CN1117899A - 大型筒状薄壁件的连续定向凝固精密铸造工艺及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型筒状薄壁件的铸造工艺和设备，主要特点是铸件从一端开始逐渐加热连续凝固，砂芯与铸件及引出机构同时移动，并且铸件得到迅速、均匀的冷却和凝固，从而得到高质量的铸件。该发明解决了大型薄壁件铸造时易缩松的缺陷，改善了铸件材料的性能，铸造出又薄又长并且内表面有加强筋的圆筒铸件。

Description

大型筒状薄壁件的连续定向凝固精密铸造工艺及设备

本发明提供一种大型筒状薄壁件的连续定向凝固精密铸造工艺及设备，尤其适用于制作导弹舱体。

导弹外壳亦称导弹舱体，是细而长的筒形部件，一般战术导弹直径约为400mm～600mm，长达10多米。为了安装及制作方便常将之分解为若干舱段，有些舱段是用高强度铝合金铸造的，一般舱长800mm(最大的达3000mm)，厚2～3mm，外表面为圆柱面，内表面有横竖加强筋及凸台棋子等，其高度可能超过一般壁厚的几倍或几十倍。此外导弹舱体作为航天器的主体要承受气流施加的外力、惯性力、尾喷管的推力等等，因而要求它必须具有很高的机械性能及冶金质量，每个舱段都要经过X光透视检查。对裂纹、缩松、气孔、夹杂等铸造缺陷限制非常严格。因此导弹舱的铸造是十分困难的，一般的铸造方法是不能胜任的。国内外均采用差压铸造法生产之，虽然此法是公认的生产大型薄壁件有效工艺，但从多年的生产效果及进一步提高产品质量角度来看，尚存在一些不足之处：①填充性不足。一般铸前的舱段，当长度为800mm时，其厚度为8mm，远远未能满足更长更薄铸件的要求。②补缩性不足。经常出现缩松缺陷，废品率达50％。目前国外有一种先进战术导弹其最长的舱段长3000mm，厚度2.5mm。这样又长又薄的舱段尚没有找到有效的生产工艺。

自从Chalmers于1952年首先采用定向凝固研究平面及脆状凝固以来，定向凝固技术得到迅速的发展，20年前为提高航空燃气涡轮发动机叶片的性能和寿命作过巨大的贡献。但其工艺要求液体金属必须在模壳中凝固，液体金属的热量主要依赖在模壳包围中的固体金属传出，这就限制了其冷却速度及铸件尺寸。用定向凝固生产的叶片长度仅100mm左右。kerr、M.C.Flemings及大野笃美等著名学者发展了这一技术，提出了连续定向凝固技术，其已凝固金属部分完全裸露在冷却介质中(不在模壳中)，这就提高了冷却速度，生产出了无限长的小截面型材(直径10mm左右)，可见目前定向凝固尚处在理论研究、生产小型铸件及小截面型材阶段，用其理论解决大型铸件的生产及质量问题的工作尚未有所见。

本发明的目的是提出一种适用于制作又长又薄导弹舱体的连续定向凝固精密铸造工艺及设备，以提高薄壁长筒件铸造的质量。

本发明的工艺设备与传统连续定向凝固工艺设备的共同点是，均以加热的结晶器7为中心，在其上有加热保温炉，在其下有冷却装置。工作时，液体金属不断地由加热保温炉进入下面的结晶器7内，并在结晶器7的下部结晶凝固，已凝固的部分不断地被引出，进入下面的冷却区被继续冷却。至于本工艺设备与传统连续定向凝固工艺设备的不同点，则是由于两者产品的尺寸、形状不同而采取相应的工艺措施造成的。导弹舱段是直接为400～600mm，长度为800～3000mm的大型薄壁圆筒形铸件，内表面有横竖加强筋及圆台棋子等。这样在结晶器之中心，就必须安置一个较长型芯21，它与结晶器7之间的最大距离为2～3mm，长度和铸件一样长。在本发明中当导弹舱体5象小型型材一样地被引出结晶器7之外时，型芯21必须跟随它一同被引出，两者保持相对静止，不然就铸不出带有加强筋、棋子等凸起物的导弹舱段。铸件5与型芯21被一同引出结晶器7之外时，一同被冷却。这样，本发明的冷却方式就具有一定的特殊性，它既不同于定向凝固(其铸件始终包围在型壳中)，也不同于普通连续定向凝固(其铸件始终暴露于冷却介质中)。本发明中的薄壁铸件，其内表面被型芯21覆盖，其外表暴露于冷却介质之中。由于以上的特殊性决定铸件5的好坏，与型芯21的关系非常密切。

