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材料成形装备及自动化 Equipment and Automation of Materials Process,吕书林华中科技大学材料学院,材料成形及控制工程专业核心课程材料学院材料成形装备及自动化教案,2015-2016学年第二学期,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,2,目 录,第一章 绪 论（2学时）第二章 金属液态成形装备及自动化（10学时）第三章 金属塑性成形装备及自动化（8学时）第四章 金属连接成形装备及自动化（10学时）第五章 高分子材料成形设备及自动化（2学时）第六章 快速成形装备及控制（8学时）第七章 其它材料成形装备（3学时）第八章 热处理工业炉及其控制（2学时）第九章 材料加工中的环境保护装备（3学时）,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,3,第二章金属液态成形装备及自动化,2.1 概述2.2 金属熔化及浇注装备2.3 造型设备及自动化生产线2.4 砂处理装备及自动检测系统2.5 铸件清理自动化2.6 压力铸造装备及自动化2.7 消失模精密铸造装备及生产线2.8 半固态成形装备,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,4,铸造产品实例-汽车铸件,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,5,铸造产品实例,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,6,铸造产品实例-电子电器,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,7,2.1 概述,液态金属成形俗称铸造，它是机械工业的基础，铸造成形的零件俗称铸件。先进的铸造装备是生产高质量铸件的保障。,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,8,砂型铸造车间流程图,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,9,砂型铸造车间流程示意图,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,10,铸造设备的分类(1/3),EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,11,铸造设备的分类(2/3),EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,12,铸造设备的分类(3/3),EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,13,2.2 金属熔化及浇注装备,熔化是金属液态成形的首要环节，其任务是提供高质量的金属液体。根据合金材料可选择不同的金属熔化方法：1）铸铁合金广泛采用冲天炉熔化 2）铸钢常用电弧炉或感应电炉熔炼 3）铝合金常用电阻炉或油气炉熔化等 金属的熔化装备一般应包括三大部分：熔化炉、辅助装备（如配料、加料装备等）、浇注装备。本节的内容：铁合金熔化用冲天炉、感应电炉熔炼装备及其自动化、自动浇注装备及其应用。,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,14,一个完整的冲天炉由后炉、前炉和送风系统三部分组成。,1、冲天炉结构,2.2.1 冲天炉熔化,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,15,加料(石灰石-金属炉料-层焦）,换热,风口,废气排出,2、冲天炉熔化过程,出水,空气经鼓风机升压后送入风箱；然后由各风口进入炉内，与底焦层中的焦炭发生燃烧反应，生成大量的热量和CO、CO2等气体。高温炉气向上流动，使底焦面上的第一批金属炉料熔化。熔化后的液滴在下落过程中被进一步加热，温度上升（1500）。高温液体汇集后由出铁口放出；炉渣则由出渣口排出,冲天炉常用于铸铁的熔化。,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,16,3、冲天炉结构分类,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,17,(1)热风冲天炉,结构特点：换热结构是由放置在预热带的炉胆换热器和置于加料口上的管式换热器组合而成。它充分利用了炉气中的物理热和化学热，热风温度可达400以上，是熔炼可锻铸铁最理想的炉型。它的炉胆换热器结构特殊，热效率高，管式换热器是用优质锅炉管由特殊工艺弯制而成，无焊缝，寿命长。,炉顶部分,炉 体,炉底,热风进口,冷风进口,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,18,炉胆换热器结构,进风口,炉气,热风管,换热器,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,19,高效管式换热器,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,20,(2)炉外热风冲天炉,特 点：1）一个热风装置配两台冲天炉；2）设置有金属热交换器，由燃烧塔4和交换器5组成。