CN116140587A - 一种多功能反重力铸造设备及铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种多功能反重力铸造设备及铸造方法，属于反重力铸造领域；包括上腔室模块、下腔室模块、真空恒压系统、氩气恒压系统，所述上腔室模块包括能够离心旋转且独立密封的上腔室；所述下腔室模块包括密封组件及下腔室，通过密封组件实现下腔室的独立密封以及上腔室、下腔室连接后的整体密封；所述真空恒压系统、氩气恒压系统分别通过管道与上腔室、下腔室连通，并在连接管道上分别安装真空控制阀和氩气控制阀，控制上腔室、下腔室的压力，实现多功能反重力铸造。本发明适用于多种金属及其合金的多功能反重力铸造，能够实现反重力铸造设备的多功能集成一体化。本发明下腔室能实现合金的真空熔炼和气氛保护熔炼功能。

Description

一种多功能反重力铸造设备及铸造方法

技术领域

本发明属于反重力铸造领域，具体涉及一种多功能反重力铸造设备及铸造方法。

背景技术

随着精密铸造技术的不断发展，用于航空、航天、交通运输、电力等工业领域的金属及其合金铸件不断朝着复杂一体化、薄壁空心化的方向发展，且逐渐趋于结构与功能的一体化，这就要求铸件具有更高的力学性能，更高的尺寸精度、更高的尺寸稳定性及更优异的疲劳性能和使用寿命。新型精密铸件结构主要呈现出大尺寸效应、变截面效应和大面积薄壁效应，且铸件具有尺寸精度高和加工余量小等要求。铸件大尺寸效应，金属液在充型中呈长程流动，充型时间长，凝固过程中补缩困难。当对铸型材料及金属材料的变形规律掌握不足时，将难以满足大尺寸铸件的高尺寸精度要求。变截面效应，局部存在厚大部位，该部位在凝固过程中极易出现缩松、热裂等缺陷。对于大面积薄壁特征，表现为铸件最小壁厚一般为2～4mm，甚至局部区域出现薄至0.5mm的超薄壁特征，而表面张力和粘滞力会增加合金液的充型阻力，影响铸件的充型完整性。其次，铸件的内部冶金质量是影响铸件服役性能的关键因素之一，减少合金液氧化夹杂，有益于提升铸件性能，契合于当前精密铸件的发展需求。

传统的重力浇注难以满足大型薄壁复杂铸件的成形需求，为了解决大型薄壁复杂铸件成形过程中的充型困难和组织-性能优化控制难等问题，近年来发展了铝合金、镁合金等金属材料的反重力浇注法，如：低压铸造法、差压铸造法、真空吸铸法、调压铸造法等。反重力铸造法是利用压力差浇注的铸件成形方法，在外加压力作用下，金属液或合金液沿着与重力相反的方向自下而上充型，凝固过程中自上而下凝固得到铸件。反重力铸造技术在大型薄壁复杂铝、镁合金构件的‘近净’铸造成形中具有广泛而优异的研究基础和工业应用，在解决复杂薄壁铸件的成形方面已表现出明显的优势。各种反重力铸造设备已成功应用于多种金属及其合金铸件生产。然而，当前反重力铸造设备普遍存在功能单一、结构复杂、操作流程复杂等问题。

现有技术中公开的高温合金铸造装置和铸造方法，能够生产出传统方法难以浇注成形的高温合金复杂薄壁整体铸件，解决复杂薄壁铸件在浇注中的充填问题，得到尺寸精度高的精密铸件；但装置存在着功能单一，需要多次吊装上罐体等问题，且上下罐体的对接结构限制着设备的发展，例如当罐体较小时，反重力充填特征及坩埚容量限制着生产的连续性，当罐体较大时，抽真空时间较长和罐体重量增加无疑恶化了该设备的生产安全性。

现有技术中公开的离心反重力铸造方法及设备，能够实现金属液的反重力充填和离心条件下凝固，可同时生产出多个铸件，且产品合格率≥80％。但该设备仅能实现真空吸铸和离心凝固，尚不具备多种反重力铸造功能。

现有技术中公开的多功能特种铸造熔炼炉同时具有重力铸造、离心铸造、反重力吸铸、喷铸四种功能，尽管该设备实现了多功能特种铸造应用，然而该设备无法实现多种反重力铸造功能，且存在着设备偏向于小型化，不易实现工业化应用等不足。

随着铸件不断向结构复杂一体化、薄壁空心化的方向发展，单一铸造功能的设备往往无法满足当前铸件结构变化的需求，因而设计一种能够实现多种反重力铸造方法的多功能铸造设备对于反重力铸造技术方法的推广和应用尤为必要。同时，保证工业连续性生产，提高生产效率是反重力铸造设备设计制造中不可回避的关键问题，为减轻劳动强度，发展绿色智能铸造，有必要对铸造设备进行自动化/智能化控制。

综上，反重力铸造设备对大型复杂薄壁铸件的成形及制备极为关键，而现有的特种铸造设备功能单一，设计上通常只能实现单一方法或多种近似方法的反重力铸造成形，且设备内部结构复杂，操作流程复杂。随着铸造行业不断朝着智能化和绿色化方向发展，如果每种铸造技术均选择一种铸造设备，这将会大幅提高生产成本，且无疑会带来工艺复杂及操作困难等问题。因此，一种可实现多功能应用的反重力铸造设备对于连续性生产和智能化生产尤为重要。如何设计出结构简单且能够应用于多种类金属及其合金的多功能反重力铸造设备是亟待解决的技术难题。

发明内容

要解决的技术问题：现有的反重力铸造设备存在着功能单一、内部结构复杂及操作流程复杂等问题，无法满足当前精密铸件的发展需求。如何设计出结构简单且易于实现工业化应用的多功能反重力铸造设备是当前亟待解决的关键技术问题。