因而本发明提出如下特殊工艺要求：①型芯21与铸件5在液固介面34以上均需保持较高的温度，因而它们在绝热档板32以上均被加热，在其下均被冷却，以保证绝热挡板32上下有较大的温度梯度。②在型芯21及铸件5水平截面的圆周上温度分布均匀。③型芯21与铸件5内外表面温度应较均匀。即温度梯度小。④对型芯21提出的要求是a、具有较强的导热性，b、是一个中空薄壳陶瓷型芯，c、其外表面形状与所生产导弹舱段的内表面形状相符合。为满足以上要求，本发明采取的工艺措施如下：

①在型芯21之内设置内加热炉20，以保证圆周及内外均匀加热。②在结晶器7之下方，铸件之外设置外旋转冷却器6，以保证铸件5圆周方向均匀冷却。⑧在型芯21之内结晶器7之下方，设置内旋转冷却器2，以保证型芯21及铸件5圆周内外均匀冷却。④在型芯21之内，设置绝热挡板32，高度在液固介面34附近，以保证增大温度梯度。⑤在结晶器7的出口处相当于液固介面34附近设置一圈热电偶30(同一水平高)。再将这些热电偶所测得毫伏数，输入电子计算机，随时选出瞬时最高值，并用事先编排好的程序，调整各种加热装置及冷却装置，以及引出速度，控制瞬时最高值在某一个温度区间内。这样便可铸出厚度2～3mm，长度2～3mm的导弹舱体了。

本发明的设备可分为四大部分：长约2～3米的陶瓷型芯21贯穿于中心，其最下面为引出及冷却部分，这部分包括序号1—6的部件；在其上面为加热保温炉，包括序号为7～15的部件；在最上面为型芯预热炉包括序号为16～19的部件；其侧面为铝水贮存及过滤炉，包括序号为22～29的部件。

其中1为引出底座。它是一个圆盘带有一个长丝杆，为了保证它能沿着垂直轴上下运动，它还被用螺帽锁在底板35上，而底板35又有四个轴孔穿在四个垂直立柱36上。引出底座1还有一个中心孔，其中贯穿着中心垂直39。

2为内冷却器。它安装在型芯21之内，绝热档板32之下，可采取多种形式，其中最简便易行的形式是紫铜管圈，安装在中心垂直轴39上，圈上外侧有一二排小孔，当垂直轴39向其注入冷却介质且旋转时，冷却介质则通过小孔，均匀地喷射于型芯21之内侧。根据铸件内部结构不同也可采用其他形式。冷却介质可采用水、冰水、冷却剂(如由水＋冰＋盐类配制)、液体金属锡等。

3为引出导管。它是外径和铸件外径相同的金属管，但内表面有一个突缘，此凸缘夹在引出底座1及芯头33之间，再用螺钉把三者锁紧连在一起。

4为燕尾槽。它在引出导管3之顶端，其形状如图1所示，共有四个，均匀分布在其上。当铝液5与引出导管3接触时进入燕尾槽4中，当铸件冷却凝固后，它能把铸件5与引出导管3连接在一起。

5为铸件底端。

6为外冷却器。它安装在铸件之外结晶器之下方，其作用在于冷却铸件之外表面，可采用多种形式，其最简便易行的形式是采用能旋转的紫铜管圈，其内侧钻有一二排小孔，可把冷却介质均匀地喷在铸件表面。也可采用其它形式。冷却介质可采用水、冰水、冷却剂(如水＋冰＋盐类配制)以及液态金属锡等。

7为结晶器。它是一个内径与铸件5外径相同的石墨套，也可用陶瓷或不锈钢制成。安装在坩锅10之下，炉底板8之上。它的内孔与坩锅10之内孔以及炉底板8的内孔呈同轴安装。

8为炉底板。它是承受整个设备之底板，通常用厚钢板制成，但在用高频加热时，最好用钢板与电木铆成。它被四个立柱36支承着，而它又承载着预热炉、加热保温炉及铝液贮存过滤炉的全部重量。

