CN102581255B - 一种大型复杂薄壁铝合金铸件真空加压铸造的装置及工艺 - Google Patents

Abstract

用于真空下浇注、充型并在压力下结晶、凝固最终获得大型复杂薄壁铝合金铸件的装置包括：真空加压铸造工作舱、抽真空系统、空气加压系统和智能控制系统。真空加压铸造工作舱为高压气密封罐，采用立式布局，上部为气缸驱动的可翻转密封盖和用于旋转密封的锁紧环，密封盖上设压力、真空度检测装置，舱内设置有浇包和翻转浇注驱动装置、金属液导流槽以及翻转测温装置等，外部另设手动浇注机构；抽真空系统由真空泵、真空储备舱及管路系统构成；空气加压系统由空压机、冷干机、压力储备舱及电路、管路系统构成；智能控制系统由PLC控制装置、气罐、安全警示灯及附属管路系统组成，其中PLC控制装置与各设备相连，将真空度、压力、温度等数据全部收集并显示，实现对各设备的智能控制，保证真空加压铸造各阶段的依次、连续、顺利进行。

Description

一种大型复杂薄壁铝合金铸件真空加压铸造的装置及工艺

技术领域

本发明涉及一套用于在真空下浇注、充型并在压力下结晶、凝固最终获得大型复杂薄壁铝合金铸件的装置及其工艺。

背景技术

在航空航天、武器装备、汽车、船舶等领域，大型复杂薄壁铸件，尤其是大型复杂薄壁铝合金舱体、箱体铸件的需求和应用正越来越广泛。

该类铸件具有轮廓尺寸大（最大1.5m左右）、薄壁（最薄2.5mm左右）、内腔结构复杂、热节众多等不利于成形的特点，导致其铸造难度大大高于普通铸件，常常出现气孔、夹杂多、薄壁部位浇不足、厚大热节部位疏松严重等诸多缺陷难以解决。相反，由于应用领域限制，对于该类铸件的内部质量要求通常却相当高，大多属于Ⅰ类铸件，尺寸精度高，主要部位真空度、疏松度等级均限制在Ⅱ级以上。传统的铸造工艺经验证很难达到上述要求，而采用以石膏等耐火材料为铸型的真空充型、加压凝固铸造工艺则可以极大消除传统铸造产生的缺陷，顺利铸造出各种优质的大型复杂薄壁铸件，工业潜力巨大。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种用于真空下浇注、充型并在压力下结晶、凝固最终获得大型复杂薄壁铝合金铸件的装置。

本发明的另一个目的在于提供一种上述装置用于制备大型复杂薄壁铝合金铸件的铸造工艺。

本发明的目的是这样实现的，一种用于真空下浇注、充型并在压力下结晶、凝固最终获得大型复杂薄壁铝合金铸件的装置，其特征在于包括以下四个组成部分：真空加压铸造工作舱、抽真空系统、空气加压系统和智能控制系统。真空加压铸造工作舱为高压气密封罐，采用立式布局，上部为气缸驱动的可翻转密封盖和用于旋转密封的锁紧环，密封盖上设压力、真空度检测装置，舱内设置有浇包和翻转浇注驱动装置、金属液导流槽以及翻转测温装置等，外部另设手动浇注机构；抽真空系统由真空泵、真空储备舱及管路系统构成；空气加压系统由空压机、冷干机、压力储备舱及电路、管路系统构成；智能控制系统由PLC控制装置、气罐、安全警示灯及附属管路系统组成，其中PLC控制装置与其他设备相连，将真空度、压力、温度等数据逐一收集并精确显示，最终实现对各设备的智能控制，保证真空加压铸造各阶段的依次、连续、顺利进行。

上述抽真空系统包括如下阀：电磁阀a和电磁阀b，依次连接在真空储备舱和真空加压铸造工作舱之间；电磁阀c，连接在真空泵与电磁阀a、电磁阀b连接段之间。上述空气加压系统包括如下阀：电磁阀d和电磁阀e，依次连接在真空加压铸造工作舱和压力储备舱之间；电磁阀f，连接在冷干机与电磁阀d、电磁阀e连接段之间。上述真空加压铸造工作舱和压力储备舱分别设有安全阀g、安全阀i，压力超标时可自动卸压至设定值来保证人身、设备的安全，真空加压铸造工作舱另设有卸压阀h。上述智能控制系统包括如下阀：电磁阀k，连接在气罐和密封盖、锁紧环之间；单向阀j，连接在气罐和压力储备舱之间，可实现压力储备舱到气罐的单向连通。

上述装置对工作舱进行抽真空的步骤包括：（1）真空储备：开启电磁阀a和c，关闭电磁阀b，启动真空泵，对真空储备舱抽真空，至所需真空度时停止；关闭阀a，真空储备结束；（2）抽真空：首先确保工作舱密封盖、锁紧环及阀c、g、h、d处于关闭状态，打开阀a和b开始抽真空，至工作舱内达到所需真空度时停止。

