CN110722123B - 薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备及离心铸造方法 - Google Patents

Abstract

薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备及离心铸造方法，本发明涉及一种合金铸件的离心铸造设备及离心铸造方法，目的是优化传统离心铸造的繁琐工艺，消除熔体转移及浇注时的安全隐患，降低铸件冷隔、夹杂、气孔等缺陷，避免浇道中合金的浪费，提高生产效率，降低成本。本发明原位离心铸造设备中合金原材料装入被固定在底盘上的石墨加热器内，加热器外侧放置保温筒，再外侧设置感应加热线圈，铸型置于加热器和保温筒的顶部，底盘圆心处固定一根限位导柱，通过旋拧轴向限位螺母使上压板下移与底盘一起固定中间各部件。本发明原位离心铸造方法是使合金原材料在离心装置中熔化并在离心力的作用下充满铸型型腔凝固成形，实现原位熔炼和原位离心的耦合。

Description

薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备及离心铸造方法

技术领域

本发明涉及一种合金铸件的离心铸造设备及离心铸造方法。

背景技术

目前，对于薄壁筒型合金铸件成形，通常采用离心铸造技术，因为其具有金属液充型速度快、补缩压力大等特点。

但是传统的离心铸造过程是需要通过分离开的熔炼设备和离心铸造设备分步使用而完成的，一般来说需要在熔炼设备中进行熔炼，再通过转移熔体到离心铸造设备中进行浇注，这一过程不仅增加了工艺的繁琐性，而且在转移熔体及浇注过程中对使用人也存在着安全隐患；同时，转移熔体时间较长则会存在高温熔体与空气直接接触过长时间而导致大量的气体进入以及部分氧化；另外，在浇注过程中由于浇注速度的不稳定，很容易产生冷隔、卷气；其次，由于熔炼设备是分开的，导致合金中产生夹杂的可能性也大大提高；不仅如此，由于这种浇注过程还需要增加相应的浇道，这样就会带来较多的材料浪费在浇道中，导致材料利用率较低，而且成形后还需要进行进一步机械加工，增大了成本。

综上所述，针对传统离心铸造中熔体转移及浇注过程中存在的安全隐患，以及容易产生冷隔、夹杂、气孔及成本较高等问题，需要提出一种全新的离心铸造设备及方法来改善离心铸造工艺，消除转移熔体及浇注过程对人体的安全隐患，来预防这些合金缺陷的产生，并增大材料利用率，降低生产成本，提高生产效率。

发明内容

本发明的目的是为了消除传统离心铸造工艺中转移熔体及浇注过程对人体的安全隐患，降低合金中冷隔、夹杂、气孔缺陷的产生，并增大材料利用率，降低生产成本，提高生产效率；从而提供一种薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备及离心铸造方法。

本发明薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备包括：原位熔炼系统、铸型系统、限位固定系统和离心旋转系统；其中，原位熔炼系统包括石墨加热器、感应加热线圈和保温筒；铸型系统为铸型；限位固定系统包括上压板、限位导柱、轴向限位螺母以及底盘；离心旋转系统包括电机、主动轮、从动轮、传动带；所述的石墨加热器由石墨底环、石墨外筒和石墨内筒组成，石墨内筒位于石墨外筒内，石墨外筒和石墨内筒设置在石墨底环上形成圆环柱形空腔，合金原材料装入该圆环柱形空腔内，石墨加热器固定安装在底盘上，保温筒套设在石墨加热器的石墨外筒上，在石墨外筒的外部设置有感应加热线圈，铸型固定置于在石墨加热器和保温筒的顶部，铸型的腔体与石墨加热器的圆环柱形空腔相连通；

在底盘的圆心处竖直固定一根限位导柱，上压板落在铸型上方的胶圈上，上压板的中心孔穿过限位导柱并与之间隙配合，在限位导柱上部的螺纹段上还设置有轴向限位螺母，通过旋拧轴向限位螺母使上压板下压紧固铸型；

