V法手册内容分享(真空系统)

发布时间:2018-10-20浏览次数:

第十三章  真空系统

一、概述

很少有铸造工想知道和了解真空系统,因为他们在铸造生产中很少用到。但是,想很好的了解真空造型,关于真空系统的常识还是有必要的,所以让我们了解其中的一些内容。

地球上的所有东西都存在于常压下,这种压力来自于我们上方数英里空气的重量。在通常条件下,这个压力被称为是一个大气压。在美国单位中,这个压力是每平方英寸14.7磅。所以,你可以确信你生活在一个大气压力下或你身体的每平方英寸承受首14.7磅的压力。压力在海拔的变化时略有不同,在高山顶上压力会下降就是一个例子。因为任何低于1大气压或14.7psi的压力都可以看作真空,那么我们都有生活在其中的经历。

在应用中,真空系统用于把空气从封闭腔体中移除。一个普遍每日应用的例子是真空包装的咖啡,在密封前空气已经被从罐中移除。其它的日常例子有灯泡,收音机管或电视管。

我们都听过天气预报员在电视里报大气压力。如果他报的是29.92英寸汞柱,也就等同于1大气压或14.7psi。如果低的话,你就处在部分真空中了。

但是全世界的科学家通过使用不同方式描述压力是事情变得更为复杂。除了大气压,磅每平方英寸,英寸汞柱以外,他们还使用千克每平方厘米,英寸水柱,毫米汞柱,毫巴,微米汞柱,牛顿每平方米,达因每平方厘米等等,等等。忘记所有的这些,因为现在有一个新的单位托,是为了纪念E·托里切利而命名的。一大气压等于760托,这就是我们要用的单位。这取代了老标准毫米汞柱,但大致相等。

因此,如果我们有超过760托的压力,则超过常压。如果低于760托,则产生真空。

科学家定义760~25托的压力为低真空,25~0.01托为中真空,0.01~0.0000001托为高真空。低于此值叫超高真空。最后这种分类非常复杂,我们不太关心。我们在低真空的中间300~400托的范围内操作。因此,V法系统使用的是粗真空。

二、V法用真空

要在铸型中造一个真空,我们必须移走空气,这可以通过真空泵做到。真空泵是什么?它其实只不过是一个反向工作的空气压缩机,所有的铸造工都知道空气压力。我们用真空泵抽铸型中的气体时用的是单向通道。但是,气体还是试图从任何裂缝进入铸型。只要试图进入的空气量很小,真空泵就可以将其移除。同样,这也与压缩空气系统类似(仅仅相反)。裂缝太多时,用来保持空气压力的压缩机就无法保持压力。在真空系统中也是这样。 不要担心小的裂缝,但是大的裂缝是不能接受的。但是要仔细,因为检查裂纹是一道复杂的工序。

真空泵的目的是把空气从型内排出,并继续保持它的低压。

关于你的系统中真空泵的细节将在操作维护手册中学习。如果它的结构设计合理,在好的保养下也能够提供好的服务。

你的V法需要一个非常简单的真空形式。基本说来,就是下面的部分:

1、一个真空泵,通常用水密封;

2、一个电动机驱动真空泵,配有机座和联轴器等等。

3、一个砂尘分离器

4、过滤器

5、必要的软管,真空表和消音器

6、根据条件可能需要的其它设备。

砂箱中的砂受到300~400托的负压后,砂型立即变硬,只要负压维持,它的形状就不会变。在融熔金属的作用下,型腔表面的塑料薄膜熔化,铸型密封性降低,型腔内的负压就会发生变化。

因此,如果有人问你V法中的真空压力约为多少,你可以给出下面的任何一个答案。

1、一半的大气压

2、380mm汞柱

3、15英寸汞柱

4、7.35psi

5、380托

6、0.52kg/cm2

7、17英寸水柱

8、0.51bar

9、200,000(dyne persq)达因每平方厘米

10、38cm汞柱

所有的答案都是对的——他们说的是一回事。

浇注过程中负压降低,但是只要在型腔和型内存在压差,铸型的形状就不会变。

在浇注前铸型中的抽气量是相对较小的。通常它只是来自薄膜和砂箱边缘接触的那一周。然而,浇注开始后它急剧增大,然后在浇注完毕后又一次减小,此时铸型被金属液再一次密封。使用的真空泵的容量决定于最大抽气量。

