擠壓鑄造機是提供擠壓鑄造過程中所需的機械壓力的設備，它還作為擠壓鑄造實施的平臺，成為擠壓鑄造生產過程中的核心設備。
擠壓鑄造機與通用壓力機的工作原理和運動形式基本相同，所以在擠壓鑄造初期，大部分都是對通用壓力機進行改造以滿足要求，但是隨著擠壓鑄造件形狀越來越復雜，工藝要求越來越高，通用壓力機已經無法滿足生產需要，所以，專用擠壓鑄造機隨之發展起來。
目前，對擠壓鑄造機的研究主要集中在工藝和機械系統上，對于液壓系統特性的研究相對較少。
本文以4000t大型智能半固態擠壓鑄造機為研究對象，其主機結構為 VV 型結構，結構簡單、造價低，主要由開合模系統、壓射系統、頂出系統等組成。其中壓射系統用于將半固態漿料壓入型腔，所以，擠壓鑄造機壓射系統性能的優劣對擠鑄件的質量至關重要，擠壓壓射系統采用全閉環實時控制，可大大提高整機的穩定性和可靠性。
本文采用 Amesim 軟件搭建壓射液壓系統仿真模型，對擠壓鑄造機壓射液壓系統性能進行仿真分析，直觀地展現了參數變化對系統性能的影響，為后續擠壓鑄造機壓射控制系統的設計提供了依據。
4000t大型智能半固態擠壓鑄造機的主要技術參數如表 1 所示。
擠壓鑄造機壓射液壓系統主要由閥、液壓缸、蓄能器以及壓力油液管路和自動控制系統組成，是集液壓和機電控制于一體的綜合性系統。其中，壓射缸是壓射系統的關鍵部件，其結構簡圖如圖 1 所示。
半固態漿料由料杯向傾斜的壓室 5 內注入，擠壓單元回傾后和模具對接，壓射頭 6 向上充填半固態漿料。壓射缸底座增加增壓器 1，以不間斷地向半固態漿料施加穩定高壓，擠壓增壓壓力的大小可達到50MPa。擠壓鑄造機的壓射速度和壓力是壓射系統的兩個重要參數，壓射速度決定了擠鑄件充型的好壞，而壓力決定了擠鑄件的內部質量和力學性能。
因此，要想獲得高質量的擠鑄件，必須根據不同的情況對這兩個工藝參數進行合理的控制。擠壓鑄造機壓射液壓系統的原理圖如圖 2 所示。
壓射系統如果采用液壓泵作為動力源，裝機功率很大，且壓射需滿足快速增速減速，故選用蓄能器作為動力源，不僅可以降低裝機功率、實現液壓泵的小型化、節省能源，而且系統相對穩定、沖擊小。增壓由增壓蓄能器 3 和增壓器 2 實現，由于實時壓射控制系統要求執行機構具備快速的響應能力，所以液壓閥選用電液伺服閥。壓射過程一般分為壓射階段、增壓階段和保壓階段 3 個階段，其工作原理如下。
壓射時，壓射缸進液閥 7 帶電打開，高壓液壓油由壓射蓄能器 4 通過壓射缸進液閥 7 和單向閥進入壓射缸 1 的無桿腔，推動沖頭以緩慢速度前進，壓射缸 1 有桿腔的油液通過壓射缸排液閥 8 回油箱。可通過調整電液伺服閥閥口開度實現壓射速度的無級調節，實現快速壓射過程。當半固態漿料充滿型腔后，增壓器進液閥 6 帶電打開，油液由增壓蓄能器 3 通過增壓器進液閥 6 進入增壓器的無桿腔，在與增壓蓄能器 3 的共同作用下實現增壓。
計算機仿真技術已成為液壓系統設計中必不可少的重要手段。本文通過 Amesim 仿真軟件，搭建擠壓鑄造機壓射液壓系統仿真模型］，如圖 3 所示。
4000t大型智能半固態擠壓鑄造機壓射液壓系統的主要參數如表 2 所示。
使用蓄能器作輔助動力源，由于增壓時間為1.25s，壓射時間小于55s，氣體的體積變化很快，可視為絕熱過程。
式中: V0為所需蓄能器的容積，m3; ΔV 為蓄能器的工作容積，m3; p0為預充氣體壓力，MPa; p1為系統最低工作壓力，MPa; p2為系統最高工作壓力，MPa; n 為可變指數，由氣體工作條件決定，絕熱時取 n = 1.4。
