CN115090850B - 一种高温合金铸件离心铸造全自动生产线及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于离心铸造技术领域，具体公开了一种高温合金铸件离心铸造全自动生产线及生产方法，包括准备区、真空工作区、离心铸造工作区、冷却台、拆卸区；机械夹爪在准备区完成离心铸造室组装，组装好的离心铸造室由滚筒运输轨道自动运输至真空工作区进行抽真空，抽真空结束后运输至离心铸造工作区进行快速真空感应熔炼及离心铸造过程。同时组装下一个离心铸造室并进行抽真空，上一组铸件成型后，加热线圈自动上升，已完成离心铸造的真空室会被滚筒轨道自动运输到冷却台，下一组真空离心铸造室安装到转轴上进行感应熔炼，本发明采用全自动化的方式，可同步进行抽真空过程和感应熔炼过程，改善了劳动条件，保证了产品质量，提高了生产效率。

Description

一种高温合金铸件离心铸造全自动生产线及生产方法

技术领域

本发明属于离心铸造设备技术领域，具体涉及一种高温合金铸件全自动生产线及生产方法。

背景技术

随着对发动机整体寿命和性能要求的提高，实现发动机用高温合金铸件组织控制，提高疲劳性能及其他力学性能变得尤为重要。研究表明，对于车用发动机增压器涡轮来说，中温下涡轮叶片承受的主要载荷是疲劳和瞬时拉伸，需要材料具备高的抗拉强度和疲劳强度以及良好的抗裂纹扩展性能。然而，目前车用发动机增压器涡轮采用熔模铸造制备而成，对于这类结构复杂、壁厚差异大的铸件，浇铸过程中常常出现缩松缩孔、偏析等缺陷，严重影响了铸件的质量和成品率。且由熔模铸造制备的涡轮铸件组织多为粗大的柱状晶，晶粒平均尺寸大于4mm。铸造缺陷、粗大晶粒、以及组织、性能上的各项异性导致铸件使用时疲劳裂纹的产生和发展，严重恶化了涡轮的疲劳性能，缩短了涡轮的使用寿命。

此外，为了提高涡轮的性能及使用寿命，在熔模铸造后再进行热等静压处理，增加该工艺大大增加了铸件的制造成本。另外熔模铸造工艺对应的铸件材料利用率低、工艺过程复杂且周期长、化工辅料需求多、能源消耗大、生产环境恶劣。因此迫切需要开发高性能长寿命增压器涡轮可实现本体细晶、致密组织的工艺成型方法。

离心铸造可借助铸型的高速旋转，使铸型内的金属液做离心运动充满铸型并形成铸件，有望成形本体细晶及致密的铸件。但是现有的离心铸造机设备多用倾倒式或摆臂式的浇注方式，真空腔体较大，抽真空时间较长，导致单件的生产效率低。同时生产的自动化程度低，相当比例的工作仍需要手工操作，工人在高温环境下工作，劳动强度大、安全性难以得到保障，不适应高温合金铸件的生产需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高温合金铸件离心铸造全自动生产线及生产方法。

为实现上述目的，本发明完整的技术方案包括：

一种高温合金铸件离心铸造全自动生产线，包括自动生产信号箱、机械夹爪、滚筒运输轨道，和顺序连接的准备区、真空工作区、离心铸造工作区、冷却台、拆卸区；

自动生产信号箱发出整个工艺流程的各类指令，所述机械夹爪和滚筒运输轨道执行自动生产信号箱发出的指令；其中所述滚筒运输轨道用以将离心铸造室在准备区、真空工作区、离心铸造工作区、冷却台、拆卸区之间输送；

所述准备区包括预热处理炉，铸造用型壳、坩埚、棒料在预热处理炉中进行预先预热，机械夹爪根据指令取出预热后的型壳、坩埚和棒料，并组装离心铸造室，所述离心铸造室包括壳体，内设转盘，型壳由固定座和型壳压板固定在转盘上，转盘与铸造室壳体采用磁流液体密封，壳体两侧设有电磁阀；