到目前为止我们只讨论了压力,让我们再考虑一下抽气量。抽气量受几个因素的影响:

1、一个较粗砂的粒度分布或只有一个目数的粒度分布需要更多的抽气量。

2、砂箱与薄膜间的密封效率会影响抽气量。

3、随着薄膜(铸件设计)表面区域的增大,所需抽气量也增多。

4、高的浇注温度需要更多的抽气量。

5、泵的磨损会影响效率,泵的抽气量会降低。

6、铸型涂层会减小需要的抽气量。

7、随着负压的增加,抽气量将减小。反过来也是对的。

8、在浇注过程中的抽气量需求处于最高水平。此时泵的抽气量必须能够维持足够压力。

9、核算抽气量时需加上安全因素。

真空系统必须认真设计,手册中的维护和操作工序可由设备生产商提供。

对于V法来说,抽气的最高速度不应该超过20m/s(65ft/s)。

在造型,等待和冷却的过程中压力低些(300mmHg)是可以的,但浇注时压力必须高些(450mmHg)

如果断掉真空,铸型形状可以维持30s。如果使用了单向阀,铸型形状可以维持到1min。

因为我们使用的是低真空,并且真空泵也有安全系数,所以我们不用担心小的漏洞,比如热金属在薄膜上灼烧的小洞。

真空压力可直接由熟悉的压力计测量:液柱压力表,膜盒压力计,波纹管压力表,波登管簧压力计。压力计测出的压力是所给压力和大气压力的差值。注意,仪器并不总是准确的。

三、真空泵

    真空系统的制造厂家应该提供真空泵的详细说明书。这里有关泵的常识讨论会帮助你理解泵的工作过程。

尽管真空泵对大多数铸造工来说是一件新设备,但它真的非常简单。任何真空泵设计出来主要是用于处理气体,比如空气。泵将气体从一个非常低的压力压缩,达到或接近大气压时放出。一些泵还受到空气中的液体的不利影响,但这不是V法铸造所担心的,因为我们抽的是干空气。有些泵如果气体中带有固体的话会受到严重影响,这在V法铸造中会出现,因为在真空系统中总会进入极少量的砂。因此一定要把这些砂过滤掉或者筛选出来。当然,少量砂没有什么危害,但要记住硅砂是一种高度耐磨材料,并且过量的硅砂将加速真空泵的磨损。

真空泵通过衡量入口处每分钟公称的立方英尺空气容量来区分大小。实际的容量由工作的真空压力决定。

泵的容量和转速直接相关,所有的生产商都绘制了真空泵的抽气量和真空压力的工作曲线(通常用英寸汞柱),这些曲线对应了不同的转速。(我们有水环泵的一些工作曲线图)

Herman-sinto推荐的泵需要水作为液体压缩驱动,这有时叫做液封或水封泵。不要误解,干式泵是很好的泵且适用范围广,但是我们好的老的铸造厂的环境是一个重要因素。有两个原因解释为什么推荐水封泵而不是干式泵。首先,对于干式泵,达到20英寸汞柱(500mmHg)需要泵的各部分加工至很小的公差,而硅砂粒进入泵后会影响此公差。这在水封泵中不会出现。水封泵公差相当大,因为实际密封是靠水,而不是金属和金属。第二,我们会抽热空气和热气体,温度升高会使泵产生热膨胀而影响干式泵转子的公差。

