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                      真空截止阀设计要素

                       上海申弘阀门有限公司

之前介绍蒸汽截止阀热损失，现在介绍真空截止阀设计要素流体阻力小,密封面受介质的忡刷和侵蚀小。开闭较省力。介质流向不受限制 , 不扰流、不降低压力。形体简单 , 结构长度短，制造工艺性好，适用范围广。高真空压铸是指型腔中的真空度在91KPa 以上的特种压铸工艺。由于压射时型腔中的真空度高,金属液卷入的气体少,铸件含气量仅为1～3mL/100g,因此高真空压铸件可以实施热处理或焊接加工。近年来高真空压铸技术在轿车用重要受力保安件的生产中显现出了很大的技术和经济优势,在欧美、日本等国掀起了一股研发热潮真空压铸尤其是高真空压铸技术的瓶颈及难点之一是真空截止阀的结构及真空系统的设计。真空截止阀的主要作用一是给型腔中的气体提供一个排除的通道;二是在抽除气体后及时关闭,阻止金属液进入真空管道。目前真空阀的结构形式多种多样,按其工作原理主要可分为三类: 

①改变通道的截面积, 使金属液的流动性逐步下降,而在进入真空管道前金属液的流动自然停止。如锯齿型的真空阀,亦称为ZIG-ZAG阀。

②利用金属液的惯性冲击力是真空阀的排气通道关闭,如GF阀等。

③通过检测型腔中金属液的充填位置,利用液压或气压使真空阀芯关闭。其中以*、二种结构形式的真空阀应用。

以ZIG-ZAG 阀及其配套的真空系统在国内压铸厂应用较为普遍,但是由于ZIG-ZAG 阀的抽气速度慢,型腔真空度低且波动大而不能应用于高真空压铸,因此上述第二、三种形式的真空阀便成为目前高真空压铸用的真空阀。此类结构形式的真空阀为国外产品所垄断,国内对此的研究和开发严重不足。所以自主开发可靠实用的真空截止阀及真空系统,对推广高真空压铸工艺在我国的应用及发展,提升国内压铸业的技术水平和竞争力,有着非常重要的意义。

真空截止阀设计要素
  1．真空阀的设计标准和适用范围
  (1)真空阀的分类公称压力低于标准大气压力的阀门称为真空阀门。
  真空阀通常根据工作压力（即真空度）可分为三大类：
  低真空阀：压力为101325~0.133Pa：
高真空阀：压力为0.133—1.33 x10-6Pa：
超高真空阀：压力为1. 33×l0“～1. 33×l0—l。P。．
(2)真空阀设计标准真空阀的设计标准见表1-19。
    (3)真空阀的应用范围
    1)石化工业用真空阀。石化工业用真空阀，通常用于化纤工业润滑脂精炼等设备系
  统中。要求阀门既能用于低真空系统，又能用于压力系统。真空系统的压力通常为0.005~
  0.133Pa，压力系统的压力为1．O~4.OMPa。
    结构形式通常为直流式Y形真空截止阀，这种阀门与普通Y形截止阀基本相同。
    2)冶金工业用真空阀。冶金工业通常使用真空或高真空阀门，用于合金钢的真空冶
炼、真空脱氧、真空热处理、真空铸造、电气绝缘处理等设备中。
    结构形式通常有插板阀、翻板阀、挡板阀以及真空蝶阀等。
    3)核工业用真空阀。在核工业领域，广泛使用各类真空阀门，在高能物理、受控热核聚
变研究中，使用高真空和超高真空阀门；在同位素分离工厂中，使用高真空和低真空阀门。
    结构形式通常以金属波纹管或膜片作为阀杆密封元件，并要求高清洁度的真空截止（节
流）阀。
    2．设计要求
    上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀,气动截止阀,电动蝶阀,气动蝶阀真空截止阀并不是一个特别的阀种，是同普通截止阀一样结构的阀门，只不过多了一些将
殊的真空要求。除了要进行一般阀门的壳体强度和密封试验外，关键要进行阀门全开启状态和
关闭状态的漏气速率测试，所以一般不采用铸铁、铸钢的阀体和阀盖，因为铸件结构较为松
疏，表面会含存一定量的空气。如无法违避时内表面必须机加工或打磨干净，表面粗糙度Ra
加工至3. 2ILm以下。
    真空截止阀尽可能采用锻压件，内表面的表面粗糙度Ra加工至3.2¨。以下。阀门中腔填料处是一个很大的漏气点，所以高真空截止阀都采用波纹管结构。

1 高真空压铸用真空截止阀的结构设计

1.1 真空截止阀的结构及动作原理

本文设计的高真空压铸用截止阀利用金属液体的惯性冲击力来关闭排气通道,采用一主动一从动两活塞,通过杠杆方式连接起来的驱动结构,不同于现有的真空截止阀结构。如图1 所示,真空截止阀的动作原理为:

①压铸过程开始时,压铸模具闭合,随着动模一起运动的真空阀的动型1 推动复位导杆4 ,4 则压缩弹簧8 ,此时杠杆12 处于活动状态,即真空截止阀处在解除锁定状态下;

②液态金属进入压铸模具型腔后,通过进料口16 进入导流通道,此时它会首先接触并由冲击力推动主动活塞13 ; 

③主动活塞13 受到液态金属的压力向右运动,推动杠杆12 ;杠杆12 从而带动从动活塞7 向右运动,从动活塞7 左侧的锥阀关闭,真空截止阀截止,这一过程应在液态金属到达从动活塞7 的锥阀之前完成;

