CN117816929B - 一种基于电磁搅拌的真空调压挤压铸造机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铸造设备技术领域，尤其是涉及一种基于电磁搅拌的真空调压挤压铸造机，包括保温炉、模具、真空调压系统、中心封堵局部挤压系统、在线电磁搅拌系统和大口径升液管组件；在线电磁搅拌系统在每一个铸造循环完成时，自动启动在线搅拌功能，对坩埚炉中带有颗粒增强体粉末的金属熔体进行电磁搅拌；大口径升液管组件包括升液管，升液管穿过炉盖上的喉管且与喉管之间留有一定空隙，形成专门的熔体热辐射区；本铸造机适合粉末难溶解、粉末易沉淀、铝熔体粘稠易堵升液管的铝基复材及近液相线低温浇注铝合金铸件的真空调压反重力铸造,促使铝合金液分散均匀，显著缩短了铸造过程中搅拌工序节拍，提高了铸件质量和生产效率。

Description

一种基于电磁搅拌的真空调压挤压铸造机

技术领域

本发明属于金属铸造设备技术领域，尤其是涉及一种基于电磁搅拌的真空调压挤压铸造机。

背景技术

汽车轻量化是节能减排和新能源汽车降耗增程的重要途径之一。燃油汽车整备质量减少10%，可降低油耗6%-8%，减少排放10%，新能源汽车整备质量减少10%，续航里程将提升5%-6%，同时降低10%以上的电池成本和日常损耗成本，且在轻量化的基础上，汽车的制动性能、加速性能也将获得较好提升。无论从轻量化效果、减重成本还是性能提升方面，簧下零部件如车轮、转向节、副车架、刹车盘等的轻量化是汽车轻量化的重中之重，主要实现方式为以轻质的铝合金材料或者铝基复合材料代替传统钢铁材料。

目前铝合金或铝基复材质的车轮、刹车盘等铸件一般采用低压铸造工艺生产，将铝锭在熔化炉或熔解炉中熔化，熔化后的铝熔体通过浇包由熔炼车间转运至铸造车间，然后将浇包内的铝熔体通过导流口导入铸造保温炉内，用干燥的压缩空气将保温炉中的铝熔体通过升液管压入铸造模具型腔中进行成型、保压、凝固。但采用传统低压铸造机铸造生产以碳化硅为代表的颗粒增强铝基复合材料车轮或刹车盘等铸件，存在碳化硅颗粒增强沉降和分散不均匀的问题，由于传统铸造机无法实现在线搅拌，铸造时需将升液管从保温炉中吊出，从铸造机下方移至固定搅拌工位进行搅拌，该操作过程耗时长，易使合金液吸气恶化铝熔体质量，且严重影响铸件模具温度场的平衡以及铸件的生产节拍，无法实现铸件的顺序凝固，导致缩孔缩松、气孔等铸造缺陷的产生，恶化了铸件质量。且对于复杂薄壁的铸件，传统的低压铸造设备无法实现无缺陷成型，因此，迫切需要开发可实现增强相均匀分散、有效控制铸造缺陷的复杂薄壁铝基复合材铸件用铸造设备。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种带电磁搅拌真空调压挤压铸造机。

本发明完整的技术方案包括：

一种基于电磁搅拌的真空调压挤压铸造机，包括保温炉、模具、真空调压系统、中心封堵局部挤压系统、在线电磁搅拌系统和大口径升液管组件；

所述真空调压系统能够将真空调压挤压铸造机抽至目标真空值；

所述中心封堵局部挤压系统包括封堵组件和挤压组件；

所述的在线电磁搅拌系统能够在完成每个铸件的铸造后，立即对坩埚炉中带有颗粒增强体粉末的金属熔体进行电磁搅拌；

所述的在线电磁搅拌系统包括低频电源，感应器和冷却单元，所述感应器连接低频电源，并产生作用于金属熔体的磁场，金属熔体在磁场作用下产生感应电流，并推动金属熔体流动；所述冷却单元用于冷却感应器；

所述的大口径升液管组件结构：包括升液管，升液管穿过炉盖上的喉管并连接保温杯，升液管和喉管之间留有一定空隙，形成熔体热辐射区。

进一步的，所述的封堵组件包括中心封堵油缸、封堵分流锥；所述挤压组件包括挤压油缸、挤压板及挤压杆，中心封堵油缸连接活塞杆，活塞杆下方设有封堵分流锥，封堵组件上方设有冷却水管；挤压油缸连接挤压板，挤压油缸上带有挤压杆。