上述装置对工作舱进行加压的步骤包括：（1）压力储备：开启电磁阀e和f，关闭电磁阀d和j，启动冷干机和空压机，对压力储备舱进行加压，至所需压力值时停止；关闭阀e，压力储备结束；（2）加压：首先确保工作舱密封盖、锁紧环及阀e、g、h、b处于关闭状态，打开阀d和e开始加压，至工作舱内达到所需压力值时停止；（3）卸压：加压结束后打开泄压阀h即可。其中，冷干机起到干燥、净化压缩空气的作用。

上述智能控制系统可以实现对上述抽真空、加压设备及相关阀门的自动、同步开合操作，并在显示面板上以数字、曲线、符号、指示灯等形式及时、准确、生动的显示各自所处的状态。例如，在浇注、凝固阶段，PLC控制装置可以通过驱动伺服电机精确控制浇包翻转的角速度，从而精确控制浇注速度和时间，而上述阶段的主要工艺参数如铝液温度、真空度、浇注时间、压力、保压时间等均可通过显示面板上的图符精确显示。

上述浇包所在的翻转装置则与伺服电机连接，可通过PLC装置启动电机实现浇包翻转，完成浇注。上述气罐与压力储备舱通过单向阀连通，长期处于压力饱和状态。上述锁紧环和密封盖均设有气缸驱动装置，工作时，依靠气罐提供的气压实现旋转、开合。如遇停电等突发情况，利用气罐内的储备压力，借助手动操作，同样可以完成浇注、密封盖开启和浇包、铸型出舱等操作。

本发明的另一个目的是这样实现的，一种用于大型复杂薄壁铝合金铸件真空加压铸造的工艺，其特征在于包括以下步骤：

第一步，熔炼铝合金，精炼结束后控制铝液温度在浇注温度以上50~60℃待用；

第二步，通过PLC控制系统打开真空加压铸造工作舱的密封盖，借助行车将焙烧结束的石膏铸型吊入舱内，同时调节导流槽位置，直至对准铸型浇口杯；

第三步，将所需量的铝液转移至浇包并吊入舱内翻转装置上；

第四步，关闭并锁紧密封盖，启动抽真空系统开始抽真空，直至真空度达到-0.08~-0.09MPa；

第五步，通过工作舱内置翻转测温装置检测铝液温度，待降至浇注温度时，启动伺服电机使浇包按照一定角速度翻转，浇注铝液；

第六步，浇注结束立即启动空气压缩系统，使工作舱内压力迅速达到0.4~0.5MPa，并保压至铝液全部凝固；

第七步，开启卸压阀，促使舱内压力降回大气压；

第八步，打开工作舱密封盖，依次取出浇包、导流槽，吊出铸型并清理。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明装置自动化程度高，主要操作步骤如开合舱盖、抽真空、浇注、加压凝固等均可通过PLC控制快速、精确完成，操作简便；已进行和即将进行的阶段步骤以及各阶段的工艺参数如铝液温度、真空度、浇注时间、压力、保压时间等在显示装置上均予以生动显示、一目了然，保证真空加压铸造各阶段的依次、连续、顺利进行。

设备安全系数高，通过警示灯、安全阀等的设置，可有效防止压力过大等导致的不安全隐患，保证人身、设备安全；

通过气罐以及相关手动操作装置，可以防止工作时停电等突发事件造成的浇注、密封盖开启和浇包、铸型出舱等动作无法完成。

工作舱舱体壁、浇包壁均设先进隔热层，可实现铸型型腔从焙烧结束到浇注开始降温小于20℃，降温速度约0.7℃/min，铝液从熔炼结束到浇注开始降温小于55℃，降温速度小于2℃/min,良好的保温效果可以较好满足铸件浇注、凝固所需的温度条件，减少降温过快而不得不提高熔炼温度造成的氧化烧损，同时保证有充足的时间使舱内真空度达到规定值。

该装置连续性强，工作效率高，避免过多的时间、物资损耗，推广应用价值较高，工业潜力巨大。

2、本发明工艺下的铝液在真空下浇注、充型可以防止卷气、氧化等带来的铸件内部针孔、氧化夹杂等缺陷的产生，同时真空下铝液充型阻力大大减小，流动性改善明显，充型能力大幅提高，有利于浇不足现象的发生；铝液在压力下结晶、凝固，可以提高铝液的补缩能力，改善组织致密度，抑制溶解气体的析出，最终获得组织、力学性能均优良的铸件。

