一种电极感应离心铸造设备与方法与流程

本发明涉及铸造技术领域，尤其涉及一种电极感应离心铸造设备与方法。

背景技术

传统的冶金铸造技术通常依赖于模具，将成分配置好的合金在坩埚等耐热容器中加热熔化至液体，随后浇筑在模具之中，待凝固后既得到所需要的铸件。然而，常用金属通常是成分较为复杂的合金，其在凝固之中会发生溶质的再分配等问题，从而引起宏观偏析，造成铸件性能下滑甚至报废，且合金液经过耐热容器势必会引入污染物，影响最终铸件性能。

传统铸造中，若合金液的过热度不足，或者合金液天然的充型能力差，流动性低，或在浇筑过程中引起的合金液温度不均等，极易在铸造过程中引起浇不到、冷隔、气孔等缺陷；而最常用于提高铸锭质量的手段是通过后端的开坯锻造，然而，锻造通常需要更加复杂和昂贵的设备，因而每次执行锻造都会产生较大的成本提升，使得最终得到铸件的成本大幅度提升。

传统铸造中，由于模具在高温下会和金属液发生反应，因而在模具与金属液的接触位置，会影响铸件最外层的成分稳定性；如果通过机加工手段去除铸件最外层(污染层)，就会降低原材料利用率并带来成本提升5倍左右且工序增加；而原材料合金液体的扩散也会带来对模具的污染，通常合金液体对于模具污染后，需要对模具的内壁进行处理，因而会降低模具的使用次数，从而造成成本增高。

技术实现要素：

为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种电极感应离心铸造设备与方法，该设备改变了传统的铸造方式，能够实现边熔化边铸造，避免传统铸造过程中温度分布不均引起的铸件质量下降；无模具铸造过程，且改变了传统铸造过程中的坩埚熔炼方式，避免了熔炼坩埚和铸造模具带来的污染；解决了传统铸造过程中由于温度不均导致的浇不到、冷隔、气孔等缺陷；无模具铸造可保证铸件最外层成分的稳定性，同时不发生模具渗透，从而大大降低了铸造成本。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。

本发明提供一种电极感应离心铸造设备，包括底座，所述底座上设置有旋转基座，所述底座上竖直设置有第一转轴，所述旋转基座的底面中心处设置有第一竖直盲孔，所述第一转轴的上端装配于所述第一竖直盲孔内，所述第一转轴带动所述旋转基座转动；所述底座的一侧设置有支架，所述支架的上端水平连接有摆杆，所述摆杆一端竖直开设有凹槽，所述凹槽内嵌设有竖直导杆，所述竖直导杆沿所述凹槽上下移动；所述竖直导杆的上端设置有进料部件，所述竖直导杆的下端设置有锥形感应线圈；所述进料部件下端设置有金属棒材，所述金属棒材伸入所述锥形感应线圈内。

