中国低压铸造装备技术的发展与展望（续）

康敬乐，丁苏沛，孙剑飞，毕维生，张 虎，郝启堂，章旭霞,李建平

（1.济南铸造锻压机械研究所有限公司,山东济南 250306；2.哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨 150001；3.北京航空航天大学，北京 100191；4.西北工业大学，陕西西安 710072；5.万丰科技开发股份有限公司，浙江绍兴 312500；6.天水华荣铸造机械有限公司，甘肃天水 741000）

中国低压铸造装备技术的发展与展望（续）

康敬乐1，丁苏沛1，孙剑飞2，毕维生2，张 虎3，郝启堂4，章旭霞5,李建平6

（1.济南铸造锻压机械研究所有限公司,山东济南 250306；2.哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨 150001；3.北京航空航天大学，北京 100191；4.西北工业大学，陕西西安 710072；5.万丰科技开发股份有限公司，浙江绍兴 312500；6.天水华荣铸造机械有限公司，甘肃天水 741000）

全面、客观地叙述了新中国低压铸造装备技术的发展历程及其现状，对未来低压铸造新技术的应用进行了展望。认为工业机器人、电磁泵铸造技术、人工智能和互联网技术等的综合应用，将成为中国低压铸造产业中，实施“中国制造2025”战略的主旋律。

低压铸造；液面加压；保温炉；差压铸造；镁合金铸造；消失模铸造；工业机器人

（2 国内低压铸造的发展历程（续上期））

21世纪初，随着计算机应用技术的迅速发展，尤其是不断地引进国外高水平的低压铸造机，以此为借鉴，使得国内低压铸造液面加压控制系统的性能进一步提高，主要表现在实时显示和控制精度及可靠性大幅度提升。

2001年广丰汽车摩托车铝铸件有限公司，将原有的从德国引进的低压铸造机液面加压系统进行了改进，原低压铸造机在使用过程中，由于诸多因素致使模拟比例调节气阀损坏率高，使用寿命极短，严重制约了铸造生产能力的达成。这是由于采用模拟比例调节闭环控制时，比例放大板处于较长时间的大电流输出状态下运行，工作过程的频繁动作、电气元件老化及温度漂移等，使得控制系统难以在理想状态下运行，高故障率由此产生。故此，该公司采用PLC数字控制技术，PWM功能保证了输出电流的线性调节，由CPU224内置的PID实现比例调节，具有优越的环境适应性和性价比，完全可以替代各类进口低压铸造机压力控制系统[37]。

2002年北京航空航天大学张虎教授率领的课题组研发成功了BH-1型低压铸造压力控制系统，用于中信戴卡轮毂制造有限公司改造原有的1995年以前进口的低压铸造机。该系统主要创新点是：①以自主开发的数字组合阀为核心的工业计算机控制系统，采用了灵敏的压力传感器和软件式PID控制器；②该系统具有较高的控制精度和较短的响应时间，升压阶段压力偏差值≤5×10-4MPa,时间滞后≤30 ms，保压阶段压力偏差值≤3×10-4MPa。确保铝液平稳充型，使实际升压曲线真实地重现设定的升压曲线；③该系统具有较高的压力自动补偿能力，使得保温炉内的压力可以根据设定的曲线精确、重复再现，而不受气压波动和金属液位变动的影响； ④该系统具有较宽的工艺适用范围，可根据工艺需要自由设定8段以上的压力曲线，以800 kg熔池保温炉为例，最大加压速率可达100×10-4MPa/s；⑤该系统具有良好的人机对话功能，可以方便的输入各类工艺参数，在工控机屏幕上实时显示铸造过程的设定压力曲线和实际控制的压力曲线，并进行叠加比较；⑥该系统具有数据保存及调用功能，每次铸造过程的设定压力曲线和实际控制曲线及铸件编号、各段铸造时间均可以数据文件的形式自动保存，并可直接通过打印机输出或传输到其它计算机进行分析；⑦具有模具冷却控制功能，满足了自主工艺优化需求。对每路冷却通道均提供了“ON”、“OFF”、“AUTO”三种工作方式，可按时间控制和温度控制两种模式进行模具冷却；⑧原系统改造后明显降低了铸造废品率，提高了生产率，减少了铸件的飞边、毛刺的产生，从而减少了原材料消耗[38]（见图11）。

图11 低压铸造控制系统(2003年)

2003年2月，北京航空航天大学张虎教授率领的课题组率先研发成功了全数字控制的现代低压铸造控制系统并迅速获得应用。整套控制系统包括动力控制、机器运行控制、液面压力控制和铸型温度（冷却）控制、保温炉炉温和铝液温度的控制。采用分级控制方式，由工业计算机完成液面压力控制和铸型温度（冷却）控制；由智能仪表完成保温炉炉温的控制和铝液温度的监控；由PLC负责控制低压铸造过程的顺序运行，协调机器的全部动作并为机器的顺利运行提供安全保障。该系统首先用于进口低压铸造机的升级改造。

2003年以来，已有160余台套系统用于进口低压铸造机的升级改造，如原产于意大利的CIVARDI、LPM低压铸造机，德国的KURTZ、GIMA低压铸造机，英国的PLUME低压铸造机，丹麦的RIMATIC低压铸造机，美国的IMPIRE低压铸造机，保加利亚的CPC差压铸造机等。已有600余套用于国内众多汽车车轮生产厂家，并出口到泰国、美国等汽车车轮生产厂家。

长期的生产实践促成了铝合金车轮结构特征和现代低压铸造生产技术的完美结合，既提高了铝合金车轮性能，又实现了低成本，使得低压铸造成为铝合金车轮的主流生产方法。然而，随着乘用车轮胎日益扁平化，铝合金车轮尺寸越来越大，现有的铝合金车轮低压铸造生产技术的局限性日益显现，如何提高大尺寸车轮轮辐轮心部位的力学性能，已成为制约铝合金车轮进一步轻量化的瓶颈，引起越来越多生产厂家的关注。

