CN1051036C - 连作式曲轴及轴类件的电渣熔铸近净成型设备 - Google Patents

Abstract

一种连作式曲轴及轴类件的电渣熔铸近净成型设备，有环台形机座主体结构、自耗电极自动进给机构、自动交替工作的双电极、积木式模具、取工件机械手、循环冷却水系统、计算机控制等七个系统，在计算机控制下运行，对生产过程中的电、渣、水、模四大参量实现自动控制，获得可再现的温度场，准确判定界面坐标和曲拐成形时机，保障连作式电渣熔铸近净成型作业的安全性、提高生产效率和产品一致性。适用于各种曲轴及轴类件的近净成型。

Description

连作式曲轴及轴类件的电渣熔铸近净成型设备

本发明属于在对金属进行精炼的同时，完成产品整体熔铸成型的设备，特别涉及一种连续作业的曲轴及轴类件的电渣熔铸近净成型设备。

在各种轴类件中，曲轴是一种外形复杂、机械性能要求高的零件。目前，工业生产广泛采用着球墨铸铁铸造成型或钢材的全纤维模锻成型方法制造各种曲轴毛坯。铸、锻技术设备投资大，材料、能源消耗多，环境污染重，且产品的先天隐患难以消除。近年来，出现了电渣熔铸曲轴一步整体成型方法及设备，例如，使用中国专利“86108925改进的一次成型曲轴电渣熔铸设备”已能生产出内在质量不低于模锻曲轴的电渣熔铸曲轴毛坯。明显地克服了铸、锻产品易出现的缺陷。现有技术设备由模架支柱、模体、送料机构、自耗电极、底电极、水冷主结晶器组成，利用水冷主结晶器与模体的旋转，滑移，在逐步形成形腔形状的同时，连续熔铸，同时不断改变形腔形状，达到复合变形成型，当水冷主结晶器与模体的旋转、滑移改变形腔形状完毕，曲轴毛坯一次整体成型完成。但是，现有技术设备靠人工、凭经验操作滑动模块使曲拐成型时，不能保障安全，易出事故；产品毛坯周边熔渣结壳不均，造成尺寸离散性大，不能直接与后道机加工接轨；单体间作式生产效率低，材料、能源、工时浪费大，多台设备进行大批量生产时，模具费投资大。锤凿杠撬式开模不但毁模，而且文明程度差。

本发明的目的在于克服现有技术设备的不足，解决现有设备安全性差、效率低、产品尺寸离散性大的问题，采用定量控制生产过程中的电、渣、水、模四大参量，获得可再现的结晶温度场，准确判定界面坐标和曲拐成型时机，以达到连续熔铸作业，产品尺寸近净成型，保障生产安全，提高效率和产品一致性。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现，一种连作式曲轴及轴类件的电渣熔铸近净成型设备，包括(1)主体结构系统，(2)供料系统，(3)电源系统，(4)模具及运行系统，(5)取运工件系统，(6)循环冷却水系统，(7)控制系统，其具体结构构造是：

(1)主体结构由环台型机座、升降台、上转台、下转台和四立柱支承架组成，机座为环台形空心板式结构，周边对应各模具单元设透明排水箱，机座上设2-4个液压升降立柱，液压升降立柱顶设升降台，升降台下方设上转台，机座的上表面是板式环形基台，环形基台下面对中设置下转台，下转台下面设置四立柱支承架。

(2)供料系统，由自耗电极送接机构、自耗电极自动进给机构及与其同步运行的恒温自动过程补渣机构组成，自耗电极送接机构设置在自耗电极自动进给机构的上方和侧边，自耗电极自动进给机构设置在升降台上居中位置，两个恒温自动过程补渣机构悬挂设置在上转台下方。

(3)电源系统，由上电极、自动变替工作的双底电极、电源变压器组成，上电极绝缘悬挂设置在自耗电极自动进给机构下方，在四立柱支承架的其中两根立柱上各设一个底电极，每个底电极设有按程序自动升降，伸出、加紧，松开、退回的机构。

(4)模具及运行系统，由积木式模具系统及保证模具系统中各模具单元进行三维空间程序运动的各执行机构，包括主体结构的机座、升降台、上转台、下转台、双臂下垂式机械手及开模机，上转台下设与其固定悬挂连接的双臂下垂式机械手，基台的环面上依序停放等待工作的各模具单元，下转台上固连开模机，开模机上对称设置每边两个液压开模头，开模头上支承、定位处于工作状态的各层模具，在开模机的内侧与开模头呈90°布局，设两个小型自动进退的砂轮机构，用于在底电极交替前在下转台的驱动下，对工件上底电极夹持区域清除渣壳及磨削整形上作。