所述真空工作区包括真空泵，所述真空泵连接壳体上的电磁阀进行抽真空；

所述离心铸造工作区包括加热线圈、工装板、电动转轴，所述加热线圈在驱动机构驱动下升降，并对坩埚内的棒料进行熔炼；所述工装板用以固定抽真空后的离心铸造室，所述电动转轴通过联轴器与转盘轴连接并带动离心铸造室中的转盘和型壳进行旋转；

所述冷却台用以供铸造后的离心铸造进行破真空冷却；

所述拆卸区用以供拆卸冷却后的离心铸造室并取出铸件。

所述坩埚为一次性硅酸铝陶瓷纤维坩埚。

所述坩埚带有预开口的底部。

所述全自动生产线为流水线作业，包括多组依次进行作业的离心铸造室。

采用所述生产线进行高温合金铸件全自动生产的方法，包括如下步骤：

（1）离心铸造室组装：自动生产信号箱发出指令，机械夹爪将底部预开口的一次性坩埚、棒料和透明石英罩组装成铸造室上盖，内设转盘的离心铸造室壳体预先置于准备区的安装板上，机械夹爪将预热后的型壳组装到转盘的可调固定座上，型壳由可调固定座和型壳压板固定在转盘上，型壳压板用定位销固定在转盘上，转盘与铸造室壳体之间采用磁流液体密封，壳体两侧设有能够外接真空泵的电磁阀；机械夹爪随后盖好铸造室上盖，形成组装好的离心铸造室；

（2）抽真空：组装好的离心铸造室由滚筒运输轨道自动运输至真空工作区，真空泵接离心铸造室壳体上的电磁阀进行抽真空，当真空表示数达到设定值后，电磁阀自动关闭；

（3）离心铸造：抽完真空后的离心铸造室随后由滚筒运输轨道自动运输至离心铸造工作区；在离心铸造工作区，机械夹爪将该离心铸造室固定在工装板上，转盘轴通过联轴器与电动转轴相连接；自动生产信号箱发出指令，机架上方的加热线圈在驱动机构驱动下自动下降，并进行快速真空感应熔炼及离心铸造过程，离心铸造过程时，金属液升温至液相线时，电动转轴自动开启，使转盘和型壳达到限定转速，待熔体升温至浇注温度后自动从坩埚的预开口流入浇道，浇注和成型过程中仅铸造室内部的转盘带动型壳转动，坩埚处于静止状态；

（4）冷却：铸件成型后，加热线圈自动上升，整个真空离心铸造室被滚筒运输轨道运输至冷却台，打开电磁阀进行破真空冷却；

（5）冷却后的离心铸造室被自动运输至拆卸区，并由机械夹爪取出铸件。

步骤（2）中，离心铸造室送至真空工作区后，即在准备区开始下一组离心铸造室的组装工作。

步骤（3）中，离心铸造室在感应熔炼及离心铸造过程中，组装好的下一组离心铸造室在真空工作区进行抽真空处理。

步骤（3）中，感应熔炼过程棒料的熔化率为2kg/min。

采用所述方法得到的高温合金铸件，所述高温合金铸件由细小等轴晶构成，平均晶粒尺寸在0.5~1mm之间。

本发明采用全自动化的方式，真空离心铸造室采用封装的方式，可实现快速自动化封装，提高了工作效率，同时封装好的离心铸造室可在铸造设备之外独立完成抽真空工作，因此将抽真空过程和感应熔炼过程分离开，可以同步进行抽真空过程和感应熔炼过程而不必像传统离心铸造工艺一样必须顺序执行，极大地提高了生产效率，整个流程均由自动生产信号箱发出的指令操控机械夹爪和滚筒运输轨道完成，既降低了工人的操作难度，改善劳动环境，又确保了产品质量，提高了产品合格率。可以通过更换不同形状的型壳并调整熔炼参数，适用于多种高温合金细晶铸件的制备。