底盘通过中间支柱支撑，在中间支柱上通过轴承套设有从动轮，从动轮与底盘连接，在电机的转轴上设置有主动轮，从动轮与主动轮通过传动带相连。

本发明薄壁圆环截面合金铸件原位离心方法按照下列步骤实现：

一、将铸型置于在石墨加热器和保温筒的顶部，铸型的腔体与石墨加热器的圆环柱形空腔相连通；

二、在铸型的顶面垫有胶圈，将上压板落在铸型上方的胶圈上，上压板的中心孔穿过限位导柱并与之间隙配合，利用旋拧限位导柱上的限位螺母使上压板紧固铸型；

三、开启感应加热线圈对石墨加热器内的合金原材料加热，当合金原材料完全熔化后，开启电机带动主动轮转动，然后通过传动带进一步带动从动轮和底盘一同转动，同时，石墨加热器内的熔融金属在离心力的作用下充满铸型的筒形腔体内凝固成形，从而完成原位离心铸造，此过程通过调节电机的转速来调节底盘的转速，即离心铸造的转速；

四、将限位导柱上的限位螺母旋拧下来，取下上压板，随后将铸型取下，打开铸型，取出离心铸造的铸件。

本发明所述的薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备及铸造方法，主要可以实现原位熔炼和原位离心的耦合作用，其中，原位熔炼作用主要通过感应加热线圈、石墨加热器和保温筒完成，合金原材料位于石墨加热器形成的空腔进行加热熔化，不存在合金的转移及浇注过程；原位离心作用是通过电机带动电机传动轮转动，然后通过传动带进一步带动底盘传动轮，随后带动底盘的转动，熔融金属在离心力的作用下充满铸型的筒形腔体内凝固成形，从而完成离心铸造过程。

本发明薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备不需要熔体转移以及浇注过程，消除传统离心铸造工艺中转移熔体及浇注过程对人体的安全隐患，降低合金中冷隔、夹杂、气孔缺陷的产生，提高生产效率；同时采用可分离式铸型，易于开模取件，不需要刷涂料，可重复使用；另外本发明不需要添加浇道，可以实现材料的近净成形，可以省去后续的机械加工，同时降低材料的消耗，节约成本。

附图说明

图1为本发明薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备中铸型为圆筒型的结构示意图；

图2为本发明薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备中铸型为锥筒型的结构示意图；

图3为底盘的结构示意图；

图4为具体实施方式六所述石墨底环上卡槽的结构示意图；

图5为图4中石墨底环的截面示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备包括原位熔炼系统、铸型系统、限位固定系统和离心旋转系统；其中，原位熔炼系统包括石墨加热器、感应加热线圈3和保温筒4；铸型系统为铸型7；限位固定系统包括上压板8、限位导柱9、轴向限位螺母10以及底盘2；离心旋转系统包括电机21、主动轮19、从动轮16、传动带17；所述的石墨加热器由石墨底环1、石墨外筒5和石墨内筒6组成，石墨内筒6位于石墨外筒5内，石墨外筒5和石墨内筒6设置在石墨底环1上形成圆环柱形空腔，合金原材料15装入该圆环柱形空腔内，石墨加热器固定安装在底盘2上，保温筒4套设在石墨加热器的石墨外筒5上，在石墨外筒5的外部设置有感应加热线圈3，铸型7固定置于在石墨加热器和保温筒4的顶部，铸型7的腔体14与石墨加热器的圆环柱形空腔相连通；

在底盘2的圆心处竖直固定一根限位导柱9，上压板8穿设在限位导柱9的上部，在限位导柱9上部的螺纹段上还设置有轴向限位螺母10，通过旋拧轴向限位螺母10使上压板8下压约束铸型7，铸型7与上压板8之间垫有胶圈11；

底盘2通过中间支柱20支撑，在中间支柱20上通过轴承套设有从动轮16，从动轮16与底盘2连接，在电机21的转轴上设置有主动轮19，从动轮16与主动轮19通过传动带17相连。

本实施方式所述的铸型采用金属模具、砂型模具或者石墨模具，可根据铸件的熔化温度确定模具材质，铸型为两半分体结构，通过铸型固定螺栓12连接，便于拆卸，重复利用。

本实施方式薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备能够制备100-1000mm内径范围的多种尺寸合金铸件产品。

