CN104001900A - 多功能反重力铸造物理模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能反重力铸造物理模拟装置，包括下罐压力系统、上罐压力系统、水浴加热系统、浇注系统，所述的装置的配料为有机玻璃、聚碳酸酯或玻璃。本发明选用类金属有机物，如丁二腈作为模型合金，实现模型合金的低压铸造、差压铸造、调压铸造或真空吸铸过程，可直观地观测模型合金在反重力条件下的充型规律，最终获得反重力铸造过程中，铸件浇注系统结构参数和反重力铸造设备工艺参数。

Description

多功能反重力铸造物理模拟装置

技术领域

本发明涉及一种模拟装置，尤其是一种多功能反重力铸造物理模拟装置。

背景技术

进入新世纪，我国航空、航天、航海等应用领域，对传动系统和武器装备的使用要求越来越高，这些装备的关键支撑件，如航空发动机传动系统主减机匣，对复杂薄壁铝合金构件的需求越来越明显。复杂薄壁件的铸造技术已成为国防现代化建设的关键技术之一。对于这些复杂薄壁、多油路的镁、铝合金结构件，利用反重力铸造可以增强合金液的补缩能力，减少冷隔、欠铸等铸造缺陷。

反重力铸造兴起于20世纪50年代，它是指通过控制坩埚所在熔炼室内外的压强，在坩埚内的合金液上方形成一定的压强差(压差)，迫使合金液在压差的作用下，沿升液管自下而上克服重力及其它阻力充填铸型，并在一定压力下获得铸件的一种方法。

根据反重力铸造压差的不同形成方式，将其分为低压铸造、差压铸造、调压铸造及真空吸铸。低压铸造是将铸型置于大气压下，合金液所在坩埚置于下罐中，通过实时控制下罐的压强，迫使合金液沿升液管以一定的速度充型，当合金液充满铸型并完全凝固后，对下罐卸压，使得剩余的合金液从升液管倒回至坩埚，节省合金原材料。与低压不同的是，差压铸造是将铸型也置于压力釜，即上罐内，通过控制上下罐的压强，产生压差，压差不但驱动合金液充型，而且合金液的凝固过程也是在一定压差作用下完成的。调压铸造，是指合金液在负压下充型，在正压下凝固，设备结构非常接近于差压铸造。真空吸铸过程是指，合金液在较大的负压下充型，因此充型速度往往很快。

在反重力铸造的实验与生产探索研究中，王忠等基于铸件/铸型的传热学理论(王忠，牛晓峰，侯华.低压铸造下凝固过程缩孔缩松的预测方法研究.铸造.2011,60(10):983-987)，研究了低压铸造下铸件缩孔、缩松缺陷的形态，考虑到低压铸造补缩具有重力补缩和压力补缩双重性质的规律，以及压力对临界固相率的影响，提出了一种新的预测低压铸造下缩孔缩松预测的方法，并其进行了数值模拟计算。后进行验证，结果显示与实际吻合度较高。

米国发等研究了差压铸造不同工艺参数对A357合金二次枝晶间距的影响(米国发,文涛,王狂飞等.差压铸造凝固条件对A357合金二次枝晶的影响.铸造.2007,56(2):137-140)，实验结果表明,安放冷铁的石英砂型减小二次枝晶间距的能力最强；由于端部的激冷效应,离冷端越近,二次枝晶间距越小；压力对二次枝晶间距没有明显的影响；为了获得σ_bmax(最大抗拉强度)≥320MPa的铸件,二次枝晶间距应控制在55μm以下,即V_L(局部凝固速度)≥0.23℃/s。

利用反重力铸造方法，浇铸尺寸较大、结构复杂的铸件时，如要求较高的充型速度，往往采用带吸铸室的真空吸铸工艺，即CLA(Counter-gravity Low-pressure Casting)法(陈善贤，郝启堂，李强等.真空吸铸设备的发展与展望.铸造技术.2012,33(12):1478-1481.)，将铸型置于吸铸室内，密封室下降，直浇道浸入液态金属中，启动真空泵将吸铸室抽成负压状态，液态金属同时被吸入铸型。铸型内合金液凝固后，解除吸铸室的真空状态，浇道及升液管内尚未凝固的金属液回流至坩埚，取出铸型，清理后得到铸件。

