專利名稱：一種異型筒狀大型薄壁件的電磁成型鑄造設備的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及到一種鑄造設備，特別是涉及到一種異型筒狀大型薄壁件的鑄造設備。
所謂異型筒狀大型薄壁件是一種長800-3000mm、直徑300-600mm、厚度3-8mm的圓筒狀鑄件，其外表面為光滑的圓柱面，其內表面上有橫、豎加強筋及圓臺等凸起物。實際應用要求這種鑄件應具有很高的機械性能及冶金質量。由于其獨特的幾何形狀及高性能的要求，給鑄造工藝帶來很大的困難。目前國內外采用的工藝之一是差壓鑄造法，其特點是液態金屬在壓力作用下填充型腔并在其中結晶，有助于填充狹窄的型腔，并有助于獲得緊實的鑄件，然而，長期生產也暴露出這種工藝的不足之處1.經常出現縮松缺陷，以至報廢。2.難以鑄出厚度3-8mm、長度2000mm以上的鑄件。3.力學性能有時達不到要求。另一種鑄造工藝稱之為“順序凝固鑄造法”，它與“差壓鑄造法”互有優缺點，難分仲伯。多年實踐及經驗證明以上兩法均不能滿足異型筒狀大型薄壁件的高冶金質量，高機械性能的要求。本實用新型經過多年觀察，認為以上兩法雖然名稱各異，都是比較高級的鑄造方法，又都是用電子計算機控制的。但其實質上都仍然是砂型鑄造法，因為砂型在其中仍處于核心地位。用砂型來鑄造高質量的異型筒狀大型薄壁件，這就是異型筒狀大型薄壁件生產問題的實質。
本實用新型的目的提供一種鑄造設備，用以鑄出高質量的異型筒狀大型薄壁件。稱為“一種異型筒狀大型薄壁件的電磁成型鑄造設備。”本實用新型的目的是這樣實現的，即完全不用砂型來成型，而依靠電磁力約束枝體金屬，使之形成外圓柱面。電磁力來源于圍繞在鑄件之外的電磁感應器(22)中的一次電流I4和鑄件上部的液體合金柱中的渦流I2的相互作用。鑄件的內表面是型芯(3)成型的。它是一個薄壁中空的陶瓷型芯。鑄件由澆口盤(13)中被一點點的向下引出，到下方一點點的被冷卻，實現了連續定向凝固(徹底的改變了原工藝，砂型鑄造法的凝固方式)。這樣的鑄造方法，將取得如下的有益效果①鑄件凝固前后不與任何固物質相接觸，只接觸空氣和水等流體，故當其凝固后表面很光潔可達7；②鑄件晶粒由于電磁力的攪拌作用及快速冷卻而細化，同時也細化了技晶間矩，減少了化學成分偏析；③由于組織改善，也使其機械性能得到大幅的提高；④完全杜絕了各種鑄造缺陷，如氣孔、縮松、夾雜、縮孔等。⑤省去了砂型，因而省去了型砂原材料的準備工序、模型制備工序、造型工序等等。而代之以永久性的感應器(22)[即一個感應器(22)可以生產多個鑄件]，因而簡化了工藝過程，降低了成本。⑥在厚度不變的條件下，可滿足各種設計長度要求。
用電磁力約束成型，鑄造圓柱型鑄錠是原蘇聯發明的，已有20多年歷史了，目前鑄造管件的工作也有一些。美國專利NO 4 567 936 ISSUED FEB.4.1986也是一項用電磁成型法連續鑄造鋁—鋰合金錠的發明。它是先用電磁成型法鑄造一個大口徑薄壁普通鋁管，然后再在其中澆鑄入鋁—鋰合金而實現的。其鑄造鋁管的方法是外表面由電磁結晶器成型(即電磁力成型)，其內表面由一個金屬水冷芯成型。此金屬芯外表面很光滑，而且很短，其長度與電磁結晶器相近。本實用新型的鑄件為異型筒狀大型薄壁件，其外表面也是由電磁結晶器成型，其不同點(亦即其特征部分)在于其內表面是由一個薄壁中空的陶瓷型芯(3)形成，它是安裝在引出底座(1)之上的，和鑄件同時運動和靜止，與鑄件保持相對靜止，稱為隨動型芯。此芯較長，其長度稍長于鑄件，而且此芯在工作時必須預先加熱至高溫，以避免此芯由上而下進入液體鋁合金(14)時，使其發生結晶凝固，使工藝失敗。而且此芯外表面有橫豎溝槽及圓坑以便在鑄件內表面形成橫豎加強筋及圓臺等凸起物。本實用新型所謂異型筒狀大型薄壁件，其中最典型的鑄件是導彈艙體。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