本实施方式薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备能够实现筒型铸件的原位离心铸造，消除传统离心铸造工艺中转移熔体及浇注过程对人体的安全隐患，降低合金中冷隔、夹杂、气孔缺陷的产生，提高生产效率；同时采用可分离式铸型，易于开模取件，不需要刷涂料，可重复使用；另外本发明不需要添加浇道，可以实现材料的近净成形，可以省去后续的机械加工，同时降低材料的消耗，节约成本。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是保温筒4的材质为氧化锆。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是铸型7的腔体14为圆筒形腔体或者锥筒形腔体，铸型7为两半式铸型通过固定螺栓12连接。

本实施方式当铸型的腔体为锥筒形时的结构示意图如图2所示。铸型的形状根据铸件的形状进行配套使用。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是在铸型7上部开有跑气孔13。

本实施方式在离心铸造过程中通过跑气孔使气体排出。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是沿着底盘2的圆周方向开有多组螺栓孔，每组螺栓孔沿着底盘2的径向间隔分布多个螺栓孔，在径向限位座18通过螺栓固定在螺栓孔处，保温筒4卡设在径向限位座18之间。

本实施方式利用径向限位座对保温筒进行径向固定，防止离心铸造时飞出，并可以根据铸件的尺寸进行合理调整，实现不同尺寸工件的铸造。

本实施方式所述的底盘螺栓孔结构能够针对不同的铸件尺寸选择不同的保温筒和石墨加热器，根据产品具体尺寸进行配套使用，通过改变底盘上限位座的固定位置即可适用于不同尺寸的保温筒、石墨加热器和铸型。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是在石墨底环1的内环和外环上分别开有卡槽1-1，石墨外筒5和石墨内筒6置于卡槽1-1内。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是该薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备置于箱体23内。

本实施方式箱体23通过箱体支柱22支撑。箱体能够保护操作人员安全，防止离心过程中有异物飞出。

具体实施方式八：本实施方式薄壁圆环截面合金铸件原位离心方法按照下列步骤实施：

一、将铸型7置于在石墨加热器和保温筒4的顶部，铸型7的腔体14与石墨加热器的圆环柱形空腔相连通；

二、在铸型7的顶面垫有胶圈11，将上压板8放置在胶圈11上方，上压板8中心孔穿过限位导柱9，并与之呈间隙配合，通过旋拧限位导柱9上的限位螺母10使上压板8压紧铸型7；

三、开启感应加热线圈3对石墨加热器内的合金原材料15加热，当合金原材料15完全熔化后，开启电机21带动主动轮19转动，然后通过传动带17进一步带动从动轮16和底盘2一同转动，石墨加热器内的熔融金属在离心力的作用下熔融金属在离心力的作用下充满铸型7的筒形腔体内凝固成形，从而完成原位离心铸造，此过程通过调节电机的转速来调节底盘的转速，即离心铸造的转速。

四、将限位导柱9上的限位螺母10旋拧下来，取下上压板8，随后将铸型7取下，打开铸型7，取出离心铸造的铸件。

本实施方式步骤三中合金原材料质量是腔体14所能制备的铸件质量的1.2倍。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是步骤三中控制感应加热线圈3中的电流为5～20A。

本实施方式感应加热线圈接线为工频电源，利用电流进行调节温度，同时，线圈内部通水进行冷却。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八或九不同的是步骤三中控制底盘2的转速为50～1500r/min。

实施例一：本实施例薄壁圆环截面合金铸件原位离心方法按照下列步骤实现：

一、将铸型7置于石墨加热器和保温筒4的上方，铸型7的腔体14与石墨加热器的圆环柱形空腔相连通；

二、在铸型7的顶面垫有胶圈11，将上压板8放置在胶圈11上方，上压板8中心孔穿过限位导柱9，并与之呈间隙配合，通过旋拧限位导柱9上的限位螺母10使上压板8压紧铸型7；

三、开启感应加热线圈3，控制加热电流为5A对铸型预热10分钟，铸型7采用钢模具，感应加热线圈3经冷却水进口注水冷却，再加热石墨加热器内的合金原材料5，加热过程分为两方面，一方面是感应加热线圈3使石墨加热器产生高温，由于石墨是导电的，在感应线圈作用下会产生较高的温度，对合金原材料进行加热熔化，另一方面，感应线圈本身也能对铸件进行感应加热，当合金原材料5完全熔化(加热电流为7.5A，时间为30min)后，开启电机21带动主动轮19转动，然后通过传动带17进一步带动从动轮16和底盘2一同转动，石墨加热器内的熔融金属在离心力的作用下充满铸型7的筒型腔体内成型，合金凝固后，从而完成原位离心铸造；