为此，2013年后，北京航空航天大学研发了直接增压低压铸造机、强化冷却与控制技术，结合旋压成形工艺优化，实现了“细晶铸旋”大尺寸车轮本体综合性能的协同提高。

针对航空航天行业单件小批量生产方式，基于BH系列低压铸造控制系统的专用型BH-2系列低压铸造机，于2003年7月在某航天企业用于生产铝合金舱体类铸件。该机操作简单，参数设定方便，可以准确实现工艺人员设计的压力曲线，铸件成品率大幅提高（图11）。

另外，在全数字式液面加压控制系统基础上，研制的差压铸造机，于2007年5月在某军工研究院用于生产舰船用部件，至今已可靠运行近10年（图12）。

图12 全数字式液面加压控制的差压铸造机（2007年）

2004年沈阳理工大学和沈阳工业大学联合研制成功了CLP-10型低压铸造液面加压控制系统，由触摸屏人机界面、PLC和组合阀组成。该系统主要创新点是：①触摸屏采用日本三菱公司的GOT90，与PLC（FX2N）通讯采用485通讯方式，可以实现高速通讯所需的总线连接；②人机界面通过Windows WAV文件，可以支持声音输出；③能实现梯形图监控功能，缩短排除梯形图故障编写所需的时间；④采用模糊控制算法，实现反馈控制，并具有泄漏补偿能力，充型速度可以根据设定值精确地重复再现，界面清晰明了，编程简单，便于操作；⑤该系统还具有故障测试功能，如果传感器异常，阀口开度过大，升液速率过快等都会进入到相应的故障子程序中，进行故障提示[39]。

图13 CY3000型铜合金差压铸造机（2015年）

2007年，哈尔滨工业大学孙剑飞教授课题组为120厂研制了工作罐直径为2.2 m的铝合金差压和低压铸造机，当年解决了复杂铸件的铸造成形问题。之后，课题组陆续为113厂、114厂、120厂、800所、59所、大连船用推进器厂等单位研制反重力铸造设备和控制系统20余台套，差压铸造设备上罐体内径最大达2 500 mm（Al）、3 000 mm(Cu)。在进行液面充形过程精确控制的同时，着重加强了温度场和气氛控制与反重力铸造过程的结合，以解决镁合金反重力铸造过程的安全性问题；同时，应使用单位要求，部分地使用了开合罐、金属液供给的自动控制技术，提高了稳定性和生产效率（见图13、图14）。

从理论上讲，低压铸造技术是差压铸造的一种特例，调压铸造是差压铸造的延续，其实同属于反重力铸造技术范畴。在21世纪初的10年间，随着世界各国航空航天、国防、汽车等基础产业的不断发展，铸件正朝着少、无加工余量，薄壁、高精度、高性能、复杂、整体化的方向迈进[40-42]，反重力铸造装备诸技术得到了长足的进步。

2001年沈阳黎明发动机制造公司和沈阳工业学院联合研究开发了一种新型低压铸造机，即真空充型倾转加压倒置铸造法。它是将盛有液态金属的容器与铸型分别放在两个耐高压的容器中，用一根管子联通，铸型在上，坩埚在下。充型前上罐和下罐同步抽到一定的真空度，静置一段时间后进一步去除液态金属中的气体；然后按一定的工艺要求加大下罐的压力使金属液充满型腔。再倾转整个装置，使其上下罐倒置。与此同时，上下罐同步加压，使铸型内的金属液在压力下凝固。该方法集中了真空低压铸造和差压铸造及高压釜铸造的优点，使铸件的组织更加致密，基本上消除了气孔和缩孔。可大幅度地提高材料的比强度及韧性。

图14 金属/砂型差压铸造机（2013年）

该机适用于石膏型、金属型、砂型、陶瓷型、熔模型和消失模等多种成形方式。该机具有多种铸造方式可供选择，即可按一般低压铸造，也可按惰性气体保护下低压铸造、真空低压铸造、差压铸造、惰性气体保护差压铸造、真空差压铸造等6种铸造方法；加上倾转功能还可按类似高压釜铸造，可进一步提高铸件的致密度。该方法是中国低压铸造技术领域中的巨大创新[42-44]。

2002年西北工业大学郝启堂教授课题组研发成功了大型薄壁铝合金铸件树脂砂型低压铸造设备，该机主要由设备主体、铸型输送台车、气控系统、PLC电气控制系统、保温炉和液压系统六部分组成。主要特点是：①压力容器和锁紧环是该设备的主体，保温炉置于压力容器之中，在油缸驱动下使锁紧环锁紧，实现罐体密封；②铸型输运台车在液压系统驱动下可以前后运动，铸型平台可自动升降，最大输运质量可达60 t；③工作原理：液态金属准备就绪后，先锁紧中隔板，然后放入升液管，铸型输运台举升后水平移送到工作位后，铸型输运台下降，完成铸型与中隔板的密封，并确认浇口与升液管上端口对齐后，随之启动液面加压系统加压，完成铸件的浇注过程；④该机液面加压系统采用数字组合阀控制，由8个电磁阀、8个手动截止阀和8个节流阀组成，可以提供256中不同的状态，对应256种不同的充型速率，从而满足压力控制的精度要求；⑤数字组合阀的响应时间和调节速度比气动薄膜阀等要快，其两种不同状态之间的切换时间仅为80 ms，因此跟踪精度高，实现平稳充型，有效地抑制液面波动；⑥计算机控制软件使用Windows平台，采用Delphi编程，参数设置界面提供了铸造过程需要的各种信息，包括工艺参数、触点使用信息、PID参数、温度场信息、工作信息和跟踪特性参数等，所有这些参数可以保存和读取；⑦采用PID+模糊控制算法，有效地解决了气动薄膜调节阀控制滞后的问题，克服了浇注超高铸件(大于2m)存在液面波动的问题；⑧该机生产的铝铸件质量达1.8 t，铸件组织致密，力学性能和冶金品质优越；⑨该设备不仅适用大型薄壁树脂砂铝合金低压铸造，也可用于石膏型和熔模低压铸造[45]（见图15）。

