一种钛合金组合铸造的工艺的制作方法

本发明涉及钛合金铸造领域，具体涉及一种钛合金组合铸造的工艺。

背景技术：

铸造是指金属材料的液态成型工艺。将熔融金属浇注、压射或吸入铸型型腔，凝固后使之成为具有一定形状和性能的铸件。铸造钛合金是指用于浇铸成一定形状铸件的钛合金，大部分变形钛合金具有良好的铸造性能。

钛铸件多用真空凝壳炉和石墨型熔铸，与同成分的变形合金相比，它们的强度基本相等，但塑性与疲劳性能约低40％～50％，而断裂韧性则稍好一些。大部分钛铸件采用稳定化退火处理。

由于钛合金比重轻，对于一些特殊的产品来说需要增重，从而需要将一些高比重的物体在铸造过程中注入到钛合金的某些部位，从而进行增重，比如在铸造阶段把高比重的锆石一起铸造到里面，原理等同于工程中的配重。

目前解决钛合金零件重量不足的技术方案大多为在钛合金零件外表面进行加工，然后使用螺丝将高比重的物体固定在钛合金零件上，例如中国专利cn2287983公开的一种钛合金高尔夫铁杆头，它包括配重块和由钛合金制成的击球面，所述配重块与所述击球面通过其上的结合面和配合面结合，其特征在于：所述配重块的所述结合面上设置有结合部，所述配重块的所述配合面上设置有与所述结合部配合的配合部，所述配重块延伸出一与杆身连接的连接套管，将所述结合部与所述配合部铆接。

相比较于一体铸造成型的钛合金零件，通过螺栓或者铆接组合的钛合金零件寿命较低，还需要在铸造完成后进行进一步的加工和组装，成本较高，所以需要一种直接将配重块铸造在钛合金零件内部的工艺。

中国专利cn104923733b公开了带有异形内孔的钛或钛合金铸件的铸造方法，包括有制备镶嵌体；压制蜡型；制壳；浇注；切割。

该专利公开的方法能避免采用陶瓷型芯法时出现的脱芯难、成本高、效率低等问题；同时，保证了铸件的性能和使用的可靠性，同时也适用于直接将配重块铸造在钛合金铸件内部的方法。但是通过该方法铸造出来的钛合金铸件，其镶嵌体的材质为钛或者与钛合金铸件相同的材质，否则镶嵌体与钛合金铸件之间的连接将不够紧密，在钛合金铸件使用的过程中，可能会出现配重块在钛合金铸件内部晃动、旋转的现象，造成用户的体验不佳，尤其是不适用于精密零件的使用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种钛合金组合铸造的工艺，该工艺解决了钛合金铸件与配重块之间的连接部位寿命较低的问题，还能够将配重块嵌入式地设置在一体成型的钛合金铸件内部，并且即使铸件和镶嵌件熔合不良，也不会降低钛合金铸件的强度和寿命。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种钛合金组合铸造的工艺，包括以下步骤：

步骤一、制备配重件；

步骤二、制备镶嵌件：镶嵌件包括有第一半壳、第二半壳和支撑杆，第一半壳和第二半壳分别包裹住配重件左半边和右半边，当支撑杆抵接在第一半壳和第二半壳的接缝处并且支撑杆的轴线与第一半壳、第二半壳的球心相交时，支撑杆的轴线与配重件的重心相交；

步骤三、组装镶嵌件：通过自动组装摩擦焊机将配重件放置于第一半壳和第二半壳组合产生的空腔中，然后通过摩擦焊接工艺焊接第一半壳、第二半壳、支撑杆和配重件；

步骤四、压制蜡型：根据铸件图纸和镶嵌件图纸制作蜡型模具，将镶嵌件固定在蜡型模具中，压制出含有镶嵌件的蜡型蜡型，其中支撑杆靠近配重件的部分被蜡包裹，支撑杆远离配重件的部分未被蜡包裹；

