CN2378139Y - 一种异型筒状大型薄壁件的电磁成型铸造设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及到一种铸造设备,特别是涉及到一种异型筒状大型薄壁件的铸造设备。主要用来解决用原工艺铸造异型筒状大型薄壁件所遇到的难题。其结构特点是:在原电磁成型铸锭机的铸锭引出机构上安装一个非金属的空心薄壳型芯(3)以及型芯预热炉。铸造时液体金属进入感应器(22)之内,型芯(3)之外,成型为铸件后,与型芯(3)一道被向下引出,由下而上逐层冷却、凝固。

Description

一种异型筒状大型薄壁件的电磁成型铸造设备

本实用新型涉及到一种铸造设备，特别是涉及到一种异型筒状大型薄壁件的铸造设备。

所谓异型筒状大型薄壁件是一种长：800-3000mm、直径：300-600mm、厚度：3-8mm的圆筒状铸件，其外表面为光滑的圆柱面，其内表面上有横、竖加强筋及圆台等凸起物。实际应用要求这种铸件应具有很高的机械性能及冶金质量。由于其独特的几何形状及高性能的要求，给铸造工艺带来很大的困难。目前国内外采用的工艺之一是差压铸造法，其特点是：液态金属在压力作用下填充型腔并在其中结晶，有助于填充狭窄的型腔，并有助于获得紧实的铸件，然而，长期生产也暴露出这种工艺的不足之处：1.经常出现缩松缺陷，以至报废。2.难以铸出厚度3-8mm、长度2000mm以上的铸件。3.力学性能有时达不到要求。另一种铸造工艺称之为“顺序凝固铸造法”，它与“差压铸造法”互有优缺点，难分仲伯。多年实践及经验证明以上两法均不能满足异型筒状大型薄壁件的高冶金质量，高机械性能的要求。本实用新型经过多年观察，认为以上两法虽然名称各异，都是比较高级的铸造方法，又都是用电子计算机控制的。但其实质上都仍然是砂型铸造法，因为砂型在其中仍处于核心地位。用砂型来铸造高质量的异型筒状大型薄壁件，这就是异型筒状大型薄壁件生产问题的实质。

本实用新型的目的提供一种铸造设备，用以铸出高质量的异型筒状大型薄壁件。称为“一种异型筒状大型薄壁件的电磁成型铸造设备。”

本实用新型的目的是这样实现的，即完全不用砂型来成型，而依靠电磁力约束枝体金属，使之形成外圆柱面。电磁力来源于围绕在铸件之外的电磁感应器(22)中的一次电流I₄和铸件上部的液体合金柱中的涡流I₂的相互作用。铸件的内表面是型芯(3)成型的。它是一个薄壁中空的陶瓷型芯。铸件由浇口盘(13)中被一点点的向下引出，到下方一点点的被冷却，实现了连续定向凝固(彻底的改变了原工艺，砂型铸造法的凝固方式)。这样的铸造方法，将取得如下的有益效果：①铸件凝固前后不与任何固物质相接触，只接触空气和水等流体，故当其凝固后表面很光洁可达₇；②铸件晶粒由于电磁力的搅拌作用及快速冷却而细化，同时也细化了技晶间矩，减少了化学成分偏析；③由于组织改善，也使其机械性能得到大幅的提高；④完全杜绝了各种铸造缺陷，如：气孔、缩松、夹杂、缩孔等。⑤省去了砂型，因而省去了型砂原材料的准备工序、模型制备工序、造型工序等等。而代之以永久性的感应器(22)[即一个感应器(22)可以生产多个铸件]，因而简化了工艺过程，降低了成本。⑥在厚度不变的条件下，可满足各种设计长度要求。