优选的，所述竖直导杆下端还设置有圆柱感应线圈，所述圆柱感应线圈设置于所述锥形感应线圈的正下方，且所述圆柱感应线圈和锥形感应线圈分别连接有供电装置。

优选的，所述金属棒材、所述锥形感应线圈、所述圆柱感应线圈的中心线位于同一竖直面。

优选的，所述摆杆的另一端竖直设置有第二转轴，所述支架的上端设置有第二竖直盲孔，所述第二转轴在所述第二竖直盲孔内转动。

优选的，所述第二转轴连接有伺服电机。

优选的，所述旋转基座上设置有模具座，所述模具座内放置有模具。

进一步优选的，所述模具为对开模具。

进一步优选的，所述模具为石墨模具。

优选的，所述旋转基座上设置有十字凸起，所述模具座底部设置有十字凹槽，所述十字凸起与所述十字凹槽相匹配。

优选的，所述旋转基座的底面嵌设有多个滚轮，且多个所述滚轮可随旋转基座转动。

优选的，多个所述滚轮相对于所述转轴中心对称。

优选的，所述第一转轴位于所述底座的中心处。

优选的，所述底座与第一转轴之间通过轴承连接。

优选的，所述第一转轴连接有电机。

优选的，所述进料部件包含推杆和旋转盘，所述推杆通过连接件与所述竖直导杆连接，所述推杆下端与所述旋转盘的上表面连接，所述旋转盘的底面与所述金属棒材连接。

优选的，所述推杆和竖直导杆分别连接有伺服电机。

优选的，所述金属棒材上端设置有锥形螺纹，所述旋转盘底部设置有锥形螺纹孔，所述锥形螺纹与锥形螺纹孔相匹配。

优选的，所述连接件的远离竖直导杆的一端竖直设置有套筒，所述推杆嵌设于所述套筒内，且所述推杆可在套筒内上下移动。

一种电极感应离心铸造方法，基于一种电极感应离心铸造设备，包括以下步骤：

步骤1，将金属棒材固定于进料部件下端，推动进料部件，使金属棒材伸入锥形感应线圈；通过进料部件使金属棒材自转并向下移动；同时，对锥形感应线圈通电，加热金属棒材，得锥形端头棒材，对圆柱线圈通电，得过热金属液流；

步骤2，转动旋转基座，使过热金属液流落入旋转基座上的模具内，过热金属液流在模具内铸造成型，得铸件。

优选的，步骤2中，所述的模具可通过以下步骤制备：设定模具直径，转动摆杆，使金属棒材的中心线对应的旋转基座上的圆周直径等于模具直径；转动旋转基座，使过热金属液流在旋转基座上凝固成模具。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明设备采用感应加热为热源，实现了合金边熔化边铸造，使铸造过程中的合金液温度恒定，解决了传统铸造过程中由于温度不均导致的浇不到、冷隔、气孔等缺陷的问题。

(2)本发明改变了传统的铸造方式，能够实现无模具铸造，解决了传统铸造过程中铸件最外层的成分不稳定现象，同时省去了模具和每次铸造完后模具的加工处理，大大节省了铸造成本，且避免了模具给铸件带来的污染。

(3)本发明方法改变了传统铸造过程中的坩埚熔炼方式，铸造过程中，金属棒材不与其他装置接触，避免了熔炼坩埚等装置带来的污染。

(4)本发明设备可在旋转基座上设置不同形状的模具，这样就可以制备出不同形状的铸件，设备应用范围广。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1一种电极感应离心铸造设备的一种实施例的结构示意图。

图2一种电极感应离心铸造设备的另一种实施例的结构示意图。

图3一种电极感应离心铸造设备中第一转轴的连接示意图。

图4一种电极感应离心铸造设备中摆杆的结构示意图。

以上图中，1、底座；101、第一转轴；102、轴承；2、旋转基座；201、滚轮；202、十字凸起；3、支架；4、摆杆；401、第二转轴；402、凹槽；5、竖直导杆；6、进料部件；601、推杆；602、旋转盘；603、连接件；604、套筒；7、金属棒材；8、锥形感应线圈；9、圆柱感应线圈；10、供电装置；11、模具座；12、石墨模具。

具体实施方式

实施例1

参考图1-图3，本发明的实施例提出一种电极感应离心铸造设备，包括底座1，底座1上设置有旋转基座2，旋转基座2的底面中心处设置有第一竖直盲孔，底座1上竖直设置有第一转轴101，第一转轴101的上端装配于第一竖直盲孔内，第一转轴101带动旋转基座2转动；第一竖直盲孔，使第一转轴101不会伸出旋转基座2的上表面，避免第一转轴101影响旋转基座2上表面的铸造过程，或者铸造的形状与所用模具不同等问题的出现，影响铸造质量。