9是结晶器加热炉。它可采用电阻丝、矽碳棒及高频加热，安装在结晶器7外面，炉底板8之上。

10为坩锅。最好采用石墨或SIC制成。呈圆盆状，中心有一个孔，其内径与铸件5外径相等。安装在结晶器7之上安装并使其内孔与结晶器7之内孔同轴。

11为铝合金液。

12为加热体。可采用电阻丝、矽碳棒。安装在炉子保温材料13之内侧。

13为保温材料。安装在保温炉炉壳之内侧。

14为保温炉壳。一般用薄钢板制成，但采用高频加热时不可采用整个薄钢板，可用薄钢板和电木板铆成一个整体。安装在炉底板8之上，保温材料13之周围。

15为上盖板。它是一个大圆钢板制成，中间有一个大孔其直径略大于型芯21之外径，安装在保温炉炉壳14之上，并使其内孔与型芯21同轴。

16为预热炉炉壳。一般用薄钢板制成，但在采用高频加热时不可采用整个的钢板，可用薄钢板与电木板铆接成整体，安装在保温炉上的盖板15之上，与型芯21同轴。

17为保温材料。安装在预热炉壳之内侧。

18为加热体。可以是电阻丝、矽碳棒等材料，安装在保温材料17之内侧。

19为预热炉炉盖。是一个大圆钢板，中间有一个大孔，其内径略大于型芯21，安装在预热炉炉壳之上，并使其内孔与型芯21同轴。

20为内旋转加热炉。炉体可采用耐火材料制成，并以电阻丝或矽棒为加热体，或用乙炔焰作为加热体。安装于型芯之内部，绝热档板34之上，其外径小于型芯21之内径，安装在中心垂直轴39上，保持同轴，其电源或乙炔焰可由中心垂直轴39中心引入。当中心垂直轴39旋转时，加热得更为均匀。

21为薄壳陶瓷型芯。它比普通的精密铸造壳型有更强的导热性，在耐火材料中加有强导热性的石墨粉、金属粉或金属网等制成。其芯头33通过定位销及螺钉与引出导管3及引出底座1锁紧在一起，故能保证与引出底座1、引出导管3、中心垂直轴39、结晶器7、保温炉底板8等同轴。

22为铝水贮存及过滤炉上之塞柱杆，耐火材料制成。

23为坩锅。安装于过滤炉之上部中心。其中贮存有一定量的铝液24。其底部有一个漏孔被塞柱杆堵住，当其拔起时铝液24即通过漏孔漏到下面的过滤坩锅26中。

24为铝液。

25为加热体。安装于坩锅23及过滤坩锅26之周围以加热之，避免铝液24冷却。

26为过滤坩锅。安装在坩锅23之下面。

27为铝矾土颗粒，用于过滤液态铝合金，装在过滤坩锅26中。

28为导管。用耐火材料制成，使过滤后的铝水直接导入坩锅10中。

29为导管加热体。以避免铝液在导管中凝结。

30为热电偶群。等距离地安装在结晶器之出口处，同一水平高度，钻上一些小孔，热电偶插入其中，热电偶另一端与电子计算机相连。

31为型腔内液体铝合金。

32为绝热档板。由硅酸铝纤维及玻璃丝等绝热耐火材料制成。安装在型芯21之内液固介质34附近。

33为芯头。是用耐热钢制成的圆盘，外径与型芯一样粗，内部亦有孔。其上有四个螺丝孔及四个定位销钉孔均匀分布，在其上面有一圈钉子焊于其上。制芯时这些钉子能牢固地和陶瓷壳芯体凝结在一起。下芯时，这个芯头33能通过销钉孔和螺丝牢固而准确地安装在机器上，其结构见图2。

34为液固介面。

35为底板。它是一个四方形的厚钢板，中心的孔和导出底座1锁紧在一起，四个角上有四个孔穿在四个垂直立柱上，其作用在于保证引出底座沿着垂直线上下运动。

36为垂直立柱。共有四个，它们在下面插在减速箱的定位孔中，上面插在保温炉炉底板8的定位孔中，用大螺丝钉锁紧，中间穿在底板35的孔中，作用有二，其一支承整个机器，其二保证引出底座1沿着垂直线上下运动。