3）燃烧塔设有火焰稳定装置和冷却装置。4）热风温度稳定、波动小。,1-排风口，2-冲天炉，3-进风管，4-燃烧塔，5-热交换塔，6-电磁阀，7-冷却塔，8-除尘器，9-抽风机，10、13-冷却风机，11-主风机，12-燃烧用风机。,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,21,(3)水冷壁无炉衬冲天炉,主要结构特点：炉壁由耐热钢制造，无炉衬，设置喷水管；耗水量大；无盖式炉顶；水冷铜制风嘴，热风为外热式，空气预热500-600 C主要使用特点：用于大型流水作业，5-50t/h；连续工作15周，用于各种铸铁熔炼。,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,22,4、冲天炉系统及其辅助设备,加配料系统,除尘系统,熔化系统,电磁秤的结构原理 主要由电子秤、电磁吸盘及控制部分组成。1-控制屏2-小车卷扬机构3-荷重传感器4-电磁吸盘5-万向挂钩6-滑轮卷电缆装置7-电子称8-驾驶室9-行车,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,23,(1)称量配料装置,炉料主要包括金属料（生铁、回炉料、废钢等）、焦炭和石灰石等。焦炭和石灰石等常用电子磅秤直接称量，振动给料机输送；金属料则采用电磁秤配料。底盘为锰钢。,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,24,电磁吸盘：是在铸钢的钟盖内有电磁线圈，下面用锰钢的非磁性底板盖住。当线圈内通电时，产生电磁力，吸住铁料，铁料在吸附状态下搬运，断电去磁则卸料。电磁盘的吸力与线圈的电流、匝数及被吸材料的性质和块度有关。电子秤的基本原理：利用荷重传感器因载荷变化而产生的应变信号大小来计算出载重量。控制部分：为计算机控制，可根据前一次的称量误差在下一次称料时预予自动补偿。,电磁吸盘结构图,(1)称量配料装置,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,25,(2)加料装置,常见的爬式加料机构,杠杆式料位计,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,26,(2)加料装置,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,27,(3)冲天炉熔化的自动化控制系统,1)影响因素,金属炉料,焦 炭,鼓 风,温 度,成 分,熔化速度,铁液,炉内尺寸,风量、含氧量,金属熔炼损耗,金属炉料,炉渣成分,风量、风压,炉气成分、温度,控制因素,输出变量,外界干扰因素,监测 参数,高温优质低耗,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,28,2）冲天炉熔化自动化控制的要求,为实现冲天炉熔化的自动化控制，必须对影响冲天炉熔炼效果的因素及指标实施实时监控，并进行实时调整。控制结果：必须是全面达到优质、高温、低耗三项技术经济指标，即铁水化学成分准确稳定、铁水温度达到要求，同时焦炭燃烧效率高。,所谓冲天炉熔化过程的控制，是在一定炉子结构，以一定的原材料及其配比条件下，调节各种工艺因素，以达到铁水化学成分及温度的基本要求，并且保证炉子在最佳状态下工作。,影响熔炼过程的因素很多，包括冶金因素（原材料来源、配比、铁料块度、预处理以及化学成分波动）、炉子结构因素（风口、焦铁比、焦炭质量及鼓风温度等）。,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,29,3)冲天炉多参数监视和控制系统方案,输入9个模拟量 炉气成分 炉气温度 热风温度 铁水温度 风量 风压 送风湿度 铁水成分 铁水重量,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,30,3)冲天炉多参数监视和控制系统方案,4路输出控制：1）由测定的铁水温度值与给定的铁水温度进行比较，当温度出现偏差时，输出通道输出开关量信号开大供氧气路，以此控制铁水温度；2）通过测定炉气成分控制送风量；3）通过测定送风湿度控制干燥器的功率，以此来控制送风湿度；4）通过热分析法测定铁水的元素含量及铁水重量与给定的铁水成分比较，根据比较偏差，按铁水重量计算出炉前应补加的硅铁量。,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,31,2.2.2 电炉熔化,铁合金常用的熔化电炉，有：三相交流电弧炉、感应电炉。这些炉子特别适用于熔化黑色金属，生产高质量的合金。它们也能用来熔化有色金属（如铝）和重金属（如青铜，铜和黄铜）。在一些应用中，它们也可以起到贮存和处理的双重操作功用。,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,32,（1）电弧炉,原理：利用电极和炉料之间产生的高温电弧使金属料熔化。