图15 1 500 kg铝合金分体式砂型反重力铸造装备(2002年)

2009年西北工业大学郝启堂教授课题组研发成功了多功能铝合金反重力铸造装备，主要创新点是：①该机采用分离式上下罐体作为装备主体，下罐内放置电阻炉，低压铸造时，不使用上罐，差压铸造和调压铸造时上罐内放置铸型。在控制软件的调控下，与气路控制系统相结合，既可以只使用下罐，实现大型薄壁铝合金铸件的低压铸造，又可以同时使用上下罐，实现中小型铝合金铸件的差压铸造和调压铸造；②对控制算法的优化处理以及气路系统中受数字信号直接控制的数字组合阀的使用，提高了液面加压系统的响应速度、压力控制精度及其稳定性；③低压铸造时，气源压缩空气通过数字组合阀进入下罐，使坩埚内金属液在压力作用下升液，充入型腔，浇注完成后，打开排气阀缷压；④差压铸造时，将上下罐密封后，先使上下罐同步进气，建立同步压力后，使上罐内气体，经数字组合阀在压力控制下排出，使得上下罐产生压差，实现浇注过程。也可以使气源气体在数字组合阀的控制下按照设定的加压工艺曲线进入下罐，同样在上下罐产生压差，完成加压过程；⑤调压铸造时，先开启真空泵，同时给上、下罐抽真空，达到预定的真空度后停泵，给下罐增压，通过数字组合阀调节进气量，使下罐内压力按照设定的加压工艺曲线变化，同样金属液在压差作用下升液、充型。铸件凝固后使上下罐互通，升液管内的金属液在排气阀的控制下缓慢回落[46]。

这种装备已在沈阳铸造研究所、北京航空材料研究院、鹰普航空（铸件）有限公司等单位推广使用[47]（见图16）。

图16 多功能铝合金砂型反重力铸造机(2009年)

实践证明，铸造工艺决定铸造装备，铸造装备推动铸造技术的进步，低压铸造技术的发展尤为如此，比如铝合金电磁泵技术的应用等。

2002-2003年，华北工学院和天津大学在电磁泵低压铸造工艺试验研究的基础上，率先开发研制了铝合金用直流平面电磁泵低压铸造装备技术。该装备主要由保温炉、电磁泵、工作电源（由励磁电源和电场电源组成）、控制电路和温控电路及铸型锁紧装置等构成。其主要创新点为：①基本参数：坩埚容量（Al液）200 kg,最大充型压力和保压压力0.5 MPa，最大加压速率3 kgf/cm2/s;②保温炉用于盛放金属液，并与电磁泵通过管道相连接，由计算机控制的电场电源及励磁电源与电磁泵上的电极及电磁铁相连，为电磁泵提供动力，实现低压铸造过程的升液、充型及保压；③电磁泵系统与传统的机械泵相比，采用非接触式驱动方式，省去了机械转动部件，在与空气完全隔绝的状态下，输送液态金属，可精确控制流动参数，使得被传输液体流动平稳，处于低湍流状态；④电磁泵充型保压低压铸造系统，与传统低压铸造相比，避免了氧化和吸气，所有金属液经过强磁场作用，对改善铸件显微组织和性能有积极作用[48]；④保温炉内不加压缩空气，并可在保护气氛下工作，防止金属液被二次污染，减少气孔和二次氧化夹渣的形成[49]；⑤该设备的一个显著特点是升液管口有电加热部件，使铸型的浇注系统形成了正的温度梯度，有利于铸件顺序凝固，提高铸件品质；⑥该方法生产的典型铸件是涡轮增压器叶轮和微型车发动机缸盖及导弹罩壳等铝合金铸件，具有很大的发展潜力[50-52]。

从21世纪初至今的15年左右的时间，由于镁合金具有密度小，比强度和比刚度高、减振性和散热性好等诸多优点，在国内汽车、航空、航天、电子和通讯等领域得到了日益广泛的应用，镁合金材料及其成形方法的研究与开发取得了令人瞩目的成就。当然，镁合金压铸仍是主要成形技术，占有主导地位，约90%左右；其次是镁合金砂型重力铸造、镁合金半固态铸造和镁合金挤压铸造；镁合金低压铸造或差压铸造的应用比较缓慢[53-54]。

2004年华中科技大学率先进行了镁合金真空低压消失模铸造新技术的研究，它是将低压铸造和真空消失模铸造有机地结合起来，应用于镁（铝）合金的精密成形，开发的一种新型的镁（铝）合金真空低压消失模铸造装备[54-55]。

该方法的显著特点是：①金属液下真空和气压的双重作用下升液、充型，使镁合金液的充型能力较重力消失模大为提高，可容易地克服镁合金消失模铸造中常见的浇不足、冷隔等缺陷，且不需要太高的浇注温度，是铸造高精度、薄壁复杂镁合金铸件的好方法；②在整个充型、冷却过程中液态镁合金不与空气接触，且泡沫塑料模样的热解产物对镁合金成形时起自然保护作用，消除了液态镁合金升液充型时的氧化燃烧现象，可铸造出外形美观、结构复杂的镁合金铸件；③与压铸相比，具有设备投资小，铸件成本低，铸件内在品质好，可以进行热处理强化等优点。与砂型相比，具有铸件尺寸精度高，表面粗糙度低，生产率高的优势，同时，较好地解决了液态镁合金成形时易氧化燃烧的问题；④采用镁合金真空低压消失模铸造时升液管上端部的直浇口即为补缩通道，铸件在压力下凝固，内在品质好，金属利用率高；⑤以AZ91D镁合金为例，浇注温度780 ℃、充型压力0.3 MPa，系统流量3 m3/h,真空度-0.03 MPa、泡沫密度0.16 mg/cm3；⑥该方法生产的典型零件是电机壳体、飞机导轮及排气管等；⑦该方法也适用于铝合金的消失模铸造，可生产高品质的薄壁复杂铝合金消失模精密铸件，具有广阔的应用前景[54，56]。