(5)取运工件系统，由切割枪、取工件机械手、工件输送机组成，在开模机下面的四立柱支承架外侧设取工件机械手，在每个底电极下面设气割枪，气割枪与底电极之间有带水冷腔的底电极钳形支架、隔离保护，在四立柱支架的底部设锥形漏斗与传送带组成收运渣壳装置。

(6)循环冷却水系统，由变频调速恒压可调供水装置、软管网、接头、透明排水箱、电控阀、各信号传感器及显示仪表与各模具单元中的结晶器连通后组成，透明排水箱设置在立柱结构的机座内。

(7)控制系统，采用现有技术，由总控制台(包括：小型计算机工作站，电源配电柜，驱动循环冷却水的变频调速控制柜，驱动各执行机构的输出信号控制柜，摄像机监视器，打印记录装置，自动、手动转换开关，供手动操作时观察各参变量如电压、电流、功率、流量、压力、温度、进给速度、进给量、熔化速度、熔化量、补渣速度、补渣量的数字仪表)、计算机输出输入接口、监测各参变量的信号传感器及各线路配套件组成。

如上所述的自耗电极自动进给机构为弹簧滚轮压紧传动形式，它由装主动轮组的机架与装从动轮组的压架及压紧弹簧、螺杆、配套标准件组成滚轮机构，用于夹持住自耗电极；在机架上设竖直Z向电机及无极调速驱动装置，驱动滚轮机构夹持自耗电极给进或退出运动：在Z向电机的输出轴上设转速传感器，在机架下方依次设水平X向、Y向调整底座，在调整底座上分别设X、Y微调电机及无极调速驱动装置，在各微调电机主轴上设转速传感器；在调整底座与升降台之间设有压力传感器支承，进行动态监测，计量自耗电极的熔化速度及熔化量。

在自耗电极自动进给机构的下方设与机体绝缘悬挂连接的上电极，自耗电极通过与上电极的可靠接触式滑动配合后，插入模具系统成形腔的熔化渣池中，在恒温自动过程补渣机构的配合下，使其熔化端与金属熔池的表面保持程序规定的距离h_R(t)，从而建立正常的电渣熔铸生产过程；自耗电极靠X、Y向调整机构根据熔铸过程的需要，调整温度场中心位置的平面坐标，同时确保防止自耗电极与成形腔壁面接触短路的安全距离：X、Y、Z向的速度、距离、压力传感器信号线路与计算机接口连接，计算机处理后的各放大指令信号通过输出接口传给各伺服驱动机构。

设置在自耗电极自动进给机构上方和侧边的自耗电极送接机构由送料电梯、升降柱、旋转机构和上下双转臂续接机构组成，上臂上设电动三爪夹头定力矩拧紧和松开机构，下臂上设液压钳：在需要续接自耗电极时，双转臂从电梯上将待续接自耗电极夹住、提升、旋转到与进给中的自耗电极同轴位置后，下臂上的液压钳松开，致使待接电极在钳中可以自由旋转滑动的导向扶持状态，这时三爪夹头夹持待接电极随升降柱下降插入装在自动进给机构上面的导向锥筒中；完成对心后，电动三爪夹头持续接的自耗电极与进给中的自耗电极同步下降的同时，拧紧螺纹接头，完成续接动作，随之松开机构打开三爪夹头、双转臂归位待命。

恒温自动过程补渣机构由温控贮渣箱、螺旋加渣机组成，温控贮渣箱与上转台之间由压力传感器支承，螺旋加渣机导流管嘴靠近自耗电极对准模具系统成型腔顶口，对称设置的两个补渣机构随上转台往复定角转动使过程补渣均匀注入。压力传感器及螺旋加渣机的控制电路与计算机接口连接。

积木式模具系统可分为两种组合形式：一种组合形式是由一组底层模具、一组顶层模具、三层相同形腔、带有滑动模块液压曲拐成型机构的模具组成；另一种组合形式是由一组底层模具、一组顶层模具、三组带有层间相对位移机构的模具组成。每层模具为一组，每组由两个模具单元对开组成，每个模具单元由外模与结晶器及辅件组成，每个模具单元中的结晶器可设一个或几个，用几个结晶器积木式组合成一个模具单元时，可按温度场的区划对应设置。

在连作式生产过程中，模具系统中的每个模具单元的三维空间程控运动是靠模具运行系统(机座、升降台、双臂下垂式机械手及开模机)在计算机的控制下，协同动作实现自下而上地依序开模、等待、提升、旋转、合模、对位、安放、下降程控运动。

