原標題   壓鑄模溫控制系統在質量優化中的應用

摘 要

模具溫度作為壓鑄工藝中至關重要的參數之一，已成為制造型企業提升鑄件質量、增加鑄件良品率以及優化設備運行效率（OEE）的核心手段。在模具溫度的檢測中，傳統測溫工具如溫箱、多點測溫儀（熱電偶）和點溫計等已被廣泛應用。然而，這些常規測溫方法存在一些不可避免的局限性，例如熱電偶特性曲線的偏差、電磁干擾的影響、粘膠材料的溫度限制、粘點誤差的累積以及對被測物體的接觸要求等。這些問題顯著影響了模具溫度測量的準確性，從而制約了模溫調節效果的進一步提升。相比之下，通過采用紅外熱成像技術進行在線溫度監測，不僅可以實現對模具數萬個測點的實時溫度檢測，無需停機或接觸模具，還能夠基于模具溫度矩陣生成高分辨率的紅外熱像圖，為模具溫度的直觀分析和工藝優化提供科學支持與決策依據。

1引言

壓鑄工藝是一種高效、精密的金屬成型技術，通過將熔融金屬在高壓下注入模具中快速成型，實現復雜形狀零部件的大批量生產。作為現代制造業中廣泛應用的工藝，壓鑄以其高生產效率、高精度、以及良好的材料利用率而聞名。在每一個壓鑄循環過程中，無論是加熱階段還是大批量生產階段，模溫監測系統都能夠實時獲取模具的熱分布圖，并對模具的熱平衡進行動態校正。這一過程幫助工程師根據熱分布情況優化壓鑄參數，確保壓鑄質量始終處于受控狀態。通過對模具表面溫度及其變化的有效監測，可以精確調控熱量的分布，改善熱交換方式，從而顯著提升鑄件質量并降低鑄造缺陷率。除了質量提升，壓鑄工藝在資源節約方面也具有顯著優勢。對模具表面溫度的持續監測不僅延長了模具的使用壽命，還縮短了生產循環時間，減少了計劃外維護保養的頻率與成本。同時，精準的溫度控制還能夠有效降低能源、壓縮空氣和脫模劑的消耗量，并減少廢水的排放。在大批量生產環境下，模溫監測系統更是成為提升鑄件質量和設備整體效率（OEE）的理想選擇，為制造企業在競爭中提供了重要技術支持。

在壓鑄工藝中，模具表面溫度的控制對于鑄件質量至關重要。溫度失控往往是導致產品出現縮痕、砂孔、裂縫和氣泡等缺陷的主要原因之一。模具表面溫度的均勻性直接影響金屬的凝固過程及鑄件的內部結構，從而決定了最終產品的質量。因此，準確檢測模具表面溫度分布對于保證壓鑄工藝的品質、實現高效且無缺陷的工業生產具有重要意義。隨著紅外熱像儀技術的快速發展，硬件成本的不斷下降，使得利用紅外熱像儀對模具表面溫度進行實時監測成為可能。相比傳統接觸式測溫方法，紅外非接觸式測溫具有快速、精準、無干擾的優勢，大幅提升了模具溫度監測的效率和可靠性。這種技術進步不僅優化了模具溫度的控制精度，還為鑄件質量的提升和生產效率的提高提供了有力支持。

在壓鑄工藝中，傳統模具溫度監測方法存在明顯的不足，難以滿足對模具溫度進行精準、實時控制的需求。例如，點溫槍只能測量模具單個點的溫度，對于溫度異常區域的位置需要憑借經驗進行推測，缺乏全面性和直觀性。熱電偶雖然同樣能夠測量單點溫度，但其需要與模具直接接觸，不僅增加了操作復雜性，還可能帶來安全隱患。此外，手持熱像儀雖然能夠捕捉模具表面的溫度分布，但難以實現連續監測，也無法保證每次拍攝的熱像圖具有時間上的統一性。這些局限性使得傳統方法難以為高效、無缺陷的生產提供可靠的模溫數據支持，從而限制了壓鑄工藝的優化和穩定性。

本文旨在針對當前模具溫度控制方法存在的不足，提出并設計一種創新的模溫控制方案，以提升壓鑄工藝的質量控制水平。傳統的模溫監測方式，如點溫槍和熱電偶，由于測量范圍有限、操作安全性不足以及實時性欠缺，難以滿足現代壓鑄工藝對精確溫度控制的需求。而手持熱像儀雖然能夠提供溫度分布的可視化，但其無法實現連續監測，且熱像圖的拍攝時間難以同步，限制了其應用效果。因此，本文從解決這些關鍵問題出發，設計了一種基于紅外熱像技術的模溫控制方案，結合實時監測、非接觸測溫和高精度溫度分析等功能，旨在顯著提升模具溫度調節的精準性和效率。同時，通過實驗驗證其在壓鑄件質量優化中的實際效果，探索該方案在工業應用中的潛力，為提高鑄件良品率和壓鑄設備運行效率提供理論和技術支持。