圖1是本實用新型，實施例1的主視剖面圖圖2是本實用新型，實施例2及實施例3的主視剖面圖圖3是本實用新型，實施例4的主視剖面圖圖4是本實用新型，實施例5的主視剖面圖在
圖1中核心零件是感應器(22)，它是一個單匝線圈，是用純銅加工成帶缺口的圓環，外表面為圓柱面，內表面中部為內圓柱面，上部加工成漏斗狀，下部有一段加工成反漏斗狀，在其附近加工了一個環狀噴水口(25)，但它并沒有把感應器(22)分成上、下兩部分，環狀噴水口(25)的入水端的上、下兩部分還是連接在一起的，其上有很多小孔，以保證冷卻水流出，而其出水端則加工成完整的環狀噴水口(25)，以保證沿其圓周方向噴水均勻。圓環上有一個缺口穿過整個截面，在缺口中填有玻璃絲絕緣膠合成的填料，在缺口兩端焊有連接中頻電源的導線，便形成了完整的感應器(22)。
上板(19)是一個圓形成型耐火磚板，中間有一個大孔，直徑和感應器(22)的上孔直徑相同。下板(24)是一個用玻璃絲絕緣膠板制成的圓板，中間有一個大孔，直徑與感應器(22)的下孔相同。
水箱外殼(20)是一個用玻璃絲膠板制成的圓形套筒，其外徑與下板(24)的外徑相等，并小于上板(19)的外徑。水箱內隔板(23)也是一個用玻璃絲膠板制成的圓形套筒，其上有很多通水口(21)，其作用是把一個環形水箱分成環形水箱(27)及環形水箱(26)。各個玻璃絲膠板銜接處均有密封墊(18)，以保證不漏水。入水管(28)為玻璃絲膠管制成。
以上說明了冷卻水箱與感應器(22)的組裝情況，當冷卻水從環狀噴水口(25)噴向鑄件(4)時，不但冷卻了感應器(22)，而且，也冷卻了鑄件(4)。
引出底座(1)由不銹鋼制成，是一個圓盤與一個垂直空心管件構成的，其圓盤直徑稍大于鑄件(4)的直徑，在其中心有一孔與垂直管件貫通，其垂直管件連接在引出機械上，可以上、下垂直運動，安裝時必須保證與感應器(22)同心。在中心孔周圍，還有六個孔用以排出冷卻水。
芯內噴水環(5)由薄壁不銹鋼管制成的圓環與一段很長的不銹鋼垂直管構成，其外徑比型芯(3)內徑約小60mm在其周圍鉆有傾斜向下、向外方向的噴水小孔一兩排。它被安插在引出底座(1)及底盤(2)的中心孔內，由薄壁不銹鋼管支撐著，固定在型芯(3)內，略高于環狀噴水口(25)的水平高度，并且高度及噴水量可調，冷卻水通過垂直的薄壁不銹鋼管進入芯內噴水環(5)。
型芯(3)是陶瓷型芯或用水玻璃細砂制成的具有較薄的壁厚、其上有能在鑄件上形成橫、豎加強筋的溝槽及形成凸臺的圓坑，其長度比鑄件長200mm，在下端有附加長度150mm，上端有附加長度50mm，中間才是形成鑄件內表面的地方，稱為有效部分。在制芯時，通過鉚釘把它與底盤(2)聯結在一起。底盤(2)為不銹鋼制成，通過定位銷釘及自重和引出底座(1)上的園盤連接在一起，必須保證型芯(3)與引出底座(1)同心安裝。與引出底座(1)相對應底盤(2)之中心也有一個孔，以備噴水環(5)安裝于其中。另外，中心孔之外還鉆有六個孔，加工與安裝應保證，它們與引出底座園盤上的六個小孔相貫通，以備排出噴水環(5)噴出的冷卻水。