1

4

这在水封泵中不会出现,因为水也扮演了冷却剂的角色,可以阻止升温。冷水一直有增大体积的趋势,因此推荐使用60°F或60℉以下的水。这些水可能使用后排放造成浪费,或者可以在密闭循环结构中使用,热量被带走而水再循环。水应清洁,无外来物或化学杂质,否则可能导致腐蚀。尽管生产商会提供精确的数据,但约每一马力需要0.25加仑/分的冷水(约每千瓦需要1.27升/分的水,与厂家提供数据一致。)还是需要的。注意!如果你的水质为硬水,发生结垢,要特别注意。如果在泵的工作面发生钙聚集结垢,泵就会被堵塞而停转。如果这种情况发生的话,排气口可能阻塞。这时可以在水中加入盐酸抑制结垢。预防方法就是联系一个水处理公司,比如加尔贡,它能安装一系列设备可定期加入化学试剂来防止结垢。所以,如果水中钙过多,是可以使用的,但必须引起注意。

正如你学到的,在实际浇注的过程中所需负压最大,为400~450托(-0.05~0.06Mp)。在其它时候,需要的压力较小,约仅为200mmHg(-0.027Mp,根据砂和铸型涂层而定)。既然压力直接与马力相关,而节能是当今所有人都关心的问题,那么可以使用鼓风机(与根鼓风机或北美类似)。换句话说,说是一个双重压力系统。这个细节可以与您的Herman—sinto工程师讨论。

以上是一个大致的常识性说明。更多的细节信息请查阅生产商提供的操作手册和维护手册。

四、典型V法真空系统

特定的真空系统可能在某些方面是特殊的,所以请查阅生产商提供的操作和维修手册。但是,一般来说所有的V法造型真空系统都是基本相似的,所以我们来讲述一个典型的真空系统(见图13.1)。

1、带有阀,配件和软管的主真空线全部连在以下部件上。

2、初级粉尘分离器(4)。这与储气罐类似,只是需要承受真空而不是压力。粉尘颗粒积于罐底部并定期移走。罐上的压力表可以测定罐内压力。干净空气从罐顶抽出,进入下一个设备。

a)      二级粉尘分离器(6)。这通常是一个滤芯式干燥空气过滤器,将可能进入系统中的砂子拦住。滤芯孔应为10~20微米大小并定期清理更换。

    4、真空泵(7)(当然,在一切真空系统中阀的安全性和方向性都是必要的,但是我们现在暂时忽略)。泵由电机(8)驱动,然后与一个合适的联轴器(9)匹配。为了保证泵与电动机的对齐,通常将其固定在一个普通台座上(13)。空气(压缩到约一大气压)从泵中排出进入——

5、气水分离清音器(10)。作为压缩液的水随泵中空气一起排出。在有些情况下,可能通过一个开放的排出口直接将液体和气体从泵中排出,但是即使能找到一个合适的地方,仍然存在嗓声问题。因此,推荐用一个的圆锥形容器将液体(大多是水)和气体(大多是空气)分离,还起到消音器的作用。但是容器的尺寸必须与泵匹配。

注意:气水分离消音器中排出的水必须靠重力流到一个合适的排水沟内。

一个典型的V法造型系统可能有很多这样的部件来得到合适的抽气量。在刚才举的例子中,部件被简单的连在一个普通的歧管上以便可以平行工作。两台粉尘分离器(二级滤芯式分离器和初级罐式分离器)可被安装于气体源端,但是,每个泵可能需要自己的气水分离清音器。

五、怎样计算真空系统的尺寸

选择合适的真空泵是一个相当复杂的工程学问题,应由Herman—sinto中有能力的工程师来做。但是,这样的工程师不仅要很好理解真空系统,而且还能根据要求进行故障排除,我们下面来解释。

根据实践的观点,应该认识到砂的AFS粒度和抽气量有着直接的关系。显然,砂越细,抽气量越小。所以对铸造工来说,细砂有了个新的优点——它减少了能源需求,另外还有使铸件光滑,尺寸精度稳定等优点。

第二个实践中观察到的是,有耐火材料涂层的铸型同样对抽气量的需求小。

    说明—这是对灰铁来说的。在钢中,由于明冒口处的损失还会有所改变。

这个测试是在边长为1米的方形砂箱(39″×39″)上做的。同样的砂箱同样的模具,无涂层粗砂的抽气量是有涂层细砂的抽气量的4倍。单是涂层就可以减小抽气量,而细砂的这个作用更为显著,使用良好的耐火材料和细砂还有两个原因(铸件表面光滑,尺寸精度稳定)。