第一种模具组合方式曲拐部位的成形靠每组模具上自身配置的滑动模块及小型液压机构实现。

第二种模具组合方式曲拐部位的成形靠设在各组模具中的层间相对位移机构完成。

为了准确判定曲轴曲拐部位成形时机，设置了由计算机与自动进给机构、恒温自动过程补渣机构的转速、压力传感器构成的自动监测显示装置，用于金属溶池液面动态坐标Z(t)的判定和显示。同时，为了精确判定关键“界面”(界面指熔化渣池与金属熔池的交界面)，各曲拐的下沿坐标Zn(n＝1、2…n)，又单独在各主结晶器壁面的方便处设判定、显示Zn的电压或电流归“0”装置。该装置由插入结晶器成形腔并与结晶器绝缘的导电探头、设在总控制台上的电流或电压表、计算机和底电极连接构成。当Z(t)＝Zn(n＝1、2、…n)时，电流或电压短路归“0”，计算机控制各曲拐成形机构准时、正确动作，双保险地实现各曲拐的安全成形。

在支承开模机的下转台下面设四立柱支承架，架顶为支承下转台的支承环，支承环与下转台之间用锥形轴承连接配合，驱动开模机转动的电机及无极变速传动机构安装在四立柱支承架的外侧：在四立柱支承架的单边两个立柱上各设两条直线滚动付，两个交替工作的底电极分别通过滚动付安装在各自的立柱上，在底电极升降底座上设丝杠螺孔，底电极升降丝杠穿过螺孔后其顶端铰接在支承环下面，下端安装驱动齿轮，驱动齿轮通过无极调速机构与安装在基础上的驱动电机连接，在各电机轴上安装速度传感器、信号线路及放大指令线路通过接口与计算机连接。在底电极升降底座上固定连接液压驱动四连杆机构，四连杆机构的另一端设底电极支架板，在底电极支架板上端设钳式水冷底电极支座，其钳臂有空心水冷腔，通过循环冷却水对其进行强制冷却，在钳式水冷底电极支座上涂附绝缘涂层，两瓣底电极通过绝缘涂层的隔离、固定连接在钳式水冷底电极支座上，构成间接水冷式底电极，底电极通过软网、紫铜排与电源变压器的输出端接通。

循环冷却水系统的特征是：水源为变频调速恒压可调供水装置，其供水总管上设流量计、温度传感器、压力传感器。供水总管分两路：其中一路负责给压力贮水罐供水，使其保持常备压力水量，专为出现异常停电时保护模具之用，因此，压力贮水罐上设压力传感器、液位计，压力贮水罐出口管通过安装在总控台上的手动球阀与模具系统的供水管路连通；另一路分为多个支路(支路数≥模具系统中结晶器、滑动模块或位移层及底电极支座水冷腔的个数)，每个支路上设流量、压力传感器，并通过电控阀门、软管、接头与各水冷腔的进口连通，各水冷腔的出水口通过软管、接头与对应的透明排水箱入口连通，在透明排水箱的入口内设监测出水温度的测温传感器，在透明排水箱侧壁上标有水位刻度，便于肉眼观测排水工况，透明排水箱的出口与排水总管连通。排水总管导入总贮水池，总贮水池设防尘、散热、过滤装置。在各水冷腔主工作面的特征区(高温区)设温度传感器。在各主结晶器密封堵盖上开设密封透明观察窗、装安全气门。各流量、压力、温度、液位信号传感器及各电控阀门的执行问路通过接口与计算机连通，组成实施“按需分配，定量供给”水制度的循环冷却水系统。

本发明的生产运行方法是：

(1)准备阶段：自耗电极送接机构、自动进给机构联动装定自耗电极至开机前状态：恒温自动过程补渣机构的温控系统启动，将渣系预热到设定温度；双臂下垂式机械手将初始工作的三层模具安放在初始位置的开模机上；底电极夹持好初始引弧棒上升与底模成形腔底孔对中接触配合(与底电极上端面配合装有耐热阻燃绝缘薄板，其外圆直径大于底模成形腔的底孔直径)；初始熔渣装置适时启动准备熔化渣液。