2006年中国空间技术研究院518所率先进行了航天器复杂薄壁镁合金铸件的低压铸造工艺研究。该工艺在MDY1000型低压铸造设备上进行，合金牌号是ZM15，铸件尺寸为ø1 200×100（mm），整个低压铸造过程通入镁合金保护气体SF6+CO2防止坩埚内镁合金液燃烧。铸造工艺是在铸件顶部设置冒口，在底部放置冷铁，金属液在压力作用下以底注的方式注入型腔，依靠冒口和低压使金属液从上下两个方面对铸件进行补缩。所获得的铸件尺寸精度高、内部品质优良，经X光探伤检验，完全符合铸件力学性能要求[57]。

2010年西北工业大学郝启堂教授课题组率先研发了镁合金双工位低压铸造装备技术，解决了镁合金低压铸造连续化生产的技术瓶颈，改变了镁合金低压铸造仅适合单件小批量生产的方式。该机主要由熔化保温炉、坩埚、台车及保温炉传动机构等组成。主要创新点是：①熔化保温炉功率为85 kW，坩埚容量（Mg液）300 kg;②熔化保温炉放置在台车上，台车放置在导轨上，在升降油缸的驱动下，实现熔化保温炉的垂直上升和下降动作。在推拉油缸的作用下，实现熔化保温炉的水平移动；③在两熔化保温炉之间设置固定式铸型工作平台，作为浇注工位，用于放置、固定铸型。在正常工作时，当一个工位的熔化保温炉内镁合金熔化处理好后，通过台车的水平移动和垂直升降，实现熔化保温炉升液管上端口与工作平台上铸型浇口之间的对接密封；④当坩埚内的镁合金液浇注完成后，移出浇注工位，再移动另一工位的熔化保温炉到工作平台（即浇注工位）继续浇注，从而实现镁合金低压铸造在双工位下交替生产；⑤采用了自主研发的镁合金低压铸造专用气体混合系统，实现了干燥空气、SF6及CO2三种气体按比例混合，并具有常压熔炼、浇注过程保护及泄漏保护功能，可确保镁合金液表面SF6的含量高于0.2%～0.3%;⑥液面加压系统的上位机采用研华UNO-2170工控机，下位机采用SiemensS7-200PLC模块作为数据处理及控制单元，通过RS485接口与上位机相连，采用Delphi语言编写控制软件，开发了模糊+PID复合控制算法和数字组合阀控制技术，使得压力控制精度无论在充型阶段还是在结晶保压阶段，其误差均控制在±0.5 kPa以内；⑦采用液面（喉口）悬浮技术，可实现镁合金液面在升液管口的精确悬浮控制，液面悬浮误差≯0.5 kPa，液面波动＜0.2 kPa,从而有效降低了铸件中的氧化夹渣缺陷，提高了生产效率[58]（见图16、图17）。

图17 多功能砂型反重力铸造机液面加压控制系统（2010年）

2013年西北工业大学郝启堂教授课题组研发成功了大型镁合金构件低压铸造装备技术，设备主要由压力罐、熔化炉、啮齿式卡箍锁紧机构、中隔板等组成。采用罐体密封方式，压力容器设计压力为0.25 MPa,工作压力0.20 MPa,压力罐直径2 000 mm,熔化炉容量（Mg液）1 000 kg。最大单件浇注质量可达850 kg.采用模糊+PID复合控制算法和数字组合阀控制技术，具有控制精度高，响应速度快的特点。气体混合系统可实现干燥空气、SF6及CO2三种气体在线式按比例混合，对铸造过程中镁合金的有效阻燃保护[59]。

2005年沈阳理工大学董秀奇教授率先进行了低压铸造大型复杂薄壁纯铜铸件的工艺研究，其原理是：采用焦炭炉熔化，罐体密封结构，铜液除渣去气脱氧处理后，把整个炉子（内含盛有铜液的坩埚）吊放到压力罐中，然后用盖上带有升液管口的上盖，在压力罐上口法兰用硅橡胶圈密封，并用U形楔铁锁紧，放入经预热的的升液管及铸型后，用沈阳理工大学研制的CLP-5型低压铸造液面加压系统按照设定的加压工艺曲线进行加压，从而获得了导热系数极大的纯铜大型复杂薄壁铸件。以高炉风口水套铸件为例，浇注温度控制在1 150 ℃左右，加压速率控制在2 cm/s左右[60]。

2013年沈阳铸造研究所率先进行了船用承压铜泵铸件低压铸造工艺研究，采用油炉或中频炉熔化，罐体密封结构。以船用泵体和泵盖为例，浇注温度为1 130～1 180 ℃，升液速率控制在5 cm/s左右，充型速率控制在6 cm/s左右，该零件材质为硅黄铜ZCuZn6Si4；保压时间为120 s；该零件外形尺寸分别为402×505×313（mm）、396×505×235（mm）；壁厚10～12 mm,局部法兰壁厚30 mm,水压试验：耐压压力＞20 MPa，保压时间15 min，不得有渗漏现象。通过低压铸造工艺设计和数值模拟优化及试验验证，形成了可用于生产船用承压铜泵铸件的低压铸造技术；该技术与重力铸造相比，大大减少了铸件内部的气孔、氧化夹杂等铸造缺陷产生的可能性，提高了承压铜泵铸件的力学性能和成品率[61]。