应用真空吸铸工艺时，有学者认为充型速度过快，对于复杂薄壁件而言，会在铸件内部产生大量气孔缺陷。为证明此观点，根据相似原理设计制作了真空吸铸叶轮铸件的水力模拟实验装置(孙逊,王君卿.真空吸铸叶轮铸件水力模拟试验研究.特种铸造及有色合金.1998,(6):18-21)，研究了水充填模型型腔过程中型内压力和充型速度变化规律,通过实验确定了合理的充型工艺参数,并将其应用于实际叶轮吸铸试验中,消除了铸件内的大面积气孔缺陷。

目前反重力铸造工艺，应用于复杂薄壁铝、镁合金铸件方面，仍有一些问题急待解决：

1).充型过程中，型内具有较高的气体反压力(真空吸铸除外)，影响了液态合金的充型能力，导致反重力铸造在压强精确控制方面难度很大；

2).低压、差压铸造时，型内残余气体，极易与铝、镁合金液表面发生化学反应生成氧化膜，导致卷入合金液形成夹渣和气孔，形成铸造缺陷，这类缺陷在型腔内的分布与充型速度间的关系没有摸清；

3).关于液态金属的充填形态对复杂薄壁铸件凝固过程的影响，文献研究较少，尤其是金属液回流规律与压差间的关系方面，科技工作者仍然缺乏对反重力铸造充型规律的认识；

4).现有的水力学物理模拟实验装置功能单一，不能涵盖低压、差压、调压和真空吸铸等反重力铸造过程；现有的物理模拟装置中，模型介质多为水，无法模拟金属的凝固过程。

发明内容

本发明针对以上问题，利用相似准则，自行研制一种多功能反重力铸造物理模拟装置，利用该装置：可定量地研究反重力铸造过程中，液面上升速率与压差间的函数关系，有助于实现反重力铸造的精确压差控制；可研究夹渣和卷气随充型流动的分布规律，有助于工艺人员避免和消除这类缺陷在反重力铸造过程中产生；可实现多次模型液态介质沿升液管的回流实验，有助于摸清真实合金液的回流规律；该装置如选用低熔点的类金属有机物(丁二静)，则可以实现反重力铸造的凝固过程实验，用于研究真实合金液在反重力铸造过程中，充型完毕后的凝固规律。

本发明的具体技术方案是，多功能反重力铸造物理模拟装置包括下罐压力系统、上罐压力系统、水浴加热系统、浇注系统，下罐压力系统包括下罐、承力盖板、承力底板、下罐加压阀，所述的下罐罐口通过密封形式安装有承力盖板，内部设置有安装水浴系统的下承力板，罐体上设置有下罐卸压阀、与加压装置相连接的下罐加压阀、下罐压力表；上罐压力系统包括上罐、上罐加压阀、上罐抽气阀，所述的上罐的罐口向下，可密封安装在所述下罐罐口上，上罐罐体上设置有上罐卸压阀、与加压装置连接的上罐加压阀、与抽气装置连接的上罐抽气阀、上罐压力表及测温设备；水浴加热系统包括设置在下罐体内的下承力底板上的水浴容器、设置在水浴容器内的水浴坩埚、测量水浴容器内液体温度的测温设备及加热液体的加热设备；浇注系统包括升液管，所述的升液管的下端浸没在水浴坩埚内液体的液面以下、上端穿过承力盖板与铸型的型腔相连，所述的升液管与承力盖板密封。

所述的上罐、下罐、承力盖板的材料为有机玻璃或聚碳酸酯；水浴坩埚、水浴容器、升液管的材料为玻璃；下罐体上还可以设置有玻璃观察窗；水浴容器内的介质体为水，水浴坩埚内的介质为水或溶点低于水的沸点的类金属有机物，如丁二腈，在水浴坩埚内的介质里还可以包括可溶的示踪粒子(如有机溴化物等)；下罐的罐口设置有法兰边，在法兰边上设置有梯形槽，槽内安装有密封胶圈，上罐的罐口配合的安装，在密封胶圈的上部；所述的下罐的罐口设置有上宽下窄的台阶，承力盖板配合的安装在台阶上，在所述的配合处设置有密封胶圈，在下罐和承力盖板之间设置有由两个连杆连接的活铰链，所述的活铰链一端固定在下罐罐体上，另一端设置在承力盖板上，且至少一个所述的连杆具有弹性，所述的承力盖板上固定安装有锁紧垫圈，活铰链的一端固定在锁紧垫圈上；所述的升液管上设置有凸起，承力盖板上设置有与凸起相配合的槽，所述的凸起配合的安装在槽内，与所述的槽配合的一面设置有胶圈，另一面可以通过设置在承力盖板上的滑动档片将胶圈压紧；所述的抽气装置包括与抽气电机连接的真空泵，真空泵连接负压罐，负压罐通过气管与上罐抽气阀连接，所述的负压罐上设置有真空传感器；所述的加压装置包括与加压电机相连的充气泵，充气泵通过气管与上罐加压阀和/或下罐加压阀连接，所述的加压装置可以为一套；所述的测温设备与加热设备与温控柜连接，测温设备为热电偶传感器，加热设备为电加热管；所述的多功能反重力铸造物理模拟装置安装在支撑系统上。