用电磁力约束成型，铸造圆柱型铸锭是原苏联发明的，已有20多年历史了，目前铸造管件的工作也有一些。美国专利NO 4 567 936 ISSUED FEB.4.1986也是一项用电磁成型法连续铸造铝—锂合金锭的发明。它是先用电磁成型法铸造一个大口径薄壁普通铝管，然后再在其中浇铸入铝—锂合金而实现的。其铸造铝管的方法是外表面由电磁结晶器成型(即电磁力成型)，其内表面由一个金属水冷芯成型。此金属芯外表面很光滑，而且很短，其长度与电磁结晶器相近。本实用新型的铸件为异型筒状大型薄壁件，其外表面也是由电磁结晶器成型，其不同点(亦即其特征部分)在于其内表面是由一个薄壁中空的陶瓷型芯(3)形成，它是安装在引出底座(1)之上的，和铸件同时运动和静止，与铸件保持相对静止，称为随动型芯。此芯较长，其长度稍长于铸件，而且此芯在工作时必须预先加热至高温，以避免此芯由上而下进入液体铝合金(14)时，使其发生结晶凝固，使工艺失败。而且此芯外表面有横竖沟槽及圆坑以便在铸件内表面形成横竖加强筋及圆台等凸起物。本实用新型所谓异型筒状大型薄壁件，其中最典型的铸件是导弹舱体。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型，实施例1的主视剖面图

图2是本实用新型，实施例2及实施例3的主视剖面图

图3是本实用新型，实施例4的主视剖面图

图4是本实用新型，实施例5的主视剖面图

在图1中核心零件是感应器(22)，它是一个单匝线圈，是用纯铜加工成带缺口的圆环，外表面为圆柱面，内表面中部为内圆柱面，上部加工成漏斗状，下部有一段加工成反漏斗状，在其附近加工了一个环状喷水口(25)，但它并没有把感应器(22)分成上、下两部分，环状喷水口(25)的入水端的上、下两部分还是连接在一起的，其上有很多小孔，以保证冷却水流出，而其出水端则加工成完整的环状喷水口(25)，以保证沿其圆周方向喷水均匀。圆环上有一个缺口穿过整个截面，在缺口中填有玻璃丝绝缘胶合成的填料，在缺口两端焊有连接中频电源的导线，便形成了完整的感应器(22)。

上板(19)是一个圆形成型耐火砖板，中间有一个大孔，直径和感应器(22)的上孔直径相同。下板(24)是一个用玻璃丝绝缘胶板制成的圆板，中间有一个大孔，直径与感应器(22)的下孔相同。

水箱外壳(20)是一个用玻璃丝胶板制成的圆形套筒，其外径与下板(24)的外径相等，并小于上板(19)的外径。水箱内隔板(23)也是一个用玻璃丝胶板制成的圆形套筒，其上有很多通水口(21)，其作用是把一个环形水箱分成环形水箱(27)及环形水箱(26)。各个玻璃丝胶板衔接处均有密封垫(18)，以保证不漏水。入水管(28)为玻璃丝胶管制成。

以上说明了冷却水箱与感应器(22)的组装情况，当冷却水从环状喷水口(25)喷向铸件(4)时，不但冷却了感应器(22)，而且，也冷却了铸件(4)。

引出底座(1)由不锈钢制成，是一个圆盘与一个垂直空心管件构成的，其圆盘直径稍大于铸件(4)的直径，在其中心有一孔与垂直管件贯通，其垂直管件连接在引出机械上，可以上、下垂直运动，安装时必须保证与感应器(22)同心。在中心孔周围，还有六个孔用以排出冷却水。

芯内喷水环(5)由薄壁不锈钢管制成的圆环与一段很长的不锈钢垂直管构成，其外径比型芯(3)内径约小60mm在其周围钻有倾斜向下、向外方向的喷水小孔一两排。它被安插在引出底座(1)及底盘(2)的中心孔内，由薄壁不锈钢管支撑着，固定在型芯(3)内，略高于环状喷水口(25)的水平高度，并且高度及喷水量可调，冷却水通过垂直的薄壁不锈钢管进入芯内喷水环(5)。