(2)连作式生产阶段：循环冷却水系统启动，对开模机上各模层以“按需分配，定量供给”的水制度分别供给冷却水，随之初始熔渣装置将备好的渣液定量注入模具成型腔，并及时启动电源系统，稳步建立起电渣过程；电渣过程建立时，各系统及相关辅助装置进入程控工作状态，首先由自动进给机构和恒温自动过程补渣机构根据模具系统成形腔已知容积的变化率及与其相应的所需电功率变化率的要求，由计算机控制自耗电极的进给速度、进给量，过程补渣速度、补渣量，使过程补渣保证设定的最佳渣池深度H(t)范围，使自耗电极浸入渣池的深度h_Q(t)保持稳定的埋弧工作，使自耗电极熔化端与金属溶池液面的距离h_R(t)(决定渣阻热源的关键值)实现定量控制下，可再现的最佳距离变化曲线，由此奠定连作式生产的基础。当Z(t)＝Zn(n＝1、2、…n)曲拐成形时机出现时，计算机控制各模层上的液压曲拐成形机构平稳启动，安全、准确地完成各曲拐的成形。当Z(t)升入自下而上数第三层模腔时，双臂下垂式机械手从机座上把第四层模具两个模具单元夹住、提升、旋转、对位、合模、安放在第三层模具的顶上后脱开，然后随上转台转至第二层模具单元后面的设定位置，双臂下垂式机械手上的夹持工作头及开锁顶杆分别工作，由夹持工作头负责夹持住第二层模具，并给以静支撑力，开锁顶杆负责顶开第一层模具两个模具单元的锁定装置，顶开后开锁顶杆自动退回。同时开模机将第一层模具的两个模具单元打开，送到环形基台上的等待工作位置。完成第一层开模工作后，开模机自动转至下一个支撑位置，升降台及底电极同步平稳下降，把下垂式机械手静力支撑的工作中的各模层就位在开模机上，就位后双臂下垂式机械手脱开，升降台平稳上升到原高度，升降台上升的过程中自耗电极自动进给机构的进给速度叠加升降台的上升速度。在升降台上升的过程中上转台带动下垂式机械手转至下一个搬模方位，升降台归位后，下垂式机械手按时将等待中的下一层两个模具单元放到工作位置。以此类推，模具及运行系统按程控进行连作式生产运动。

双底电极交替工作程序是：当进入第二个产品生产周期开模机打开底层模具后，升降台平稳下降的过程中，需在下降途中暂停在规定高度上。这时设在下转台内侧的两个小型砂轮机构伸出，在随开模机转动的过程中，把产品上将被交替的底电极夹持区域上的渣壳清除并轻磨整形，清理工作完成后，小型砂轮机构退回原位，开模机停在规定支撑位置，升降台继续下降把工作中的模层安放在开模机上。取工件机械手的上、下臂依次伸出，其下臂与底电极同步下降完成夹持工件动作，底电极交替工作完成，气割枪切取工件，取工件机械手下降，旋转将工件放在输送机支架上。

本发明的优点是：本技术设备采用模具系统的优化组合方式及自下而上依次脱模和各模具单元按程序三自由度运动方法，比现有技术设备节省模具费用30-50％，曲轴的拐数越多，产品的尺寸重量越大，节省的模具费用越多；本技术设备由于实施“按需分配，定量供给”的冷却水制度，可节省能耗30％左右；本技术设备采用自耗电极的进给与过程补渣同步按程序自动运行，比现有技术用一人手动进给自耗电极，另一人手动补渣的方式，可准确控制渣池深度H(t)及自耗电极端头至界面的距离h_R(t)，排除人为因素对电渣过程的随机干扰，使电渣过程实现自动控制的定量状态；本技术设备采用模具运行系统操作各模具单元自动进行三维空间运动，比现有技术设备用2-4人抡大锤砸开模具的现状，实现文明生产，减轻劳动强度，延长模具寿命；本技术设备实现对电、渣、水、模四大参量的定量控制，使结晶温度场具有再现性，从而可明显提高产品的尺寸及内部组织的一致性；本技术设备与现有技术设备以生产一万根6V汽车曲轴毛坯相比，原料可节省90吨，电力可节省27万度，模具费可节省30-50％，劳动力可节省90％以上，生产效率可提高一倍。本技术设备与模锻设备相比，建相同规模生产线(每三分钟生产一根汽车曲轴毛坯的能力)设备投资可节省2/3，电力可节省30％左右，场地、厂房节省30％以上，劳动力可节省20％以上，产品的综合性能和使用寿命可提高30％左右，劳动环境可实现高度文明。对于中、大马力柴油发动机所需曲轴及轴类件产品(如：坦克、自行火炮、战车、内燃机车、重型载重车、矿山机械、舰艇及轮船等)采用本技术设备与现有锻造技术设备相比，设备投资可节省2/3以上，能耗节省15％以上，材料及后道机械加工工时及设备损耗可节省25％以上，产品的机械性能及使用寿命可提高30％左右。本发明适用于各种曲轴及轴类件的连作、近净成型毛坯。

以下结合附图及实施例，对本发明作进一步描述：

图1是连作式曲轴及轴类件的电渣熔铸近净成型设备的总体结构示意图；

图2是自耗电极自动进给机构示意图；

图3是自耗电极送接机构示意图；

图4是恒温自动过程补渣机构示意图；

图5是滑动模块挤入式模具系统的组成示意图；

图6是图5的B-B视图

图7是层间相对位移式模具系统的组成示意图；

图8是图7的C-C视图

图9是双底电极机构示意图；

图10是图9的顶视局部剖视图

图11是模具成型腔中滑块式曲拐成型工作示意图；

图12是取工件机械手示意图；

图13是图12的局部视图

图14是循环冷却水系统示意图。

由图1可见，本发明作为一种连作式曲轴及轴类件的电渣溶铸近净成型设备由七个系统及辅助装置(包括：水激除尘中和滤气装置、收运渣壳装置、初始溶渣装置、非自耗电极补救残品装置等)组成，其中七个系统是：