为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种多功能反重力铸造设备及铸造方法，是同时具有低压铸造、差压铸造、调压铸造、真空吸铸、真空吸铸+增压保压、真空离心吸铸等铸造方法的多功能反重力铸造设备，依据本发明所涉及的反重力铸造设备，能够实现反重力铸造多功能一体化，易实现工业化连续性生产和智能化控制，且操作简单、方便安全。依据本发明涉及的设计方法所制备的设备，适用于多种金属及其合金的多功能反重力铸造，能够实现反重力铸造设备的多功能集成一体化。本发明的设计方法所设计的下腔室能实现合金的真空熔炼和气氛保护熔炼功能，可根据具体的工艺需求进行工艺调整。

本发明的技术方案是：一种多功能反重力铸造设备，包括上腔室模块、下腔室模块、真空恒压系统、氩气恒压系统，所述上腔室模块包括能够离心旋转且独立密封的上腔室；所述下腔室模块包括密封组件及下腔室，通过密封组件实现下腔室的独立密封以及上腔室、下腔室连接后的整体密封；

所述真空恒压系统、氩气恒压系统分别通过管道与上腔室、下腔室连通，并在连接管道上分别安装真空控制阀和氩气控制阀，控制上腔室、下腔室的压力，实现多功能反重力铸造。

本发明的进一步技术方案是：所述上腔室为底部开孔的回转密封筒体，其内放置模壳和升液管；所述升液管上端与模壳内的型腔相通，下端伸出底部孔、且为间隙配合；所述上腔室的底部沿周向设置有环形法兰凸台，用于对接所述密封组件。

本发明的进一步技术方案是：所述上腔室为圆筒结构，其顶端通过液压旋转密封盖密封，底部孔的孔壁沿轴向向上腔室外延伸，延伸长度小于升液管的伸出长度，且在升液管与上腔室筒壁间放置耐火纤维棉、毯，减少与外界空气流通，保证上腔室的气密性。

本发明的进一步技术方案是：所述上腔室模块还包括旋转带轮、真空旋转接头、固定框架，所述上腔室通过轴承与固定框架转动连接；所述旋转带轮通过真空旋转接头同轴安装于上腔室的顶部，由电动机驱动实现上腔室的离心转动。

本发明的进一步技术方案是：所述下腔室为顶端开口的箱体结构，顶端开口为圆形，其内设置有坩埚和液压升降杆，通过液压升降杆调整坩埚的高度位置；所述坩埚内盛放合金液，其外周设置有热电阻丝。

本发明的进一步技术方案是：所述密封组件设置于下腔室的开口处，包括液压锁紧阀、闸板框架、闸板液压拉杆、密封闸板、法兰对接凹台；所述闸板框架安装于下腔室的顶部，与下腔室的顶端开口相对位置开有同轴通孔；所述密封闸板同轴密封安装于该通孔内，并能够沿径向滑动；所述闸板液压拉杆沿密封闸板的径向设置，其一端与密封闸板的一侧外周面连接，另一端伸至闸板框架内壁边缘；闸板液压拉杆与密封闸板均置于闸板框架内；通过闸板液压拉杆控制密封闸板的径向位置，进而完成下腔室的密封/开放；

所述闸板框架的通孔外端同轴设置有法兰对接凹台，与所述上腔室的环形法兰凸台结构相匹配，能够实现上腔室、下腔室的同轴连通对接；多个液压锁紧阀沿法兰对接凹台的周向设置，将对接后的法兰对接凹台与环形法兰凸台锁紧密封，完成上腔室、下腔室的密封连接；通过控制上腔室与下腔室间的相对高度位置，以及通过液压锁紧阀控制法兰对接凹台与环形法兰凸台密封/开放，进而完成上腔室、下腔室的合体密封连接/分离。

本发明的进一步技术方案是：所述真空恒压系统包括真空泵和真空恒压罐；所述氩气恒压系统包括液氩罐、汽化器和氩气恒压罐。

一种多功能反重力铸造方法，具体步骤如下：

步骤1：将合金放置于坩埚内，再通过密封组件将下腔室密封，对合金进行真空/气氛熔炼；同时将铸型模壳及升液管在焙烧炉内焙烧预热；

步骤2：合金熔炼结束后，将模壳和升液管安装于上腔室内，并在模壳外填充固定填料，将模壳固定；然后通过上腔室上端的液压旋转密封盖进行液压密封，再将上腔室整体移至熔炼下腔室的正上方；

步骤3：在下腔室内充入氩气，待下腔室内压力与大气压一致时打开密封组件，并持续充入氩气；

步骤4：下落上腔室，直至上腔室的环形法兰凸台与下腔室的法兰对接凹台同轴对接，并通过液压锁紧阀固定连接，上、下腔室间实现液压机械密封隔离，即上、下腔室间仅通过升液管连通；此时升液管下端尚未浸入合金液中，持续在下腔室内通入氩气，同时打开上腔室真空控制阀，对上腔室预抽部分真空，此时氩气通过升液管进入模壳内的型腔中，并充满上腔室，上腔室内空气被置换为氩气，之后关闭真空控制阀；

步骤5：按照设定值对上腔室和下腔室进行压力控制；

步骤6：所述坩埚在液压升降杆的推动下上升，直至升液管浸入合金液内的预定高度，此时，按照设定的压力工艺曲线对上腔室和下腔室进行压力控制，在上下腔室间形成压差，合金液在压差作用下通过升液管进入模壳内的型腔中；，完成合金液在升液管内的升液，合金液在型腔的充填、结壳、增压及保压凝固；在保压结束后，释放压力；

步骤7：通过液压升降杆控制坩埚下降，释放液压锁紧阀，上腔室上移、与下腔室分离；然后上腔室倾转倒出铸件并进行后续清理；即能够完成低压铸造、差压铸造、调压压铸、真空吸铸、真空吸铸+增压保压功能下的铸件成形。

一种多功能反重力铸造方法，具体步骤如下：

步骤1：将合金放置于坩埚内，再通过密封组件将下腔室密封，对合金进行真空/气氛熔炼；同时将铸型模壳及升液管在焙烧炉内焙烧预热；

步骤2：合金熔炼结束后，将模壳和升液管安装于上腔室内，并在模壳外填充固定填料，将模壳固定；然后通过上腔室上端的液压旋转密封盖进行液压密封，再将上腔室整体移至熔炼下腔室的正上方；