附图说明

图1为高温合金细晶铸件的全自动生产工艺设备俯视示意图。

图2为高温合金细晶铸件的全自动生产工艺设备立体示意图。

图3为真空离心铸造室内部结构图。

图中：1-物料平台，2-自动生产信号箱，3-预热处理炉，4-机械夹爪，5-夹爪导轨，6-石英罩，7-铸造室上盖，8-上盖支架，9-电磁阀，10-真空表，11-真空泵，12-滚筒运输轨道，13-可升降加热线圈，14-离心铸造室，15-工装板，16-定位支架，17-冷却台，18-坩埚，19-坩埚支架，20-型壳压板，21-弹性销，22-转盘，23-可调固定座，24-定位销，25-型壳，26-离心铸造室壳体，27-磁流液体密封，28-转盘轴，29-联轴器，30-电动转轴。

具体实施方式

下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行进一步的详细说明，显然，所描述的实施例仅作为例示，并非用于限制本次申请。

如图1-3所示，本发明的高温合金细晶铸件全自动生产线，包括准备区、真空工作区11、离心铸造工作区、冷却台和拆卸区。

所涉及的主要设备包括物料平台1、自动生产信号箱2、预热处理炉3、多个离心铸造室14、滚筒运输轨道12和机械夹爪4，其中物料平台1和自动生产信号箱2位于准备区前方一侧，物料平台1用以放置生产所需的各类配件，预热处理炉3位于整个设备的机架旁，用于预热型壳、坩埚、棒料、石英罩等物料。

机械夹爪4上方设有夹爪导轨5，用以供机械夹爪4前后移动操作；整个工艺流程均由机械夹爪4和滚筒运输轨道12根据自动生产信号箱2发出的指令进行工作。

型壳25、坩埚18、棒料、石英罩6等在预热处理炉中进行预先预热，以防止后续熔炼过程坩埚18和透明石英罩6骤热发生破裂，所述坩埚18为一次性硅酸锆陶瓷纤维坩埚，坩埚18外设有透明石英罩6，可观察合金液状态。型壳25预热至指定温度（900-1300℃）后，铸造生产开始。

在准备区，自动生产信号箱2发出指令，机械夹爪4依次将底部预开口的一次性坩埚、棒料和透明石英罩6放置在坩埚支架19上，组装成铸造室上盖7并放置在左侧的上盖支架8上。内设转盘22的离心铸造室壳体26预先置于准备区的安装板上，机械夹爪4将预热后的型壳25组装到转盘22的可调固定座23上，并填充保温砂。

型壳25由可调固定座23和型壳压板20固定在转盘22上，型壳压板20用定位销24固定在转盘22上，可通过弹性销21来调整型壳压板20的高度。转盘22与离心铸造室壳体26之间采用磁流液体密封27，以实现转盘22带动型壳25独立转动。所述离心铸造室壳体26两侧设有电磁阀9，可外接真空泵11。机械夹爪4随后盖好铸造室上盖7，形成一个离心铸造室14。离心铸造室14中转盘22的转盘轴28在后续工序中通过联轴器29与工作区的电动转轴30相连，后续浇注时转盘22可带动型壳25在真空离心铸造室14转动。

该组装好的离心铸造室14由滚筒运输轨道12自动运输至真空工作区，真空泵11接离心铸造室壳体26上的电磁阀9进行抽真空，当真空表10示数达到设定值（0.1~10Pa）后，电磁阀9自动关闭。该抽完真空后的离心铸造室14随后由滚筒运输轨道12自动运输至离心铸造工作区。