铝合金低压铸造是近净型成形技术之一，同时也是汽车、摩托车铸件精密化、薄壁化、轻量化和节能化的重要手段。因此，随着相关技术的不断进步，尤其是计算机应用技术的飞速发展，促进了汽车、摩托车关键零部件的升级换代。

从21世纪初，至2010年的10年中，国内汽车缸体、缸盖、进气歧管和整体式轮毂等铝合金铸件，开始大量采用低压铸造技术生产。与重力铸造技术相比，低压铸造不仅提高铸件的力学性能，也带来了轻量化效果，并且显著地提高了经济效益。随着低压铸造机自动化程度的不断提高，进一步降低了工人的劳动强度，并且明显改善了劳动环境，减少了环境污染。

鉴于这一发展趋势，在国家“十二·五”初期，“轿车铝合金缸盖、缸体低压铸造成套设备”的研发内容，被列入了“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项2011年度课题申报指南中课题3的研究方向1的要求，随后通过了国家工信部重大专项办组织的专家评审，并通过了国家财政部的最终审批，正式下达给济南铸造锻压机械研究所（课题编号为：2011ZX04001-031），2011年初该课题开始进入了实施阶段。

该课题完成后的主要技术成果有：

①通过对液面加压伺服控制技术、多通道模具自动水冷控制技术、浸入式加热保温炉技术、薄壁高强度热芯盒射芯充填技术、高频大振幅铝合金缸盖除芯技术、满幕帘流幕式丸渣分离技术和铝合金件抛丸防爆技术、成套设备计算机网络监控管理技术、成套设备可靠性技术等多项关键技术研究，掌握了轿车铝合金缸盖低压铸造成套设备的结构优化设计、制造、安装调试、用户现场连线和热态安全运行技术，研发成功了由5台套设备组成的轿车铝合金缸盖低压铸造成套设备，并在用户处获得了生产示范应用，生产出了合格的铝合金低压铸造缸盖毛坯。2015年12月铝合金缸盖低压铸造成套设备样机通过了中国工程物理研究院机床装备检测评价中心的检验，检验结论合格。

②通过对砂型低压铸造浇口封堵和翻转技术、低压铸造层流充型技术、铝合金铸件热裂及变质技术、缸套感应加热与镶嵌技术以及潮模砂混制、冷却和分离技术等多项关键技术研究，完成了轿车铝合金缸体潮模砂低压铸造成套设备的总体技术方案设计，并获得3项国家发明专利，填补了国内该项技术研究空白，为进一步产品开发和产业化打下了坚实的基础。

③通过对上述关键技术研究和课题实施，获得多项自主知识产权成果：①申报并获授权国家专利8项，其中发明专利7项，实用新型专利1项；②制定技术标准11项，其中国家标准2项，行业标准6项，企业技术规范3项；③发表技术研究论文10篇，其中5篇为英文，4篇在国外专业杂志上发表；④研发新工艺新装置10项。

④建成了以济南铸造锻压机械研究所有限公司为中心的低压铸造成套设备试验检测公共技术平台，以及轿车铝合金缸盖低压铸造成套设备设计、制造的产业化生产基地。该技术平台将以开放的方式面向社会，服务于全行业，为研发低压铸造新原理、新结构和更高水平的低压铸造成套设备提供技术支持，实现资源共享，促进整个行业技术进步。

课题实施的主要意义：本课题研制出了具有自主知识产权、技术先进、成套型强、性价比好的轿车铝合金缸盖低压铸造成套设备；完成了铝合金缸体潮模砂低压铸造成套设备总体技术方案设计，填补了国内该项空白，对提升我国轿车铝合金缸盖低压铸造成套设备整体技术水平，促进国内全行业技术进步具有重要意义。同时，由于该成套设备具有较高的性价比，在我国正在实施的“一带一路”走出去战略中，也具有广阔的市场前景。

在上述国家重大专项研发实施的基础上，2013-2014年，济南铸造锻压机械研究所研制成功了工业机器人控制的铝合金汽车缸盖用低压铸造生产单元。主要由缸盖低压铸造机、500 kg熔池式保温炉、工业机器人工作站、移动式铝合金熔化保温炉和轻型平板输送机及液压升降机所组成。其主要创新点为：①两台缸盖低压铸造机左右对称布置，期间设置2台三自由度取件机械手； ②两台500 kg熔池式保温炉位于低压机机座之上，静模板之下，保温炉侧面加铝口为气缸驱动的连杆机构，可以实现自动开合；③一台工业机器人工作站为2台低压铸造机配套，实现了铝液浇勺和取件夹钳的自动更换；④根据生产需要，低压铸造机每生产1～2个铸件时，按照设定程序，工业机器人在工具库中自动选取浇勺后，从熔化保温炉的坩埚中定量取出相当于1～2个铸件的铝液，并输送到低压铸造机保温炉的侧面加铝液处，当气缸驱动的连杆机构将炉门打开后，工业机器人将浇勺中的铝液缓慢平稳地加入到炉中，以维持每次浇注时保温炉内液位基本恒定；⑤当低压铸造过程结束时，先用三自由度取件机械手将铸件取出，工业机器人按照指令，在工具库中自动将浇勺换为取件夹钳，将托盘上的铸件夹紧后，移送到操作侧的平板输送机上，经分拣后，铸件被移送到下一工序处；⑥由于每次液面加压时，液位基本恒定，所以工艺参数基本保持不变，稳定了铸件品质；⑦借助于工业机器人应用技术，实现了两台低压铸造机辅助工序的交替自动化生产，不仅减少了设备投资和占地面积，而且大大降低了操作者的劳动强度，改善了工作环境，提高了生产率[62]（图18）。

图18 工业机器人控制的铝合金汽车缸盖用低压铸造生产单元(2013年)