上、下罐压力系统的工作原理为：加压时，电动机工作带动充气泵，通过气管对上、下罐进行充气加压。当上罐加压阀关闭、下罐加压阀打开时，只对下罐进行加压；当上罐加压阀打开、下罐加压阀关闭时，只对上罐进行加压。当压力表显示的气压值达到所设定值时，压控箱控制电动机停止工作，停止加压。抽真空时，电动机带动真空泵工作，对负压罐进行抽真空，将上罐抽气阀打开，对上罐进行抽真空。当真空计显示的真空值达到所设定值时，真空传感器控制电动机停止工作，停止抽真空。

水浴加热系统的工作原理为，电加热管将水浴加热至设定温度(T₀)，热电偶将T₀反馈给温控柜，温控柜发出通电信号给电加热管，电加热管持续加热。当水浴温度≥T₀时，热电偶将水浴温度值反馈给温控柜，温控柜发出断电信号给电加热管，电加热管停止加热。当水浴温度＜T₀时，同理电加热管开始加热。

浇注系统的工作原理为，模型合金在上、下罐压强差的作用下，经升液管注入铸型型腔内，当模型合金开始凝固时，卸去压强差，模型合金回流至模型合金坩埚内。

本发明所提装置的多功能性体现在，它可实现低压铸造物理模拟、差压铸造物理模拟、调压铸造物理模拟或真空吸铸物理模拟，以下将分别介绍。

1).低压铸造物理模拟

将上罐卸去、下罐加压阀关闭，放置浇注系统，启动下罐加压系统，对下罐进行加压(最大压强为3Bar)产生压差Δp，选取模型液体介质为水，在水中加入示踪粒子后，可直观地观测，低压铸造条件下铸型内模型液态介质的充型流动规律；

2).差压铸造物理模拟

安装上罐与下罐紧密配合，放置浇注系统，启动上、下罐加压系统，打开上罐加压阀和下罐加压阀，对上、下罐同时加压，达到设定值P₀时，通过上罐卸压孔卸压(减压法)或者关闭上罐加压阀继续对下罐进行加压(增压法)。这两种方法，均可产生Δp，选取模型液体介质(36)为水，在水中加入示踪粒子后，可直观地观测，差压铸造条件下，铸型内模型介质充型流动规律；

3).调压铸造物理模拟

安装上罐与下罐紧密配合，放置浇注系统，同时启动上罐抽真空系统和下罐加压系统，产生Δp，使模型液态介质，在负压下充填铸型；选取模型液体介质为水，在模型液态介质中加入示踪粒子后，可直观地观测，调压铸造条件下，铸型内模型液态介质的充型流动规律；

4).真空吸铸物理模拟

安装上罐与下罐紧密配合，放置浇注系统，关闭上罐加压阀，打开上罐抽气阀，启动上罐抽真空系统，将上罐的气压降至设定值(最小为100Pa)，在上、下罐间产生Δp，使模型液态介质，在负压下充填铸型。选取模型液体介质为水，在模型液态介质中加入示踪粒子后，可直观地观测，真空吸铸条件下，铸型内模型液态介质的充型流动规律；

5).如将模型液态介质换成低熔点的类金属有机物(如丁二腈)，置于水浴坩埚内，启动水浴加热系统(功率为2kw，水浴加热至100℃)，将类金属有机物加热熔化至液态。然后启动真空或加压系统，可分别在上述低压铸造物理模拟实验、差压铸造物理模拟实验、调压铸造物理模拟实验或真空吸铸物理模拟实验中，模拟实际合金在反重力铸造条件下的凝固过程。