步骤3：在下腔室内充入氩气，待下腔室内压力与大气压一致时打开密封组件，并持续充入氩气；

步骤4：下落上腔室，直至上腔室的环形法兰凸台与下腔室的法兰对接凹台相对并保留一定距离，持续在下腔室内冲入氩气，保持下腔室内的氩气气氛环境，此时升液管下端尚未浸入合金液中；继续持续在下腔室中充入氩气，同时打开上腔室真空控制阀，对上腔室预抽部分真空，此时氩气通过升液管进入模壳内的型腔中，并充满上腔室，上腔室内空气被置换为氩气，之后关闭真空控制阀；

步骤5：所述坩埚在液压升降杆的推动下上升，直至升液管浸入合金液内的预定高度；然后打开上腔室真空控制阀对上腔室抽真空，上腔室压力下降，上下腔室间形成压差，合金液在压差作用下通过升液管进入模壳内的型腔中；此时，开启离心转速机，即旋转带轮在电机带动下转动，从而带动上腔室转动；上腔室离心转动，直到除升液管外的其他部位合金凝固后释放上腔室真空，合金液回流；之后升高上腔室，上腔室继续离心转动，直至合金完全凝固；

按照设定的压力工艺曲线对上腔室和下腔室进行压力控制，完成合金液在升液管内的升液，合金液在型腔的充填、结壳及保压凝固；离心转速和方向根据实际需求控制；

步骤6：通过液压升降杆控制坩埚下降，上腔室停止转动后，倾转倒出铸件并进行后续清理，实现真空离心吸铸功能下的铸件成形。

一种多功能反重力铸造系统，包括多个成环形布局或链型布局的上腔室，上腔室和下腔室的数量比为x:1，其中x≥1，能够实现单下腔室的连续性生产；

或者，包括多个成环形布局或链型布局的上腔室和下腔室，上腔室和下腔室的数量比为x:y，其中x＞1，y＞1，能够实现多下腔室/多种合金的连续性生产。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明所述的一种多功能反重力铸造设备及铸造方法，能用于多种金属和合金的低压铸造、差压铸造、调压铸造、真空吸铸、真空离心吸铸等多功能反重力铸造设备的设计与制造，能实现多种反重力铸造功能的设备功能集成一体化，且操作简单方便易于精确自动化控制，易于实现工业连续性生产。本发明方法设计的熔炼用下腔室结构可以实现金属或合金的真空熔炼或保护性气氛熔炼，可用于多种易氧化金属材料的反重力铸造。

本发明同时实现了上腔室的独立密封性、下腔室的独立密封性、上下腔室连接后的整体密封性，以及在一定的压力条件下保持压力稳定性，还实现了上腔室的离心转动，并在此基础上对上下腔室的压力、相对位置进行严格控制。

本发明的熔炼下腔室可在自密封条件下实现真空环境/保护性气氛环境下的合金熔炼。

附图说明

图1为本发明涉及的实现多功能反重力铸造的设备上腔室剖面结构示意图；

图2为本发明涉及的实现多功能反重力铸造的设备熔炼下腔室剖面结构示意图；

图3为本发明涉及的多功能反重力铸造设备的整体结构示意图；

图4为本发明涉及的多功能反重力铸造设备实现低压铸造功能的过程示意图和工艺曲线示意图；

图5为本发明涉及的多功能反重力铸造设备实现差压铸造功能的结构示意图和工艺曲线示意图；

图6为本发明涉及的多功能反重力铸造设备实现调压铸造功能的过程示意图和工艺曲线示意图；

图7为本发明涉及的多功能反重力铸造设备实现真空吸铸功能的过程示意图和工艺曲线示意图；

图8为本发明涉及的多功能反重力铸造设备实现真空吸铸+增压保压功能的过程示意图和工艺曲线示意图；

图9为本发明涉及的多功能反重力铸造设备实现真空离心吸铸功能的过程示意图和工艺曲线示意图；

图10为本发明涉及的多功能反重力铸造设备工业连续生产布局示意图。

附图标记说明：1.旋转带轮、2.真空旋转接头、3.液压旋转密封盖、4.固定框架、5.轴承、6.筒壁、7.环形法兰凸台、8.气体管道、9.固定填料、10.模壳、11.型腔、12.升液管；13.液压锁紧阀、14.闸板框架、15.闸板液压拉杆、16.密封闸板、17.熔炼室壁、18.热电阻丝、19.法兰对接凹台、20.合金液、21.坩埚、22.液压升降杆；23.真空泵、24.真空恒压罐、25.真空控制阀、26.氩气恒压罐、27.液氩罐、28.汽化器；29.上腔室、30.下腔室、31.氩气控制阀。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

反重力铸造是金属液在一定压力的作用下沿升液管自下而上充填铸型，并在一定压力下凝固获得铸件的方法。反重力铸造设备通常包含上下两个腔室，上腔室放置铸造模具，下腔室放置合金液，上下腔室间仅通过升液管相连。通过调节上下腔室的压力，在上下腔室间产生压差，合金液会在压差的作用下经升液管充型。根据所施加的不同压力，反重力铸造可以分为低压铸造、差压铸造、调压铸造和真空吸铸等。低压铸造时，需要增加下腔室的压力来建立压差，实现低压铸造充型，这一过程的必要条件是严格保证下腔室的密封性。差压铸造时，首先需要同时增加上下腔室的压力，并达到同步压力后，通过上腔室排气或下腔室进气的方式建立压差，实现差压铸造过程，这一过程的必要条件是严格保证上下两腔室的密封性。调压铸造特征是真空除气、负压充型和正压凝固，首先需要同时降低上下腔室的压力，上下腔室达到真空条件，随后升高下腔室压力，在上下腔室间建立压差，随后同步提高上下腔室的压力直至正压下凝固，实现调压铸造的充型与凝固，这一过程的必要条件是严格保证上下两腔室的密封性。真空吸铸时，需要降低上腔室(吸铸室)的压力，形成负压，在上下腔室间建立压差，实现真空吸铸过程，这一过程的必要条件是严格保证下腔室的密封性。离心真空吸铸，是在真空吸铸的基础上，通过上腔室的自转实现离心铸造，利用真空吸铸易充填和离心铸造提供额外补缩，来生产优质铸件，这一过程的实现的必要条件是严格保证上腔室的密封性及其可离心转动。此外，真空熔炼/气氛保护熔炼有利于生产高质量铸件。对于反重力铸造设备，需要在保证上下腔室的密封性基础上进行压力控制，实现反重力充型。因此，对于一体化多功能反重力设备而言，在同一设备实现多种功能，不仅需要保证上腔室的独立密封性、下腔室的独立密封性、上下腔室连接后的整体密封性和在一定的压力条件下保持压力稳定性，还需实现上腔室的离心转动，并在此基础上对上下腔室的压力、相对位置进行严格控制。