进一步的，所述中心封堵局部挤压系统根据不同结构铸件的挤压工艺需求选择挤压位置。

进一步的，所述喉管外筒壁覆盖有保温棉。

进一步的，所述真空调压系统包括旋片式真空泵、真空罐及不锈钢真空管路。

进一步的，所述颗粒增强体粉末为碳化硅粉末。

进一步的，所述金属熔体为铝熔体。

进一步的，升液管和喉管之间间隙的距离根据辐射换热量和铸造机的实际情况确定，具体包括：

将与保温杯连接处下方10cm长度的升液管区域作为辐射换热区，采用以下方式计算熔体液面对辐射换热区传来的热量：

（1）

式中，为升液管与喉管之间的距离，/>为金属熔体表面的绝对温度，/>为辐射换热区的绝对温度，/>为辐射换热区中间位置处高度，/>为金属熔体表面高度；/>为/>的指数，为系数，/>和/>的数值通过实测结合仿真得到的温度场并进行拟合得到；

建立有限元模型并进行多个铸造周期的仿真，耦合公式（1）得到辐射换热区的温度变化，选择能够使辐射换热区的温度不低于610℃的升液管与喉管之间的距离。

进一步的，所述的在线电磁搅拌系统根据金属熔体质量与碳化硅粉末加入量确定电磁搅拌的功率，具体为：

式中，为电磁搅拌器功率，/>为电磁搅拌器基准功率，取值为48KW，/>为带有颗粒增强体粉末的金属熔体质量，/>为带有颗粒增强体粉末的金属熔体基准质量，取值为500Kg，/>为熔体中颗粒增强体的百分含量，/>为熔体中颗粒增强体的基准百分含量，取值为20%，/>取值范围为0.3~0.6，优选为0.5；/>取值范围为0.3~0.5，优选为0.35，/>取值范围为0.7~1.5，优选为0.98。

进一步的，所述的基于电磁搅拌的真空调压挤压铸造机特别适合粉末难溶解、粉末易沉淀、铝熔体粘稠易堵升液管的颗粒增强铝基复材及近液相线低温浇注铝合金汽车零部件的真空调压铸造成型。

本发明相对于现有技术的优点在于：

1．本发明的真空调压挤压铸造机具有在线电磁搅拌系统，解决了采用传统铸造机铸造时无法实现在线搅拌，需将升液管吊出保温炉从铸造机下方移至固定搅拌工位处进行搅拌导致影响模具温度场及铸造生产效率的问题，可实现铝熔体的在线搅拌，促使沉降的碳化硅增强颗粒分散均匀，显著缩短了搅拌工序节拍，提高了生产效率。

2．本发明的真空调压挤压铸造机具有中心封堵局部挤压系统，实现了铸造过程中对结构复杂薄壁铸件易形成热节产生缩孔缩松等铸造缺陷的部位进行局部加压挤压，解决了铸件局部如壁厚较厚或内浇口等部位因结构原因导致局部温度过高，凝固时间比周边其他部位长，凝固过程中无法得到铝合金液充分补缩的问题，消除了铸件铸造缺陷，显著提高了铸件的本体力学性能。

3．本发明的真空调压挤压铸造机设计了升液管防堵特殊结构，确保在铸造过程中升液管口处保持足够的温度，铝熔体通过时不会凝固堵塞升液管。

4．本发明设备的真空调压系统可根据铸件的结构特征，实现真空条件下铸件调压铸造工艺的有效调控，显著降低了铸件缩孔缩松、气孔等铸造缺陷，实现复杂薄壁铸件的可控成型。

5.本发明的带电磁搅拌真空调压挤压铸造机不仅适用于粉末难溶解、易沉淀、铝熔体粘稠易堵升液管的颗粒增强铝基复合材料薄壁铸件的铸造成型，还特别适用于近液相线低温浇注铝合金复杂薄壁铸件的反重力铸造成型。

附图说明

图1为本发明的铸造机整体剖视图。

图2为本发明的升液管防堵塞结构。

图3为本发明封堵组件剖视图。

图4为本发明的挤压组件剖视图。

图5为本发明的在线电磁搅拌系统安装示意图。

图6为电磁搅拌系统结构示意图。

图7为图6的剖视图。

图8为本发明的卸压气控系统。

图中：1-封堵组件，2-顶出组件，3-挤压组件，4-模具，5-挤压板，6-挤压杆，7-升降油缸，8-液压楔紧装置，9-在线电磁搅拌系统；21-升液管；22-保温杯；23-炉盖；24-熔体热辐射区；25-保温棉；31-封堵分流锥，32-活塞杆，33-中心封堵油缸，34-冷却水管；41-挤压油缸；51-电磁搅拌器，52-设备底板，53-坩埚炉；61-角座阀，62-节流孔，63-消音器，64-铁芯，65-线圈，66-底座。

