一种集成低压充型和挤压凝固的铸造装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属铸造成形工艺及模具领域，特别涉及一种集成低压充型和挤压凝固的铸造装置及方法。
【背景技术】
[0002]低压铸造技术是利用气体压力将金属液从型腔底部压入铸型，并使铸件在一定压力下结晶凝固的一种铸造方法。该工艺浇注时压力和浇注速度可以调节，金属液充型平稳，可避免飞溅、紊流，减少卷气和氧化，能提高铸件的质量和合格率。特别是低压铸造技术在合金轮毂加工领域取得巨大成功，是国际上生产汽车轮毂的主流工艺，利用该技术生产的汽车轮毂占总产量的绝大部分，其余采用金属型铸造、挤压铸造和锻造等工艺生产。
[0003]挤压铸造(也称液态模锻)，其特点是液态金属在较高的外加压力作用下凝固成形，所获得的铸件内部致密、机械性能优良。该工艺适合于生产力学性能要求高的受力结构件。目前，挤压铸造已成为汽车、航天、航空等工业领域生产高档有色金属零件的重要手段，具有良好的发展前景。
[0004]相比于低压铸造技术，挤压铸造技术在补缩和克服缩孔和疏松的产生以及细化铸件晶粒、提高铸件机械性能方面的优势更为明显。而采用低压充型可以解决挤压铸造因液态金属的转移造成的浇注难度大、合金熔体易于氧化等问题。许多研宄人员进行过将低压充型与挤压铸造相结合的尝试。
[0005]美国专利US5211216[i]公开了一种利用气压将金属液经过斜的浇注管道和挤压室注入模具充型，随后利用挤压冲头上行封堵斜升液管与及挤压室的连接口并完成挤压充型和保压凝固的工艺及装置。类似地，中国专利200310110903.7[ii]公开了一种利用活塞将金属液经过斜的浇注管道和挤压室注入模具充型，随后利用挤压冲头上行封堵斜的浇注管道与及挤压室的连接口并完成挤压充型和保压凝固的工艺及装置；200910041401.0tiii]公开了一种利用电磁力将金属液经过传输管道和挤压室注入模具充型，随后利用挤压冲头上行封锁堵传输管道与及挤压室的连接口并完成挤压充型和保压凝固的工艺及装置。此类工艺由于浇注管道或传输管道在封锁后其与挤压室连接处为密闭状态，在保温炉中大气压力的作用下，剩余的金属液难于回到保温炉中而在管道中出现结壳，影响工艺过程的循环进行。专利US5906235[iv]公开了一种底注式充型后利用封口刀封堵浇口，随后进行水平挤压的方式。该工艺利用封口刀将浇口封堵之后，同样会存在由于封口刀下端的浇道无通气而造成金属液难以回流进而出现结壳的问题。专利US2007/0215308[v]公开了一种在底注式充型结束后利用竖直塞棒封锁浇口，随后利用塞棒外周活块挤压的方式。该工艺由于塞棒被金属包裹部分较长，容易造成脱模时塞棒和铸件分离困难。因此，需要结合低压充型和挤压凝固各自的特点，采用科学合理的模具结构，制定出稳定的生产工艺和能保证工艺过程循环进行的可靠装置。
【发明内容】
[0006]为了克服上述现有技术存在的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种集成低压充型和挤压凝固的铸造装置及方法，实现了低压充型和挤压凝固的结合，发挥了两者的长处，并根据挤压压力大小提出了两种锁模方式，尽最大可能实现了成本与性能的平衡，具有较好的应用前景。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:
[0008]一种集成低压充型和挤压凝固的铸造装置，包括上支撑板6、下支撑板5，置于上支撑板6和下支撑板5间的侧模2，固定在上支撑板6下端并位于侧模2内的上模3，固定在下支撑板5上端并位于侧模2内的下模1，悬挂板18通过哥林柱19与上支撑板6上端相连接，悬挂板18与主液压机20相连接，主液压机20通过悬挂板18和哥林柱19来控制模具的闭合和打开，主液压机20能够提供足够大的锁模力实现锁模功能；挤压油缸17通过垫块21固定在上支撑板6上方，挤压油缸17的挤压冲头7位于上模3内受挤压油缸17的驱动，挤压冲头7底端设有分流锥，所述下模1、侧模2、上模3和挤压冲头7围成型腔4，通过控制垫块21的高度对挤压冲头7的初始位置进行定位，从而精确控制型腔4的体积和充入型腔4中金属液的体积；下支撑板5的下方设置保温炉8，保温炉8内设有坩祸9用来存放金属液10，保温炉8 —侧设有压缩空气入口 11 ;L型浇道13位于保温炉8和下支撑板5间，L型浇道13由水平通道和竖直通道组成，其中水平通道内设有由液压油缸顶杆14推动的楔形冲头15，水平通道还设有通气孔16，竖直通道为倒锥形结构，上端截面大于下端截面，竖直通道与型腔4连通；升液管12的下端浸入到金属液10中，上端与L型浇道13的水平通道相连通，升液管的中心线L2与浇口的中心线LI并不重合，保持一定偏离；所述楔形冲头15的截面为直角梯形，且斜边位于楔形冲头15的上侧、方向向上，斜坡段的水平距离小于竖直通道下端的截面直径，楔形冲头15下端长度既要大于升液管12的直径，使其可以将升液管12上端完全封堵，便于将保温炉8内气压降至大气压力，又要保证当楔形冲头15顶住竖直通道下端并切断升液管12与型腔4的连接后升液管12不被楔形冲头15完全覆盖，使升液管12通过水平通道的通气孔16与大气相连通，便于升液管12中的液体流回坩祸9中。
[0009]上述所述集成低压充型和挤压凝固的铸造装置的铸造方法，该方法需要主液压机20提供较大的锁模力进行锁模，适用于凝固时挤压的冲头压力大，对锁模力要求高的情况；具体包括如下步骤:
[0010]步骤一:将预热之后的模具包括下模1、侧模2和上模3闭合形成型腔，并通过主液压机20的压力实现锁模，挤压冲头7处在原始位置，楔形冲头15处在收缩位置封锁住L型浇道13的通气孔16，并使得升液管12和型腔4相通；
[0011]步骤二:向保温炉8内通入压缩空气，坩祸内的金属液10在气压的作用下沿升液管12上升并充满型腔4 ;
[0012]步骤三:充型结束后，移动楔形冲头15切断升液管12与L型浇道13水平通道的连接，并通过联动装置将保温炉8内的气压降至大气压力，之后楔形冲头15继续移动至L型浇道13的拐角位置并顶住竖直通道的下端，使楔形冲头15的斜坡段完全进入到竖直通道中，升液管12与L型浇道13的水平通道相通，进而通过通气孔与大气相通，升液管12中剩余的金属液10得以在重力作用下回流至保温炉8中；
[0013]步骤四:启动挤压油缸17，驱动挤压冲头7下行对液态金属施加压力并保压至凝固结束；
[0014]步骤五:在铸件完全凝固后，主液压机20通过上支撑板6带动提起上模3，将侧模2分离后取出铸件，完成一个工艺循环。
[0015]一种集成低压充型和挤压凝固的铸造装置，包括上支撑板6、下支撑板5，置于上支撑板6和下支撑板5间的侧模2，固定在上支撑板6下端并位于侧模2内的上模3，固定在下支撑板5上端并位于侧模2内的下模1，悬挂板18通过哥林柱19与上支撑板6上端相连接，悬挂板18与主液压机20相连接，主液压机20通过悬挂板18和哥林柱19来控制模具的闭合和打开，主液压机