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来源
《特种铸造及有色合金》2024年第08期
专题简介
2024年第44卷第8期《特种铸造及有色合金》期刊发表了一体化压铸专题，广东鸿图万里教授级高工为学术主编，吉林大学查敏教授为特邀专家。本专题聚焦新能源汽车大型一体化压铸技术，基于压铸企业在该技术领域的多年实践经验，探讨一体化压铸所涉及的集成化设计、免热处理铝合金、压铸装备、压铸模具、压铸工艺、机加工技术、装配技术、检测技术等重点技术环节。针对近年来一体化压铸铝合金和镁合金及大型一体化结构部件高压铸造成形技术进行归纳总结，为一体化压铸大型复杂车身结构件研发提供参考。
一体化压铸技术的发明与应用推动了汽车轻量化发展，在新能源汽车的下车身生产中广泛应用。与传统的汽车下车身相比，应用一体化压铸技术的汽车下车身可减重10%以上。
模温监控技术随一体化压铸技术而发展，技术成熟度相对较低。前舱、后地板和电池托盘的生产需要使用70 000～160 000kN的大型压铸机和大型模具，其尺寸大、结构复杂，对模温监控系统的设计具有较高要求。目前大型一体化模温监控技术在应用中存在热像仪选型和模温监控方案不合适、防护舱设计和动作流程设计不合理等问题，易导致模温采集精度和监控范围不足、模温成像模糊和干涉等问题，因此，对一体化压铸模温监控系统的设计探究具有积极意义。本研究对70 000～160 000kN压铸机配套的模温监控系统设计进行技术探究，旨在为一体化压铸模温监控提供参考。
图文结果
一体化压铸模温监控系统主要由热像仪、防护舱、气管电缆、底座支架、模温监控系统控制柜和模温监控系统软件组成，见图1。热像仪布局在压铸机安全门内区域，负责模具温度数据采集；气管电缆布局在热像仪与控制柜之间，负责压缩空气与通信传输；模温监控系统控制柜布局在压铸机安全门外区域，负责系统气源和电源供应等；模温监控系统软件安装在控制柜的工控机上，负责联动信号处理、热像仪动作控制和模温数据储存分析等。
一体化压铸模温监控系统原理见图2。模温监控系统软件收到压铸机和压铸岛控制系统的采集动作联动信号后，对热像仪进行采集动作控制；热像仪对压铸模具进行模温数据采集，生成模温热成像图并传输至模温监控系统软件并进行储存和分析，如发现模温数据异常情况，则输出异常报警联动信号至压铸机和压铸岛控制系统，压铸机和压铸岛控制系统执行相应的异常处理程序。
图1 一体化压铸模温监控系统构成
1.防护舱 2.热像仪 3.压铸机动型板 4.压铸模具动模 5.底座支架 6.气管电缆 7.压铸模具定模 8.压铸机定型板 9.控制柜 10.监控软件 11.联动信号 12.电源、气源
图2 一体化压铸模温监控系统控制原理
热像仪的设计需要对热像仪的采集温度范围、测量精度、红外分辨率、热灵敏度、镜头视场角参数进行评估选择。采集温度范围是指热像仪能够采集的模具温度范围，需根据铝液温度、生产环境进行选择，一般采集温度≤650 ℃。测量精度是指热像仪采集模具温度数据的误差大小，一般为±2 ℃/±2%。选择合适的采集温度范围和较小的测量精度，可提高模具温度数据采集的准确性。红外分辨率是指热成像图的分辨率大小，红外分辨率越大成像越清晰，一般选择分辨率≥640×480。热灵敏度是指热像仪噪声等效温差，用于表述可检测的最小温差值，热灵敏度值越小，灵敏度越高，成像越清晰，热灵敏度一般＜30 mK。镜头视场角是热像仪能够清晰观察到的最大视野范围，视场角越大，视野范围和单个像素点尺寸越大，镜头视场角需要根据镜头与模具之间的热像仪测量距离和具体的监控需求情况进行选择。
表1 红外分辨率为640×480的热像仪测量距离
与范围对应关系
图3 70 000 kN压铸机的热像仪监控覆盖范围模拟
图4 120 000 kN压铸机的热像仪监控覆盖范围模拟
图5 160 000 kN压铸机的热像仪监控覆盖范围模拟
监控方案的选择需要根据一体化压铸件的模具结构特点和重点监控位置情况识别监控区域需求，结合热像仪的测量距离对热像仪监控的覆盖范围进行模拟，确认具体的配置数量。
