一种钛合金构件真空低压铸造成形装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种小型钛合金构件真空低压铸造成形装置，包括设备主体、真空低压铸造气控系统、电控系统。设备主体采用上下室式结构，水冷铜坩埚放置在下室中，铸型放置在上室中，上下室之间有中隔板，中隔板上放置有升液管；真空低压铸造系统与设备主体、真空系统及保护性气体气源系统相连接，并采用数字式组合阀作为流量调节执行机构；电控系统由工业控制计算机和PLC组成。钛合金在熔炼室完成熔炼过程后，通过升降装置抬升水冷铜坩埚至浇注位置，关闭上下室互通阀，由计算机控制通入下室中的保护性气体流量，建立上下室之间的压差，合金液在压差作用下通过升液管充入铸型，完成铸造过程。本发明较传统离心铸造及底漏式吸铸能提高钛合金的充型能力及凝固补缩能力，得到铸造质量更好、壁厚更薄的铸件，为小型钛合金构件的批量化生产提供了一种新的手段。
【专利说明】一种钛合金构件真空低压铸造成形装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及钛合金反重力铸造领域，具体地说，涉及一种钛合金构件真空低压铸造成形装置，属于铸造及铸造设备领域。
【背景技术】
[0002]钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀等优异的综合性能，是航空航天领域内一种重要的结构材料。离心铸造是钛合金铸造最常用的方法，但是铸造过程中工艺参数不易控制，并且离心力的存在会造成铸件化学成分的不均匀性，最终导致铸件力学性能的不均匀性。在中国专利[201010615723.4:一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法]中，该发明提出一种底漏式真空吸铸熔模精密铸造方法成形钛合金铸件的方法，该方法借助重力及真空吸力使合金液沿重力方向充型，属于重力铸造范畴，充型过程中无法对合金液流速及流态进行控制，影响铸件最终的内在质量。在中国专利[200810150364.2:—种钛及钛合金的铸造方法]中，该发明采用了一种类似于真空吸铸的方法，通过快速抽取上炉腔真空，使纯钛或钛合金液沿升液管逆重力方向进入铸型壳中。但真空吸铸的吸铸力有限，合金液的充型动力及凝固补缩压力都较小，无法用于较大铸件的生产。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题在于提供一种钛合金构件真空低压铸造成形装置，可采用真空低压铸造方法生产钛合金构件。该装置在钛合金真空熔炼完成后，通过坩埚上升完成低压铸造准备工作，然后向下室中通入保护气体，使合金液沿升液管上升进入铸型型腔并凝固成形，完成低压铸造过程。该装置通过控制进入下室的气体流量实现对合金液充型速度的控制，具有充型速度可控、充型平稳、铸造缺陷少的特点。
[0004]本发明提供的一种钛合金构件真空低压铸造成形装置，包括设备主体、真空低压造气控系统、电控系统。
[0005]设备主体采用上下室式结构，上室及下室分别带有冷却水循环系统。下室内放置有水冷铜坩埚，通过设备主体电极引入点与感应电源相连接。水冷铜坩埚与升降装置相连，可以带动水冷铜坩埚做上下往复运动。铸型放置在上室中，上室内有加热保温装置及模壳固定装置。设备主体通过管道与真空低压铸造气控系统相连接。
[0006]真空低压铸造气控系统包括连接有真空系统的真空控制管路和连接有保护性气体气源系统的管路组成。真空系统由真空罐、机械泵、扩散泵和增压泵组成。保护气体气源系统由储气罐和保护性气体发生装置组成。真空低压铸造气控系统采用数字式组合阀作为流量调节执行机构，由计算机实现流量调节控制。