以下结合图1～图10，具体说明本发明的一种多功能反重力铸造设备及铸造方法，并说明各功能的工艺过程。

实施例1：一种多功能反重力铸造设备

本实施例设计了一种多功能反重力铸造设备上腔室结构，包括：旋转带轮1、真空旋转接头2、液压旋转密封盖3、固定框架4、轴承5、筒壁6、环形法兰凸台7、气体管道8，如图1所示。所述上腔室29整体为筒体结构，固定填料9、模壳10、型腔11、升液管12可经筒体上端放置在上腔室29内，并在筒体上方的液压旋转密封盖3压紧下实现上腔室的密封。筒体下端预留放置升液管12位置，升液管12与筒壁6间放置耐火纤维棉、毯，减少与外界空气流动，保证上腔室的气密性；合金液可经升液管12充型进入模壳10；在上腔室筒壁6下端沿周向设计了连接结构，环形法兰凸台7，可实现与本发明所设计的熔炼下腔室紧密结合，保证上下腔室连接后的整体密封性；上腔室所包含的旋转带轮1、真空旋转接头2、旋转密封盖3、固定框架4、轴承5等结构，在电动机带动下可实现上腔室的离心转动。

进一步设计了一种可与上腔室29紧密对接的熔炼下腔室30特征结构，包含：液压锁紧阀13、闸板框架14、闸板液压拉杆15、密封闸板16、熔炼室壁17、热电阻丝18、法兰对接凹台19、合金液20、坩埚21、液压升降杆22，如图2所示。通常，低压铸造、差压铸造、调压铸造等反重力铸造功能的实现需要对反重力铸造过程中的上下腔室压力进行调节，需要上下腔室需要紧密机械结合，并能在一定的压力条件下保持压力稳定性。本实施例提出并设计了一种熔炼用下腔室30，在下腔室30的上端设计了如图2中所示的法兰对接凹台19，能够实现与图1中环形法兰凸台7的配合连接，并通过图2中液压锁紧阀13实现与所述上腔室的机械密封连接。同时在该法兰对接凹台19下方设计了可活动的密封闸板16，用于实现熔炼腔室的自密封，保证熔炼下腔室的真空环境或压力环境。

具体的，所述下腔室30为顶端开口的箱体结构，顶端开口为圆形；顶部开口处设置的密封组件包括液压锁紧阀13、闸板框架14、闸板液压拉杆15、密封闸板16、法兰对接凹台19；所述闸板框架14安装于下腔室30的顶部，与下腔室30的顶端开口相对位置开有同轴通孔；所述密封闸板16同轴密封安装于该通孔内，并能够沿径向滑动；所述闸板液压拉杆15沿密封闸板16的径向设置，其一端与密封闸板的一侧外周面连接，另一端伸至闸板框架14内壁边缘；通过闸板液压拉杆控制密封闸板的径向位置，进而完成下腔室的密封/开放；所述闸板框架14的通孔外端同轴设置有法兰对接凹台19，与所述上腔室29的环形法兰凸台7结构相匹配，能够实现上腔室、下腔室的同轴连通对接；多个液压锁紧阀沿法兰对接凹台的周向设置，将对接后的法兰对接凹台与环形法兰凸台锁紧密封，完成上腔室、下腔室的密封连接。通过控制上腔室29与下腔室30间的相对高度位置，以及通过液压锁紧阀13控制法兰对接凹台19与环形法兰凸台7密封/开放，进而完成上腔室29与下腔室30的合体密封连接/分离。

进一步设计提供一种同时具有低压铸造、差压铸造、调压铸造、真空吸铸造、真空离心吸铸等多功能铸造法的反重力铸造系统。图3为本发明涉及的实现多功能反重力铸造装置的整体结构示意图，包含：所述的上腔室29、熔炼下腔室30、真空泵23、真空恒压罐24、真空控制阀25、氩气恒压罐26、液氩罐27、汽化器28、氩气控制阀31。该一体化设备将集成低压、调压、差压、真空吸铸等多工艺功能，多功能的实现是在本发明设计的上下腔室的密封连接配合下，并通过氩气恒压罐26和真空恒压罐24对上下腔室严格的压力调节控制下实现的；真空泵23与真空恒压罐24连通，液氩罐27通过汽化器28与氩气恒压罐26连通。其中离心功能的实现是通过图1所示上腔室上端的旋转带轮1在电动机和轴承5的配合下实现，其具体结构属于已有技术，离心速度可根据实际需求控制，亦可控制旋转方向，可通过控制上下腔室的相对位置、腔室压力和离心转速等实现真空离心吸铸工艺。进一步地，根据密封闸板16结构，该熔炼下腔室可以实现真空环境/保护性气氛环境下的合金熔炼。

实施例2：多功能反重力铸造设备—低压铸造功能的实现

步骤1：合金在如图2所示的熔炼室进行真空/气氛熔炼，铸型模壳10及升液管12在焙烧炉内焙烧预热。

步骤2：合金熔炼结束后，将模壳10及升液管12安装于上腔室内，并在模壳外填充固定填料9将模壳固定，并通过上腔室上端的液压旋转密封盖3进行液压密封，如图1所示。将上腔室通过轨道等外设装置移至熔炼下腔室的正上方，如图4a所示。