本装置选用类金属有机物，如丁二腈作为模型合金，通过水浴加热系统熔化模型合金，借助上、下罐独立的抽真空和加压系统，产生反重力铸造过程中的压差，实现模型合金的低压铸造、差压铸造、调压铸造或真空吸铸过程。利用该物理模拟装置，可直观地观测模型合金在反重力条件下的充型规律，包括压差对模型合金充型速度的影响规律，压差对模型合金凝固收缩的影响规律，压差与模型合金缺陷形式和位置的影响关系。从而进行反重力铸造工艺参数优化研究，最终获得反重力铸造过程中，铸件浇注系统结构参数和反重力铸造设备工艺参数。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为上、下罐密封结构及承力底板预安装状态示意图；

图3为上、下罐密封结构及承力底板预压紧状态示意图；

图4为升液管与承力压板安装示意图。

具体实施方式

如图所示，多功能反重力铸造物理模拟装置包括下罐压力系统、上罐压力系统、水浴加热系统、浇注系统，下罐压力系统包括下罐1、承力板21、下承力底板2、下罐加压阀6，所述的下罐1的罐口通过密封形式安装有承力盖板21，内部设置有安装水浴系统的下承力板2，罐体上设置有下罐卸压阀5、与加压装置相连接的下罐加压阀6、下罐压力表22；上罐压力系统罐口向下，可密封安装在所述下罐1罐口上的上罐17，上罐17罐体上设置有上罐卸压阀15、与加压装置连接的上罐加压阀13、与抽气装置连接的上罐抽气阀14、上罐压力表18及测温设备19；水浴加热系统包括设置在下罐1罐体内的下承力底板2上的水浴容器4、设置在水浴容器4内的水浴坩埚3、测量水浴容器4内液体温度的测温设备24及加热液体的加热设备23；浇注系统包括升液管26，所述的升液管26的下端浸没在水浴坩埚3内液体的液面以下、上端穿过承力盖板21与铸型16的型腔相连，所述的升液管26与承力盖板21密封，所述的上罐17、下罐1、承力盖板21的材料为有机玻璃或聚碳酸酯；水浴坩埚3、水浴容器4、升液管26的材料为玻璃。所述的下罐1体上还可以设置有玻璃观察窗27。所述的水浴容器4内的介质体为水，水浴坩埚3内的介质为水或溶点低于水的沸点的类金属有机物，如丁二腈。所述的在水浴坩埚3内的介质里还可以包括可溶的示踪粒子，包括有机溴化物。所述的下罐1的罐口设置有法兰边30，在法兰边30上设置有梯形槽，槽内安装有密封胶圈31，上罐17的罐口配合的安装在密封胶圈31的上部；所述的下罐1的罐口设置有上宽下窄的台阶，承力盖板21配合的安装在台阶上，在所述的配合处设置有密封胶圈32，在下罐1和承力盖板21之间设置有由两个连杆连接的活铰链33，所述的活铰链33一端固定在下罐1罐体上，另一端设置在承力盖板21上，且至少有一个连杆具有弹性。所述的承力盖板21上固定安装有锁紧垫圈34，活铰链33的一端固定在锁紧垫圈34上。所述的升液管26上设置有凸起28，承力盖板21上设置有与凸起28相配合的槽，所述的凸起28配合的安装在槽内，与所述的槽配合的一面设置有胶圈29，另一面可以通过设置在承力盖板21上的滑动档片40将胶圈压紧。所述的抽气装置包括与抽气电机10连接的真空泵11，真空泵11连接负压罐12，负压罐12通过气管与上罐抽气阀14连接，所述的负压罐12上设置有真空传感器41；所述的加压装置包括与加压电机9相连的充气泵8，充气泵8通过气管与上罐加压阀13和下罐加压阀6连接，所述的测温设备19、24与加热设备23与温控柜7连接，测温设备19、24为热电偶传感器，加热设备23为电加热管。所述的多功能反重力铸造物理模拟装置安装在支撑系统25上。

Claims (13)