步骤五、制壳：按照正常的型壳制造工序制造型壳，脱蜡后，镶嵌件通过支撑杆固定在型壳内腔中；

步骤六、浇筑：按照正常的浇注工艺进行浇注；

步骤七、切割：将铸件上残留的浇注系统和支撑杆切除获得铸件。

作为一种钛合金组合铸造的工艺的一种优选方案，配重件为球体。

作为一种钛合金组合铸造的工艺的一种优选方案，支撑杆包括有连接杆，连接杆为圆柱形状，压制蜡型时，其中连接杆靠近配重件的部分被蜡包裹，连接杆远离配重件的部分未被蜡包裹。

作为一种钛合金组合铸造的工艺的一种优选方案，支撑杆还包括有底座，底座为六棱形状，底座轴向截面的面积大于连接杆轴向截面的面积，连接杆和底座同轴设置，连接杆和底座为一体件，底座设置在远离第一半壳和第二半壳的一侧。

作为一种钛合金组合铸造的工艺的一种优选方案，底座的底面设置有轴向向内凹陷的力矩孔。

作为一种钛合金组合铸造的工艺的一种优选方案，在步骤三和步骤四之间，还包括有步骤3.1；

步骤3.1、清除第一半壳、第二半壳和支撑杆摩擦焊接时产生的飞边。

作为一种钛合金组合铸造的工艺的一种优选方案，自动组装摩擦焊机包括有摩擦焊机、承载台、半壳夹紧机构和配重件上料机构，承载台、半壳夹紧机构和配重件上料机构均固定安装在摩擦焊机上的非工作部，半壳夹紧机构分别水平设置在承载台的两侧并且相向设置，半壳夹紧机构的工作方向垂直于摩擦焊机的工作方向，配重件上料机构的工作端位于承载台的正上方，摩擦焊机的工作部轴线位于承载台和配重件上料机构的工作端正中间。

作为一种钛合金组合铸造的工艺的一种优选方案，承载台包括有支柱和置料台，支柱设置在置料台的底端，置料台通过支柱和摩擦焊机的非工作部固定连接，置料台的顶面中间设置有向内凹陷的凹槽，凹槽与配重件的外轮廓间隙配合。

作为一种钛合金组合铸造的工艺的一种优选方案，半壳夹紧机构包括有第一直线驱动器、通气杆、橡胶圈、治具和电磁三通阀，第一直线驱动器固定安装在摩擦焊机的非工作部，第一直线驱动器的工作方向水平朝向承载台的轴线设置，通气杆固定安装在第一直线驱动器的活动部，通气杆朝向承载台的一端固定安装有橡胶圈，通气杆朝向承载台的一端固定套设有治具，治具朝向承载台的一面与配重件间隙配合，通气杆远离承载台的一端固定安装有电磁三通阀，电磁三通阀的一个进气端通过气管与真空泵的工作端连通。

作为一种钛合金组合铸造的工艺的一种优选方案，配重件上料机构包括有第二直线驱动器、落料管和上料导轨，第二直线驱动器设置在承载台的正上方，第二直线驱动器的工作端竖直向下设置，落料管固定安装在第二直线驱动器的工作端，落料管的轴线与凹槽的轴线重合，上料导轨倾斜设置在落料管的旁侧，上料导轨靠近落料管的一端高度低于上料导轨远离落料管的一端，上料导轨的出料端与落料管的外壁间隙配合，落料管朝向上料导轨的一侧设置有入料孔，入料孔的上方设置有竖直部分位于入料孔外侧的l型阻料杆。

本发明的有益效果：

首先计算出钛合金铸件内部配重所需要的重量、尺寸、数量和位置，然后制备或者直接采购相应大小的第一半壳、第二半壳、支撑杆和配重件，配重件可以为锆石或者陶瓷等各种比重较高的材料；