主体结构系统包括：环台形机座10，板式环形基台14、升降台11，上转台机构12，下转台机构15，四立柱支承架4组成。

供料系统包括：自耗电极送接机构1，自耗电极自动进给机构2，恒温自动过程补渣机构3组成。

电源系统包括：上电极7，底电极A及执行机构6，底电极A’及执行机构5，电源变压器及连接电缆、铜排等(注：图中未示出)。

模具及运行系统包括：积木式模具系统中处于工作状态的三层模具8，处于等待状态的各模具单元9，双臂下垂式机械手13，设置在下转台机构15上的开模机，双臂下垂式机械手和开模机的驱动装置及各运动信号传感器、线路、接口(注：图中未示出)组成。

取运工件系统包括：切割枪17、18，取工件机械手16，切割枪17、18的驱动机构(注：图中未示出)，装在取工件机械手16、切割枪17、18上的各运动信号传感器、电缆、接口(注：图中未示出)组成。

循环冷却水系统包括：变频调速恒压可调供水装置，软管网、接头、透明排水箱(图中未编号)电控阀，压力、流量、温度传感器及显示仪表与模具系统中各模具单元连通后组成(注：图中未示出)，备用压力贮水罐26。

控制系统包括：电磁屏蔽室19，总控制台20，各路传感器信号对计算机的输入接口及计算机控制各执行机构的指令输出接口(注；图中未示出)。

辅助装置包括；摄像机21，水激除尘中和滤气装置22，收运渣壳装置23，液压源装置24，气压源装置25，初始溶渣装置、非自耗电极补救残品(指因意外停电造成的残品)装置(注：图中未示出)。

由图2可见，自耗电极自动进给机构的Z向进退机构由机架27、压架28、装在机架27上的主动轮组29、装在压架28上的从动轮组46、用夹紧弹簧组件30，将自耗电极41压紧至使自耗电极41在机架27和压架28之间滚压进退自如，不产生滑动的合适程度。主动轮组用传动链31连接，并通过传动变速机构32、33与Z向进退电机35连接，在Z向进退电机35上设监测进退速度的传感器34，在生产过程中由传感器34取得的速度信号经放大器放大后进行A/D模数转换，再由计算机处理后，输出D/A数模转换指令信号，控制执行机构进行Z向进退的程序运动。X向调整装置由X向底座39、连接机架27与X向底座39的直线滚动付36，装在X向底座39上的X向调整电机、变速传动机构45及监测电机转速的信号传感器(注：图中未示出)组成。Y向调整装置由Y向底座44，连接X向底座39与Y向底座44的直线滚动付37，装在Y向底座44上的Y向调整电机、变速传动机构40及监测电机转速的信号传感器(注：图中未示出)组成。

为了监测自耗电极的动态熔化速度及熔化量，准确显示Z(t)值，在Y向底座44与升降台11之间设压力传感器组38和43，压力传感器信号经放大器放大，进行A/D模数转换，经计算机对熔化速度、熔化量、模具系统成形腔已知容积量、过程补渣量、结壳消耗量计算处理后，得出Z(t)值，用动画技术显示在监视器上，当Z(t)＝Zn(n＝1、2、…n)时，发出曲拐成型指令，控制各执行机构完成曲轴曲拐部位的安全成形。