底座1用于支撑整个设备，旋转基座2沿第一转轴101转动；底座1的一侧设置有支架3，支架3的上端水平连接有摆杆4，摆杆4一端竖直开设有凹槽402，凹槽402内嵌设有竖直导杆5，竖直导杆5沿凹槽402上下移动；竖直导杆5的上端设置有进料部件6，竖直导杆5的下端设置有锥形感应线圈8；进料部件6下端设置有金属棒材7，金属棒材7伸入锥形感应线圈8内，支架3用于支撑竖直方向上的各个部件，支架3的上端水平连接有摆杆4，竖直导杆5沿凹槽402上下移动，实现金属棒材7与旋转基座2竖直距离的调整。进料部件6用于将金属棒材7逐渐向下推动，使其在锥形感应线圈8内的位置不变，进而保证熔化效果；锥形感应线圈8用于感应加热熔化金属棒材7，使金属棒材7实现边熔化边凝固的铸造过程，解决了传统铸造过程中由于温度不均导致的浇不到、冷隔、气孔等缺陷的问题，同时，整个铸造过程金属棒材7不与其他装置接触，避免了熔炼坩埚等装置带来的污染。

另外，本发明提供的一种电极感应离心铸造设备可以具有如下附加实施例：

参考图1和图2，根据本发明的一个实施例，竖直导杆5下端还设置有圆柱感应线圈9，圆柱感应线圈9设置于锥形感应线圈8的正下方，且圆柱感应线圈9和锥形感应线圈8分别连接有供电装置10。

在以上实施例中，竖直导杆5下端还设置有圆柱感应线圈9，圆柱感应线圈9设置于锥形感应线圈8的正下方，用于控制金属液流的过热度，保证后续铸件的质量，圆柱感应线圈9和锥形感应线圈8分别连接有供电装置10，供电装置10为供电板等可提供电能的装置，使圆柱感应线圈9和锥形感应线圈8均可与金属棒材7产生感应磁场，进而加热金属棒材7。

参考图1和图2，根据本发明的一个实施例，金属棒材7、锥形感应线圈8和圆柱感应线圈9的中心线位于同一竖直面。

在以上实施例中，推杆601、旋转盘602、金属棒材7、锥形感应线圈8和圆柱感应线圈9的中心线分别位于同一竖直面，使金属棒材7受力均匀，保证整个结构的稳定性，同时保证金属棒材7位于感应线圈中间，使其受热均匀。

参考图1和图4，根据本发明的一个实施例，摆杆4的另一端竖直设置有第二转轴401，支架3的上端设置有第二竖直盲孔，第二转轴401在第二竖直盲孔内转动。

在以上实施例中，摆杆4的另一端竖直设置有第二转轴401，支架3的上端设置有第二竖直盲孔，第二转轴401在第二竖直盲孔内转动，使金属线材中心线可以对准旋转基座2的不同位置，与旋转基座2中心对准时，可实现离心铸造，与非中心点对准时，可用于制作模具，且在制作模具时，摆杆4可用于调节模具的直径大小，解决了传统铸造过程中铸件最外层的成分不稳定现象，同时省去了模具和每次铸造完后模具的加工处理，大大节省了铸造成本，且避免了模具给铸件带来的污染。

参考图4，根据本发明的一个实施例，第二转轴401连接有伺服电机。

在以上实施例中，第二转轴401连接有伺服电机，使摆杆4沿支架3的水平摆动的角度能够实现精准控制，且能使摆杆4固定于某个角度，便于摆杆4的摆动与固定。

参考图2，根据本发明的一个实施例，旋转基座2上设置有模具座11，模具座11内放置有模具。

在以上实施例中，旋转基座2上设置有模具座11，模具座11内放置有模具，使本设备也可以进行有模具的离心铸造，且模具可以是各种形状的模具，使该装置可用于铸造非圆柱形的铸件，使该设备使用范围更广。

参考图2，根据本发明的一个实施例，模具为对开模具。

在以上实施例中，模具为对开模具，便于铸造结束后的脱模过程。

参考图2，根据本发明的一个实施例，模具为石墨模具12。

在以上实施例中，模具为石墨模具12，石墨导热性能良好，自润滑性能好，使铸型速度提高，而且利于后续脱模过程。

参考图2，根据本发明的一个实施例，旋转基座2上设置有十字凸起202，模具座11底部设置有十字凹槽，十字凸起202与十字凹槽相匹配。

在以上实施例中，旋转基座2上设置有十字凸起202，模具座11底部设置有十字凹槽，十字凸起202与十字凹槽相匹配，便于将模具固定于模具座11内，保证旋转基座2转动过程中结构的稳定性。