接着制备镶嵌件，镶嵌件包括有第一半壳、第二半壳和支撑杆，第一半壳和第二半壳分别包裹住配重件左半边和右半边，当支撑杆抵接在第一半壳和第二半壳的接缝处并且支撑杆的轴线与第一半壳、第二半壳的球心相交时，支撑杆的轴线与配重件的重心相交；第一半壳、第二半壳、支撑杆与铸件为相同材质；

然后通过摩擦焊机、承载台、半壳夹紧机构和配重件上料机构将第一半壳、第二半壳、支撑杆焊接成一体，并且使得配重件位于第一半壳和第二半壳组合产生的空腔中；

接着开始压制蜡型：根据铸件图纸和镶嵌件图纸制作蜡型模具，将镶嵌件固定在蜡型模具中，压制出含有镶嵌件的蜡型蜡型，其中支撑杆靠近配重件的部分被蜡包裹，支撑杆远离配重件的部分未被蜡包裹；通过支撑杆调整第一半壳和第二半壳的位置使得配重件位于型腔内部应处的位置，在制壳脱蜡后，配重件即停留在型壳内部的指定位置，浇筑后第一半壳、第二半壳和支撑杆与铸件熔合为一体，配重件固定在铸件内部形成配重，然后将铸件外面多余的支撑杆切除即可。

1、该工艺解决了钛合金铸件与配重块之间的连接部位寿命较低的问题；

2、该工艺能够将配重块嵌入式地设置在一体成型的钛合金铸件内部；

3、即使铸件和镶嵌件熔合不良，也不会降低钛合金铸件的强度和寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例所述的一种钛合金组合铸造的工艺的浇筑时的剖面图；

图2是本发明实施例所述的一种钛合金组合铸造的工艺的压制蜡型时的剖面图；

图3是本发明实施例所述的一种钛合金组合铸造的工艺的镶嵌件立体图；

图4是本发明实施例所述的一种钛合金组合铸造的工艺的镶嵌件立体分解图；

图5是本发明实施例所述的一种钛合金组合铸造的工艺的承载台、半壳夹紧机构和配重件上料机构立体图；

图6是本发明实施例所述的一种钛合金组合铸造的工艺的承载台、半壳夹紧机构和配重件上料机构俯视图；

图7是本发明实施例所述的一种钛合金组合铸造的工艺的配重件上料机构正视图；

图8是图7的a-a方向剖视图；

图9是本发明实施例所述的一种钛合金组合铸造的工艺的半壳夹紧机构部分结构俯视图；

图10是图9的b-b方向剖视图；

图中：

1、铸件；

2、镶嵌件；2a、第一半壳；2b、第二半壳；2c、支撑杆；2c1、连接杆；2c2、底座；2c3、力矩孔；

3、配重件；

4、蜡型；

5、承载台；5a、支柱；5b、置料台；5b1、凹槽；

6、半壳夹紧机构；6a、第一直线驱动器；6b、通气杆；6c、橡胶圈；6d、治具；6e、电磁三通阀；

7、配重件上料机构；7a、第二直线驱动器；7b、落料管；7b1、入料孔；7b2、阻料杆；7c、上料导轨。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1至图10所示的一种钛合金组合铸造的工艺，包括以下步骤：

步骤一、制备配重件3；

步骤二、制备镶嵌件2：镶嵌件2包括有第一半壳2a、第二半壳2b和支撑杆2c，第一半壳2a和第二半壳2b分别包裹住配重件3左半边和右半边，当支撑杆2c抵接在第一半壳2a和第二半壳2b的接缝处并且支撑杆2c的轴线与第一半壳2a、第二半壳2b的球心相交时，支撑杆2c的轴线与配重件3的重心相交；

步骤三、组装镶嵌件2：通过自动组装摩擦焊机将配重件3放置于第一半壳2a和第二半壳2b组合产生的空腔中，然后通过摩擦焊接工艺焊接第一半壳2a、第二半壳2b、支撑杆2c和配重件3；