在机架27的下面，通过绝缘万向支架42与上电极7悬挂连接。在机架27的上面与机架27固连螺接自耗电极的导向筒47。

由图3可见，自耗电极送接机构由两部分组成：其中48～56为双臂续接部分，57～61为提升运送部分。它们的程控运行情况是：送料电梯59在行程开关(注：图中未示出)的控制下，沿导轨柱57将就位在旋转料架61上的自耗电极41提升到规定高度，旋转料架61在步进驱动装置60的驱动下，依序将自耗电极41旋转至待夹持位置。导轨柱57与图1所示升降台通过Z向滑动连接的导轨付58连接。这时，液压驱动的升降柱56在行程开关(注：图中未示出)的控制下，带动双臂续接部分48～55升高。同时，转角执行机构55带动转轴53使双臂续接部分旋转至旋转料架61中处于待夹持位置的自耗电极的正上方，这时升降柱56下降，使安装在上臂51上的三爪夹头49套入自耗电极41的顶部至规定距离，随之旋紧电机50驱动三爪夹头49完成对自耗电极41夹紧动作后与三爪夹头49分离，装在下臂54上的液压钳52夹紧自耗电极41的相应位置，上、下夹紧后升降柱56驱动双臂续接部分48～55定距上升，使自耗电极41的下端升离旋转料架61的下料架的支撑孔座，转角机构55驱动双臂续接部分48～54将夹持的自耗电极旋转至与进给中的自耗电极同轴位置，升降柱56带动双臂续接部分48～55平稳下降，使夹持的自耗电极插入自动进给机构上的导向筒，与进给中的自耗电极顶部接触时，升降柱56改变下降速度为自耗电极的进给速度，液压钳52解除夹紧力，使自耗电极与钳口保持滑动接触的扶持状态，这时旋接电机48驱动三爪夹头49使夹持中的自耗电极下端的螺头与进给中自耗电极上端的螺孔旋紧至规定力矩后，旋紧机构50恢复与三爪夹头49的传动接触。及时将旋接电机48松开，至此完成一个自耗电极的送接程控运动。以此类推，使连作式生产过程中自耗电极的送接工作在计算机的控制下实现机械化运行。

由图4可见，恒温自动过程补渣机构由温控贮渣箱63、66，驱动电机64、68，螺旋加渣机65、67，它们通过压力传感器62支承在上转台12上，两个温控贮渣箱与图1所示双臂下垂式机械手呈90°角布局。温控贮渣箱由电热装置实施过程补渣的恒温控制；熔铸过程中动态补渣量根据模具系统成形腔容积的变化量、熔渣结壳的消耗量及保持最佳渣池深度的需求量，由计算机通过压力传感器62、驱动电机64、68、螺旋加渣机65、67、实现过程补渣的程序控制。为了使渣池成分稳定、物化性能优良，可用一个温控贮渣箱专门补给易挥发损耗成分，如CaF，为此需根据渣壳Z向取样化验结果制定专用的补给程序，通过计算机控制实施。

由图5和图6可见，滑动模块挤入式曲拐成形的模具系统，由底层对开的两个模具单元组成第一模层69，由顶层对开的两个模具单元组成顶模层73，三层曲拐成形腔对开的两个模具单元，其中一个模具单元的外模加长臂上设液压滑动模块挤拐机构及行程、Zn探测、温度、报警信号传感器的转接组件(注：图中未示出)与计算机接口连接，这三个曲拐成形模层分别为70、71、72，它们的组成形式如图6B-B视图72-1、72-2。在顶模层73的上面设一层对开水冷护渣罩74，供生产结束时使用。每个模具单元中的水冷结晶器的数量可根据结晶温度场温区的划分，对应设置结晶器(注：图中未示出)，把它们进行积木式组合后安装在对开外模上，分别控制各结晶器的循环冷却水量，以便取得可再现的最佳结晶成型温度场。该法的优点是结构简单、造价低，缺点是曲拐颈截面多呈马蹄形，马蹄根余量加重后道工序负担。

由图7和图8可见，层间相对位移式曲拐成形的模具系统，由底层对开的两个模具单元组成底层模具75，由顶层对开两个模具单元组成顶层模具79，三对相同结构的带相对位移层及液压执行机构的模具单元分别组成第76、77、78层模。例如78层模的图8C-C视图，层模78-1上设两个平行同步运行液压机构(注：图中未编号)，负责推动位移层完成曲拐成形、开模后退回原位。层模78-2设一个液压机构(注：图中未编号)，负责推动设在层模78-2外模滑轨间的半块位移层与设在层模78-1外模滑轨间的半块位移层合模，合模后层模78-2上的液压机构压力归零进入从动状态。在顶层模具79的上面设对开水冷护渣罩，供结束生产时使用。根据需要在各层外模的适当位置安装行程、Zn探测、温度、报警信号传感器的转接组件，与计算机接口连接。该法优点是能保障曲拐颈呈圆柱形，提高尺寸精度，减少加工余量。

由图9和图10可见，双底电极A和A’分别在电动升降传动机构86上作程序升降运动。87为钳式底电极，88为钳式底电极87的夹紧、松开液压机构，89和95为与钳式底电极87连接且随钳式底电极87转动曲伸，通向电源的X、Y平面内导电软网，90为液压四连杆机构，82为与底电极支架板83连接的钳式水冷底电极支座。钳式底电极87和底电极支座82之间通过绝缘涂层紧密配合。底电极支座82的钳臂上设冷却水腔通过冷却水对钳式底电极87进行间接水冷。同时保护隔离气割枪火焰对钳式底电极87的影响，83为底电极支架板，85为随底电极支架板83沿Z向伸缩通向电源的导电软网，81为连接底电极和电源的导电软网干线，92为矩形框式绝缘架，它的一边与升降座93固连，电动升降传动机构86穿过其矩形内孔，使双底电极A及A’沿电动升降传动机构86做程序升降运动，升降座93为与电动升降传动机构86中的丝杠用螺纹配合的升降座。通过直线滚动导轨付与电动升降传动机构86中的导轨配合，在电动升降传动机构86中的电机、传动机构的驱动下，实现双底电极A及A’的升降程序运动。液压四连杆机构90与底电极支架板83、升降座93相连。它在液压四连杆机构90中的液压作动筒驱动下运动。监测双底电极A及A’交替程序运动的速度、行程、夹紧、松开、各信号传感器与计算机接口连接。