39为中心垂直轴。此轴最长可达6～7米，垂直地安装在型芯21之中心，其下端插入引出底座之中心孔中，安装在其下端减速箱中的轴承孔中，上端安装在水平盖板38上的轴承孔中，在下端减速箱中的下轴头上安装有练轮及练条以驱动该轴以一定缓慢的速度转动。在中心垂直轴39之中间部位安装有旋转内加热炉20、绝热档板32及内旋转冷却器2。中心垂直轴39中心有孔，可从上而下导入电源线接连内加热炉20，及由下而上导入冷却介质，供给内冷却器2。

38为水平盖板，37为支架。它们的作用在于固定中心垂直轴39的上轴头位置，以保证该轴之垂直度。它们是以螺钉及定位销钉与保温炉炉底板8，牢固而准确地安装在一起，形成空间支架，保证了上轴头安装位置的精确度。

操作工艺：

①当将上述设备中各种加热设备都开放，并使设备各部分均达到规定温度。②提起柱塞22，使液体铝合金经过过滤后进入坩锅10中，进入结晶器7，与引出导管3上端接触并进入燕尾槽中(当时机器处于初始位置：引出导管3上端进入结晶器7中约20mm)。③开启内冷却器2及外冷却器6，引出导管3与型芯21均被冷却介质所冷却，与他们接触的铝合金5(当时位于结晶器7内)以及进入燕尾槽4中的铝合金亦被冷却而凝固。④当此凝固层由下向上凝固一定厚度，热电偶群30中最高温度达到某一温度时，电子计算机按程序、指示启动引出底座1的牵引装置，带动引出底座1，引出导管3，型芯21，铸件底端5一同向下移出结晶器之外，继续被内冷却器2及外冷却器6所冷却。由于电子计算机按程序控制本设备的加热装置(控制其电源电压)、冷却装置(冷却介质的种类及数量及距离结晶器的位置)、引出速度，就能把热电偶群30中的最高毫伏数控制在某一个范围内，这样就能顺利地实现导弹舱体的连续定向凝固精密铸造。

本发明的优越性：

①可杜绝缩松缺陷，大大提高成本率。

②可铸成2.5mm厚的舱段，不受长度及合金种类限制。

③铸件内外表面光洁尺寸精确，可实现无余量或少量铸造。

④可提高导弹舱体性能，尤其是延伸率。

⑤取消了原工艺的砂型，从而节约了砂箱、模型、造型混合料，造型工时等，降低了成本。

图1为本实用新型实施例一的示图。

图2为本实用新型实施例二的示图。

图3为图1中A—A剖面示图。

实施例一：

如图1和图3所示，引出底座1是一个圆盘上焊了一个空心丝杆，其下连丝母，当丝母转动时，可驱动丝杆上下运动。它穿在底板35的中心孔中，又用螺帽压紧连接在一起，而底板35的四个角上的四个光孔，又穿在四个支柱36上，这是为了限定引出底座1的，使其只能在垂直线上，作上下运动。保温炉炉底板8支承在四个立柱36上，炉底板8上四角处有四个定位孔，正好插入四个立柱36，并用螺钉把炉底板8与立柱36锁紧在一起。同样四个立柱下端亦插入下面的减速箱上的四个定位孔。由于炉底板8、底板35以及下面的减速箱上的5个孔(即中心孔及四个角上的孔)系配钻，故能保证其同轴度要求。

中心垂直轴39，是贯穿于整个设备上下的大轴，其下轴头穿过引出底座1进入下面的减速箱，安装于滑动轴承中，上轴头亦固定于水平板38的滑动轴承中。支架37。它是一个上下各有一圆圈，中间有三条腿的构件，同定位销钉与锁紧螺钉把中心垂直轴39的上轴头固定在正确的位置上。引出导管3是一个金属管件，内部有一个凸缘。此凸缘夹在引出底座1的圆盘与芯头33之中间，再用螺栓把它们锁在一起。