步骤四、压制蜡型：根据铸件图纸和镶嵌件图纸制作蜡型模具，将镶嵌件2固定在蜡型模具中，压制出含有镶嵌件2的蜡型蜡型4，其中支撑杆2c靠近配重件3的部分被蜡包裹，支撑杆2c远离配重件3的部分未被蜡包裹；

步骤五、制壳：按照正常的型壳制造工序制造型壳，脱蜡后，镶嵌件2通过支撑杆2c固定在型壳内腔中；

步骤六、浇筑：按照正常的浇注工艺进行浇注；

步骤七、切割：将铸件上残留的浇注系统和支撑杆2c切除获得铸件1。

配重件3为球体。

配重件3为球体，其重心即为其球心，从而便于计算出配重件3在钛合金铸件中应处的位置，便于工作人员通过计算机和相应的软件计算出需要的配重件3数量、大小及位置，同时配重件3为球体使得第一半壳2a和第二半壳2b组合成球壳形状，从而使得铸件1与第一半壳2a和第二半壳2b的结合处为球形空腔形状，该形状无应力集中点，进而使得当铸件1和镶嵌件2之间出现熔合不良区域时，铸件1与镶嵌件2的结合处无应力集中点，从而避免铸件1和镶嵌件2熔合不良时造成铸件1的强度降低的情况。

支撑杆2c包括有连接杆2c1，连接杆2c1为圆柱形状，压制蜡型时，其中连接杆2c1靠近配重件3的部分被蜡包裹，连接杆2c1远离配重件3的部分未被蜡包裹。

连接杆2c1为圆杆使得铸件1和连接杆2c1的结合处为圆孔形状，该形状无应力集中点，进而使得当铸件1和连接杆2c1之间出现熔合不良区域时，铸件1与连接杆2c1的结合处无应力集中点，从而避免铸件1和连接杆2c1熔合不良时造成铸件1的强度降低的情况。

支撑杆2c还包括有底座2c2，底座2c2为六棱形状，底座2c2轴向截面的面积大于连接杆2c1轴向截面的面积，连接杆2c1和底座2c2同轴设置，连接杆2c1和底座2c2为一体件，底座2c2设置在远离第一半壳2a和第二半壳2b的一侧。

底座2c2为六棱形状，从而使得脱蜡后，镶嵌件2通过底座2c2和部分连接杆2c1固定在型壳内腔中，由于连接杆2c1为圆柱形状，所以支撑杆2c仅通过连接杆2c1固定在型壳内腔中可能会出现镶嵌件2在型壳内旋转，甚至出现连接杆2c1从型壳内脱落的情况，所以需要通过底座2c2阻止连接杆2c1在型壳内旋转，同时通过底座2c2将连接杆2c1牢固地卡接在型壳内部，使得第一半壳2a和第二半壳2b连同配重件3能够稳固地停留在型壳内部的指定位置。

底座2c2的底面设置有轴向向内凹陷的力矩孔2c3。

力矩孔2c3为六棱形状或梅花形状，摩擦焊接时，第一半壳2a和第二半壳2b包裹住配重件3，连接杆2c1抵接在第一半壳2a和第二半壳2b的接缝处，摩擦焊接机通过力矩孔2c3传递扭矩使得支撑杆2c快速旋转，从而使得支撑杆2c在第一半壳2a和第二半壳2b的接缝处剧烈摩擦产生大量的热量，从而将第一半壳2a、第二半壳2b和支撑杆2c的共同接触部位焊接成一体。

在步骤三和步骤四之间，还包括有步骤3.1；

步骤3.1、清除第一半壳2a、第二半壳2b和支撑杆2c摩擦焊接时产生的飞边。

第一半壳2a、第二半壳2b和支撑杆2c摩擦焊接时产生的飞边可能会影响到铸件1浇筑时的液体流动，并且在铸件1与镶嵌件2上的飞边出现熔合不良区域时，铸件1与镶嵌件2上的飞边连接处将出现严重的应力集中区，将会大幅度地降低铸件1的强度。