防护舱的设计需要考虑舱体防护设计、防护门电磁阀集成设计和防护舱重定位集成设计。防护舱结构设计见图6。由于热像仪的运行环境较差，容易受到高温辐射、喷涂蒸气、水流喷射和铝液飞料等不利因素影响，因此需要配置防护舱。防护舱应具备多种防护设计，整体的防护等级需要达到IP65及以上。防护舱主要由舱体、防护门和航空插头等组成，舱体采用铝合金等防锈金属制作，热像仪安装在舱体内部。防护舱的热像仪镜头侧配置一个由气缸驱动，可自动开启和关闭的防护门，防护门材质与舱体材质一致。在拍摄前，防护门提前迅速开启，完成后，防护门迅速关闭。此外，防护门与舱体之间需具有一定的密封性，防护门在闭合状态时需紧贴舱体。防护舱与气管电缆的连接采用航空插头，航空插头防护等级需达到IP67。舱体、防护门以及航空插头的刚性和防护能力需满足压铸现场使用要求，可防止水流喷射和铝液飞料等因素影响。热像仪的镜头与防护门之间配置Ge玻璃进行防护，Ge玻璃透过率需满足热像仪使用要求。Ge玻璃与防护门之间配置气路通道，防护舱内部时刻保持正压状态，在防护门闭合状态时，舱体内部正压状态可以防止水气侵入。当防护门开启时，舱体内部开始往外吹气，压缩空气经过热像仪和气路通道通向外侧形成气帘，可以在防护门开启状态时，防止喷涂蒸气等因素的影响。同时吹气可以对热像仪进行散热，降低高温辐射因素的影响
由于一体化压铸件生产的压铸单元系统集成度较高，各设备之间的动作衔接较快，因此留给模温监控系统拍摄的时间极短。此外，为了防止和降低防护门过早开启造成的Ge玻璃污染和损坏风险，防护门的提前开启时间不宜设置过长。因此模温监控系统需要在短时间内完成防护门的提前开启以及模温拍摄动作。
热像仪的监控角度需要根据产品种类或监控需求进行水平角度和垂直角度的调整，而一体化压铸件的模温监控需要对模温点进行监控，在热像仪测量距离4 000～4 500 mm的情况下，监控角度的轻微变化会导致模温点发生较大的位置偏移，最终导致采集模温与实际模温存在较大偏差，因此模温点的监控对热像仪的角度重定位精度具有很高要求，建议热像仪集成陀螺仪功能，实现热像仪角度的精确调整。
图6 防护舱结构
1.舱体 2.防护门气缸 3.电磁阀 4.航空插头
5.陀螺仪 6.热像仪 7.Ge玻璃 8.防护门
图7 一体化压铸模温监控系统与压铸机、压铸岛
系统联动流程
联动信号建议配置4个输入信号和2个输出信号，其中输入信号选择压铸机自动信号、压铸机合模到位信号、取件机器人退出压铸机信号、喷涂机器人退出压铸机信号。压铸机自动信号用于模温监控系统自动监控模式启动条件，防止取件退出信号或喷涂退出信号出现异常时，模温监控系统执行误动作；压铸机合模到位信号用于模温监控系统拍摄程序的开始和复位；取件机器人退出压铸机信号用于喷涂前模温数据采集子程序的启动，该信号建议在取件机器人取件中软伺服功能关闭时发出；喷涂机器人退出压铸机信号用于喷涂后模温数据采集子程序的启动，该信号建议在喷涂机器人喷涂中执行吹气动作时发出。输出信号配置监控区域温度异常信号和模温监控系统故障信号，监控区域温度异常信号用于模温监控软件上设定的模温监控区域出现模温异常时，模温监控系统向压铸机或压铸岛系统发送产品残次品（NG）请求，便于压铸机或压铸岛对模温异常的产品进行特殊处理；模温监控系统故障信号用于模温监控系统发生故障时向压铸机或压铸岛发送循环停止请求。
图8 70 000 kN压铸机模温监控方案应用
图9 70 000 kN压铸机防护舱应用
根据设计验证，对模温监控系统进行合理选型和设计，可以提升一体化压铸件生产的模温监控能力，有利于一体化压铸件品质的提升。一体化压铸技术目前仍处于较小范围的应用阶段，要实现全面推广应用，需要一体化压铸模温监控系统的技术支持，因此还需要继续加大对一体化压铸模温监控系统的技术研发，提高一体化压铸模温监控系统的设计水平。
本文作者：
聂俊毅 黄志垣 万里 林韵 张玉龙 曾庆杰
广东鸿图科技股份有限公司
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编辑/排版：柳力莎
校对：刘晨辉
审核：张正贺
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