屏蔽罩(16)是一個截面為三角形的圓圈，由不銹鋼制成，三角形截面中心通以流動冷卻水(15)，它通過支持圓板(17)定位安裝在上板(19)之上，必須保證和感應器(22)同心安裝。其高度可通過支持圓板(17)來調節。支持園板(17)由玻璃絲膠板制成。
澆口盤(13)形狀與作用類似普通澆口杯，象一個圓盤，直徑較大，中心有大孔，孔徑和鑄件直徑相等。通過墊板安裝在支持園板(17)及耐火材料板(12)上，安裝應保證它與感應器(22)同心。
芯內加熱爐及芯外加熱爐安裝在上板(19)之上，是為保證型芯(3)由下而上的各個截面在進入液體鋁合金(14)之前，達到一定溫度以上而設置的。
圖1中爐殼(11)、成型耐火層(9)及弧狀硅碳棒(10)構成了芯外加熱爐，弧狀硅碳棒(10)特制成圓弧狀，長度為400mm，以避免感應生電。它安裝于成型耐火層(9)之園弧狀溝槽中；懸掛桿(8)是一個普通碳鋼桿，爐體(6)為耐火材料制成，其上有安裝圓弧狀硅碳棒的溝槽，由懸掛桿(8)、爐體(6)及硅碳棒(7)構成芯內加熱爐，其作用在于提高加熱速度以及使型芯(3)內、外溫度均勻，芯內加熱爐的安置也要依據鑄件內表面的幾何形狀有所不同，有時甚至爐形也需要有所變化，有時也可能采用乙炔焰作為加熱本。
操作過程首先把引出底座(1)下降至最低點，把型芯(3)安裝于其上，然后緩慢地上升至最高點，即使型芯(3)的有效部分進入內、外加熱爐中，開動所有加熱體，待型芯(3)及澆口盤(13)溫度均上升至一定溫度以上時，由入水管(28)注入冷卻水，使之進入環狀水箱(27)和環狀水箱(26)，又通過環狀噴水口(25)噴向鑄件方向，再開啟感應器(22)，同時開動內冷卻水噴水環(5)，此時型芯(3)的底盤(2)正位于感應器(22)中，當把熔煉好的液體鋁合金引入澆口盤(13)中，隨即進入感應器(22)中，由于電磁力的作用使之貼附于型芯(3)上，成型為液體態鑄件，此時，開動引出機械帶動引出底座(1)，使型芯(3)向下引出，由于芯內噴水環(5)及芯外環狀噴水口(25)噴出的冷卻水的冷卻作用而凝固為鑄件的附加部分，連續如此操作，便鑄出了整個鑄件及上、下附加部分。最后鋸去上、下附加部分，便得完整的鑄件。本工藝的芯內、外加熱爐所保持的爐內溫度、液柱高度以及電磁的推力、引出速度均經閉環自動控制。
圖2與
圖1之區別僅在于屏蔽器(16)之內、液體金屬圓柱面之外的氣隙內，設置了一個耐火保溫層(30)，它是用硅酸鋁絲及糊精制成的，如同“氈墊”一般，其厚度等于或略大于原來的氣隙，這樣上面就相當于有模型，而下面沒有模型，就可以改變感應器(22)把其電磁力集中于耐火保溫層(30)下方，使其液柱面表面質量更高。
實施例3的主視剖面圖，亦如圖2所示，僅僅把其耐火保溫層(30)換成一層石墨，而使石墨層與原來的氣隙厚度基本相等，這樣就把電磁成型鑄造法與0.C.C法結合起來了，取得良好效果。
圖3是取消了
圖1中屏蔽器(16)、屏蔽器中流動冷卻水(15)、支持圓板(17)三個零件后所構成的設備。如圖3所示，在澆口盤(13)之下形成一塊空白，仍能取得良好的效果。
圖4是在圖3所示的設備的基礎上改進而成的。在其作為模型的感應器(22)之上再加一個附加感應器(16)，以及懸掛在型芯(3)內的水冷鐵心(15)而構成的。這兩個零件的加入，旨在控制進入感應器(22)中的液態合金數量，以便工藝順利進行。