参考图1和图2，根据本发明的一个实施例，旋转基座2的底面嵌设有多个滚轮201，且多个滚轮201可随旋转基座2转动。

在以上实施例中，旋转基座2的底面嵌设有多个滚轮201，且多个滚轮201可随旋转基座2转动，旋转基座2及其上铸件的重力通过放置于底座1上的多个滚轮201传给底座1，滚轮201作为辅助支撑以减少与第一转轴101所连接的电机的承力，进而避免电机损坏，延长电机使用寿命，同时减少旋转不平稳带来的震动，保证旋转过程中，旋转基座2的稳定性。

参考图1和图2，根据本发明的一个实施例，多个滚轮201相对于第一转轴101中心对称。

在以上实施例中，多个滚轮201相对于第一转轴101中心对称，保证旋转基座2的水平稳定性。

参考图1和图2，根据本发明的一个实施例，第一转轴101位于底座1的中心处。

在以上实施例中，第一转轴101位于底座1的中心处，使旋转基座2位于底座1的中心，使底座1各方向上承受的压力相同，使设备结构更稳定。

参考图3，根据本发明的一个实施例，底座1与第一转轴101之间通过轴承102连接。

在以上实施例中，底座1与第一转轴101之间通过轴承102连接，实现底座1不转而底座1上的第一转轴101能够转动。

参考图3，根据本发明的一个实施例，第一转轴101连接有电机。

在以上实施例中，第一转轴101连接有电机，为旋转基座2的转动提供动力。

参考图1和图2，根据本发明的一个实施例，进料部件6包含推杆601和旋转盘602，推杆601通过连接件603与竖直导杆5连接，推杆601下端与旋转盘602的上表面连接，旋转盘602的底面与金属棒材7连接。

在以上实施例中，进料部件6包含推杆601和旋转盘602，推杆601通过连接件603与竖直导杆5连接，使推杆601以竖直导杆5为支撑；推杆601的下端与旋转盘602的上表面连接，推杆601与旋转盘602通过焊接等方式固定，用于将旋转盘602向下推动，使金属棒材7向下移动；旋转盘602的底面与金属棒材7连接，金属棒材7随旋转盘602转动而实现自转，便于后续的边熔化边进给过程。

参考图1和图2，根据本发明的一个实施例，推杆601和竖直导杆5分别连接有伺服电机。

在以上实施例中，与推杆601连接的伺服电机，用于推动推杆601向下移动完成金属棒材7的进给，保证金属棒材7在锥形感应线圈8内的位置不变；与竖直导杆5连接的伺服电机，用于控制竖直导杆5沿凹槽402的上下移动和固定。

参考图1和图2，根据本发明的一个实施例，金属棒材7上端设置有锥形螺纹，旋转盘602底部设置有锥形螺纹孔，锥形螺纹与锥形螺纹孔相匹配。

在以上实施例中，金属棒材7上端设置有锥形螺纹，旋转盘602底部设置有锥形螺纹孔，锥形螺纹与锥形螺纹孔相匹配，便于实现金属棒材7与旋转盘602的固定，便于金属棒材7随旋转盘602同步旋转。

参考图1和图2，根据本发明的一个实施例，连接件603的远离竖直导杆5的一端竖直设置有套筒604，推杆601嵌设于套筒604内，且推杆601可在套筒604内上下移动。

在以上实施例中，连接件603的远离竖直导杆5的一端竖直设置有套筒604，推杆601嵌设于套筒604内，且推杆601可在套筒604内上下移动，使推杆601在竖直方向上受力均匀，便于推杆601在竖直方向上移动。