④当压铸过程完成后,压铸模具打开,被压缩的弹簧8 推动复位导杆4 和挡板9 ,通过杠杆7 带动主动活塞13 和从动活塞7 向左运动,使真空截止阀打开并复位锁定。

由图1 可知, 真空截止阀的设计具有如下两个特点:

①主动活塞与从动活塞之间采用简单的杠杆传动,使从动活塞可获得较大的位移比,保证了阀关闭的灵敏度及可靠性。

②在主动活塞、从动活塞与定型的接触处均采用了可更换活塞套的设计,从而避免了定型等关键部件的磨损,降低了维修费用,经济实用。

1.2 锁定及复位机构

图2 为真空截止阀的锁定及复位机构的俯视图。压铸模具打开时,弹簧7 的弹性回复力通过复位档板5推动杠杆3 前移,带动主、从活塞复位锁定,真空气路打开。模具闭合时,则使杠杆处于可移动状态。

1.3 真空阀真空气路的主动关闭机构

在模具的调试阶段,或者压铸时没有设置增压阶段的情况下,液态金属到达真空截止阀主动活塞的顶端时,由于其压力不足,可能无法推动主动活塞动作,因此有可能导致液态金属直接流入从动活塞内的真空气道,从而堵塞了气路。为了防止上述情况下液态金属堵塞真空气路,必须在真空截止阀中设置额外的动力以关闭阀芯。如图3所示,本真空截止阀设计中采用内置气缸4 作为主动关闭机构,通过外接压缩空气由气缸直接推动杠杆,从而带动从动活塞关闭。

1.4 真空截止阀的润滑和冷却

良好的润滑是真空截止阀各部件正确可靠动作的重要保障。同时真空阀工作在高温下,主、从活塞受热膨胀将增大移动时的摩擦阻力,从而降低了阀的可靠性。因此为保证真空截止阀在高温下正确动作,还需为其设置冷却结构。

图4 为真空截止阀的润滑油路,考虑到主动活塞受热及摩擦阻力zui大,所以仅给主动活塞进行了润滑,黄油在重力的作用下自动流入活塞与活塞套间的缝隙。图5 为主从活塞的冷却通道,设置在真空截止阀定型中与润滑系统不同的截面上,采用风冷形式。
 

1.5 真空气路堵塞的检测

及时检测真空阀是否堵塞是确认高真空压铸是否正常进行的一个关键。本文在真空阀中设计了堵塞检测回路,并以回路中的阻力大小作为判断的依据。

2 高真空压铸用真空系统的设计

2.1 真空系统的工作原理

图6 为高真空压铸用真空系统的原理图。真空系统使用接近开关感应压射冲头的位置,从而控制电磁阀的通断,进而控制缓冲罐与真空截止阀的之间气路的通断。其工作过程如下:

①压铸过程开始时,压射冲头推动液态金属向前移动,在浇口被封闭之后,当压射冲头移动到特定位置时,接近开关感应到其位置的变化,从而由断开状态变成闭合状态;

②接近开关闭合后,电磁阀导通,因而模具型腔通过真空截止阀与缓冲罐连通,此时,真空截止阀处于导通状态,型腔中的气体被迅速抽入缓冲罐; 

③压射冲头推动液态金属继续向前移动,在液态金属压射进入真空截止阀并由其冲击力推动真空截止阀截止后,抽气过程结束;

④压铸过程结束后,真空截止阀复位,压射冲头退回到初始位置,接近开关也再次感应到其位置的变化,由闭合状态变成断开状态,由此电磁阀断开,而整个系统也恢复到压铸过程开始前的状态,为下一个压铸循环做好准备。

2.2 真空系统抽气速率的计算

高真空压铸工艺要求在压铸时模具型腔中的真空度达到91 kPa 以上,这迫使真空系统必须确保具有很大的抽气速度,以便在极短的时间内将型腔中的气体抽出。本设计采用体积比较大的缓冲罐,处于高真空状态下的缓冲罐可以快速将模具型腔中的气体抽至所需的真空度。缓冲罐中的气体则由真空泵不间断的抽出。

计算时假定模具没有泄漏,缓冲罐中的极限压力达到真空泵的极限压力条件下,计算由缓冲罐抽出型腔中气体的抽气速率及型腔中所能达到的理想压力。计算结果表明:抽气启动后,通过真空截止阀可在1s 内将型腔中的气压降至765 Pa 左右。因此尽管模具不可避免地会有适当泄漏,本文设计真空系统仍可满足高真空压铸工艺对模具型腔真空度的要求。

NKJ61H真空截止阀主要性能规范

NKJ61H真空截止阀主要零件材料 Material for Main Parts

NKJ61H真空截止阀主要尺寸及重量Maindimensions ａnd weight

3 应用实例及效果

图7 为真空截止阀与压铸标准试样模具装于2 800kN 卧式冷室压铸机上的图片。图8 为利用该系统压铸出来的ZL101 拉伸试样。图9 为高真空压铸与普通压铸试热处理后的外观对比。由图10 可以发现,ZL101 合金高真空压铸的试棒经热处理后外观上无明显的鼓泡现象;ZL101 合金普通压铸的试棒经热处理后外观上出现许多明显的大气泡,并呈现颗粒感。

4 结语

高真空压铸用真空截止阀沿用了已有真空截止阀的一主动一从动两类活塞,并通过传动机构带动从动活塞封闭气路的动作原理。其特点在于采用了杠杆作为传动机构,具有传动比可调,活塞关闭灵活、快捷、可靠的优点,避免了现有设计灵活性差、可靠性低的缺陷。高真空压铸用真空系统的抽气能力强,可在1s 之内使模具型腔中的真空度达到所需的高真空状态。试验证明:设计的真空阀及真空系统可满足高真空压铸工艺的要求。与本文相关的产品有美标钛截止阀