四、将限位导柱9上的限位螺母10旋拧下来，取下上压板8，随后将铸型7取下，打开铸型7的两半模具，取出离心铸造的铸件。

本实施例所述的合金原材料为铝合金，所述的感应加热线圈是由空心的铜线圈制成，内部通水进行冷却，外部通电进行感应加热，步骤三中的预热是为了先烘干模具，同时保证感应电流的相对稳定。本实施例能够制备直径为100-1000mm的圆筒铸件，甚至能够根据铸型的形状制备多种旋转体的铸件。

本实施例原位离心铸造设备及离心铸造方法不需要使用浇道，节省材料，避免了浇注过程中卷气和气孔的形成，本实施例能够对铸型进行预热，减少了冷隔现象的产生，本实例中铸型为钢模具，可以分离方便重复使用。

实施例二：本实施例与实施例一不同的是步骤三中铸型7采用砂型模具，降低成本。

实施例三：本实施例与实施例一不同的是步骤三中开启电机21带动底盘2转动，控制转速为500r/min。

实施例四：本实施例与实施例一不同的是步骤三中开启电机21带动底盘2转动，控制转速为1000r/min。

实施例五：本实施例与实施例一不同的是步骤三中开启感应加热线圈3控制加热电流为7A对铸型7预热10分钟，铸型7采用石墨模具，感应加热线圈3经冷却水进口注水冷却，再加热石墨加热器内的合金原材料15，加热过程分为两方面，一方面是感应线圈使石墨加热器产生高温，由于石墨是导电的，在感应线圈作用下会产生较高的温度，对合金原材料进行加热熔化，另一方面，感应线圈本身也能对合金原材料进行感应加热，当合金原材料15完全熔化(加热电流为15A，时间为30min)后，开启电机21带动主动轮19转动，然后通过传动带17进一步带动从动轮16和底盘2一同转动，控制转速为300r/min，石墨加热器内的熔融金属在离心力的作用下充满铸型7的筒型腔体内成型，从而完成原位离心铸造。

本实施例中合金原材料为铸铁或铸钢，步骤三控制合金原材料的加热电流为14A，时间为50min。

实施例六：本实施例与实施例四不同的是步骤三控制底盘2的转速为500r/min。

实施例七：本实施例与实施例四不同的是步骤三控制底盘2的转速为1000r/min。

实施例八：本实施例与实施例一不同的是步骤三中开启感应加热线圈3控制加热电流为5A对铸型7预热10分钟，再调节加热电流为10A预热10分钟，铸型7采用石墨模具，感应加热线圈3经冷却水进口注水冷却，再加热石墨加热器内的合金原材料15，加热过程分为两方面，一方面是感应线圈使石墨加热器产生高温，由于石墨是导电的，在感应线圈作用下会产生较高的温度，对合金原材料进行加热熔化，另一方面，感应线圈本身也能对合金原材料进行感应加热，当合金原材料15完全熔化(加热电流为15A)后，开启电机21带动主动轮19转动，控制转速为300r/min，然后通过传动带17进一步带动从动轮16和底盘2一同转动，石墨加热器内的熔融金属在离心力的作用下充满铸型7的筒型腔体内成型，从而完成原位离心铸造。最后将限位导柱9上的限位螺母10旋拧下来，取下上压板8，随后将铸型7取下，打开铸型7的两半模具，取出离心铸造的铸件。

Claims (10)