实施例2

参考图1，基于本发明提出的一种电极感应离心铸造设备，本发明的实施例提出一种电极感应离心铸造方法，包括以下步骤：

步骤1，制备模具：将本设备放置于氩气气氛中，将ti6al4v合金加工成直径100mm，长度1000mm的棒材，将棒材与旋转盘固定，移动竖直导杆，使金属棒材伸入锥形感应线圈；转动摆杆，使金属棒材的中心线对应的旋转基座上的圆周直径为1000mm；转动旋转盘，使金属棒材以10rpm自转，推杆推动旋转盘匀速向下移动，同时，对锥形感应线圈通电，设定功率为13.6kw，加热金属棒材，使金属棒材的熔化速率为120g/min；同时，旋转基座以5rpm转动，使金属液流在旋转基座上凝固形成圆柱外壳，得模具；断开锥形感应线圈供电；

步骤2，铸造成型：转动摆杆，使锥形端头棒材的锥尖对准旋转基座的中心；转动旋转盘，使金属棒材以5rpm自转，推杆推动旋转盘向下移动，同时，对锥形感应线圈通电，设定功率为68kw，加热锥形端头棒材，使金属棒材的熔化速率为600g/min；得过热金属液流；过热金属液流在以5rpm转动的旋转基座的模具内进行离心铸造，得铸件。

采用阿基米德法测量铸件的致密度为99.6％，说明该方法所得铸件的致密度很高，孔隙和缩孔很少。采用能谱扫描法在铸件截面进行面扫，结果为al含量为6.1wt.％，v含量为4.1wt.％，说明该方法的铸造过程没有引入其他杂质污染；在该截面的某一半径方向上取两端和中间处的三个点，分别进行能谱成分分析，结果分别为：第一个点的al含量为5.7wt.％，v含量为3.5wt.％，第二个点的al含量为5.4wt.％，v含量为4.1wt.％，第三个点的al含量为5.9wt.％，v含量为4.2wt.％，说明该方法制备的铸件的成分分布均匀，无显著成分偏析。

实施例3

参考图1，基于本发明提出的一种电极感应离心铸造设备，本发明的实施例提出一种电极感应离心铸造方法，包括以下步骤：

步骤1，制备模具：将本设备放置于大气气氛中，将纯铜金属加工成直径100mm，长度1000mm的棒材，将棒材与旋转盘固定，移动竖直导杆，使金属棒材伸入锥形感应线圈；转动摆杆，使金属棒材的中心线对应的旋转基座上的圆周直径为1500mm；转动旋转盘，使金属棒材以10rpm自转，推杆推动旋转盘匀速向下移动，同时，对锥形感应线圈通电，设定功率为4kw，加热金属棒材，使金属棒材的熔化速率为10g/min，对圆柱感应线圈通电，调节电源功率为10kw，对金属液流进行过热处理，得过热金属液流；同时，旋转基座以10rpm转动，使过热金属液流在旋转基座上凝固形成圆柱外壳，得模具；断开锥形感应线圈供电；

步骤2，铸造成型：转动摆杆，使锥形端头棒材的锥尖对准旋转基座的中心；转动旋转盘，使金属棒材以10rpm自转，推杆推动旋转盘向下移动，同时，对锥形感应线圈通电，设定功率为24kw，加热锥形端头棒材，使金属棒材的熔化速率为600g/min；对圆柱感应线圈通电，调节电源功率为10kw，对金属液流进行过热处理，得过热金属液流；过热金属液流在以10rpm转动的旋转基座的模具内进行离心铸造，得铸件。

采用阿基米德法测量铸件的致密度为99.9％，说明该方法制备的铸件非常致密，孔隙和缩孔基本不存在。采用能谱扫描法分别在铸件截面进行面扫，结果为cu含量均为100wt.％，说明铸造过程没有引入任何杂质污染；在该截面的某一半径方向上取两端和中间处的三个点，分别进行能谱成分分析，结果为三个点cu含量均为100wt.％，说明本方法制备的铸件的成分分布非常均匀。