型芯(3)是陶瓷型芯或用水玻璃细砂制成的具有较薄的壁厚、其上有能在铸件上形成横、竖加强筋的沟槽及形成凸台的圆坑，其长度比铸件长200mm，在下端有附加长度150mm，上端有附加长度50mm，中间才是形成铸件内表面的地方，称为有效部分。在制芯时，通过铆钉把它与底盘(2)联结在一起。底盘(2)为不锈钢制成，通过定位销钉及自重和引出底座(1)上的园盘连接在一起，必须保证型芯(3)与引出底座(1)同心安装。与引出底座(1)相对应底盘(2)之中心也有一个孔，以备喷水环(5)安装于其中。另外，中心孔之外还钻有六个孔，加工与安装应保证，它们与引出底座园盘上的六个小孔相贯通，以备排出喷水环(5)喷出的冷却水。

屏蔽罩(16)是一个截面为三角形的圆圈，由不锈钢制成，三角形截面中心通以流动冷却水(15)，它通过支持圆板(17)定位安装在上板(19)之上，必须保证和感应器(22)同心安装。其高度可通过支持圆板(17)来调节。支持园板(17)由玻璃丝胶板制成。

浇口盘(13)形状与作用类似普通浇口杯，象一个圆盘，直径较大，中心有大孔，孔径和铸件直径相等。通过垫板安装在支持园板(17)及耐火材料板(12)上，安装应保证它与感应器(22)同心。

芯内加热炉及芯外加热炉安装在上板(19)之上，是为保证型芯(3)由下而上的各个截面在进入液体铝合金(14)之前，达到一定温度以上而设置的。图1中炉壳(11)、成型耐火层(9)及弧状硅碳棒(10)构成了芯外加热炉，弧状硅碳棒(10)特制成圆弧状，长度为400mm，以避免感应生电。它安装于成型耐火层(9)之园弧状沟槽中；悬挂杆(8)是一个普通碳钢杆，炉体(6)为耐火材料制成，其上有安装圆弧状硅碳棒的沟槽，由悬挂杆(8)、炉体(6)及硅碳棒(7)构成芯内加热炉，其作用在于提高加热速度以及使型芯(3)内、外温度均匀，芯内加热炉的安置也要依据铸件内表面的几何形状有所不同，有时甚至炉形也需要有所变化，有时也可能采用乙炔焰作为加热本。

操作过程：

首先把引出底座(1)下降至最低点，把型芯(3)安装于其上，然后缓慢地上升至最高点，即使型芯(3)的有效部分进入内、外加热炉中，开动所有加热体，待型芯(3)及浇口盘(13)温度均上升至一定温度以上时，由入水管(28)注入冷却水，使之进入环状水箱(27)和环状水箱(26)，又通过环状喷水口(25)喷向铸件方向，再开启感应器(22)，同时开动内冷却水喷水环(5)，此时型芯(3)的底盘(2)正位于感应器(22)中，当把熔炼好的液体铝合金引入浇口盘(13)中，随即进入感应器(22)中，由于电磁力的作用使之贴附于型芯(3)上，成型为液体态铸件，此时，开动引出机械带动引出底座(1)，使型芯(3)向下引出，由于芯内喷水环(5)及芯外环状喷水口(25)喷出的冷却水的冷却作用而凝固为铸件的附加部分，连续如此操作，便铸出了整个铸件及上、下附加部分。最后锯去上、下附加部分，便得完整的铸件。本工艺的芯内、外加热炉所保持的炉内温度、液柱高度以及电磁的推力、引出速度均经闭环自动控制。

图2与图1之区别仅在于屏蔽器(16)之内、液体金属圆柱面之外的气隙内，设置了一个耐火保温层(30)，它是用硅酸铝丝及糊精制成的，如同“毡垫”一般，其厚度等于或略大于原来的气隙，这样上面就相当于有模型，而下面没有模型，就可以改变感应器(22)把其电磁力集中于耐火保温层(30)下方，使其液柱面表面质量更高。