然而,当砂一样时,抽气量几乎就直接和砂箱尺寸成比例。

正像在其它章节讨论的那样,底注式浇注的所需抽气量要少于一般的顶注式浇注。

   为了计算所需抽气量的多少,真空工程师发明了下面的公式:

KV

t

P1

P22


SN=     LOG


其中:SN是泵的抽气速率,单位是立方英尺每分钟;

K是一个常数,在760托范围内为1.1。

V是腔室的体积,在我们的例子中就是砂箱体积。

t是抽气时间,单位是分。

P1是开始压力(1大气压或760托)

P2是工作压力(260托)

对于每一个装置来说下面的值都是会变化的:

V(体积)因为我们在讨论的是从薄膜包裹的砂子里抽取的气体体积。它将会受到AFS粒度,振动效率和不需排气的型腔的大小的影响。

t的变化依赖于真空泵进入工作状态的速度的和我们想要花的时间。

P2根据我们的需要变化。

但是,为了完善这个例子,我们需要做些假设。

为了决定V,我们可以计算铸型的总体积5′×5′×14/15”(1524×1524×355.6/381),总体积因此为60立方英尺。

但是,既然铸型用砂子填充,那需要抽出多少气体呢?自然地,这会因砂的AFS粒度和振动效果的不同而不同。但是,测试显示,30%砂的体积是空气。因此,在我们的例子中,V是60的30%即18。

假设我们有3秒或0.05分钟的时间抽气。因此代换公式为:

   =184Cu·ft/minute   

KV

t

P1

P22

然而,在运算中有太多的常量,这样它可被大大简化

SN=     LOG    

P1

P22


K,t和LOG     是常量,我们替换它们。

SN=×0.46583

SN=22V×0.46583

SN=10.2V

如果30%的空气是对的,它进一步变成一个常量,我可以代换为:

SN=10.2×0.3V(砂箱)

SN=3V(砂箱)

15″″2

14

或者说抽气量是砂箱总体积的3倍,这样我们可得到180CFM而不是上面计算的184。但是,这不包括任何安全系数。如果我们对正常的铸造使用25%的安全系数,此公式就变成了体积的3.75倍。

因此,如果我们一次有12个5′×5′×      铸型,我们将需要3.75 × 60cu·ft×12或总共2700CFM。既然每个真空泵的推荐值为550CFM则需4.9或5个泵。

但是,日本人通过很多很多实验,采取了一个完全不同的方法。他们仅仅处理铸型的表面区域,因为那是漏气的地方。这些运算单位全是公制的:

Q=NM3/min

其中:Q是体积

      NM3是常态立方米

浇注前

Q1=0.8×(L1×L2)N1

其中:0.8是系数

      N1是浇注前砂箱的数目

      L1×L2是砂箱的长乘以宽

浇注时:

Q2=1.6×0.6×(L1×L2)+Q1/N1×N2

其中,1.6是系数

      0.6是60%的砂箱面积被模具覆盖

      Q1/N1是一个未浇注铸型的常态体积

 
      N2是在浇注的铸型数目(通常是1)

浇注后:

          Q3=1.5×Q1/N1×N3

其中:1.5是系数

N3是浇注后处于真空下的铸型数目

Q1

 
解箱时:

N1

       Q4=3×     ×N4

其中:N4是一次性的分箱数目(通常是1)

如果使用一套真空系统,将Q1+Q2+Q3+Q4即可,

760-400

760

如果使用的是高低压系统,Q1,Q2和Q4是高的,Q3是低的(这里指的是绝对压力,Q3需要的真空度高)。

760-200

760

要将常态立方米转换为立方米每分,高压时乘以        ×1.5,低压时则乘以

        ×1.5。

这个分数是由我们常用的压力转化而来的。1.5是50%安全系数。要把结果转换为美国单位,用35.31乘以CMM(立方米每分)就得到CFM(立方英尺每分)。

例子:5′×5′×14″/15″

在不同阶段的铸型数目需要估计。在下面例子中,我们假设:

   待浇注的为5箱(N1

   在浇注的1箱(N2

   在真空下冷却的5箱(N3

   搬运准备落砂的1箱(N4

   共12箱

Q1=0.8(1.524×1.524)×5

Q1=9.29NM3/min

Q2=1.6×0.6×(1.524×1.524)+9.29/5×1

Q2=2.23+1.86

Q2=4.09NM3/min  

Q3=1.5×9.29 /5×5

Q3=1.5×1.86×5

Q3=13.95NM3/min

Q4=3×9.29/5×1

Q4=5.57

QT= Q1+ Q2+Q3+ Q4

  =9.29+4.09+13.59+5.57

  =32.9NM3/min

760-260

760

QT=32.9×       ×1.5

QT=75CMM

75×35.31=2648.25CFM或4.8个泵

通过将上述公式转换为英国度量并把所有的减为最小公分母,等式变为

QT=Q(5.3+N1+1.5N3

其中:

QT是总需求体积

Q=0.0577L1L2是一个未浇注铸型的所需体积

N1是待浇铸型数

N3是真空下冷却型数

L1是砂箱的长度(英寸)

L2是砂箱的宽度(英寸)

日本用的另外一个方法:

   首先,他们计算了产品的宽和长,还有平方根。在刚才的例子中,一个5′的砂箱是1.524米,1.524×1.524的平方根是1.524。这个数被叫做NCM(常态立方米)。常态意味着在常压或760mmHg下。

对于浇注前的铸型,他们使用了一个30%的系数,所以铸型需要:

1.524×1.3=2NCM×5=10NCM。

对于浇注时的铸型,需要的体积最大,系数为162%,所以每个铸型需要:

1.524×2.62=4NCM×1=4NCM   

对于浇完保压的铸型,,系数82%,所以每个需要:

            1.524×1.82=2.77NCM×5=14NCM

当下箱去除时为了保证铸件留在上箱,落砂时需要一个264%的安全系数;因此需要:

1.524×3.64=5NCM/总共33NCM

既然每个泵的容量为15立方米或6.11常规立方米,33除以6.11约为5,因此需要5个泵。

说明——所有的三种方法产生了同样的答案。但是,第一个公式,简略写作真实体积的3.75倍,仅能用作粗略的检查。第一个sinto公式应该应用,但是安全系数应该随着砂的粒度,振动,铸件重量,铸件形状和金属类型的不同而变化。

注意——要让Herman-sinto的工程师对整个真空系统要求作一个校核。它受到很多因素的影响,比如冷却水的温度。

这些解释仅仅是想帮助你更好地理解一些需要考虑的技术要求。我们再重复一遍,实际核算要由Hermen-sinto的工程师来做。

图13.2列出了一些在做的例子,并且显示了单箱实际需求量。当然,如果有10个铸型同时处于真空中,抽气量需要乘以10。

  图13.2 典型产品每箱需要的抽气量(砂子AFS153,有涂料)

六、过滤器材料

气体主要是通过砂箱中的砂子抽走的。尽管大多数的真空泵设计时都尽可能的希望少接受一些对泵有害的材料,我们当然也不想移动砂子——仅仅是抽气而已。因此,在砂箱上用的过滤器材料需要首先考虑的是金属网的目数,第二个要考虑的是耐热性能。由于任意一种金属网都可以承受砂子的温度(除了直接与铸件接触),在这里就不再讨论耐热性了。

但是,所有的度量衡都是用来决定砂粒度,筛孔尺寸,目数,金属丝尺寸等的,所以我们将只定一个公共的标准。

首先是美国的筛孔尺寸:

因此,如果我们金属网的孔尺寸不大于0.053mm,那么在抽气过程中就不会移走任何砂子,除了靠近过滤网的底盘砂。

另外,我们必须参照金属网生产制造商建立的标准。他们用目数衡量金属网。例如,10目就是每平方英寸有10个孔。金属丝尺寸发生变化时,筛孔尺寸也就发生变化。当然孔面积占的百分比变化范围大概在10~50%(更多或更少)。因此最重要的因素是孔尺寸

在大多数情况下,我们需要密织金属网,孔径不大于0.003″

这并不是推荐,但是要告诉你一个生产金属网的著名生产商:

Michigan Dynamics

Division of AMBAC  Industries ,Inc.