具体实施方式

下面结合本发明的附图及实施例，对本发明的技术方案进行进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅作为例示，并非用于限制本次申请。

如图1所示，本发明公开的一种带电磁搅拌真空调压挤压铸造机，至少包括真空调压系统、中心封堵局部挤压系统、在线电磁搅拌系统和防铝熔体堵塞的大口径升液管组件和模具4。模具4上方中央位置设有顶出组件2，铸造机两侧设有升降油缸7，上方设有液压楔紧装置8，在线电磁搅拌系统9位于坩埚炉53下方。

其中，中心封堵局部挤压系统包括封堵组件1和挤压组件3。

如图2所示，本发明的升液管设有防堵塞结构，包括升液管21，升液管21穿过炉盖23上的喉管，并且升液管21和喉管之间留有一定空隙，形成专门的熔体热辐射区24，升液管21连接保温杯22，喉管外筒壁覆盖有保温棉25。

采用本发明的真空调压挤压铸造机制备碳化硅颗粒增强的铝基复材铸件。将制备好含有碳化硅增强铝基复材合金液的坩埚炉运至真空调压挤压铸造机中，升降油缸运动至坩埚炉锁紧工位将坩埚炉锁紧密封，液压楔紧装置锁紧模具进行合模，设备进入铸造阶段。设备启动真空系统将上下罐进行抽真空，按照产品需要的工艺进行升液、充型、增压、保压，根据工艺需要，封堵油缸推动分流锥对铝熔体进行封堵，封堵完成后挤压油缸通过挤压板推动挤压杆在关键工艺节点对铸件待挤压区域进行挤压，消除铸件热节处的铸造缺陷。封堵油缸设计冷却装置，防止温度过高影响工作。铸造完成后，台板升起，脱模油缸将铸件脱至取料托盘取出。每一个铸件铸造循环完成时，设备自动启动在线搅拌装置，通过电磁装置产生的磁场来对铝熔体进行在线搅拌，防止碳化硅增强颗粒在铝熔体中的沉降。铸造过程中，升液管防堵塞结构可以通过坩埚炉加热的热量更好的辐射到升液管管口处，保证升液管管口的温度，防止铝熔体因温度低和流动性不好的原因堵塞升液管。

采用本设备制备的碳化硅增强的铝基复材铸件有效控制了缩孔缩松及气孔等铸造缺陷，孔隙率降低50%以上；所得铸件组织均匀，本体性能高，实现300℃时抗拉强度≥175MPa，350℃时抗拉强度≥155MPa。

由于含有碳化硅粉末的铝熔体粘度大，铸件完成一个铸造循环（浇铸、保压、冷却）后会引起升液管堵塞，清理困难，且不锈钢升液管热传导快，升液管口处的温度很快降到200℃以下，当铝熔体再次充型时，铝熔体遇冷立即结壳，生产完一个铸件后再次堵塞升液管。为解决该问题，本发明设计了增大炉盖上喉管直径，使升液管21和喉管之间留有一定空隙，形成专门的熔体热辐射区24，通过坩埚炉中铝熔体的热辐射对升液管21进行辐射加热以避免升液管冻结和堵塞。

其中，关于喉管与升液管之间的空间距离设计，需要综合考虑热辐射的效果以及铸造设备工装的实际情况需求确定，本发明的设计过程如下：

考虑升液管口区域的换热模型，由于升液管口处的温度，是一个涉及到多物理量的复杂传热系统，为方便计算，对换热模型进行适当的简化，首先确定计算区域，将升液管与保温杯连接处下方10cm长度的升液管作为辐射换热区，该区域的净换热量可以表示为：

其中，为从升液管下部传导到辐射换热区的热量；/>为铝熔体液面对辐射换热区通过辐射传来的热量；/>为辐射换热区对外辐射所散失的热量。

由于铸件为周期性循环生产的，每个生产周期完成一个铸件，结合该周期性生产特点，并出于简化计算考虑，将和/>都设定为常数，其数值可以通过实测结合仿真得到的温度场通过换算得到。对于铝熔体液面对辐射换热区辐射的热量/>，经分析，所选择的影响的设计变量包括喉管下端距离炉盖的距离（因炉盖通常为标准部件，此处取常数）、升液管与喉管之间的距离、液面高度、铝熔体表面温度和辐射换热区的温度。根据以下公式进行传热计算：