2013年秦皇岛鸿通机械有限公司开发成功了新一代低压铸造装备技术，该装备主要由主机、液压系统、液面加压系统、冷却系统和保温炉及其传动机构所组成。其主要创新是：①液压系统采用伺服控制技术，使得低压铸造保压时间的能耗大为降低。整个过程没有高压溢流，所以液压油的发热也显著减少，有利于系统长期稳定运行，与传统液压系统相比，节能在50%～70%之间；②采用了低压铸造多室保温炉技术，为实现高效、节能、环保要求，保温室全部采用浸入式加热，并且用自动控制的闸门使升液室与加压室断开与联通，可在任意时刻添加铝液，而不中断生产，提高了生产率。在保温室中铝液也可以不间断地精炼、除气、除渣，从而获得高品质的铝液，提高铸件品质；③采用了水雾化模具冷却技术，用高压水直接生成细化水雾，代替单纯的压缩空气冷却，并配以水冷却，从而大大提高了冷却效果[63]。

多年来，浙江万丰科技开发有限公司在汽车轮毂低压铸造装备的发展与应用方面，做出了突出贡献。

2002年，该公司率先研发成功了WFZJ-1125型1 100 kg金属型低压铸造机，具有多通道模具水气混合冷却系统和多个升液管结构，可生产25吋以上的大型铝合金轮毂，为当时国内最大规格的低压铸造机[64](见图19)。

图19 WFZJ-1125型1 100 kg金属型低压铸造机

2011年，浙江万丰科技开发有限公司研发成功了WFZJ-4515型1 500 kg金属型低压铸造机，台面尺寸达4.5 m×3 m,可生产大型复杂的铝合金铸件，如汽车发动机齿轮箱体和油底壳等，为当时国内外最大规格的低压铸造机[65]。

近年来，经过不懈努力，浙江万丰科技开发有限公司先后研发成功了WFCY458型800 kg金属型差压铸造机、WFZJ4515-TOO型1 500 kg铜合金低压铸造机和WFDJL12-A型浸入式加热的连续式低压铸造机等（见图20、图21、图22)。

图20 WFCY458差压&低压两用铸造机

图21 WFZJ4515-TOO铜合金低压铸造机

图22 WFDJL12-A连续式低压铸造机

在工业机器人自动化技术的应用方面，浙江万丰科技开发有限公司起到了带动作用。借助于工业机器人，彻底改善了工人的劳动环境，为实现绿色铸造取得了可喜的进步。到2014年，该公司根据用户的需求和生产方式，研发了多种低压铸造自动化单元，在铸造过程中，可以实现一人监管一条线，人只起巡视检查作用，除主机外，工业机器人完成其它全部辅助工作。其主要特点是：①对于产品规格多、铸件结构简单、批量大的铸件，可以采用两台低压铸造机配置一台工业机器人组成低压铸造自动化单元，实现无人化操作，其中工业机器人完成取件、放过滤网、打钢印、去飞边等工序动作，根据生产需要，工业机器人布局可以是落地式也可以是倒挂式；②对于产品规格单一，需人工放置砂芯、批量大的铸件，可以采用工业机器人直接从低压机上取件后，进行冷却或放置到钻孔专机上以及后工序的转序；③对于低压铸造砂芯结构简单，砂芯单一的铸件，可以在上述基础上，使工业机器人增加取放砂芯的功能，原来低压铸造时，人工放置砂芯需进入模具上下型之间，而且模具温度很高，有些砂芯重量大，操作时间长。因此，用工业机器人取代人工取放砂芯尤为重要[66]。

据相关资料报道，2014年中信戴卡股份有限公司和西门子及TIA博途合作，在中信戴卡宁波轮毂制造有限公司建成了铝合金轮毂的智能化工厂。其主要创新是：①开发建设了智能化的轮毂低压铸造生产管理平台，采用SimaticS7-1500控制器，具有强大的集成管理功能，可以操控一批产品从制定生产方案到进入生产线的整个幕后过程，还能基于同一开发环境，组态西门子的所有可编程控制器、人机界面和驱动装置；②拥有这种全新控制系统的轮毂低压铸造生产线，彻底改变了过去传统低效的生产管理模式，使操作者从繁重枯燥的生产中解放出来，可以实现1人管理12台低压铸造机，模具调整更换时间缩短了90%，提高整体效率30%，不良产品率降低了30%；③通过数据总线，统一的电子化数据和高效的信息集成，所有的手工操作全部移至到工业信息管理网络上进行，直接避免了人工或书面的文件传递，当不同低压铸造机生产同一种轮型时，工艺参数很容易达到统一，并下载到不同的低压铸造机中，若进行改动，则在上位机进行一次性修改即可；④通过搭建的软件开发平台和完备的系统结构框架，与各个低压铸造机的SimaticS7-1500PLC通讯与对接，并且实现了和后续铸件品质管理的X光机控制器的联网与对接，完成了高效的品质管控，促进了低压铸造装备技术向自动化和智能化方向发展[67]。

随着国内低压铸造装备技术的蓬勃发展，低压铸造机的性能与结构呈现出多样化趋势，急需制定相关技术标准，引导和规范低压铸造装备的设计与制造及其贸易，以全面提升低压铸造装备的技术水平和产品品质，促进国内低压铸造装备技术向优质高效、节能降耗、安全、环保的目标迈进。为此，在全国铸造机械标准化技术委员会(SAC/TC186)的指导下，济南铸造锻压机械研究所有限公司、浙江万丰科技开发股份有限公司、西北工业大学和天水华荣铸造机械有限公司等单位，从2005年开始，近10年来，先后起草制定了国家标准GB 24391—2009《低压铸造机 安全要求》、国家标准（GB/T28688—2012）《低压铸造机 技术条件》、行业标准(JB/T 12247—2015)《低压铸造机 型式与参数》、行业标准《低压铸造机 性能检测方法》(JB/T 12562—2015)，并颁布实施，对国内低压铸造技术的发展与应用起到了良好的推动作用。

