯的大氣泡,并呈現顆粒感。

4 結語

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一從動兩類活塞,并通過傳動機構帶動從動活塞封閉氣路的動作原理。其特點在于采用了杠桿作為傳動機構,具有傳動比可調,活塞關閉靈活、快捷、可靠的優點,避免了現有設計靈活性差、可靠性低的缺陷。高真空壓鑄用真空系統的抽氣能力強,可在1s 之內使模具型腔中的真空度達到所需的高真空狀態。試驗證明:設計的真空閥及真空系統可滿足高真空壓鑄工藝的要求。與本文相關的產品有美標鈦截止閥