步骤3：在熔炼室内充入氩气，待熔炼室内压力与大气压一致时打开熔炼室的密封闸板16，并持续充入氩气。

步骤4：下落上腔室，直至上腔室的环形法兰凸台7与熔炼下腔室的法兰对接凹台19结合，并通过液压锁紧阀13固定连接，上、下腔室间实现液压机械密封隔离，即上、下腔室间仅通过升液管12连通，如图4b所示。此时升液管12下端尚未浸入合金液20中，持续在熔炼下腔室内通入氩气，同时打开上腔室真空控制阀，对上腔室预抽部分真空，此时氩气通过升液管12进入模壳10内的型腔11中，并充满上腔室，上腔室内空气被置换为氩气，之后关闭上腔室真空控制阀。

步骤5：熔炼坩埚21在液压升降杆22的推动下上升，直至升液管12浸入合金液20内的预定高度，如图4c所示。此时，升高熔炼室的氩气压力，合金液20在压差作用下通过升液管12进入模壳10内的型腔11中，如图4d所示。上腔室和熔炼室压力随时间的变化示意图，如图4e所示，其中0表示一个大气压，-1表示真空状态，1表示两个大气压。以高纯氩气作为增压介质，按照设定的压力工艺曲线对上腔室和熔炼室进行压力控制，完成合金液20在升液管12内的升液，合金液20在精铸模壳型腔11的充填、结壳、增压及保压凝固。在保压结束后，释放压力。

步骤6：熔炼坩埚21下降，释放液压锁紧阀13，上腔室上移，与熔炼腔室分开，上腔室倾转倒出铸件并进行后续清理。实现低压铸造功能下的铸件成形。

实施例3：多功能反重力铸造设备—差压铸造功能的实现

步骤1：合金在如图2所示的熔炼室进行真空/气氛熔炼，铸型模壳10及升液管12在焙烧炉内焙烧预热。

步骤2：合金熔炼结束后，将模壳10及升液管12安装于上腔室内，并在模壳外填充固定填料9将模壳固定，并通过上腔室上端的液压旋转密封盖3进行液压密封，如图1所示。将上腔室通过轨道等外设装置移至熔炼下腔室的正上方，如图5a所示。

步骤3：在熔炼室内充入氩气，待熔炼室内压力与大气压一致时打开熔炼室的密封闸板16，并持续充入氩气。

步骤4：下落上腔室，直至上腔室的环形法兰凸台7与熔炼下腔室的法兰对接凹台19结合，并通过液压锁紧阀13固定连接，上、下腔室间实现液压机械密封隔离，即上、下腔室间仅通过升液管12连通，如图5b所示。此时升液管12下端尚未浸入合金液20中，持续在熔炼下腔室内通入氩气，同时打开上腔室真空控制阀，对上腔室预抽部分真空，此时氩气通过升液管12进入模壳10内的型腔11中，并充满上腔室，上腔室内空气被置换为氩气，之后关闭上腔室真空控制阀。

步骤5：关闭上腔室真空控制阀，打开上腔室和熔炼室的氩气控制阀充入氩气，同时升高上腔室与熔炼室的压力，直至达到2个大气压，此时由于上腔室与熔炼室通过升液管12相通，此时上腔室和熔炼腔室保持2个大气压的氩气平衡条件，即此升压过程中维持图5b所示的位置。

步骤6：熔炼坩埚21在液压升降杆22的推动下上升，直至升液管12浸入合金液20内的预定高度，如图5c所示。此时，通过上腔室真空控制阀降低上腔室的氩气压力，合金液20在压差作用下通过升液管12进入模壳10内的型腔11中，如图5d所示。上腔室降低至一定值(大于1个大气压)时保压，保压结束后，释放压力。上腔室和熔炼室压力随时间的变化示意图，如图5e所示，其中0表示一个大气压，-1表示真空状态，1表示两个大气压。以高纯氩气作为增压介质，按照设定的压力工艺曲线对上腔室和熔炼下腔室进行压力控制，完成合金液20在升液管12内的升液，合金液20在精铸模壳型腔11的充填、结壳、增压及保压凝固。

步骤7：熔炼坩埚21下降，释放液压锁紧阀13，上腔室上移并与熔炼室分开，上腔室倾转倒出铸件并进行后续清理。实现差压铸造功能下的铸件成形。

实施例4：多功能反重力铸造设备—调压铸造功能的实现

步骤1：合金在如图2所示的熔炼室进行真空/气氛熔炼，铸型模壳10及升液管12在焙烧炉内焙烧预热。

步骤2：合金熔炼结束后，将模壳10及升液管12安装于上腔室内，并在模壳外填充固定填料9将模壳固定，并通过上腔室上端的液压旋转密封盖3进行液压密封，如图1所示。将上腔室通过轨道等外设装置移至熔炼下腔室的正上方，如图6a所示。

步骤3：在熔炼室内充入氩气，待熔炼室内压力与大气压一致时打开熔炼下腔室的密封闸板16，并持续充入氩气。

步骤4：下落上腔室，直至上腔室的环形法兰凸台7与熔炼下腔室的法兰对接凹台19结合，并通过液压锁紧阀13固定连接，上、下腔室间实现液压机械密封隔离，即上、下腔室间仅通过升液管12连通，如图6b所示。此时升液管12下端尚未浸入合金液20中，持续在熔炼下腔室内通入氩气，同时打开上腔室真空控制阀，对上腔室预抽部分真空，此时氩气通过升液管12进入模壳10内的型腔11中，并充满上腔室，上腔室内空气被置换为氩气，之后关闭上腔室真空控制阀。

步骤5：打开上腔室和熔炼室的真空控制阀，同时对上腔室和熔炼室抽真空至一定值，此时由于上腔室与熔炼室通过升液管12相通，此时保持上腔室和熔炼室真空度一致，即在该此抽真空过程中维持图6b所示的位置。