由图11可见，模具成形腔中滑块式曲拐成形工作过程，96为模具成型腔，97为熔渣结壳，98为熔化渣池。7为上电极，41为自耗电极熔化端，其浸入渣池的深度为hQ(t)，99为熔化后穿过渣池的金属熔滴，100为金属熔池，其表面至自耗电极熔化端41的端头的距离为hR(t)，101为已结晶成型部分，102为厚度为hO的滑动模块，A或A’为底电极，103为初始引弧棒，104为Zn(n＝1、2、…n)探头，105为探头104与底电极A之间的电流监测仪表，106为耐热绝缘套管，107为探头104与底电极A之间的电压监测仪表，108为电源。由图可知，当金属熔池100的液面与探头104接触短路的瞬间，电压和电流有归“0”显示，这时Z(t)＝Zn(n＝1、2、…n)，正是厚度为hO的滑动模块102挤入使曲拐部位成形的正确时机。

如图12和13可见，取工件机械手在连作式生产过程中，为防止工件变形及减轻工件对底电极的压力，旋转、升降、伸缩臂109带动已被液压转角机构117驱动转至与水平面呈90°的手架110进入等待位置，上液压钳116处于张开等待状态，下液压钳115在电动升降机构114的驱动下使下钳座沿丝杠112和滑轨111通过张开的上液压钳116上升至上液压钳116的上面，当设定的工件第一个夹持部位抵达等待中的下液压钳115时，下液压钳夹紧工件，此后下液压钳115便在控制系统的操纵下与升降台同步下降运动，当工件上第二个设定的夹持部位抵达上液压钳116时，即完成一件产品的生产周期时，上液压钳116夹住工件的第二夹持部位，切割枪切取完工件后，旋转、升降、伸缩臂109下降、缩回、旋转的同时，液压转角机构117使手架110转到水平位置，下液压钳115、上液压钳116松开将工件平稳地放在运送机的支架上。然后重复如上程控运动。

由图14可见，水冷护渣罩O、O’，模具系统各结晶器I、I’，II、II’，

III、III’，IV、IV’，V、V’，VI、VI’，滑动模块N1、N2、N3、N4及底电极支架钳臂水冷腔H、H’均由变频调速恒压可调供水装置118经相应的电控阀门122和流量计(注：图中未示出)供水。它们的出水口通过软管接头分别流经相应的透明排水箱124流入排水总管回归供水装置118的总贮水池。在每个透明排水箱124的入口内安装监测出水温度传感器123，在每个结晶器、滑动模块及底电极支架钳臂水冷腔的高温特征区设监测水冷腔主工作面温度传感器121，在总供水管设监测进水温度传感器119及进水总流量计(注：图中未示出)。备用压力贮水罐120的进水口通过电磁阀(注：图中未编号)与供水装置118连接，其出口通过并联阀门组(注；图中未编号)通往各水冷腔，并联阀门组中手动球阀设在总控制台上。当出现异常停电时，手动打开通水保模。各温度传感器、流量、压力及电控阀门的电缆线路与计算机的输入、输出接口连接。在计算机的控制下按各结晶器、水冷腔特征点温度变化曲线要求，实现“按需分配，定量供给”的循环冷却水制度。

Claims (8)

1、一种连作式曲轴及轴类件的电渣熔铸近净成型设备，包括主体结构系统、供料系统、电源系统、模具及运行系统、取运工件系统、循环冷却水系统和控制系统，其特征是：

(1)主体结构由环台型机座、升降台、上转台、下转台和四立柱支承架组成，机座为环台形空心板式结构，周边对应各模具单元设透明排水箱，机座上设2-4个液压升降立柱，液压升降立柱顶设升降台，升降台下方设上转台，机座的上表面是板式环形基台，环形基台下面对中设置下转台，下转台下面设置四立柱支承架；

(2)供料系统，由自耗电极送接机构、自耗电极自动进给机构及与其同步运行的恒温自动过程补渣机构组成，自耗电极送接机构设置在自耗电极自动进给机构的上方和侧边，自耗电极自动进给机构设置在升降台上居中位置，两个恒温自动过程补渣机构悬挂设置在上转台下方；