实施例3的主视剖面图，亦如图2所示，仅仅把其耐火保温层(30)换成一层石墨，而使石墨层与原来的气隙厚度基本相等，这样就把电磁成型铸造法与0.C.C法结合起来了，取得良好效果。

图3是取消了图1中屏蔽器(16)、屏蔽器中流动冷却水(15)、支持圆板(17)三个零件后所构成的设备。如图3所示，在浇口盘(13)之下形成一块空白，仍能取得良好的效果。

图4是在图3所示的设备的基础上改进而成的。在其作为模型的感应器(22)之上再加一个附加感应器(16)，以及悬挂在型芯(3)内的水冷铁心(15)而构成的。这两个零件的加入，旨在控制进入感应器(22)中的液态合金数量，以便工艺顺利进行。

综上所述可见：在已知的电磁成型铸造设备中最主要的就是作为模型的感应器(22)，在铸造异型筒状大型薄壁件的条件下，单独采用作为模型的感应器(22)，或者再加入别的附加零件(如屏蔽罩等)都能完成工艺过程，所以本实用新型的权利要求书中前序部分的“形成铸件外表面的电磁感应器(22)系指上述两种情况。

本实用新型是以差压铸造法、直浇道提升法、大口径薄壁铝管的电磁成型铸造法等已知的研究工作为相关工作而提出的，解决了异型筒状大型薄壁件的铸造问题，称为“异型筒状大型薄壁件的电磁成型铸造设备”。属于电磁成型铸造法领域，其创新点在于型芯(3)的特殊性：

1.型芯(3)与铸件保持相对静止，随同运动，称为随动型芯。

2.型芯(3)由下而上的各截面在进入液体铝合金(14)之前，必须被加热至一定温度以上，否则结晶与凝固可能发生在浇口盘(13)中，使工艺失败，因而型芯(3)是高温型芯。

3.型芯(3)是快速冷却型芯。提高试样(或铸件)的冷却速度及增大温度梯度是定向凝固获得超细柱晶组织及优良力学性能的必由之路。在本实用新型中也要像以往前人的工作那样对“铸件”采用快速冷却措施。然而，本工作的特殊性是在铸件的内部，有用非金属材料制成的型芯(3)，因而为了确保“铸件”高速冷却及具有大的温度梯度，必然要求型芯(3)具有快速冷却的特点，否则必将妨碍“铸件”的高速冷却。为使型芯(3)成为快速冷却的型芯，本实用新型采取了以下措施：①采用高强度薄壁中空型芯，例如采用精密铸造的陶瓷型芯，即用硅酸乙酯水解液或水玻璃等粘结剂与人造石英粉、石英砂、铝矾土，用制做精密铸造模壳的方法制成的，这样的陶瓷壳芯，热容量小，便于快速冷却。②在其内部设置喷水环(5)则能有效的增加型芯(3)的冷却速度。③使喷水环(5)的垂直高度，高于铸件外面的环状喷水口(25)，则冷却效果更高。由上可知，本实用新型所谓型芯(3)为快速冷却型芯，其含意是：型芯(3)在同一条件下，冷却速度超过目前铸造生产现场所使用的各种型芯的冷却速度。

Claims (6)

1.一种异型筒状大型薄壁件的电磁成型铸造设备，包括：形成铸件外表面的电磁感应器(22)、形成铸件内表面的型芯(3)、浇口盘(13)、环状喷水口(25)、引出底座(1)以及引出机械，其特征在于型芯(3)是一种随动型芯，是一种高温型芯，是一种快速冷却型芯。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于其型芯(3)定位安装在引出底座(1)上。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于型芯(3)是略长于铸件的陶瓷薄壁中空型芯。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于在设备的上部有加热型芯(3)的芯外及芯内加热炉。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于在设备的上部有加热型芯(3)的芯外加热炉而无芯内加热炉。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于在芯内设置了喷水环(5)，安装在一定高度。

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