步骤6：熔炼坩埚21在液压升降杆22的推动下上升，直至升液管12浸入合金液20内的预定高度，如图6c所示。此时，通过下腔室氩气控制阀在下腔室内充入氩气，即降低熔炼室的真空度，上腔室与熔炼室间产生一定压差，合金液20在压差作用下通过升液管12进入模壳10内的型腔11中，如图6d所示。待结壳结束后，在保持上腔室与熔炼室一定压差的条件下，同步升高上腔室和熔炼室的压力。最终保证熔炼室氩气环境压力高于上腔室，并在一定压力下保压，保压结束后，释放压力。上腔室和熔炼室压力随时间的变化示意图，如图6e所示，其中0表示一个大气压，-1表示真空状态，1表示两个大气压。以高纯氩气作为增压介质，按照设定的压力工艺曲线对上腔室与熔炼室进行压力控制，完成合金液20在升液管12内的升液，合金液20在精铸模壳型腔11的充填、结壳、增压及保压凝固。

步骤7：熔炼坩埚21下降，释放液压锁紧阀13，上腔室上移并与熔炼室分开，上腔室倾转倒出铸件并进行后续清理。实现调压压铸造功能下的铸件成形。

实施例5：多功能反重力铸造设备—真空吸铸功能的实现

步骤1：合金在如图2所示的熔炼室进行真空/气氛熔炼，铸型模壳10及升液管12在焙烧炉内焙烧预热。

步骤2：合金熔炼结束后，将模壳10及升液管12安装于上腔室内，并在模壳外填充固定填料9将模壳固定，并通过上腔室上端的液压旋转密封盖3进行液压密封，如图1所示。将上腔室通过轨道等外设装置移至熔炼下腔室的正上方，如图7a所示。

步骤3：在熔炼室内充入氩气，待熔炼室内压力与大气压一致时打开熔炼下腔室的密封闸板16，并持续充入氩气。

步骤4：下落上腔室，直至上腔室的环形法兰凸台7与熔炼下腔室的法兰对接凹台19结合，并通过液压锁紧阀13固定连接，上、下腔室间实现液压机械密封隔离，即上、下腔室间仅通过升液管12连通，如图7b所示。此时升液管下端12尚未浸入合金液20中，持续在熔炼下腔室内通入氩气，同时打开上腔室真空控制阀，对上腔室预抽部分真空，此时氩气通过升液管12进入模壳10内的型腔11中，并充满上腔室，上腔室内空气被置换为氩气，之后关闭上腔室真空控制阀。

步骤5：熔炼坩埚21在液压升降杆22的推动下上升，直至升液管12浸入合金液20内的预定高度，如图7c所示。打开上腔室真空控制阀对上腔室抽真空，上腔室压力下降，合金液20在压差作用下通过升液管12进入模壳10内的型腔11中，如图7d所示。上腔室抽真空至某一真空值并保持真空度，保压结束后，释放压力。上腔室和熔炼室压力随时间的变化示意图，如图7e所示，其中0表示一个大气压，-1表示真空状态，1表示两个大气压。按照设定的压力工艺曲线对上腔室和熔炼室进行压力控制，完成合金液20在升液管12内的升液，合金液20在精铸模壳型腔11的充填、结壳及保压凝固。

步骤6：熔炼坩埚21下降，释放液压锁紧阀13，上腔室上移，与熔炼室分开，上腔室倾转倒出铸件并进行后续清理。实现真空吸铸功能下的铸件成形。

实施例6：多功能反重力铸造设备—真空吸铸+增压保压功能的实现

步骤1：合金在如图2所示的熔炼室进行真空/气氛熔炼，铸型模壳10及升液管12在焙烧炉内焙烧预热。

步骤2：合金熔炼结束后，将模壳10及升液管12安装于上腔室内，并在模壳外填充固定填料9将模壳固定，并通过上腔室上端的液压旋转密封盖3进行液压密封，如图1所示。将上腔室通过轨道等外设装置移至熔炼下腔室的正上方，如图8a所示。

步骤3：在熔炼室内充入氩气，待熔炼室内压力与大气压一致时打开熔炼室的密封闸板16，并持续充入氩气。

步骤4：下落上腔室，直至上腔室的环形法兰凸台7与熔炼下腔室的法兰对接凹台19结合，并通过液压锁紧阀13固定连接，上、下腔室间实现液压机械密封隔离，即上、下腔室间仅通过升液管12连通，如图8b所示。此时升液管12下端尚未浸入合金液20中，持续在熔炼下腔室内通入氩气，同时打开上腔室真空控制阀，对上腔室预抽部分真空，此时氩气通过升液管12进入模壳10内的型腔11中，并充满上腔室，上腔室内空气被置换为氩气，之后关闭上腔室真空控制阀。

步骤5：熔炼坩埚21在液压升降杆22的推动下上升，直至升液管12浸入合金液20内的预定高度，如图8c所示。打开上腔室真空控制阀对上腔室抽真空，上腔室压力下降，合金液20在压差作用下通过升液管12进入模壳10内的型腔11中，如图8d所示。上腔室抽真空至某一真空值并保持真空度，待结壳后升高熔炼室氩气压力，并保压，保压结束后，释放压力。上腔室和熔炼室压力随时间的变化示意图，如图8e所示，其中0表示一个大气压，-1表示真空状态，1表示两个大气压。以高纯氩气作为增压介质，按照设定的压力工艺曲线对上腔室和熔炼室进行压力控制，完成合金液20在升液管12内的升液，合金液20在精铸模壳型腔11的充填、结壳、增压及保压凝固。

步骤6：熔炼坩埚21下降，释放液压锁紧阀13，上腔室上移，与熔炼室分开，上腔室倾转倒出铸件并进行后续清理。实现真空吸铸+增压保压功能下的铸件成形。

实施例7：多功能反重力铸造设备—真空离心吸铸功能的实现

步骤1：合金在如图2所示的熔炼室进行真空/气氛熔炼，铸型模壳10及升液管12在焙烧炉内焙烧预热。

步骤2：合金熔炼结束后，将模壳10及升液管12安装于上腔室内，并在模壳外填充固定填料9将模壳固定，并通过上腔室上端的液压旋转密封盖3进行液压密封，如图1所示。将上腔室通过轨道等外设装置移至熔炼下腔室的正上方，如图9a所示。