上述准备区的组装工作和真空工作区的抽真空工作均为流水线化工作，上一组离心铸造室送至真空工作区后，下一组离心铸造室即在准备区开始组装工作。

在离心铸造工作区，机械夹爪4将该离心铸造室固定在工装板15上，转盘轴28通过联轴器29与电动转轴30相连接。自动生产信号箱发出指令，机架上方的可升降加热线圈13在驱动机构驱动下自动下降，并进行快速真空感应熔炼及离心铸造过程，快速感应熔炼采用大功率电源，融化率可达2kg/min，可升降加热线圈13自上而下移动，以保证棒料完全融化且浇注时不会断流。离心铸造过程时，金属液升温至液相线时，电动转轴30自动开启，使转盘22和型壳25达到限定转速，待熔体升温至浇注温度后会自动从坩埚18的预开口流入浇道。所述浇注温度比合金的液相线温度高50~200℃，尤其是在70~150℃之间选择；所述限定转速为300~600r/min，优选的应采取400~500 r/min。浇注和成型过程中仅铸造室内部的转盘22带动型壳25转动，坩埚18处于静止状态，以保证浇注过程的稳定性。在感应熔炼及离心铸造过程中，安装好的下一组离心铸造室，进行抽真空处理。

在该过程中，感应熔炼线圈的移动速度对于整个铸造工艺具有非常关键的作用，移动速度过快，则铸锭不能充分熔化，过热度较低，合金液粘度大，合金液纯净度下降，容易引起薄壁部位欠浇，最后凝固部分补缩差，容易产生缩松缩孔缺陷；若移动速度过慢，则会导致浇注温度过高，增加了加热功率与时间，且温度梯度过大易使晶粒粗化。

因此本发明采用如下的方式对线圈的移动速度进行控制：

式中，

为线圈向下移动速度，单位为m/s；

为线圈加热功率，单位为W；

为线圈的移动行程，单位为m；

为铸造所用合金换算后的相变潜热，单位为J/Kg；

为铸造所用合金的浇注过热度，单位为℃；

为铸造所用合金的液态比热容，单位为J/(Kg·℃)；

为铸锭质量，单位为Kg；

为加热损耗系数，取值范围为0.3~0.9。

待铸件成型后，可升降加热线圈13自动上升，整个真空离心铸造室被滚筒运输轨道12运输至冷却台17，由定位支架16定位，打开电磁阀9进行破真空冷却。与此同时，组装并抽完真空的下一组离心铸造室可立即运输至离心铸造工作区进行自动感应熔炼。

冷却后的离心铸造室被自动运输至拆卸区，并由机械夹爪4取出铸件。

此方法实现了抽真空过程和感应熔炼过程同步进行，极大地提高了生产效率。整个流程均由自动生产信号箱发出的指令操控机械夹爪和滚筒运输轨道完成，既降低了工人的操作难度，改善劳动环境，又确保了产品质量，提高了产品合格率。此发明通过更换不同形状的型壳并调整熔炼参数，适用于多种高温合金细晶铸件的制备。

上述的生产线和工艺方法可通过定制不同形状的型壳并调整熔炼参数，制备多种高温合金细晶铸件。采用本自动化生产工艺获得的高温合金涡轮铸件，整体组织均由细小等轴晶构成，晶粒尺寸在0.1~1mm之间，显著提高产品的疲劳性能。另外，离心作用提高了金属液的补缩充型能力，既保证了复杂精密铸件的尺寸精确度，又提高了铸件的致密度，减少了缩松缩孔及夹杂等缺陷，从而提高产品的使用寿命。

以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种高温合金铸件离心铸造全自动生产线，其特征在于，包括自动生产信号箱、机械夹爪、滚筒运输轨道，和顺序连接的准备区、真空工作区、离心铸造工作区、冷却台、拆卸区；

自动生产信号箱发出整个工艺流程的各类指令，所述机械夹爪和滚筒运输轨道执行自动生产信号箱发出的指令；其中所述滚筒运输轨道用以将离心铸造室在准备区、真空工作区、离心铸造工作区、冷却台、拆卸区之间输送；

所述准备区包括预热处理炉，铸造用型壳、坩埚、棒料在预热处理炉中进行预先预热，机械夹爪根据指令取出预热后的型壳、坩埚和棒料，并组装离心铸造室，所述离心铸造室包括壳体，内设转盘，型壳由固定座和型壳压板固定在转盘上，型壳压板用定位销固定在转盘上，通过弹性销来调整型壳压板的高度，转盘与铸造室壳体采用磁流液体密封，壳体两侧设有电磁阀；