对于大型薄壁复杂铝合金铸件来说，轮廓尺寸大导致铝液流程过长，大面积薄壁结构使得充型困难，热节厚大且众多则极易出现缩孔、缩松，传统铸造很难完成，而本工艺则可以彻底解决上述问题，获得内部质量优异的Ⅰ类铸件，解决困扰铸造领域多年的难题，服务于航空航天、汽车船舶以及国防相关领域。

附图说明

图1为本发明用于大型复杂薄壁铝合金铸件真空加压铸造的装置的结构示意图。

具体实施方式

实施例，本实施例以某大型复杂铝合金壳体铸件为应用对象，具体轮廓尺寸：高1246mm,小端圆Φ300mm,大端矩形500mm×455mm,主体壁厚2.9mm,内腔多凸台、筋、隔板，材料：ZL114A。

操作步骤见发明内容，主要工艺参数如下：铝液熔炼出炉温度770~780℃；铸型出炉温度290~310℃；真空度：-0.08~-0.09MPa；浇注温度710~730℃；平均浇注速度约2~3kg/s；浇注时间约40~50s；凝固压力0.4~0.5MPa；保压时间20~25min。

Claims (8)

1.一种用于在真空下浇注、充型并在压力下结晶、凝固最终获得大型复杂薄壁铝合金铸件的装置，其特征在于：包括以下四个组成部分：真空加压铸造工作舱、抽真空系统、空气加压系统和智能控制系统，其中：

真空加压铸造工作舱为高压气密封罐，采用立式布局，上部为气缸驱动的可翻转密封盖和用于旋转密封的锁紧环，密封盖上设压力、真空度检测装置，舱内设置有浇包和翻转浇注驱动装置、金属液导流槽以及翻转测温装置，外部另设手动浇注机构；

抽真空系统由真空泵、真空储备舱及管路系统构成；

空气加压系统由空压机、冷干机、压力储备舱及电路、管路系统构成；

智能控制系统由PLC控制装置、气罐、安全警示灯及附属管路系统组成，其中PLC控制装置与其他设备相连，将真空度、压力、温度数据逐一收集并精确显示，最终实现对各设备的智能控制，保证真空加压铸造各阶段的依次、连续、顺利进行,其中抽真空系统包括如下阀：

电磁阀a和电磁阀b，依次连接在真空储备舱和真空加压铸造工作舱之间；

电磁阀c，连接在真空泵与电磁阀a、电磁阀b连接段之间；

上述空气加压系统包括如下阀：

电磁阀d和电磁阀e，依次连接在真空加压铸造工作舱和压力储备舱之间；

电磁阀f，连接在冷干机与电磁阀d、电磁阀e连接段之间；

上述真空加压铸造工作舱和压力储备舱分别设有安全阀g、安全阀i，压力超标时可自动卸压至设定值来保证人身、设备的安全，真空加压铸造工作舱另设有卸压阀h；

上述智能控制系统包括如下阀：

电磁阀k，连接在气罐和密封盖、锁紧环之间；

单向阀j，连接在气罐和压力储备舱之间，可实现压力储备舱到气罐的单向连通。

2.如权利要求1的装置，其中对工作舱抽真空的步骤包括：

真空储备步骤：开启电磁阀a和c，关闭电磁阀b，启动真空泵，对真空储备舱抽真空，至所需真空度时停止；关闭阀a，真空储备结束；

抽真空步骤：首先确保工作舱密封盖、锁紧环及阀c、g、h、d处于关闭状态，打开阀a和b开始抽真空，至工作舱内达到所需真空度时停止。

3.如权利要求1的装置，其中对工作舱进行加压的步骤包括：

压力储备步骤：开启电磁阀e和f，关闭电磁阀d和j，启动冷干机和空压机，对压力储备舱进行加压，至所需压力值时停止；关闭阀e，压力储备结束；

加压步骤：首先确保工作舱密封盖、锁紧环及阀e、g、h、b处于关闭状态，打开阀d和e开始加压，至工作舱内达到所需压力值时停止；

卸压步骤：加压结束后打开泄压阀h；

其中，冷干机起到干燥、净化压缩空气的作用。

4.如权利要求1的装置，其中上述智能控制系统可以实现对上述抽真空、加压设备及相关阀门的自动、同步开合操作，并在显示面板上显示各自所处的状态。

5.如权利要求4所述的装置，其中所述显示采用数字、曲线、符号、指示灯的形式。

6.如权利要求1所述的装置，其中上述浇包所在的翻转装置与伺服电机连接，通过PLC装置启动电机实现浇包翻转，完成浇注。

7.如权利要求1所述的装置，其中上述气罐与压力储备舱通过单向阀连通，长期处于压力饱和状态。

8.如权利要求1的装置，其中上述锁紧环和密封盖均设有气缸驱动装置，工作时，依靠气罐提供的气压实现旋转、开合；如遇停电突发情况，利用气罐内的储备压力，借助手动操作，同样完成浇注、密封盖开启和浇包、铸型的出舱操作。

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