1.一种多功能反重力铸造物理模拟装置，其特征是，所述的装置包括下罐压力系统、上罐压力系统、水浴加热系统、浇注系统，下罐压力系统包括下罐[1]、承力板[21]、下承力底板[2]、下罐加压阀[6]，所述的下罐[1]的罐口通过密封形式安装有承力盖板[21]，内部设置有安装水浴系统的下承力板[2]，罐体上设置有下罐卸压阀[5]、与加压装置相连接的下罐加压阀[6]、下罐压力表[22]；上罐压力系统罐口向下，可密封安装在所述下罐[1]罐口上的上罐[17]，上罐[17]罐体上设置有上罐卸压阀[15]、与加压装置连接的上罐加压阀[13]、与抽气装置连接的上罐抽气阀[14]、上罐压力表[18]及测温设备[19]；水浴加热系统包括设置在下罐[1]罐体内的下承力底板[2]上的水浴容器[4]、设置在水浴容器[4]内的水浴坩埚[3]、测量水浴容器[4]内液体温度的测温设备[24]及加热液体的加热设备[23]；浇注系统包括升液管[26]，所述的升液管[26]的下端浸没在水浴坩埚[3]内液体的液面以下、上端穿过承力盖板[21]与铸型[16]的型腔相连，所述的升液管[26]与承力盖板[21]密封，所述的上罐[17]、下罐[1]、承力盖板[21]的材料为有机玻璃或聚碳酸酯；水浴坩埚[3]、水浴容器[4]、升液管[26]的材料为玻璃。

2.如权利要求1所述的多功能反重力铸造物理模拟装置，其特征是，所述的下罐[1]体上还可以设置有玻璃观察窗[27]。

3.如权利要求1所述的多功能反重力铸造物理模拟装置，其特征是，所述的水浴容器[4]内的介质体为水，水浴坩埚[3]内的介质为水或溶点低于水的沸点的类金属有机物。

4.如权利要求3所述的多功能反重力铸造物理模拟装置，其特征是，所述的水浴坩埚[3]内的介质为丁二腈。

5.如权利要求3或4所述的多功能反重力铸造物理模拟装置，其特征是，所述的在水浴坩埚[3]内的介质里还可以包括可溶的示踪粒子。

6.如权利要求5所述的多功能反重力铸造物理模拟装置，其特征是，所述的示踪粒子为有机溴化物。

7.如权利要求1所述的多功能反重力铸造物理模拟装置，其特征是，所述的下罐[1]的罐口设置有法兰边[30]，在法兰边[30]上设置有梯形槽，槽内安装有密封胶圈[31]，上罐[17]的罐口配合的安装在密封胶圈[31]的上部；所述的下罐[1]的罐口设置有上宽下窄的台阶，承力盖板[21]配合的安装在台阶上，在所述的配合处设置有密封胶圈[32]，在下罐[1]和承力盖板[21]之间设置有由两个连杆连接的活铰链[33]，所述的活铰链[33]一端固定在下罐[1]罐体上，另一端设置在承力盖板[21]上，且至少有一个连杆具有弹性。

8.如权利要求7所述的多功能反重力铸造物理模拟装置，其特征是，所述的承力盖板[21]上固定安装有锁紧垫圈[34]，活铰链[33]的一端固定在锁紧垫圈[34]上。

9.如权利要求1所述的多功能反重力铸造物理模拟装置，其特征是，所述的升液管[26]上设置有凸起[28]，承力盖板[21]上设置有与凸起[28]相配合的槽，所述的凸起[28]配合的安装在槽内，与所述的槽配合的一面设置有胶圈[29]，另一面可以通过设置在承力盖板[21]上的滑动档片[40]将胶圈压紧。

10.如权利要求1所述的多功能反重力铸造物理模拟装置，其特征是，所述的抽气装置包括与抽气电机[10]连接的真空泵[11]，真空泵[11]连接负压罐[12]，负压罐[12]通过气管与上罐抽气阀[14]连接，所述的负压罐[12]上设置有真空传感器[41]；所述的加压装置包括与加压电机[9]相连的充气泵[8]，充气泵[8]通过气管与上罐加压阀[13]和下罐加压阀[6]连接。

11.如权利要求1所述的多功能反重力铸造物理模拟装置，其特征是，所述的测温设备[19]、[24]与加热设备[23]与温控柜[7]连接。

12.如权利要求1或11所述的多功能反重力铸造物理模拟装置，其特征是，测温设备[19]、[24]为热电偶传感器，加热设备[23]为电加热管。

13.如权利要求1或11所述的多功能反重力铸造物理模拟装置，其特征是，所述的多功能反重力铸造物理模拟装置安装在支撑系统[25]上。