内旋转冷却器2，是一个紫铜管作成的圆圈，与中心垂直轴39同轴的固定在一起，其上外侧有2排小孔，工作时冷却介质由中心垂直轴39供给，由小孔喷向型芯21的内表面，当此冷却器以缓慢的速度随同中心垂直轴一同旋转时，其冷却效果沿圆周方向均匀一致。燕尾槽4，位于引出导管3的顶端，共有四个铸件底端5。它是通过燕尾槽4中凝固的铝与引出导管3连接在一起的。外旋转冷却器6，是用紫铜管作成的圆圈，套于铸件之外，与铸件同轴安装，位于结晶器之下方，其内侧有2排小孔，当它围绕铸件旋转时，冷却介质通过小孔喷向其内部的铸件，得到均匀冷却的效果。

石墨结晶器7。是一个石墨套安装于坩锅10之下面，保温炉底板之上面，中心大孔之内径与铸件外径一致，铸件是从其中铸出的。石墨结晶器7中心大孔与坩锅10之中心孔及保温炉底板之大孔是同心安装的。结晶器加热器9，是套于结晶器7之外的电阻丝。坩锅10，位于结晶器7之上，其作用在于贮存铝液，逐渐进入结晶器7中。铝合金液11，贮存于坩锅10中。电阻丝12，安装于保温炉保温耐火材料之内。保温耐火层13，安装于保温耐火炉炉壳材料之内。炉壳14，是低碳钢钢板制成，在保温耐火层之外上盖板15，低碳钢板制成，中心有大孔略大于型芯21之外径，与型芯同心安装。预热炉壳16为低碳钢薄钢板制成，位于保温炉上盖板15之上。耐火材料17，位于预热炉壳16之内侧。电阻丝18位于耐火材料17之内侧。预热炉上盖板19位于预热炉之最上面，中心有一个大孔其直径略大于型芯21之外径，与其同心安装。

型芯内旋转加热炉20为圆桶形电阻丝加热炉，其外径以不碰撞型芯21之凸出部分为准(它也可以不是圆棒形)。安装在中心垂直轴39上，其电源线亦是通过中心垂直轴39上的内孔引进的。

陶瓷型芯21，贯穿于保温炉与预热炉之中心，其芯头33被螺钉及销钉安装在引出底座1上，故能保证准确而牢固。

耐火材料塞柱杆22，插在石墨坩锅23之漏铝孔上，以保证铝水之供给。石墨坩炉23，用于贮存铝水，位于铝液贮存及过滤炉之中心，过滤坩锅26之上。

铝水24，贮存于石墨坩锅23之中。电阻丝25，包围于石墨坩锅23，过滤坩锅26之外以维持高温。

过滤坩锅26，位于石墨坩锅23之下。

铝矾土块27，位于过滤坩锅26之中，以备过滤铝液之用。耐火材料导管28，安装于过滤坩锅26之下孔，以便把过滤后的铝水，输入坩锅10之中。电阻丝29，围绕于耐火材料导管28之周围，以防止铝水凝结于其中。

热电偶群30，在石墨结晶器之下出口处外侧，距离底面5mm之等高线上，等距离的钻上一排小孔。在每个小孔上按插一个热电偶，再把这些热电偶之末端连接在电子计算机上。

铝液31，位于石墨结晶器7中，液固介面34之上。

绝热档板32，为硅酸纤维及玻璃丝等耐火纤维制成的圆板，位于型芯21中，高度在液固介面附近，在内旋转加热炉20与内旋转冷却器2之间，作用在提高温度梯度。安装在中心垂直轴39上。

芯头33为耐热钢所制，其上有定位销孔与螺钉孔，以备与引出底座1及引出导管3连接在一起。

液固介面34，位于石墨结晶器7内，在出口附近。底板35，是一个四方形厚钢板在中心及四角均有光孔，中心孔与引出底座1安装在一起。其余四孔与立柱36装配在一起，作用在保持引出底座1上下运动时不产生歪斜。另外支承整个机器。

中心垂直轴39。此轴长可达6米，垂直地安装在型芯21之中心，其下端插入引出底座1之中心孔中，安装于减速箱中的轴承中。同时安装有链轮以便驱动该轴以一定缓慢速度转动。其上端安装在水平盖板38上的轴承孔中，以保持该轴上端稳定。

水平盖板38，左一圆钢板，其上有销钉孔及螺钉光孔以便准确地安装在支架37上。

支架37，是一个上、下各有一个圆环、中间有三条支承板的铸件，此件上下圆板上有螺钉孔及销钉孔把保温炉炉底板8与水平盖板38连接在一起。以保持中心垂直轴39上轴头稳定。