3 低压铸造装备技术的展望

纵观低压铸造技术的百年历史，国内低压铸造技术的发展也经历了近60年的风雨历程，我们有经验、有成绩、也有教训。当今国内低压铸造技术的发展方向是自动化、智能化、标准化、系列化、专机化。具体表现为：①工业机器人在低压铸造装备技术中的应用，将使整个铸造过程实现自动化，并进一步促进产业升级；②电磁泵铸造技术在镁合金低压铸造方面的应用将更为广泛；③铜合金低压铸造技术也将日趋成熟；④各种结构的多室炉浸入式加热的低压铸造装备技术将成为节能、降耗的主要产品；⑤人工智能和互联网技术的综合应用，将成为中国低压铸造产业中，实施“中国制造2025”战略的主旋律。

（本文主要资料来源于作者提供的、公开发表的专业期刊和论文集，不涉及专利文献。所有科研成果和新产品均以披露的时间为准。）

[1] 三岛德七.近代铸造[M].日本:金属加工出版社，1970.

[2] 朱奕庆,周培莉.国外低压铸造工艺发展概况[J].贵州机械，1978(3).

[3] 叶荣茂,蒋烈光.低压铸造技术的现状和发展[J].热加工工艺,1985,(1).

[4] 熊国庆,王维聪,周佩瑜.压力石膏模铸造型板-铝型板的一种精密铸造法[J].铸工,1958(1):8-12.

[5] 潘增源.低压铸造[M].北京:机械工业出版社,1974.

[6] 上海机电设计院主编.铸造车间机械化[M].北京:机械工业出版社,1979.

[7] 特种铸造手册编写组.特种铸造手册(下册)[M].北京:机械工业出版社,1978.

[8] 刘炽亮.国内低压铸造设备和工艺技术新成就[J].铸工,1978,(6):29-34;1979,(1) :38-43.

[9] 一机部沈阳铸造所低压铸造小组.801型低压铸造液面加压系统[J].铸工,1980,(5):28-32.

[10] 张志忠.低压铸造的单循环自动控制和工艺调整[J].热加工工艺,1980,(3):10-17.

[11] 戴伟民.铝合金低压铸造机[J].铸造机械,1979(6):20-23.

[12] 大连机车车辆工厂铸铁车间.240柴油机汽缸盖低压铸造[J].铸造机械,1978,(2):15-21.

[13] 王金海,庄水成.砂型低压铸造铜泵泵体[J].铸工,1980(3):57-60.

[14] 潘慎松.我国铸造机械发展水平及差距[J].铸造机械,1984(5):2-8.

[15] 黄熙,马延玉,马阳林.倾转式新型半自动低压铸造机[J].特种铸造及有色合金,1986(5).

[16] 潘慎松.我国铸造机械的进展[J].铸造机械,1984(5):27-32.

[17] 王作礼.我国铸造机械行业“六五”的回顾和“七五”的展望[J].铸造机械，1986(3):3-6.

[18] 曹行.铸造机械行业如何面对21世纪的汽车工业[J].中国铸造装备与技术,1996(2):6-9.

[19] 王作礼.我国铸造机械行业“八五”期间发展的回顾[J].中国铸造装备与技术,1996(2):3-5.

[20] 韩成年,张亦农.铝合金轮毂低压铸造机现状[J].中国铸造装备与技术,1996(2):9-13.

[21] 丁根生.我国铸造机械行业现状及“九五”发展展望[J].中国铸造装备与技术,1996(1):3-6.

[22] 康敬乐,孙国法,章正晓等.JZ453型大型砂型/金属型两用低压铸造机的研发与应用[C].特种铸造及有色合金杂志社.2006年会会刊，2006:386-388.

[23] 唐多光.21世纪低压铸造技术的展望[J].特种铸造及有色合金,1998(4)28-31.

[24] 康敬乐,丁苏沛,陈国诗等.J458型低压铸造机的研发与应用[J].特种铸造及有色合金，2007(8):613-615.

[25] 丁苏沛,康敬乐,孙国法等.轿车铝缸盖的低压铸造工艺与设备[J].中国铸造装备与技术，2006(2)59-61.

[26] 康敬乐,丁苏沛,陆启为等.JZ456大型双升液管低压铸造机的研发与应用[J].中国铸造装备与技术,2004(3):39-41.

[27] 丁苏沛,康敬乐,史学谦等.GIS铝合金罐体的铸造技术[J].中国铸造装备与技术,2011(1):8-12

[28] 康敬乐,丁苏沛,史学谦等.JZ454S型400kg双工位砂型低压铸造机的研发与应用[C].特种铸造及有色合金杂志社,2011年会会刊,2011:265-266.

[29] 张元仕,顾新.中国摩托车轻合金车轮整体铸造的发展与展望[J].特种铸造及有色合金，2002(1):20-21.

[30] 邵京城,李俊涛等.汽车铝合金缸体缸盖铸造工艺研究现状[J].热加工工艺，2011(3)57-63.

[31] 赵祥达,邱德理.大型三升液管低压铸造机的研制[C]. 重庆市铸造协会,2009年会论文集,2009：297-299.

[32] 尹玉才,邓先义.J458双升液管液面悬浮低压铸造机的研发与应用[J].襄樊职业技术学院学报，2011(1):24-27.

[33] 万里,林海,何伟.压铸用高真空控制系统的开发与应用[J].特种铸造及有色合金,2010(7):634-635.

[34] 许豪劲,万里,吴克亦等.连续式低压铸造技术的研发与应用[J].特种铸造及有色合金,2013(1):29-32.

[35] 董秀琦,刘珊凝,张玉海等.CLP-5型低压铸造液面加压控制系统的研制及应用[J].特种铸造及有色合金,1995(3).

[36] 中国机械工程学会铸造分会.铸造手册(第6卷特种铸造:第2版)[M].北京:机械工业出版社,2004:495.