实施例4

参考图1，基于本发明提出的一种电极感应离心铸造设备，本发明的实施例提出一种电极感应离心铸造方法，包括以下步骤：

步骤1，制备模具：将本设备放置于真空气氛中，将ti-5cu合金加工成直径100mm，长度1000mm的棒材，将棒材与旋转盘固定，移动竖直导杆，使金属棒材伸入锥形感应线圈；转动摆杆，使金属棒材的中心线对应的旋转基座上的圆周直径为1200mm；转动旋转盘，使金属棒材以8rpm自转，推杆推动旋转盘匀速向下移动，同时，对锥形感应线圈通电，设定功率为3.4kw，加热金属棒材，使金属棒材的熔化速率为30g/min，对圆柱感应线圈通电，调节电源功率为5kw，对金属液流进行过热处理，得过热金属液流；同时，旋转基座以8rpm转动，使过热金属液流在旋转基座上凝固形成圆柱外壳，得模具；断开锥形感应线圈供电；

步骤2，铸造成型：转动摆杆，使锥形端头棒材的锥尖对准旋转基座的中心；转动旋转盘，使金属棒材以8rpm自转，推杆推动旋转盘向下移动，同时，对锥形感应线圈通电，设定功率为22.6kw，加热锥形端头棒材，使金属棒材的熔化速率为200g/min；对圆柱感应线圈通电，调节电源功率为5kw，对金属液流进行过热处理，得过热金属液流；过热金属液流在以8rpm转动的旋转基座的模具内进行离心铸造，得铸件。

采用阿基米德法测量铸件的致密度为99.7％，说明该方法所得铸件的致密度很高，孔隙和缩孔很少。采用能谱扫描法分别在铸件截面进行面扫，cu含量为5.6wt.％，说明该方法的铸造过程没有引入其他杂质污染；在该截面的某一半径方向上取两端和中间处的三个点，分别进行能谱成分分析，结果为cu含量分别为5wt.％、6.2wt.％和5.8wt.％，说明本方法制备的铸件的成分分布较均匀，无显著成分偏析。

实施例5

参考图2，基于本发明提出的一种电极感应离心铸造设备，本发明的实施例提出一种电极感应离心铸造方法，包括以下步骤：

步骤1，装模具：将本设备放置于氩气气氛中，将模具座卡接入旋转基座上，将石墨模具放入旋转基座上的模具座内；将3cr13合金加工成直径100mm，长度1000mm的棒材，将棒材与旋转盘固定，移动竖直导杆，使金属棒材伸入锥形感应线圈；

步骤2，铸造成型：转动摆杆，使金属棒材的中心线对准旋转基座的中心；转动旋转盘，使金属棒材以10rpm自转，推杆推动旋转盘向下移动，同时，对锥形感应线圈通电，设定功率为30kw，加热金属棒材，使金属棒材的熔化速率为200g/min；对圆柱感应线圈通电，调节电源功率为5kw，对金属液流进行过热处理，得过热金属液流；过热金属液流在以200rpm转动的旋转基座的石墨模具内进行离心铸造，得铸件。

采用阿基米德法测量铸件的致密度为99.6％，说明该方法所得铸件的致密度很高，孔隙和缩孔很少。采用能谱扫描法分别在铸件截面进行面扫，cr含量为11.7wt.％，说明该方法的铸造过程引入杂质污染较少；在该截面的某一半径方向上取两端和中间处的三个点，分别进行能谱成分分析，结果为cr含量分别为12.3wt.％、12.6wt.％和13.1wt.％，说明本方法制备的铸件的成分分布较均匀，无显著成分偏析。

本发明的方法可以自行制备模具，避免了传统铸造过程中污染物的引入，大大提高了产品质量；也可以在旋转基座上装设模具，使本方法可以铸造出形状各异的铸件，扩大了本发明的应用范围。

本发明设备可放置于空气、真空或惰性气体气氛中，使铸造过程不受环境限制，应用范围非常广。

本发明实施例中的实验参数只是示例性的，不作为限制本发明的依据，实际生产过程中，可根据具体原料进行调试和变化。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。