,1-支腿2-炉体3-炉盖4-抽风管5-电极6-炉盖开启选择机构7-电缆8-变压器,这种电弧炉用三相交流电为电源（见图），一般用碳素电极或石墨电极。电弧发生在电极与被熔炼的炉料之间，炉料受电弧直接加热。电弧长度靠电极升降调节。为提高熔炼质量，大型电弧炉在炉底装有电磁搅拌器，驱使炉内熔螎金属沿一定方向循环。50吨以上的电弧炉常装有炉体回转机构，炉体能左右旋转一定角度，使炉料受热均匀，金属液出炉时炉体可以倾斜。三相电弧炉广泛用于炼钢。,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,33,（1）电弧炉,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,34,（2）感应电炉,利用电磁感应原理熔化金属的工业炉。感应炉采用的交流电源有工频(50Hz)、中频(5010KHz)和高频（高于10KHz）3种。感应炉的主要部件有感应器、炉体、电源、电容和控制系统等。,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,35,无芯坩埚式感应电炉断面结构图,1-出水口；2-炉盖；3-作业面板；4-冷却水；5-感应线圈粘接剂；6-炉体；7-铁心；8-感应线圈；9-耐火材料；10-金属液；11-耐火砖；12-倾转油缸；13-支架,（2）感应电炉,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,36,（2）感应电炉,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,37,感应炉熔炼的集中控制式自动化系统,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,38,2.2.3 自动浇注装备,（1）自动浇注机的类型及特点 基本功能包括：浇注时的定位与同步、浇注流量控制、浇注速度控制、金属液补充及保温、安全保护等。国内外常用的自动浇注机主要有：电磁泵式浇注机、气压包式浇注机、倾转式浇注机等。,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,39,(2)电磁泵式自动浇注机,1）电磁泵的原理：通入电流的导电流体在磁场中受到洛仑兹力的作用，使其定向移动，如图所示。2）电磁泵的主要技术性能指标压头()间存在如下关系:：压头；Jx：垂直于磁感应强度和金属液体流动方向上的电流密度；By：垂直于电流和金属液体流动方向上的磁感应强度，：处于磁隙间的金属液体长度。,电磁泵工作原理,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,40,3）电磁泵式自动浇注机结构：由电磁泵和浇注流槽组成。优点：容易调节浇注速度和浇注量；容易实现自动化；此外电磁力对熔渣不起作用，因此流动时只有金属液向浇注口方向运动，浇注的金属液质量高。,电磁泵自动浇注机的结构简图1-排液口 2-加料口 3-电磁泵 4-流槽 5-耐火材料 6-浇嘴 7-贮液槽,(2)电磁泵式自动浇注机,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,41,(3)气压式自动浇注机,1）工作原理：在密封浇包的金属液面上施加一压力，金属液在压力的作用下沿浇注槽上升，金属液到达浇注口后便自然下落，浇入到铸型。为保证浇注平稳，浇注前金属液面上应施加一个预压力（备浇压力），使金属液到达浇注槽的预定位置。浇注完毕，金属液面上的气体卸压，金属液回落。每浇注一次，浇包内的金属液面下降，该预压力随着液面的下降自动补偿。,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,42,(3)气压式自动浇注机,2）带荷重传感器的气压式自动浇注机 采用荷重传感器与预压力联合控制，可大大提高浇注定量的精度和浇注过程的稳定性，它使称量、保持备浇状态、浇注、卸压等各个动作均自动连续进行。,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,43,(4)倾转式自动浇注机,倾转式浇注机是目前使用最广泛的浇注装备。其特点是结构简单，容易操作，适应性强，能满足不同用户的需求。,1-同步挡块 2，4-薄膜气缸 3-横向移动车架5-电机6-减速器7-摩擦轮 8-横向移动液压缸9-纵向移动液压缸 10-倾转油缸11-倾转架 12-浇包,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,44,(4)倾转式自动浇注机,全自动倾转式浇注机控制原理,图2-17 倾转式自动浇注机的现场浇注,采用多传感器检测浇注时温度、流量、浇口杯液面等以适时控制浇注机，实现浇注过程的全自动化。,EAMP 材料成形装备及自动化 华中科技大学材料学院,45,本节思考题,1、简述金属熔化的主要设备及适应范围，举例说明金属熔化设备的结构。2、简述自动浇注设备的基本功能，常用的自动浇注设备有哪些，简述其基本原理3、简述全自动倾转式浇注机控制原理。4、简述电磁式浇注的原理及特点，为何它主要用于铝、镁、铜等非铁合金的浇注？,