2模溫控制系統的設計

系統由多種關鍵硬件組成，包括安裝在壓鑄現場的在線紅外熱像儀、熱像儀防護罩、電源設備，以及用于現場監控的工控機或PC。其中，在線紅外熱像儀作為核心組件，能夠實時采集模具表面的溫度分布數據，生成高分辨率的熱像圖，為模溫分析提供直觀的參考。熱像儀防護罩為設備提供必要的物理保護，確保其在高溫、高壓、潮濕等復雜工作環境中的穩定運行。電源設備則為系統持續運行提供穩定的能源支持，而工控機或PC作為數據處理與監控中心，負責實時接收、存儲并分析熱像儀采集的溫度數據，協助操作人員動態監測和優化模具溫度控制。通過各硬件的緊密配合，系統能夠在不中斷生產的情況下，實現對模具溫度的實時、精準監測，為壓鑄工藝提供高效、可靠的溫度管理支持。接下來將對各組件進行詳細說明。

2.1 紅外熱像儀

系統核心設備為高性能紅外熱像儀，集成了進口處理芯片、法國紅外熱成像芯片以及賽靈思FPGA邏輯芯片，這些高端硬件的組合確保了設備卓越的計算性能與穩定性。紅外熱像儀的分辨率為640×480紅外像素，相較于傳統設備，其像素密度更高，能夠呈現更清晰的溫度分布圖，精確捕捉模具表面的溫度變化，滿足高精度測量需求。設備在3米以外即可準確識別被測物體的溫度分布，確保即使在生產現場復雜環境中，也能保持較高的溫度測量可靠性和成像質量。此外，目視條件下，紅外熱像儀能夠清晰分辨模具輪廓，且精確測量直徑為10mm的銷釘溫度，為精細部件的熱分布分析提供支持。該紅外熱像儀還具有卓越的穩定性，支持7*24小時不間斷運行，即使在高溫、高濕或震動等嚴苛的工業環境下，依然能夠持續提供可靠的溫度數據。這種設計有效避免了傳統測溫設備因間歇性停機或誤差帶來的生產效率下降問題，特別適合高強度的壓鑄生產環境。具體的設備參數如表1所示：

表1

2.2 熱像儀保護罩

為了確保紅外熱像儀在壓鑄工業現場的高溫、油霧和氣霧等嚴酷環境中能夠穩定運行，系統采用了專門設計的IP67級防護熱像儀保護罩。保護罩經過工業現場的嚴苛考驗，具備卓越的密封性和抗污染能力，同時集成了多項功能性設計，全面保障設備的長期穩定運行。保護罩配備風冷冷卻裝置，通過高效散熱技術有效控制設備內部溫度，即使在極端高溫環境中也能維持設備性能。此外，保護罩前端設有氣簾和氣動擋片，可形成清潔的氣流屏障，將油霧和氣霧有效隔離，確保鏡頭表面始終保持清潔狀態，從而避免因污垢導致的成像質量下降。該保護罩的防護性能不僅延長了設備的使用壽命，也保證了模溫監測的精確性和一致性。具體的保護罩性能參數如表2所示：

表2

2.3 一體式機柜

為保障模溫監控系統在工業現場的高效運行，系統采用功能齊全的一體式機柜設計，將各類關鍵部件和功能集成于統一結構中，兼顧便捷性和可靠性。機柜的設計細節充分考慮了壓鑄現場的實際需求，具備高性能、高耐用性和易維護性。機柜配備氣源壓力檢測裝置，通過壓力繼電器實時監測氣源壓力，檢測結果直觀顯示在屏幕上。當氣源壓力過低時，系統將觸發故障報警，并停止模溫自動采集，確保設備安全運行。機柜還集成了分水濾氣器，用于高效過濾氣源中的雜質和水氣，并便于維護。人機交互端與設備柜采用一體式設計，結構緊湊，頂部配置吊鉤，便于現場吊裝和運輸。根據現場需求，機柜的外形尺寸可定制，以適應不同的安裝環境。核心控制硬件為研華品牌工控機，預裝64位中文企業版Windows 10系統，配備i5及以上處理器、16GB內存、216GB固態硬盤和1TB機械硬盤，同時支持WIFI遠程操作及升級。交互界面采用飛利浦24英寸觸控屏，為用戶提供友好直觀的操作體驗。供電方面，機柜支持AC220V 50Hz動力電源和DC24V控制電源，可根據現場情況調整。系統設計有信號防干擾措施和短路保護功能，有效提升信號傳輸的穩定性和設備運行的安全性。此外，機柜配備三色報警燈，用于指示系統運行狀態。其他功能包括預留外部系統通訊的RJ45接口及額外的USB接口，滿足多樣化的外部連接需求。設備整體氣源要求不低于0.5 MPa，以確保系統運行的穩定性和可靠性。這款一體式機柜通過高集成度和優化設計，為模溫監控系統提供了堅實的基礎，能夠滿足壓鑄現場復雜環境中的多樣化需求。詳細的功能介紹如表3所示：