1.薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备，其特征在于该薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备包括：原位熔炼系统、铸型系统、限位固定系统和离心旋转系统；其中，原位熔炼系统包括石墨加热器、感应加热线圈(3)和保温筒(4)；铸型系统为铸型(7)；限位固定系统包括上压板(8)、限位导柱(9)、轴向限位螺母(10)以及底盘(2)；离心旋转系统包括电机(21)、主动轮(19)、从动轮(16)和传动带(17)；所述的石墨加热器由石墨底环(1)、石墨外筒(5)和石墨内筒(6)组成，石墨内筒(6)位于石墨外筒(5)内，石墨外筒(5)和石墨内筒(6)设置在石墨底环(1)上形成圆环柱形空腔，合金原材料(15)装入该圆环柱形空腔内，石墨加热器固定安装在底盘(2)上，保温筒(4)套设在石墨加热器的石墨外筒(5)上，在石墨外筒(5)的外部设置有感应加热线圈(3)，铸型(7)固定在石墨加热器和保温筒(4)的顶部，铸型(7)的腔体(14)与石墨加热器的圆环柱形空腔相连通；

在底盘(2)的圆心处竖直固定一根限位导柱(9)，限位导柱(9)穿过上压板(8)的中心孔，在限位导柱(9)上部的螺纹段上还设置有轴向限位螺母(10)，通过旋拧轴向限位螺母(10)使上压板(8)下压约束铸型(7)，铸型(7)与上压板(8)之间垫有胶圈(11)；

底盘(2)通过中间支柱(20)支撑，在中间支柱(20)上通过轴承套设有从动轮(16)，从动轮(16)与底盘(2)连接，在电机(21)的转轴上设置有主动轮(19)，从动轮(16)与主动轮(19)通过传动带(17)相连。

2.根据权利要求1所述的薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备，其特征在于保温筒(4)的材质为氧化锆。

3.根据权利要求1所述的薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备，其特征在于铸型(7)的腔体(14)为圆筒形腔体或者锥筒形腔体，铸型(7)为两半式铸型通过固定螺栓(12)连接，铸型(7)上部开有跑气孔(13)。

4.根据权利要求1所述的薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备，其特征在于上压板(8)中心孔与限位导柱(9)间隙配合，通过旋拧轴向限位螺母(10)来调节上压板(8)的位置。

5.根据权利要求1所述的薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备，其特征在于沿着底盘(2)的圆周方向开有多组螺栓孔，每组螺栓孔沿着底盘(2)的径向间隔分布多个螺栓孔，径向限位座(18)通过螺栓固定在螺栓孔处，保温筒(4)卡设在径向限位座(18)之间。

6.根据权利要求1所述的薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备，其特征在于在石墨底环(1)的内环和外环上分别开有卡槽(1-1)，石墨外筒(5)和石墨内筒(6)置于卡槽(1-1)内。

7.根据权利要求1所述的薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备，其特征在于该薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备置于箱体(23)内。

8.应用如权利要求1所述的薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备进行薄壁圆环截面合金铸件原位离心方法，其特征在于该原位离心方法按照下列步骤实现：

一、将铸型(7)置于在石墨加热器和保温筒(4)的顶部，铸型(7)的腔体(14)与石墨加热器的圆环柱形空腔相连通；

二、在铸型(7)的顶面垫有胶圈(11)，将上压板(8)放置在胶圈(11)上方，上压板(8)中心孔穿过限位导柱(9)，并与之呈间隙配合，通过旋拧限位导柱(9)上的限位螺母(10)使上压板(8)压紧铸型(7)；

三、开启感应加热线圈(3)对石墨加热器内的合金原材料(15)加热，当合金原材料(15)完全熔化后，开启电机(21)带动主动轮(19)转动，然后通过传动带(17)进一步带动从动轮(16)和底盘(2)一同转动，石墨加热器内的熔融金属在离心力的作用下充满铸型(7)的筒型腔体内凝固成形，完成原位离心铸造；

四、将限位导柱(9)上的限位螺母(10)旋拧下来，取下上压板(8)，随后将铸型(7)取下，打开铸型(7)，取出离心铸造的铸件。

9.根据权利要求8所述的应用薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备进行薄壁圆环截面合金铸件原位离心方法，其特征在于步骤三中感应加热线圈(3)采用通过最大功率30KW的中频电源进行控制，铸造过程采用恒定电流模式，所使用的电流范围为5～20A。

10.根据权利要求8所述的应用薄壁圆环截面合金铸件原位离心铸造设备进行薄壁圆环截面合金铸件原位离心方法，其特征在于步骤三中利用电机(21)来调节控制底盘(2)的转速，即离心铸造的转速为50～1500r/min。

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