所述真空工作区包括真空泵，所述真空泵连接壳体上的电磁阀进行抽真空；

所述离心铸造工作区包括加热线圈、工装板、电动转轴，所述加热线圈在驱动机构驱动下升降，并对坩埚内的棒料进行熔炼；所述工装板用以固定抽真空后的离心铸造室，所述电动转轴通过联轴器与转盘轴连接并带动离心铸造室中的转盘和型壳进行旋转；

所述冷却台用以供铸造后的离心铸造进行破真空冷却；

所述拆卸区用以供拆卸冷却后的离心铸造室并取出铸件。

2.根据权利要求1所述的一种高温合金铸件离心铸造全自动生产线，其特征在于，所述坩埚为一次性硅酸铝陶瓷纤维坩埚。

3.根据权利要求2所述的一种高温合金铸件离心铸造全自动生产线，其特征在于，所述坩埚带有预开口的底部。

4.根据权利要求3所述的一种高温合金铸件离心铸造全自动生产线，其特征在于，所述全自动生产线为流水线作业，包括多组依次进行作业的离心铸造室。

5.采用权利要求4所述生产线进行高温合金铸件离心铸造全自动生产的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）离心铸造室组装：自动生产信号箱发出指令，机械夹爪将底部预开口的一次性坩埚、棒料和透明石英罩组装成铸造室上盖，内设转盘的离心铸造室壳体预先置于准备区的安装板上，机械夹爪将预热后的型壳组装到转盘的可调固定座上，型壳由可调固定座和型壳压板固定在转盘上，型壳压板用定位销固定在转盘上，转盘与铸造室壳体之间采用磁流液体密封，壳体两侧设有能够外接真空泵的电磁阀；机械夹爪随后盖好铸造室上盖，形成组装好的离心铸造室；

（2）抽真空：组装好的离心铸造室由滚筒运输轨道自动运输至真空工作区，真空泵接离心铸造室壳体上的电磁阀进行抽真空，当真空表示数达到设定值后，电磁阀自动关闭；

（3）离心铸造：抽完真空后的离心铸造室随后由滚筒运输轨道自动运输至离心铸造工作区；在离心铸造工作区，机械夹爪将该离心铸造室固定在工装板上，转盘轴通过联轴器与电动转轴相连接；自动生产信号箱发出指令，机架上方的加热线圈在驱动机构驱动下自动下降，并进行快速真空感应熔炼及离心铸造过程，离心铸造过程时，金属液升温至液相线时，电动转轴自动开启，使转盘和型壳达到限定转速，待熔体升温至浇注温度后自动从坩埚的预开口流入浇道，浇注和成型过程中仅铸造室内部的转盘带动型壳转动，坩埚处于静止状态；

（4）冷却：铸件成型后，加热线圈自动上升，整个真空离心铸造室被滚筒运输轨道运输至冷却台，打开电磁阀进行破真空冷却；

（5）冷却后的离心铸造室被自动运输至拆卸区，并由机械夹爪取出铸件。

6.根据权利要求5所述进行高温合金铸件离心铸造全自动生产的方法，其特征在于，步骤（2）中，离心铸造室送至真空工作区后，即在准备区开始下一组离心铸造室的组装工作。

7.根据权利要求6所述进行高温合金铸件离心铸造全自动生产的方法，其特征在于，步骤（3）中，离心铸造室在感应熔炼及离心铸造过程中，组装好的下一组离心铸造室在真空工作区进行抽真空处理。

8.根据权利要求7所述进行高温合金铸件离心铸造全自动生产的方法，其特征在于，步骤（3）中，感应熔炼过程棒料的熔化率为2kg/min。

9.采用权利要求5-8任一项所述方法得到的高温合金铸件，其特征在于，所述高温合金铸件由细小等轴晶构成，平均晶粒尺寸在0.5~1mm之间。

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