表3

模溫控制系統以高精度、高一致性和廣泛測溫范圍為核心技術特點，其性能上限充分體現了系統在復雜工業環境中的卓越適應能力和可靠性。以下關鍵參數具體描述了系統的技術性能和應用價值：

1、全量程測溫精度：系統實現了±2℃或±2%的測溫精度，能夠滿足壓鑄過程中對模具表面溫度監測的嚴苛要求。精確的測溫數據不僅有助于識別溫度異常點，還為模溫調節提供了可靠依據，有效避免因溫差波動引發的鑄件缺陷，如縮痕、裂紋和氣泡等；

2、測溫一致性：系統的測溫一致性高達±1℃或±1%，能夠確保不同時間和空間點的溫度數據始終保持高度一致。這種特性在壓鑄生產的連續性過程中尤為重要，能夠提供穩定的熱分布監測，為精準調控工藝參數提供支撐；

3、環境溫度適應性：系統能夠在-30℃至100℃的環境溫度范圍內穩定運行，適應壓鑄現場的極端工作環境。這種環境適應能力確保了系統在嚴苛條件下仍能提供可靠的測溫結果，為長期工業應用奠定了堅實基礎；

4、測溫范圍：系統的測溫范圍覆蓋了-20℃至650℃，全面滿足了模具從低溫預熱到高溫壓鑄的全過程需求。廣泛的測溫范圍使系統適合于多種不同工藝要求，具有更高的通用性和靈活性；

5、紅外像素分辨率：系統配備了640×480像素的紅外熱像儀，以其高分辨率實現清晰的熱成像效果。成像細節豐富，能夠直觀展現模具表面的熱分布狀態，為工程師提供精準的視覺分析工具。此外，高像素分辨率確保了測溫的點密度和分辨率，能夠準確測量直徑為10mm的小目標區域溫度。

通過上述關鍵參數，系統展示了其在壓鑄工藝中的卓越性能，具備實時、高效、精準的模具溫度監測能力。這些技術性能不僅有助于改善鑄件質量，還顯著提高了生產效率，降低了資源浪費和維護成本，為現代化壓鑄生產提供了強有力的技術支持。

3實驗驗證

3.1 實驗設計

在壓鑄生產過程中，模具溫度的控制至關重要，尤其是在噴涂后冷卻階段。通常，噴涂后的模具溫度應迅速降低至150℃左右，以確保良好的鑄件質量，并避免由于過高的溫度導致零部件局部的應力集中和裂紋生成。然而，在某一生產批次中，銷釘部位的溫度冷卻后仍然保持在216℃，遠高于理想溫度，進而導致生產出的零部件在該部位經常發生開裂現象。由于在之前的生產過程中未使用熱成像技術，生產團隊未能及時發現冷卻系統的問題，只有在零部件質量異常的情況下，才意識到該部位可能存在溫度控制問題。如圖1所示

圖1

為了準確定位冷卻過程中出現的問題，本次實驗設計了熱成像監測方案。實驗的核心目標是利用熱成像技術對模具的冷卻過程進行實時監測，及時發現并分析溫度異常區域，特別是銷釘部位的溫度異常情況。

實驗過程中，將使用高精度的熱成像儀對模具各個部位，尤其是銷釘區域進行溫度監控，借助熱成像圖像清晰地顯示溫度分布和變化。通過這種方式，可以直觀地了解溫度是否均勻下降，并對存在異常的部位進行精準定位，進而為后續的冷卻系統調整提供數據支持。

