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真空截止閥設(shè)計要素
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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。形體簡單 , 結(jié)構(gòu)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(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)濟優(yōu)勢,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)的瓶頸及難點之一是真空截止閥的結(jié)構(gòu)及真空系統(tǒng)的設(shè)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(guān)閉,阻止金屬液進入真空管道。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(guān)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(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)對此的研究和開發(fā)嚴重不足。所以自主開發(fā)可靠實用的真空截止閥及真空系統(tǒng),對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)水平和競爭力,有著非常重要的意義。
真空截止閥設(shè)計要素
1．真空閥的設(shè)計標(biāo)準和適用范圍
(1)真空閥的分類公稱壓力低于標(biāo)準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)計標(biāo)準真空閥的設(shè)計標(biāo)準見表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(jié)構(gòu)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(guān)鍵要進行閥門全開啟狀態(tài)和
關(guān)閉狀態(tài)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(jié)構(gòu)較為松
疏，表面會含存一定量的空氣。如無法違避時內(nèi)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(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很大的漏氣點，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
1.1 真空截止閥的結(jié)構(gòu)及動作原理
本文設(shè)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(guān)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(qū)動結(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(fù)位導(dǎo)桿4 ,4 則壓縮彈簧8 ,此時杠桿12 處于活動狀態(tài),即真空截止閥處在解除鎖定狀態(tài)下;
②液態(tài)金屬進入壓鑄模具型腔后,通過進料口16 進入導(dǎo)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(tài)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(cè)的錐閥關(guān)閉,真空截止閥截止,這一過程應(yīng)在液態(tài)金屬到達從動活塞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 推動復(fù)位導(dǎo)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(fù)位鎖定。
由圖1 可知, 真空截止閥的設(shè)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(guān)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(shè)計,從而避免了定型等關(guān)鍵部件的磨損,降低了維修費用,經(jīng)濟實用。
1.2 鎖定及復(fù)位機構(gòu)
圖2 為真空截止閥的鎖定及復(fù)位機構(gòu)的俯視圖。壓鑄模具打開時,彈簧7 的彈性回復(fù)力通過復(fù)位檔板5推動杠桿3 前移,帶動主、從活塞復(fù)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(tài)。
1.3 真空閥真空氣路的主動關(guān)閉機構(gòu)
在模具的調(diào)試階段,或者壓鑄時沒有設(shè)置增壓階段的情況下,液態(tài)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(dǎo)致液態(tài)金屬直接流入從動活塞內(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)置額外的動力以關(guān)閉閥芯。如圖3所示,本真空截止閥設(shè)計中采用內(nèi)置氣缸4 作為主動關(guān)閉機構(gòu),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(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(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(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
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(guān)鍵。本文在真空閥中設(shè)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(jù)。
2 高真空壓鑄用真空系統(tǒng)的設(shè)計
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(tài)金屬向前移動,在澆口被封閉之后,當(dāng)壓射沖頭移動到特定位置時,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,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壓射沖頭推動液態(tài)金屬繼續(xù)向前移動,在液態(tài)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(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,而整個系統(tǒng)也恢復(fù)到壓鑄過程開始前的狀態(tài),為下一個壓鑄循環(huán)做好準備。
2.2 真空系統(tǒng)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(tǒng)必須確保具有很大的抽氣速度,以便在極短的時間內(nèi)將型腔中的氣體抽出。本設(shè)計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(jié)果表明:抽氣啟動后,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有適當(dāng)泄漏,本文設(shè)計真空系統(tǒng)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(guī)范
產(chǎn)品類型 | 殼體強度試驗/MPa | 上密封試驗/MPa | 密封試驗/MPa | 適用介質(zhì) | 適用溫度/℃ |
NKJ61H-40 | 6.O | 4.4 | 4.4 | 水、蒸汽、空氣 | ≤425 |
NKJ61H-64 | 96 | 7.O | 7.O | ||
NKJ61H-100 | 15.O | 11.0 | 11.O | ||
NKJ61Y-40l | 6.O | 4.4 | 4.4 | 水、蒸汽、空氣 | ≤550 |
NKJ61Y-64l | 9.6 | 7.0 | 7.O | ||
NKJ61Y-1OOI | 15.O | 11.O | 11.O |
NKJ61H真空截止閥主要零件材料 Material for Main Parts
零件名稱 | 閥體、閥蓋 Body Bonnet | 閥桿 | 閥瓣 Disc | 密封面 | 閥桿螺母 | 填料 | 緊固件 |
NKJ61H-C型 | 25或WCB | 鉻不銹鋼 | 鉻不銹鋼 | H：合金鋼 | 鋁青銅 | 膨脹復(fù)合石墨 | 碳鋼 |
NKJ61Y-l型 | 鉻鉬鋼 | 20CrlM01vA 或38CrMoAlA | 12CrlMo 1VA | Y：硬質(zhì)合金 | 鉻鉬鋼 |
NKJ61H真空截止閥主要尺寸及重量Maindimensions ａnd weight
3 應(yīng)用實例及效果
圖7 為真空截止閥與壓鑄標(biāo)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(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一從動兩類活塞,并通過傳動機構(gòu)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(gòu),具有傳動比可調(diào),活塞關(guān)閉靈活、快捷、可靠的優(yōu)點,避免了現(xiàn)有設(shè)計靈活性差、可靠性低的缺陷。高真空壓鑄用真空系統(tǒng)的抽氣能力強,可在1s 之內(nèi)使模具型腔中的真空度達到所需的高真空狀態(tài)。試驗證明:設(shè)計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