步骤3：在熔炼室内充入氩气，待熔炼室内压力与大气压一致时打开熔炼室的密封闸板16，并持续充入氩气。

步骤4：下落上腔室，直至上腔室的环形法兰凸台7与熔炼下腔室的法兰对接凹台19之间保留一定距离，此时不通过液压锁紧阀13固定连接，如图9b所示。此时持续在熔炼室内冲入氩气，保持熔炼室内的氩气气氛环境，升液管下端12尚未浸入合金液20中。持续在熔炼室中充入氩气，同时打开上腔室真空控制阀，对上腔室预抽部分真空，此时氩气通过升液管12进入模壳10内的型腔11中，并充满上腔室，上腔室内空气被置换为氩气，之后关闭真空控制阀。

步骤5：熔炼坩埚21在液压升降杆22的推动下上升，直至升液管12浸入合金液20内的预定高度，如图9c所示。打开上腔室真空控制阀对上腔室抽真空，上腔室压力下降，合金液20在压差作用下通过升液管12进入模壳10内的型腔11中，如图9d所示。此时，开启离心转速机，即旋转带轮1在电机带动下转动，从而带动上腔室转动，如图9e所示。上腔室离心转动，直到除升液管12外的其他部位合金凝固后释放上腔室真空，合金液回流，如图9f所示。之后升高上腔室，上腔室继续离心转动，直至合金完全凝固，如图9g所示。上腔室压力、熔炼室压力和离心机转速随时间的变化示意图，如图9h所示，其中0表示一个大气压，-1表示真空状态，1表示两个大气压。离心机转速随时间的变化用虚线表示。按照设定的压力工艺曲线对上腔室和熔炼室进行压力控制，完成合金液20在升液管12内的升液，合金液20在精铸模壳型腔11的充填、结壳及保压凝固。离心转速可根据实际需求控制，亦可控制旋转方向。

步骤6：熔炼坩埚21下降，上腔室停止转动后，倾转倒出铸件并进行后续清理。实现真空离心吸铸功能下的铸件成形。

实施例9：本发明设计设备的工业连续性生产设备结构布局和控制方案

依据本实施例方法设计的多功能反重力铸造实现主要依靠对上腔室和熔炼室的气压、相对位置等的精确控制，可以通过各种高精度高敏感性的电气自动化设备实现多功能应用，能够实现自动化与智能化控制。利用本实施例中涉及的设备所涉及的上腔室与熔炼室，可依据实际需求按照一定比例匹配，实现工业连续性生产。如：当上腔室:熔炼室＝x:1时，通过环形布局或链型布局实现单熔炼室的连续性生产，如图10a、b、d、e所示；当上腔室:熔炼室＝x:y时，通过环形布局或链型布局实现多熔炼室/多种合金的连续性生产，如图10c、f所示。

进一步地，本实施例中所设计的熔炼室，亦可在其中增加坩埚倾转装置、放置重力浇注模具、设置离心转盘来实现真空重力铸造、真空重力浇注+增加凝固铸造、真空重力离心铸造、真空重力离心浇注+增加凝固铸造等功能。

进一步地，通过本实施例中的设备设计方法设计熔炼室时，亦可通过设计中间过渡腔/加料机构实现连续加料，保证生产的连续性。

进一步地，本实施例提出了一种多功能反重力铸造设备的设计方法，从原理上实现了反重力铸造设备的多功能应用。反重力铸造设备的设计人员亦可根据本发明或受本发明启发，对设备进行类似的结构设计，包括但不限于环形法兰凸台7、法兰对接凹台19和液压锁紧阀13。

进一步地，本实施例未对实现多功能应用地反重力铸造设备地具体结构、尺寸、材料、坩埚的加热方式等做出详细地限制，设计人员可依据本发明专利结合实际，进行设备设计，实现本实施例所述的多功能应用。

进一步地，本实施例尚未限制多功能反重力铸造设备能够应用的合金，包括但不限制于铝合金、镁合金、钛合金、高温合金等材料。

进一步地，本实施例所涉及的不同反重力铸造方法的工艺方法均属于已有技术，具体的工艺过程需要本领域技术人员依据具体设备、具体铸件、具体的合金进行对真空度、气氛条件、升液速度、升液压力、充型压力、充型速度、凝固保压压力、凝固保压时间、浇注温度、铸型温度、离心转速、离心转动方向等工艺参数进行具体工艺设计。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种多功能反重力铸造设备，其特征在于：包括上腔室模块、下腔室模块、真空恒压系统、氩气恒压系统，所述上腔室模块包括能够离心旋转且独立密封的上腔室；所述下腔室模块包括密封组件及下腔室，通过密封组件实现下腔室的独立密封以及上腔室、下腔室连接后的整体密封；

所述真空恒压系统、氩气恒压系统分别通过管道与上腔室、下腔室连通，并在连接管道上分别安装真空控制阀和氩气控制阀，控制上腔室、下腔室的压力，实现多功能反重力铸造。

2.根据权利要求1所述一种多功能反重力铸造设备，其特征在于：所述上腔室为底部开孔的回转密封筒体，其内放置模壳和升液管；所述升液管上端与模壳内的型腔相通，下端伸出底部孔、且为间隙配合；所述上腔室的底部沿周向设置有环形法兰凸台，用于对接所述密封组件。

3.根据权利要求2所述一种多功能反重力铸造设备，其特征在于：所述上腔室为圆筒结构，其顶端通过液压旋转密封盖密封，底部孔的孔壁沿轴向向上腔室外延伸，延伸长度小于升液管的伸出长度，且在升液管与上腔室筒壁间放置耐火纤维棉、毯，减少与外界空气流通，保证上腔室的气密性。

4.根据权利要求1-3任一项所述一种多功能反重力铸造设备，其特征在于：所述上腔室模块还包括旋转带轮、真空旋转接头、固定框架，所述上腔室通过轴承与固定框架转动连接；所述旋转带轮通过真空旋转接头同轴安装于上腔室的顶部，由电动机驱动实现上腔室的离心转动。