綜上所述可見在已知的電磁成型鑄造設備中最主要的就是作為模型的感應器(22)，在鑄造異型筒狀大型薄壁件的條件下，單獨采用作為模型的感應器(22)，或者再加入別的附加零件(如屏蔽罩等)都能完成工藝過程，所以本實用新型的權利要求書中前序部分的“形成鑄件外表面的電磁感應器(22)系指上述兩種情況。
本實用新型是以差壓鑄造法、直澆道提升法、大口徑薄壁鋁管的電磁成型鑄造法等已知的研究工作為相關工作而提出的，解決了異型筒狀大型薄壁件的鑄造問題，稱為“異型筒狀大型薄壁件的電磁成型鑄造設備”。屬于電磁成型鑄造法領域，其創新點在于型芯(3)的特殊性1.型芯(3)與鑄件保持相對靜止，隨同運動，稱為隨動型芯。
2.型芯(3)由下而上的各截面在進入液體鋁合金(14)之前，必須被加熱至一定溫度以上，否則結晶與凝固可能發生在澆口盤(13)中，使工藝失敗，因而型芯(3)是高溫型芯。
3.型芯(3)是快速冷卻型芯。提高試樣(或鑄件)的冷卻速度及增大溫度梯度是定向凝固獲得超細柱晶組織及優良力學性能的必由之路。在本實用新型中也要像以往前人的工作那樣對“鑄件”采用快速冷卻措施。然而，本工作的特殊性是在鑄件的內部，有用非金屬材料制成的型芯(3)，因而為了確保“鑄件”高速冷卻及具有大的溫度梯度，必然要求型芯(3)具有快速冷卻的特點，否則必將妨礙“鑄件”的高速冷卻。為使型芯(3)成為快速冷卻的型芯，本實用新型采取了以下措施①采用高強度薄壁中空型芯，例如采用精密鑄造的陶瓷型芯，即用硅酸乙酯水解液或水玻璃等粘結劑與人造石英粉、石英砂、鋁礬土，用制做精密鑄造模殼的方法制成的，這樣的陶瓷殼芯，熱容量小，便于快速冷卻。②在其內部設置噴水環(5)則能有效的增加型芯(3)的冷卻速度。③使噴水環(5)的垂直高度，高于鑄件外面的環狀噴水口(25)，則冷卻效果更高。由上可知，本實用新型所謂型芯(3)為快速冷卻型芯，其含意是型芯(3)在同一條件下，冷卻速度超過目前鑄造生產現場所使用的各種型芯的冷卻速度。
權利要求1.一種異型筒狀大型薄壁件的電磁成型鑄造設備，包括形成鑄件外表面的電磁感應器(22)、形成鑄件內表面的型芯(3)、澆口盤(13)、環狀噴水口(25)、引出底座(1)以及引出機械，其特征在于型芯(3)是一種隨動型芯，是一種高溫型芯，是一種快速冷卻型芯。
2.根據權利要求1所述的設備，其特征在于其型芯(3)定位安裝在引出底座(1)上。
3.根據權利要求1所述的設備，其特征在于型芯(3)是略長于鑄件的陶瓷薄壁中空型芯。
4.根據權利要求1所述的設備，其特征在于在設備的上部有加熱型芯(3)的芯外及芯內加熱爐。
5.根據權利要求1所述的設備，其特征在于在設備的上部有加熱型芯(3)的芯外加熱爐而無芯內加熱爐。
6.根據權利要求1所述的設備，其特征在于在芯內設置了噴水環(5)，安裝在一定高度。
專利摘要本實用新型涉及到一種鑄造設備,特別是涉及到一種異型筒狀大型薄壁件的鑄造設備。主要用來解決用原工藝鑄造異型筒狀大型薄壁件所遇到的難題。其結構特點是:在原電磁成型鑄錠機的鑄錠引出機構上安裝一個非金屬的空心薄殼型芯(3)以及型芯預熱爐。鑄造時液體金屬進入感應器(22)之內,型芯(3)之外,成型為鑄件后,與型芯(3)一道被向下引出,由下而上逐層冷卻、凝固。
文檔編號B22D11/00GK2378139SQ9821819
公開日2000年5月17日 申請日期1998年8月14日 優先權日1998年8月14日
發明者李忠炎 申請人:李忠炎