[37] 庄文,徐季平,陈文.数字式压力控制系统在低压铸造机中的应用[C].特种铸造及有色合金杂志社,2001年年会论文集，2001:47-48.

[38] 杨波,曾昭军,陈峥嵘等.低压铸造液面加压过程的计算机控制[J].铸造,2003(8):591-593.

[39] 朱建光,董秀琦.组合阀门低压铸造自动控制系统[J].沈阳工业大学学报,2005(3):299-301.

[40] 严青松.智能控制的薄壁铝合金铸件真空差压铸造工艺与理论[D].武汉:华中科技大学，2006.

[41] 黄卫东.新一代飞机和发动机对材料热成形技术的挑战与对策[J].航空制造技术,2004(10):28-31.

[42] 吴江,冯志军,闫卫平,等.调压铸造技术的研究现状及发展[J].铸造,2009(8):804-809.

[43] 朱丽娟,王宏伟,董秀琦.真空倾转差压铸造法的应用探讨[J].特种铸造及有色合金,2002，(S1):185-186.

[44] 刘志明,曲万春,董秀琦,等.关于低压及差压铸造发展方向的探讨[J].铸造技术,1999(2)25-28.

[45] 柴艳,郝启堂.大型薄壁铝合金铸件树脂砂砂型低压铸造设备的研究[J].铸造技术,2005(11):991-993.

[46] 柴艳,郝启堂,介万奇.多功能铝合金反重力铸造装备的研制[J].特种铸造及有色合金,2009(1):33-35.

[47] 李新雷,郝启堂,介万奇.反重力铸造技术的应用与发展[J].铸造技术，2011(3):380-383.

[48] 韩至成.电磁冶金学[M].北京:冶金工业出版社,2001.

[49] 候击波.电磁泵系统及其在铸造中的应用[C].特种铸造及有色合金杂志社,2002年第三届中国国际压铸会议论文集,2002.

[50] 候击波,彭有根,杨晶,等.电磁泵低压铸造技术[J].铸造,2002(11):723-725.

[51] 候击波,霍立兴,彭有根,等.电磁泵低压铸造工艺试验研究[J].铸造,2003(8):623-625.

[52] 党惊知,杨晶,程军.铝合金电磁泵低压铸造技术[J].兵工学报,2003(2):286-288.

[53] 吕宜振,尉胤红,曾小勤,等.镁合金铸造成形技术的发展[J].铸造,2000(7):383-387.

[54] 樊自田,吴和保,张大付,等.镁合金真空低压消失铸造新技术[J].中国机械工程,2004,16(8):1493-1496.

[55] 董选普,黄乃瑜,吴树森.新型薄壁铝合金铸造工艺的研究[J].特种铸造及有色合金,2001(4):21-23.

[56] 樊自田,吴和保,李继强,等.镁合金真空低压消失模铸造的技术特征与实践[J].特种铸造及有色合金,2006(1):39-42.

[57] 何庆彪,杜庆安,李浈.航天器复杂薄壁镁合金铸件低压铸造工艺研究[J].特种铸造及有色合金,2010(11):1033-1034.

[58] 李新雷,郝启堂,蔡增辉,等.镁合金低压铸造连续化生产技术的研究[J].稀有金属材料与工程,2011(4):718-722.

[59] 李新雷,郝启堂,介万奇.大型镁合金构件低压铸造成形装备[J].稀有金属材料与工程,2014(3):703-706.

[60] 董秀琦,刘艳,张新颖,等.低压铸造大型复杂薄壁纯铜铸件的工艺研究[J].铸造,2005(11):1085-1087.

[61] 李海兰,王鹏华,董峰,等.船用承压铜泵铸件低压铸造技术研究[J].铸造,2013(5):401-405.

[62] 丁苏沛,等.智能化低压铸造单元[J].特种铸造及有色合金,2013年会专刊,2013:287-290.

[63] 杨锦松.低压铸造新技术应用[J]. AutomobileParts,2013(9):26.

[64] 周兆初.国内最大的低压铸造通过鉴定[J].中国铸造装备与技术，2002(3.)62.

[65] 徐斐达.万丰科技成功制造全球最大吨位低压铸造机[J].特种铸造及有色合金,2011(6)528

[66] 章旭霞.工业机器人在铸造行业的应用[J].金属加工(热加工)，2014(15):18-21.

[67] 编辑部.中西合璧领跑“智造”[J]. MC现代零部件,2014,(9):42-45.

Development and prospect of low-pressure casting equipment technology in china

KANG JingLe1, DING SuPei1, SUN JianFei2, BI WeiSheng2, ZHANG Hu3, HAO QiTang4, ZHANG XuXia5, Li JianPing6
（1.Jinan Foundry & Metalforming Machinery Institute Co.,Ltd.,Jinan 250306,Shandong,China；2.Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,Heilongjiang,China；3.Beihang University;Beijing 100191,China；4.Northwestern Polytechnical University,Xian 710072,Shaanxi,China；5.Zhejiang Wanfeng Technology Development Co., Ltd.,Shaoxing 312500 ,Zhejiang,China；6.Tianshui Huarong Foundry Machinery Co., Ltd.,Tianshui 741000,Gansu,China）

The article narrates New China’s development and present situation of low-pressure casting equipment technology comprehensively and objectively. The article also discusses the prospect of some related new technologies, which contains industrial robots, the electromagnetic pump casting technology, artificial intelligence, and the comprehensive application of Internet technology. These technologies will be the main parts of “made in China 2025” – the strategy of China’s low-pressure casting industry.

low pressure casting;liquid level pressurization;holding furnace;counter-pressure casting; magnesium alloy casting; lost foam casting;industrial robots

TG249.2；

A；

1006-9658（2016）05-0001-11

10.3969/j.issn.1006-9658.2016.05.001

2016-04-11

稿件编号:1604-1330

康敬乐（1960—），男，教授级高级工程师，主要从事铝合金铸造装备技术的研发与应用的工作.