5.根据权利要求4所述一种多功能反重力铸造设备，其特征在于：所述下腔室为顶端开口的箱体结构，顶端开口为圆形，其内设置有坩埚和液压升降杆，通过液压升降杆调整坩埚的高度位置；所述坩埚内盛放合金液，其外周设置有热电阻丝。

6.根据权利要求5所述一种多功能反重力铸造设备，其特征在于：所述密封组件设置于下腔室的开口处，包括液压锁紧阀、闸板框架、闸板液压拉杆、密封闸板、法兰对接凹台；所述闸板框架安装于下腔室的顶部，与下腔室的顶端开口相对位置开有同轴通孔；所述密封闸板同轴密封安装于该通孔内，并能够沿径向滑动；所述闸板液压拉杆沿密封闸板的径向设置，其一端与密封闸板的一侧外周面连接，另一端伸至闸板框架内壁边缘；闸板液压拉杆与密封闸板均置于闸板框架内；通过闸板液压拉杆控制密封闸板的径向位置，进而完成下腔室的密封/开放；

所述闸板框架的通孔外端同轴设置有法兰对接凹台，与所述上腔室的环形法兰凸台结构相匹配，能够实现上腔室、下腔室的同轴连通对接；多个液压锁紧阀沿法兰对接凹台的周向设置，将对接后的法兰对接凹台与环形法兰凸台锁紧密封，完成上腔室、下腔室的密封连接；通过控制上腔室与下腔室间的相对高度位置，以及通过液压锁紧阀控制法兰对接凹台与环形法兰凸台密封/开放，进而完成上腔室、下腔室的合体密封连接/分离。

7.根据权利要求1所述一种多功能反重力铸造设备，其特征在于：所述真空恒压系统包括真空泵和真空恒压罐；所述氩气恒压系统包括液氩罐、汽化器和氩气恒压罐。

8.一种多功能反重力铸造方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：将合金放置于坩埚内，再通过密封组件将下腔室密封，对合金进行真空/气氛熔炼；同时将铸型模壳及升液管在焙烧炉内焙烧预热；

步骤2：合金熔炼结束后，将模壳和升液管安装于上腔室内，并在模壳外填充固定填料，将模壳固定；然后通过上腔室上端的液压旋转密封盖进行液压密封，再将上腔室整体移至熔炼下腔室的正上方；

步骤3：在下腔室内充入氩气，待下腔室内压力与大气压一致时打开密封组件，并持续充入氩气；

步骤4：下落上腔室，直至上腔室的环形法兰凸台与下腔室的法兰对接凹台同轴对接，并通过液压锁紧阀固定连接，上、下腔室间实现液压机械密封隔离，即上、下腔室间仅通过升液管连通；此时升液管下端尚未浸入合金液中，持续在下腔室内通入氩气，同时打开上腔室真空控制阀，对上腔室预抽部分真空，此时氩气通过升液管进入模壳内的型腔中，并充满上腔室，上腔室内空气被置换为氩气，之后关闭真空控制阀；

步骤5：按照设定值对上腔室和下腔室进行压力控制；

步骤6：所述坩埚在液压升降杆的推动下上升，直至升液管浸入合金液内的预定高度，此时，按照设定的压力工艺曲线对上腔室和下腔室进行压力控制，在上下腔室间形成压差，合金液在压差作用下通过升液管进入模壳内的型腔中；，完成合金液在升液管内的升液，合金液在型腔的充填、结壳、增压及保压凝固；在保压结束后，释放压力；

步骤7：通过液压升降杆控制坩埚下降，释放液压锁紧阀，上腔室上移、与下腔室分离；然后上腔室倾转倒出铸件并进行后续清理；即能够完成低压铸造、差压铸造、调压压铸、真空吸铸、真空吸铸+增压保压功能下的铸件成形。

9.一种多功能反重力铸造方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：将合金放置于坩埚内，再通过密封组件将下腔室密封，对合金进行真空/气氛熔炼；同时将铸型模壳及升液管在焙烧炉内焙烧预热；

步骤2：合金熔炼结束后，将模壳和升液管安装于上腔室内，并在模壳外填充固定填料，将模壳固定；然后通过上腔室上端的液压旋转密封盖进行液压密封，再将上腔室整体移至熔炼下腔室的正上方；

步骤3：在下腔室内充入氩气，待下腔室内压力与大气压一致时打开密封组件，并持续充入氩气；

步骤4：下落上腔室，直至上腔室的环形法兰凸台与下腔室的法兰对接凹台相对并保留一定距离，持续在下腔室内冲入氩气，保持下腔室内的氩气气氛环境，此时升液管下端尚未浸入合金液中；继续持续在下腔室中充入氩气，同时打开上腔室真空控制阀，对上腔室预抽部分真空，此时氩气通过升液管进入模壳内的型腔中，并充满上腔室，上腔室内空气被置换为氩气，之后关闭真空控制阀；

步骤5：所述坩埚在液压升降杆的推动下上升，直至升液管浸入合金液内的预定高度；然后打开上腔室真空控制阀对上腔室抽真空，上腔室压力下降，上下腔室间形成压差，合金液在压差作用下通过升液管进入模壳内的型腔中；此时，开启离心转速机，即旋转带轮在电机带动下转动，从而带动上腔室转动；上腔室离心转动，直到除升液管外的其他部位合金凝固后释放上腔室真空，合金液回流；之后升高上腔室，上腔室继续离心转动，直至合金完全凝固；

按照设定的压力工艺曲线对上腔室和下腔室进行压力控制，完成合金液在升液管内的升液，合金液在型腔的充填、结壳及保压凝固；离心转速和方向根据实际需求控制；

步骤6：通过液压升降杆控制坩埚下降，上腔室停止转动后，倾转倒出铸件并进行后续清理，实现真空离心吸铸功能下的铸件成形。

10.一种多功能反重力铸造系统，其特征在于：包括多个成环形布局或链型布局的上腔室，上腔室和下腔室的数量比为x:1，其中x≥1，能够实现单下腔室的连续性生产；

或者，包括多个成环形布局或链型布局的上腔室和下腔室，上腔室和下腔室的数量比为x:y，其中x＞1，y＞1，能够实现多下腔室/多种合金的连续性生产。

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