式中，为升液管与喉管之间的距离，/>为铝熔体表面的绝对温度，/>为辐射换热区的绝对温度，/>为辐射换热区高度，此处取其中间位置处高度，/>为铝熔体表面高度；/>为的指数，/>为系数，两个参数的数值可以通过实测结合仿真得到的温度场通过拟合得到。

建立有限元模型，并进行多个铸造周期的仿真，耦合上述公式得到辐射换热区的温度变化。结果表明，随着的增加，辐射换热区的温度也随之升高，但喉管直径受到了设备下模板中心孔的限制。因而选择/>，首先保证其可使辐射换热区的温度不低于610℃，并结合铸造设备工装的实际情况需求：下模板中心孔尺寸（Φ460mm），喉管直径（不大于Φ420，单面20mm间隙，留出炉盖喉管的加工装配误差），同时为了避免热量散失，在喉管外筒壁包裹一层30mm的保温棉，使炉内热量只能通过喉管顶部的升液管口处散出。最终选择使喉管与升液管之间的距离/>为70mm，确保铝熔体通过时不会凝固堵塞升液管。

对于铸造结构复杂的薄壁铸件，由于结构特征原因导致局部易产生热节，这些局部温度过高的热节处凝固时间比周边其他部位长，凝固过程中无法及时得到铝合金液的补缩从而产生缩孔缩松等铸造缺陷，这些部位传统往往采用模具结构设计优化如增加点冷或高压点冷却，或调整铸造工艺参数进行优化，但上述措施均无法有效消除缺陷。鉴于此，本发明的铸造设备设计了具有封堵组件和和挤压组件的中心封堵局部挤压系统，在充型完毕后，铸件冷却结壳到一定程度时，根据工艺需要，通过油缸推动挤压杆，挤压杆对复杂铸件壁厚较厚或内浇口部位进行加压挤压，实现该处的强制补缩，有效控制了缩孔缩松等铸造缺陷；且所述的中心封堵局部挤压系统可根据不同结构铸件的挤压工艺需求选择所需的挤压位置。

当铸件在结束保压阶段开始卸压前，需要确保在卸压过程中升液管中的铝熔体下降缓慢、平稳不卷气，避免升液管中铝熔体上部空气被带入的风险，通过在排气管路中增加节流孔的方式，使炉内气压缓慢降低，升液管内部的铝熔体缓慢平稳下降，铝熔体回流不卷气，确保更好的铝熔体质量；

当铸件完成卸压后，此时无需移出坩埚炉，设备立即自动启动在线电磁搅拌，电磁场即可推动铝熔体三维方向运动使铝熔体中的碳化硅颗粒分布均匀，消除了碳化硅增强颗粒的沉降问题，显著缩短了搅拌工序节拍，提高了铝基复材铸件的生产效率。且减少了高温氧化，延长了设备装置的使用寿命，但需注意铸件充型和在线搅拌不能同时进行。

如图3所示， 本发明的封堵组件1包括中心封堵油缸33，其连接活塞杆32，活塞杆下方设有封堵分流锥31，封堵组件上方设有冷却水管34。

如图4所示，本发明的其中挤压组件3具体包括挤压油缸41，其连接挤压板5，以及可根据产品选择挤压位置的挤压杆6。

如图5-7所示，在线电磁搅拌系统9包括位于设备底板52上的电磁搅拌器51。

电磁搅拌器包括三相低频电源、感应器和冷却单元。低频电源把50Hz的工频电转换成两相正交的低频电流，电流频率根据炉子的大小、感应器结构确定，一般在0.5-5Hz之间选取。感应器置于炉子的底部，包括安装于底座66上的铁芯64和线圈65。冷却单元用于冷却线圈和铁芯，防止热损坏。

电磁搅拌工作时，感应器相当于电机的定子，铝熔体相当于电机的转子。当在感应器线圈内通入低频电流时，会产生一个行波磁场，磁场穿过炉底作用于铝熔体，在铝熔体中产生感应电势和电流，感应电流又跟磁场作用产生电磁力，从而推动铝熔体定向流动，起到搅拌作用。