系統最高工作壓力為系統允許的最大沖擊壓力，取 p1+3MPa 和加速度最大時系統壓力中的較大值:
式中: m 為活動部分質量，為192kg;a為加速度，最大為5000mm·s-2。
故可選用一個活塞式蓄能器 ( 容量為200L)和 12 個氮氣瓶 ( 單個容量為50L) 作為壓射液壓系統動力源。
可選用一個活塞式蓄能器 ( 容量為20L) 和 1個氮氣瓶 ( 容量為50L) 作為增壓動力源。
根據表 2 對壓射缸和增壓器參數進行設置，根據式 ( 1) ～ 式 ( 7) 的計算結果設置壓射蓄能器參數和增壓蓄能器參數，壓射蓄能器的活塞直徑為Φ355mm，氮氣瓶容積為600L，增壓蓄能器的活塞直徑為Φ180mm，增壓氮氣瓶容積為50L。
通過仿真計算，可以得到壓射和增壓時的速度v、加速度 a、 壓力 p 和位移 S 曲線如圖 4 所示。
由圖 4 可得，0-2.62s 為壓射過程，2.62s 開始增壓，最大空載壓射速度可達到1540mm·s-1，壓射行程為1255mm，增壓速度可達到150mm·s-1，增壓行程為45mm。故完全可以滿足設計要求。
通過設定不同的壓射蓄能器容積，利用批運行，對壓射蓄能器容積對壓射液壓系統的影響進行分析。
圖 5 為壓射蓄能器容積分別設為 500、550、600、650 和 700L 時的壓射速度曲線。
從圖 5 可以看出，壓射蓄能器容積對壓射階段的速度無影響，但隨著容積的增大，增壓開啟時間越早。
通過設定不同的增壓蓄能器容積，利用批運行，對增壓蓄能器容積對壓射液壓系統的影響進行分析。圖 6 為增壓蓄能器容積分別設為 40、45、50、55 和60L時的壓射速度曲線。
從圖 6 可以看出，增壓蓄能器容積對壓射系統幾乎無影響。
2.2.3 壓射蓄能器設定壓力對壓射液壓系統的影響
通過設置不同的壓射蓄能器設定壓力，利用批運行，對壓射蓄能器設定壓力對壓射液壓系統的影響進行分析。圖 7 為壓射蓄能器設定壓力分別設為17.96、18.96、19.96、20.96 和 21.96MPa 時的壓射速度與壓力曲線。
從圖 7 可以看出，壓射蓄能器設定壓力越大，壓射階段可達到的最大壓射速度越大，增壓開啟時間越早，但隨著壓射蓄能器設定壓力的減小，無法實現增壓。
2.2.4 增壓蓄能器設定壓力對壓射液壓系統的影響
通過設定不同的增壓蓄能器設定壓力，利用批運行，對增壓蓄能器設定壓力對壓射液壓系統的影響進行分析。圖 8 為壓射蓄能器設定壓力分別設為17.96、18.96、19.96、20.96 和 21.96MPa 時的壓射速度與壓力曲線。
從圖 8 可以看出，增壓蓄能器設定壓力對壓射階段無影響，但增壓蓄能器設定壓力越大，增壓后的壓力越大。
(1) 選用蓄能器作為壓射系統動力源，完全可實現工藝和設備的要求。
(2) 壓射蓄能器容積對壓射階段的速度無影響，但隨著容積的增大，增壓開啟時間越早。增壓蓄能器容積對壓射系統幾乎無影響。
(3) 壓射蓄能器設定壓力越大，壓射階段可達到的最大壓射速度越大，增壓開啟時間越早，但隨著壓射蓄能器設定壓力的減小，無法實現增壓。
(4) 增壓蓄能器設定壓力對壓射階段無影響，但增壓蓄能器設定壓力越大，增壓后的壓力越大。
作者：蘭州蘭石集團有限公司能源裝備研究院 張曉麗、魏海濤、馬志剛、王生金
文章來源：壓鑄實踐