(3)电源系统，由上电极、自动交替工作的双底电极、电源变压器组成，上电极绝缘悬挂设置在自耗电极自动进给机构下方，在四立柱支承架的其中两根立柱上各设一个底电极；

(4)模具及运行系统，由积木式模具系统及各模具单元进行三维空间程序运动的执行机构，包括机座、升降台、上转台、机座、下转台及双臂下垂式机械手开模机；上转台下设与其固定悬挂连接的双臂下垂式机械手，基台的环面上依序停放等待工作的各模具单元，下转台上固连开模机，开模机上对称设置每边两个液压开模头，开模头上支承、定位处于工作状态的各层模具，在开模机的内侧与开模头呈90°布局，设两个小型自动进退的砂轮机构；

(5)取运工件系统，由切割枪、取工件机械手、工件输送机组成；在开模机下面的四立柱支承架外侧设取工件机械手，在每个底电极下面设气割枪，气割枪与底电极之间有带水冷腔的底电极钳形支架、隔离保护，在四立柱支架的底部设锥形漏斗与传送带组成收运渣壳装置。

2、如权利要求1所述的连作式曲轴及轴类件的电渣熔铸近净成型设备，其特征是，自耗电极自动进给机构为弹簧滚轮压紧传动机构，由装主动轮组的机架与装从动轮组的压架及压紧弹簧、螺杆、配套标准件组成滚轮机构，在机架上设竖直Z向电机及无极调速驱动装置，在Z向电机的输出轴上设转速传感器，在机体下方依次设水平X向、Y向调整底座，在调整底座上分别设X、Y微调电机及无极调速驱动装置，在各微调电机主轴上设转速传感器，在调整底座与升降台之间设有压力传感器支承。

3、如权利要求1所述的连作式曲轴及轴类件的电渣熔铸近净成型设备，其特征是，设置在自耗电极自动进给机构上方和侧边的自耗电极送接机构由送料电梯，升降柱，旋转机构和上下双转臂续接机构组成，上臂上设电动三爪夹头定力矩拧紧和松开机构，下臂上设液压钳。

4、如权利要求1所述的连作式曲轴及轴类件的电渣熔铸近净成型设备，其特征是，对称设置的两个恒温自动过程补渣机构由温控贮渣箱、螺旋加渣机组成，温控贮渣箱与上转台之间由压力传感器支承，螺旋加渣机导流管嘴靠近自耗电极对准模具系统成型腔顶口。

5、如权利要求1所述的连作式曲轴及轴类件的电渣熔铸近净成型设备，其特征是，积木式模具系统为滑动模块挤入式模具系统。

6、如权利要求1所述的连作式曲轴及轴类件的电渣熔铸近净成型设备，其特征是，积木式模具系统为层间相对位移式模具系统。

7、如权利要求1所述的连作式曲轴及轴类件的电渣熔铸近净成型设备，其特征是，两个自动交替工作的底电极，分别通过滚动付安装在各自的立柱上，在底电极升降底座上设丝杠螺孔，底电极升降丝杠穿过螺孔后其顶端铰接在下转台的支承环下面，下端安装驱动齿轮，驱动齿轮通过无极调速机构与安装在基础上的驱动电机连接，在各电机轴上安装速度传感器、信号线路及放大指令线路通过接口与计算机连接，在底电极升降底座上固定连接液压驱动四连杆机构，四连杆机构的另一端设底电极支架板，在底电极支架板上端设钳式水冷底电极支座，其钳臂有空心水冷腔，通过循环冷却水对其进行强制冷却，在钳式水冷底电极支座上涂附绝缘涂层，两瓣底电极通过绝缘涂层的隔离固定连接在钳式水冷底电极支座上，构成间接水冷式底电极，底电极通过软网、紫铜排与电源变压器的输出端接通。

8、如权利要求1所述的连作式曲轴及轴类件的电渣熔铸近净成型设备，其特征是，循环冷却水系统包括变频调速恒压可调供水装置，供水总管上设的流量计、温度传感器、压力传感器，供水总管分两路：其中一路给压力贮水罐供水，压力贮水罐上设压力传感器、液位计，压力贮水罐出口管通过安装在总控台上的手动球阀与模具系统的供水管路连通；另一路分为多个支路，每个支路上设流量、压力传感器，并通过电控阀门、软管、接头与各水冷腔的进口连通，各水冷腔的出水口通过软管、接头与对应的透明排水箱入口连通，在透明排水箱的入口内设监测出水温度的测温传感器，在透明排水箱侧壁上标有水位刻度，透明排水箱的出口与排水总管连通，排水总管导入总贮水池，在各水冷腔主工作面的特征区设温度传感器，在各主结晶器密封堵盖上开设密封透明观察窗、装安全气门。各流量、压力、温度、液位信号传感器及各电控阀门的执行回路通过接口与计算机连通。

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