32400  Ford  Road

Garder  City  ,Michigan 48135

Phone :313-522-4000

在日本成功应用的金属网是不锈钢丝编织的席纹编织网,尺寸为20或30×250目。其他的过滤管是用一或两层的14目网筛包裹,然后包有一层30×250的金属网,全是不锈钢材质。有些地方将和砂接触的面包裹粗网,内层包裹细网以保护细网不受损害。

七、真空软管

几乎所有的V法造型系统都需要一些真空软管。所需的合适的材料可由Herman-sinto 公司来选择,但是如果你想换软管,你应该理解对软管的要求。

 首先,必须能在不变形的情况下承受一定的负压。第二,它应该不仅能够承受铸造车间的环境热量(浇注完后的铸型附近),还必须承受它传输的热空气的热量。这些气体能达到150°F(65℃)。第三,能够防扎,防破,防缠结。

 通常说来可使用2″(50.8mm)内径软管,但是你设备的精确尺寸要参照操作和维护手册的列表。

有很多著名的优质软管生产商,尽管不是推荐,你可以联系B.F Coudrich 软管产品经销商(不含泵的产品)。

压降

所有的铸造工都知道,通过长管抽液体或气体时会产生压降。工程师对此也非常熟悉。例如,如果你用一个直径为1英寸,1英里长的管传输压缩空气,那么在另一端得不到多少气体。所以,需认真对待管子尺寸的运算以避免压降。

这在真空系统中也一样。你必须严格注意真空线的长度,角度。这是一种工程计算并且很重要,否则V法造型系统不会正常工作。

Herman—sinto的工程师会计算出这个合适的管尺寸,但是要了解它的重要性,还需要简要解释一下。

在系统机械安装完毕以后才可以确定管子的尺寸。不幸的是,管子的布置必须受到设备的限制。计算每个导管段的等价长度,计算每个装置并找到他们对压降的影响,换算成英寸如图13.3所示。把配件的所有影响加到管道的实际长度上以得到它的等价长度。

    

有了流量和等价长度,可使用图13.4的真空流量图,以确定每个管道中的暂时性压降。管子的尺寸经常需要修改和尝试。最好能把压降控制在每100英尺等价长度1″Hg(22mm)以下,并建议在泵和最远处之间的压降不超过4″Hg(100mm)。这要建立在真空罐的最小压力20″Hg(500mm)且所有出口至少为15″Hg(381mm)的条件下。在大的系统中,这意味着需要管道尺寸比每100英尺的压降为1″Hg的等价长度管道的尺寸更大。

在任何真空系统中,最小的管道的直径也至少要1/2″(13mm)。大多数主管道不能小于1″(25.4mm)。下图是0.05Mp时100英尺等价长度管道的压降和抽气量图。

检查漏气

铸造工都知道如何在压缩空气或水压系统中检查漏气,这非常简单。在水压系统中,你只不过要寻找一下泄露的液压液体。在压缩空气系统中,有两个方法。第一,你可以听一下出气的嘶嘶声,或者你可用肥皂水检验可疑处并观察有无气泡。但是在真空系统中是怎么样的呢?

记住,整个系统要相当的严密,否则气体会被从室内被抽入真空系统中,而不是从铸型中抽入到真空系统。如果抽入太多的外部空气将对砂型产生很大的影响,并会导致塌型的发生。

下面就是一个预防措施的具体步骤:

1、确保泵的转轴能够自由转动。

2、堵好泵的出气孔。

3、让压缩空气通过真空系统的主线,注意不要使用压力超过35Psi(24Mpa)的气体。

4、遵照压缩气体系统检查漏气的步骤进行检查,那就是通过听声音来寻找漏气点或者使用肥皂水,看哪有气泡冒出。

5、修理所有漏气的地方。

以上就是所有的步骤,虽然简单但十分重要。