[0007]电控系统主要有工业计算机和PLC组成。工业控制计算机主要用作参数设置、数据监控和数据存储；PLC用作现场控制器，负责现场采样、数据运算、控制输出。工业控制计算机和PLC通过RS485通讯口进行连接，实现数据共享。铸造过程采用闭环控制，监视器上设置有监控画面，能实时观测到设定压力和实际压力，以及各元件的工作状态。[0008]本发明将反重力铸造与钛合金水冷铜坩锅感应熔炼技术结合起来，实现了钛合金构件的真空低压铸造成型，为钛合金构件提供了一种可行的铸造工艺手段。熔炼在真空状态下完成的，铸造和凝固过程在惰性保护气体下完成。真空低压铸造可提高钛合金熔体的充型能力，有利于提高构件在成型过程中的补缩能力和抑制构件在成形过程中产生化学成分偏析的倾向。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]下面结合附图和实施方式对本发明一种钛合金构件低压铸造成形装置作进一步详细的说明。
[0010]图1为本发明的钛合金构件真空低压铸造形装置结构示意图。
[0011]1.下室2.下室冷却水进出口 3.铜坩埚电极接入点4.水冷铜坩埚5.升液管6.中隔板7.密封垫8.锁紧密封机构9.上室10.电阻丝11.电极接口 12.上室冷却水进出口 13.保温层14.模壳锁紧机构15.铸型模壳16.上室进排气电磁阀17.真空系统18.上下室互通电控截止阀19.计算机控制系统20.保护气体气源系统21.气源电控截止阀22.数字式组合阀23.排气电控截止阀24.感应电源25.冷却水循环系统26.下室进排气电控截止阀27.电感应开关28.位置挡片29.坩埚升降机构
【具体实施方式】
[0012]本实施例是一种钛合金构件真空低压铸造成形装置
[0013]如图1所示，一种钛合金构件真空低压铸造成形装置主要由下室1、下室冷却水进出口 2、铜坩埚电极接入点3、水冷铜坩埚4、升液管5、中隔板6、密封垫7、锁紧密封机构8、上室9、电阻10、电极接口 11、上室冷却水进出口 12、保温层13、模壳锁紧机构14、铸型模壳15、上室进排气电磁阀16、真空系统17、上下室互通电控截止阀18、计算机控制系统19、保护气体气源系统20、气源电控截止阀21、数字式组合阀22、排气电控截止阀23、感应电源24、冷却水循环系统25、下室进排气电控截止阀26、电感应开关27、位置挡片28、坩埚升降机构组成29组成。
[0014]下室I和上室9采用双层水冷结构，下室冷却水进出口 2及上室冷却水进出口 12与冷却水循环系统25连接。水冷铜坩埚4放置在下室I内，并通过铜坩埚电极接入点3与感应电源24连接。坩埚升降结构29位于下室I底部中心，与水冷铜坩埚3相连，可实现坩埚的升降运动，并可通过位置挡片28和电感应开关27控制坩埚的上升与下降位置。
[0015]中隔板6位于上室I与下室9之间，起隔离上下室和放置铸型作用。升液管5放置在中隔板6中心的孔中，在升液管5法兰的上下端面放置有耐火材料的密封垫7，铸型模壳15放置在升液管6和密封垫7上，并通过模壳锁紧机构14将铸型、升液管和密封垫压紧，实现密封。电阻丝10、电极接口 11、保温层13位于上室9内，主要用于对铸型模壳的预热保温。
[0016]锁紧密封机构8主要用于下室I和上室9之间的锁紧密封，在液压油缸的驱动下，锁紧密封机构8绕轴向转动，实现上室、下室之间的打开与密封。
[0017]上室进排气电磁阀16和真空系统17通过无缝钢管与上室9连接，上下室互通电控截止阀18通过无缝钢管与下室I和上室9连接。气源电控截止阀21、数字式组合阀22、排气电控截止阀23和下室进排气电控截止阀26组成低压铸造气控系统，其中气源电控截止阀21与气源20连接，下室进排气电控截止阀26与下室I连接。其中真空系统20由真空罐、机械泵、扩散泵和增压泵组成，气源系统20由储气罐和保护性气体发生装置组成。
[0018]计算机控制系统19主要有工业计算机和PLC组成。工业控制计算机主要用作参数设置、数据监控和数据存储；PLC用作现场控制器，负责现场采样、数据运算、控制输出。工业控制计算机和PLC通过RS485通讯口进行连接，实现数据共享。铸造过程采用闭环控制，监视器上设置有监控画面，能实时观测到设定压力和实际压力，以及各元件的工作状态。
[0019]工作流程:
[0020]钛合金熔炼开始前，先将锁紧密封机构8打开，移走上室9和中隔板6，向水冷铜坩埚4中加入钛合金料。将中隔板6放置到锁紧密封机构8后，在中隔板5上放置升液管5，使升液管5处在水冷铜坩埚4上方，并在升液管法兰上下面放置耐火材料的密封垫7。将铸型摸壳15的烧口与升液管口位置对齐，放置于中隔板6上,利用模壳锁紧机构14将模壳固定，实现模壳和升液管与上下腔隔板之间的密封。将上室9放置到锁紧密封机构8中，并锁紧密封，使上下室之间密封隔离。通过电极接口 11对电阻丝10通电，实现对铸型模壳的预热保温。
[0021]开启真空系统17并打开上室进排气电磁阀16和上下室互通电控截止阀，实现对上室9和下室I建立同步真空，在真空达到所需的真空度时，通过铜坩埚电极接入点3实现对水冷铜坩埚通电，实现对钛合金料的加热熔炼。由于升液管5处在水冷铜坩埚4上方，靠感应熔炼辐射热对其进行预热，可降低低压铸造过程中升液管15对钛合金熔体的激冷效果O
[0022]熔炼结束后，开始真空低压铸造。首先根据工艺需求在计算机控制软件中输入相应低压铸造工艺参数，参数输入完毕后，工控机将参数下传至PLC中的存储器中。然后关闭上室进排气电磁阀16和上下室互通电控截止阀18，水冷铜坩埚4在升降机构29的带动下快速上升，使升液管5浸入钛合金熔体之中。打开气源电控截止阀、下室进排气电控截止阀，在计算机控制系统调控下，按照参数设置实时调节数字组合阀22的进气流量，使保护气体以一定的速度充入下室I中，这样，在上、下室之间形成压差，钛合金熔液在压差作用下沿升液管上升并进入铸型型腔中，在一定压差作用下凝固成形，实现钛合金真空低压铸造过程。
[0023]在钛合金铸件凝固后，关闭气源电控截止阀21，打开上下室互通电控截止阀18，卸除上下室之间的压差，是升液管内未凝固合金液流回坩埚内，启动坩埚升降机构29，带动水冷铜坩埚向下移动到熔炼开始时位置。打开排气电控截止阀23，使上下室破除真空，并恢复到常压状态。松开模壳锁紧机构14，打开锁紧密封机构，吊走上室9，取出铸件，完成浇注过程。
【权利要求】
1.一种钛合金构件真空低压铸造成形装置，其特征在于由设备主体、真空低压铸造气控系统、电控系统组成。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金构件真空低压铸造成形装置，其特征在于采用上下室结构。上室、下室之间放置有中隔板，起隔离上室、下室和放置铸型、升液管作用；上室、下室之间通过锁紧密封机构锁紧和打开；上下室之间连接有互通电控截止阀。下室内放置有水冷铜坩埚，且水冷铜坩埚与坩埚升降机构相连，可上下移动；上室内放置有铸型模壳，并有加热保温装置以及模壳固定装置，可实现对模壳的加温预热以及固定作用。
3.根据权利要求1和2所述的一种钛合金构件真空低压铸造成形装置，其特征在于真空低压铸造气控系统与设备主体进排气截止阀相连，并与真空系统和保护性气体气源系统相连接。真空低压铸造气控系统采用数字式组合阀作为流量调节执行机构，由计算机实现流量调节控制。
4.根据权利要求1所述的一种小型钛合金构件真空低压铸造成形装置，其特征在于电控系统主要由工业控制计算机和PLC组成，工业控制计算机主要用作参数设置、数据监控和数据存储；PLC用作现场控制器，负责现场采样、数据运算、控制输出。工业控制计算机和PLC通过RS485通讯口进行连接，实现数据共享。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金构件真空低压铸造成形装置，其特征在于钛合金在下室内采用水冷铜坩埚悬浮熔炼，熔炼开始前，打开上下室互通阀对上室、下室建立同步真空度，开始加热熔炼；熔炼结束后坩埚升降机构带动水冷铜坩埚上升，升液管浸入合金液后，关闭上下室互通阀；由计算机程序控制数字式组合阀的调节状态，按一定速度向下室中通入保护性气体，在上下室之间建立压差；合金液在压差作用下沿升液管上升并进入铸型型腔中，凝固成形，得到所需的铸件。
【文档编号】B22D18/04GK104028729SQ201410202210
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月9日 优先权日:2014年5月9日
【发明者】李新雷, 李强, 郝启堂 申请人:西北工业大学