在搅拌参数方面，通过功率的提高，可以改变电磁搅拌的强度，使铝熔体在模具内更好地流动，但过高的功率也会导致熔体的紊流程度加剧，并造成过大的功耗，不利于节能减排，同时也要考虑到设备的承受能力，因而，在搅拌参数选择方面，本发明综合考虑了熔体的整体质量，以及颗粒增强体粉末的加入量两个参数，选择不同参数，结合水模拟和仿真，分析其在不同情况下的搅拌均匀情况，通过数据进行拟合，最终确定选择如下的功率控制方式：

式中，为电磁搅拌器功率，/>为电磁搅拌器基准功率，取值为48KW，/>为带有碳化硅粉末的铝熔体质量，/>为铝熔体基准质量，取值为500Kg，/>为熔体中颗粒增强体的百分含量，/>为熔体中颗粒增强体的基准百分含量，取值为20%，/>取值范围为0.3~0.6，优选为0.5；/>取值范围为0.3~0.5，优选为0.35，/>取值范围为0.7~1.5，优选为0.98。

如图8所示，本发明的卸压气控系统包括角座阀61，节流孔62以及消音器63。

为了确保卸压过程中升液管中的铝熔体下降缓慢、平稳不卷气，避免升液管中铝熔体上部空气被带入的风险，本发明增加了气压卸压气控程序，且在排气管路中设计了节流装置，制作了两种规格的节流孔62，分别为Φ8、Φ5，通过现场验证，最终规格Φ5mm的节流孔满足需求，可使炉内气压缓慢降低，升液管内部的铝熔体缓慢平稳下降，铝熔体回流不卷气，确保更好的铝熔体质量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于电磁搅拌的真空调压挤压铸造机，其特征在于，包括保温炉、模具、真空调压系统、中心封堵局部挤压系统、在线电磁搅拌系统和大口径升液管组件；

所述真空调压系统能够将真空调压挤压铸造机抽至目标真空值；

所述中心封堵局部挤压系统包括封堵组件和挤压组件；

所述的在线电磁搅拌系统能够在完成每个铸件后，自动启动并对坩埚炉中带有颗粒增强体粉末的金属熔体进行电磁搅拌；

所述的在线电磁搅拌系统包括低频电源，感应器和冷却单元，所述感应器连接低频电源，并产生作用于金属熔体的磁场，金属熔体在磁场作用下产生感应电流，并推动金属熔体流动；所述冷却单元用于冷却感应器；

所述的大口径升液管组件包括升液管，升液管穿过炉盖上的喉管并连接保温杯，升液管和喉管之间留有一定空隙，形成熔体热辐射区；

所述的在线电磁搅拌系统根据带有颗粒增强体粉末的金属熔体质量与颗粒增强体粉末加入量确定电磁搅拌的功率；

具体为：

式中，为电磁搅拌器功率，/>为电磁搅拌器基准功率，取值为48KW，/>为带有颗粒增强体粉末的金属熔体质量，/>为带有颗粒增强体粉末的金属熔体基准质量，取值为500Kg，/>为熔体中颗粒增强体的百分含量，/>为熔体中颗粒增强体的基准百分含量，取值为20%，/>取值范围为0.3~0.6；/>取值范围为0.3~0.5，/>取值范围为0.7~1.5。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁搅拌的真空调压挤压铸造机，其特征在于，所述的封堵组件包括中心封堵油缸、封堵分流锥；所述挤压组件包括挤压油缸、挤压板及挤压杆，中心封堵油缸连接活塞杆，活塞杆下方设有封堵分流锥，封堵组件上方设有冷却水管；挤压油缸连接挤压板，挤压油缸上带有挤压杆。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁搅拌的真空调压挤压铸造机，其特征在于，所述中心封堵局部挤压系统根据不同结构铸件的挤压工艺需求选择挤压位置。

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁搅拌的真空调压挤压铸造机，其特征在于，喉管外筒壁覆盖有保温棉。

5.根据权利要求1所述的一种基于电磁搅拌的真空调压挤压铸造机，其特征在于，所述真空调压系统包括旋片式真空泵、真空罐及不锈钢真空管路。

6.根据权利要求1所述的一种基于电磁搅拌的真空调压挤压铸造机，其特征在于，所述颗粒增强体粉末为碳化硅粉末。

7.根据权利要求6所述的一种基于电磁搅拌的真空调压挤压铸造机，其特征在于，所述金属熔体为铝熔体。

8.根据权利要求1所述的一种基于电磁搅拌的真空调压挤压铸造机，其特征在于，升液管和喉管之间间隙的距离根据辐射换热量确定。

9.根据权利要求1所述的一种基于电磁搅拌的真空调压挤压铸造机，其特征在于，取值为0.5，/>取值为0.35，/>取值为0.98。