實驗步驟包括：

首先對模具噴涂后的溫度進行基線測量，確保其溫度分布符合預期要求；

接著，在模具冷卻過程中，通過熱成像儀對模具進行連續監控，特別是聚焦在銷釘部位，觀察其冷卻過程中溫度的變化情況。如圖2、3所示

圖2

圖3

通過這些數據，能夠及時發現銷釘部位冷卻不均勻或降溫不足的問題。最后，根據熱成像結果，調整模具的冷卻系統，優化冷卻效率，確保模具各部位溫度降至合理范圍內。

3.2 實驗結果

通過實驗，熱成像技術成功地揭示了冷卻過程中存在的問題。在初次使用熱成像儀對模具冷卻過程進行監測時，發現噴涂后的模具表面溫度并未按照預期迅速降至150℃，尤其是在銷釘部位，溫度降幅明顯不足。通過對熱成像圖像的分析，清楚地顯示出銷釘區域的溫度始終維持在200℃左右，遠高于150℃的目標值，導致該部位的金屬材料未能充分冷卻，進而產生了應力集中。這種溫度過高的情況直接導致了零部件的局部開裂現象，且這種問題在生產過程中反復出現，嚴重影響了零部件的質量和生產效率。如圖4所示：

圖4

針對熱成像圖像中反映出的冷卻不均問題，生產團隊對模具冷卻系統進行了整改。通過調整銷釘部位的冷卻通道布局，增加了冷卻液的流量，并重新優化了冷卻液的溫控策略，以確保銷釘區域能夠得到充分的冷卻。整改后，再次使用熱成像儀對同一部位進行監測，結果顯示銷釘區域的溫度降幅符合預期，成功降至了150℃左右。這一變化證明了冷卻系統的調整有效提升了該部位的冷卻效率。

經過整改后的冷卻系統不僅解決了銷釘部位溫度過高的問題，還有效避免了因過高溫度導致的零部件開裂。通過后續的生產驗證，使用熱成像技術監測后的模具冷卻過程更加均勻，零部件的質量得到顯著改善。最終，本次實驗驗證了熱成像技術在發現冷卻系統問題、提升生產質量中的重要作用，并為未來類似問題的解決提供了有效的技術手段。具體實驗結果如圖5所示

圖5

3.3 模具異常處理

在壓鑄模具上銷釘在高壓鑄造模具中起到定位、固定、導向、頂出、冷卻、排氣等多重作用，確保模具高效運行和鑄件質量。也是在控制模具溫度容易出現疏漏的地方。除了銷釘以外，在滑塊連接處的內側降溫也是模具水路和噴涂不容易處理的地方。在實驗過程中發現模具上滑塊連接處出現溫度較高情況，噴涂前溫度是299℃，噴涂后285℃，通過對一整天的數據進行對比如下圖所示（圖6為噴涂前，圖7為噴涂后）。

圖6

圖7

通過數據分析和模具異常的檢查，發現模具內部冷卻水路接口漏水，導致模具溫度無法及時有效降至合理范圍以內，通過維修處理，得到改善。如圖8、9是改善后數據。

圖8

圖9

4結論

本研究通過引入模溫控制系統，成功解決了壓鑄生產中因冷卻不均導致的零部件開裂問題。實驗結果表明，噴涂后的模具溫度應迅速降至150℃左右，但在未使用熱成像技術之前，銷釘部位的溫度仍維持在207℃，遠高于標準要求，這直接導致了生產過程中頻繁出現的零部件開裂現象。通過熱成像技術，及時發現了冷卻系統在該部位存在的問題，進而對冷卻系統進行了針對性調整。調整后的模具冷卻效果顯著改善，銷釘部位的溫度成功降至156℃，消除了開裂問題。

實驗數據進一步驗證了模溫控制系統在提升壓鑄質量方面的有效性，特別是在確保模具溫度均勻降低和優化冷卻過程方面的優勢。通過精準的溫度監控與及時的調整，本研究不僅提高了生產效率，還大幅降低了由于溫度控制不當導致的質量缺陷。實驗結果的關鍵數據，如銷釘部位的溫度由207℃降至156℃，為進一步優化模溫控制系統提供了可靠依據，證明了熱成像技術在模具溫度監測和控制中的重要作用，并且可以根據生產每模溫度變化提前預判停機期間若不增加人為干預情況下需要7模左右才能恢復正常生產狀態（如圖10所示），以此依據可以在停機后適當增加關鍵部位溫度減少熱模時間減少產能損耗。這一改進方案有效提升了壓鑄零部件的質量，為壓鑄生產過程中的溫控技術應用提供了寶貴的經驗。

圖10

本文作者：

洪祖榮

比亞迪弗迪動力事業部

電子郵箱：657552591@qq.com