自动组装摩擦焊机包括有摩擦焊机、承载台5、半壳夹紧机构6和配重件上料机构7，承载台5、半壳夹紧机构6和配重件上料机构7均固定安装在摩擦焊机上的非工作部，半壳夹紧机构6分别水平设置在承载台5的两侧并且相向设置，半壳夹紧机构6的工作方向垂直于摩擦焊机的工作方向，配重件上料机构7的工作端位于承载台5的正上方，摩擦焊机的工作部轴线位于承载台5和配重件上料机构7的工作端正中间。

工作人员将支撑杆2c固定到摩擦焊机的工作端，然后通过配重件上料机构7将配重件3放置到承载台5的正中间，接着工作人员将第一半壳2a和第二半壳2b分别放置到承载台5两侧的半壳夹紧机构6的工作端，半壳夹紧机构6将第一半壳2a和第二半壳2b向着承载台5中间的配重件3移动使得配重件3被第一半壳2a和第二半壳2b从承载台5上铲起，进而使得第一半壳2a和第二半壳2b合拢并将配重件3固定在第一半壳2a和第二半壳2b组合形成的空腔内部，然后摩擦焊机的工作端旋转并朝向第一半壳2a和第二半壳2b靠近，进而将支撑杆2c摩擦焊接在第一半壳2a和第二半壳2b的接缝处，从而完成镶嵌件2和配重件3的组装。

承载台5包括有支柱5a和置料台5b，支柱5a设置在置料台5b的底端，置料台5b通过支柱5a和摩擦焊机的非工作部固定连接，置料台5b的顶面中间设置有向内凹陷的凹槽5b1，凹槽5b1与配重件3的外轮廓间隙配合。

置料台5b用于承载配重件3，凹槽5b1用于稳定球形的配重件3，使得配重件3不会在置料台5b上滚动，进而使得半壳夹紧机构6得以精准的夹住配重件3。

半壳夹紧机构6包括有第一直线驱动器6a、通气杆6b、橡胶圈6c、治具6d和电磁三通阀6e，第一直线驱动器6a固定安装在摩擦焊机的非工作部，第一直线驱动器6a的工作方向水平朝向承载台5的轴线设置，通气杆6b固定安装在第一直线驱动器6a的活动部，通气杆6b朝向承载台5的一端固定安装有橡胶圈6c，通气杆6b朝向承载台5的一端固定套设有治具6d，治具6d朝向承载台5的一面与配重件3间隙配合，通气杆6b远离承载台5的一端固定安装有电磁三通阀6e，电磁三通阀6e的一个进气端通过气管与真空泵的工作端连通。

第一直线驱动器6a为气缸滑台，治具6d为碗形治具，通气杆6b沿着治具6d的轴线贯穿治具6d并通过螺纹与治具6d固定连接，工作人员将第一半壳2a或者第二半壳2b放置到治具6d内部，同时真空泵启动，电磁三通阀6e连通真空泵与通气杆6b，使得真空泵产生的真空依次通过电磁三通阀6e、通气杆6b传递到橡胶圈6c内部，橡胶圈6c与第一半壳2a或者第二半壳2b的外球面抵接从而牢牢地吸附住第一半壳2a或第二半壳2b；

第一直线驱动器6a驱动通气杆6b带动治具6d将第一半壳2a和第二半壳2b向着配重件3的方向移动，然后第一半壳2a和第二半壳2b将配重件3从凹槽5b1中铲起并将其合拢在内部，第一半壳2a和第二半壳2b的外球面与治具6d的内球面紧密贴合，承载台5两侧的治具6d将第一半壳2a和第二半壳2b夹紧在中间，使得其在摩擦焊接的过程中不会移动；