实施例二：

如图2所示。比较图2与图1可见，两者是大同小异，区别在于实施例二的结晶器是由两部分组成：即上面的石墨结晶器7及下面的陶瓷结晶器42，另外石墨结晶器7的加热装置9也改为高频加热。这样一来，炉底板8、炉壳14预热炉壳16、支架37、水平盖板38均应采取防涡流措施，内加热器20，保温炉加热器12，预热炉加热器18的加热体均采用碳硅棒(内加热炉20仍可旋转，它仍然是安装在中心垂直轴39上)。另外外冷却器6变成一池冷却介质，为了均匀冷却采用搅拌器43使冷却介质6旋转起来。内冷却器40也是一池冷却介质，由于芯内比较窄狭，冷却介质温度易上升，降低冷却效果，因而采用冷却介质补充器2，它本身是一个圆柱形的盒，圆柱面上的孔能切向喷出冷却介质，也能使冷却介质40旋转起来，提高冷却均匀性。另外为了提高内部冷却的高度，在内冷却器40水平面上，绝热档板32以下安装了内旋转冷却器41，它是一个紫铜管制成的圈状冷却器，安装在中心垂直轴39上。致冷却介质可采水、冰水、冷却剂(水＋冰＋盐组成)或金属锡液(当采用这种冷却介质时冷却器41当取消)。

Claims (7)

1、一种大型筒状薄壁件的连续定向凝固精密铸造工艺，通过加热盛装金属液体的坩锅(10)和连续铸造铸件的结晶器(7)，使之与液体金属接触的铸模面结晶器(7)和砂芯(21)的温度在金属的凝固温度以上，来阻止液体金属在铸模上生成晶核，当以一定速度把铸件从结晶器(7)中拉出时，在结晶器外用冷却水冷却铸件，使铸件在结晶器(7)口迅速凝固，铸造时，当铸件由引出底座(2)引出时，砂芯(21)随同铸件一起被拉出，其特征是：当铸造时，砂芯(21)中心的中心垂直轴(39)是旋转的，型芯(21)内有加热炉(20)，冷却器(2)或(41)是不断旋转的，在结晶器(7)外有热电偶群(30)加热，热电偶(30)是由计算机控制的。

2、根据权利要求1所述的大型筒状薄壁件的连续定向凝固精密铸造工艺，其特征是：当铸件被引出时，外冷却器(6)对铸件旋转喷射冷却水。

3、根据权利要求1所述的大型筒状薄壁件的连续定向凝固精密铸造工艺，其特征是：在型芯(21)内用绝热挡板(32)把加热炉(20)和冷却系统分隔开，以使加热炉(20)和冷却系统保持较大的温差。

4、一种大型筒状薄壁件的连续定向凝固精密铸造设备，由保温炉、引出机构、冷却系统、电控系统组成，其中保温炉是由炉壳(14)、加热体(12)、坩锅(10)组成，坩锅(10)的底部中间有一大开口，开口处装有结晶器(7)，结品器(7)内壁有加热炉(20)，结晶器(7)内插有砂芯(21)，结晶器(7)与砂芯(21)之间保持一定的相对位置；冷却系统的冷却器(6)在结晶器(10)的外部，围绕在砂芯(21)和引出底座(1)的周围；砂芯(21)与引出，底座(1)固定相连，结晶器(7)与砂芯(21)保持给定的间隙，其特征是：砂芯(21)中心有一个中心垂直轴(39)，砂芯(21)内有旋转加热炉(20)，结晶器(7)外有热电偶群(30)，砂芯(21)有内冷却器(2)或(41)。

5、根据权利要求4所述的大型筒状薄壁件的连续定向凝固精密铸造设备，其特征是：外冷却器(6)是旋转的。

6、根据权利要求4所述的大型筒状薄壁件的连续定向凝固精密铸造设备，其特征是：在砂芯(21)内，位于加热炉(20)与冷却系统之间有绝热挡板32。

7、根据权利要求4所述的大型筒状薄壁件的连续定向凝固精密铸造设备，其特征是：内冷却器(2)或(41)的高度高于外冷却器(6)的高度。

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