摩擦焊接完毕后，电磁三通阀6e切断真空泵与通气杆6b之间的联系，连通通气杆6b和大气，橡胶圈6c内部的真空解除，从而使得镶嵌件2与半壳夹紧机构6脱离。

配重件上料机构7包括有第二直线驱动器7a、落料管7b和上料导轨7c，第二直线驱动器7a设置在承载台5的正上方，第二直线驱动器7a的工作端竖直向下设置，落料管7b固定安装在第二直线驱动器7a的工作端，落料管7b的轴线与凹槽5b1的轴线重合，上料导轨7c倾斜设置在落料管7b的旁侧，上料导轨7c靠近落料管7b的一端高度低于上料导轨7c远离落料管7b的一端，上料导轨7c的出料端与落料管7b的外壁间隙配合，落料管7b朝向上料导轨7c的一侧设置有入料孔7b1，入料孔7b1的上方设置有竖直部分位于入料孔7b1外侧的l型阻料杆7b2。

工作人员将若干配重件3放置在上料导轨7c上，上料导轨7c倾斜向下并朝向落料管7b设置，从而使得配重件3在重力的作用下朝向落料管7b滚动，第一个配重件3抵接在落料管7b的外侧从而使得若干配重件3均停止移动；

上料时，第二直线驱动器7a为带导杆的气缸，落料管7b驱动落料管7b竖直向下移动并使得落料管7b的底端抵接在承载台5的顶面上，此时入料孔7b1位于上料导轨7c的出料端，从而使得第一个配重件3通过入料孔7b1进入到落料管7b内部然后顺着落料管7b落到配重件3上，此时落料管7b为配重件3的导向机构；

在第一个配重件3进入到入料孔7b1之前时，阻料杆7b2伴随着落料管7b一起竖直向下移动，首先阻料杆7b2将第一个配重件3和第二个配重件3分隔开来，当第一个配重件3通过入料孔7b1进入到落料管7b内部时，第二个配重件3以及后续的配重件3被阻料杆7b2阻挡在外，直到第二直线驱动器7a驱动落料管7b复位时第二个配重件3才能够继续向下滚动直到抵接在落料管7b的外壁上，从而使得第二直线驱动器7a每次往复移动时仅能有一个配重件3落入到承载台5上。

本发明的工作原理：

首先计算出钛合金铸件内部配重所需要的重量、尺寸、数量和位置，然后制备或者直接采购相应大小的第一半壳2a、第二半壳2b、支撑杆2c和配重件3，配重件3可以为锆石或者陶瓷等各种比重较高的材料；

接着制备镶嵌件2，镶嵌件2包括有第一半壳2a、第二半壳2b和支撑杆2c，第一半壳2a和第二半壳2b分别包裹住配重件3左半边和右半边，当支撑杆2c抵接在第一半壳2a和第二半壳2b的接缝处并且支撑杆2c的轴线与第一半壳2a、第二半壳2b的球心相交时，支撑杆2c的轴线与配重件3的重心相交；第一半壳2a、第二半壳2b、支撑杆2c与铸件1为相同材质；

然后通过摩擦焊机、承载台5、半壳夹紧机构6和配重件上料机构7将第一半壳2a、第二半壳2b、支撑杆2c焊接成一体，并且使得配重件3位于第一半壳2a和第二半壳2b组合产生的空腔中；

接着开始压制蜡型：根据铸件图纸和镶嵌件图纸制作蜡型模具，将镶嵌件2固定在蜡型模具中，压制出含有镶嵌件2的蜡型蜡型4，其中支撑杆2c靠近配重件3的部分被蜡包裹，支撑杆2c远离配重件3的部分未被蜡包裹；通过支撑杆2c调整第一半壳2a和第二半壳2b的位置使得配重件3位于型腔内部应处的位置，在制壳脱蜡后，配重件3即停留在型壳内部的指定位置，浇筑后第一半壳2a、第二半壳2b和支撑杆2c与铸件1熔合为一体，配重件3固定在铸件1内部形成配重，然后将铸件1外面多余的支撑杆2c切除即可。

需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。