一种基于超声振动的真空差压铸造装置及其气路系统

摘要

一种基于超声振动的真空差压铸造装置及其气路系统，它包括主体部分和附属部分，主体部分主要由上压力罐、下压力罐、中间隔板、带有铸型安装板和超声接入法兰盘的升液管、超声发生装置和底座等组成，用于提供金属液，升液管用于连接保温炉熔化炉与铸型型腔，铸型放置在上压力罐中，并安装在铸型安装板上，超声发生装置放在上压力罐中，位于铸型安装板与中间隔板之间，固定在升液管上，并采用法兰进行密封；本发明将超声发生装置产生的超声波作用于金属液，一方面超声振动排除金属液内部产生的气体，增加金属液流动性能；另一方面，超声振动使得凝固枝晶断裂，细化晶粒，减少铸造缺陷，提高铸件成形质量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于超声振动的真空差压铸造装置及其气路系统。

背景技术

真空差压铸造工艺是一种先进的反重力精密成形方法，其主要具有如下优点：（1）易于获得外形完整、组织致密的铸件。真空差压铸造过程中，金属液在真空条件下充型，提高充型能力，同时铸件在很高的压力（0.6Mpa）下凝固（补缩能力是低压铸造的4-5倍），能获得比较致密的组织。（2）减少铸件气孔、针孔缺陷。（3）明显减少大型复杂薄壁铸件凝固时的热裂倾向。（4）真空差压铸造可减少凝固时间20%-25%，其晶粒也有所细化。西北工业大学已为航空航天企业开发了多套调压铸造等反重力铸造设备，解决了一些型号项目的关键问题。此后，我国其他一些高等院校如南昌航空大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、沈阳工业学院等单位在差压铸造设备和工艺日趋成熟的基础上，也在研究和开发差压铸造和真空差压铸造设备。真空差压铸造技术可适用于金属型、树脂砂型、熔模铸型、石膏型等，目前真空差压铸造在金属型、树脂砂型方面的技术已经比较成熟。

近年来，航空工业领域各种型号的铸件向着复杂化、精密化、薄壁化、轻量化、整体化的方向发展，铸件的形状越来越复杂，成形质量要求越来越高。航空关键零部件如发动机机匣体、整体叶盘等产品设计技术水平越来越高，这类型铸件往往由几个大的平面和曲面组成，内、外形状壁厚不均匀，特别是孔腔、油路及油路弯道多，且致密度要求很高，必须进行很高的压力实验，保证不渗漏。对于某一型号铸件，产品定型需要多次试制和改进，采用传统的制造工艺和技术不仅很难满足铸件的质量和精度要求，而且试制周期长，耗资大。采用铸型预热的方式可以提高真空差压铸造过程的充型性能，但零件晶粒变大，性能难以保证。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于超声振动的真空差压铸造装置及其气路系统，它具有减少铸造缺陷、提高铸件成形质量的优点。

本发明是这样来实现的，一种基于超声振动的真空差压铸造装置，它包括上压力罐、铸型、铸型安装板、铸型安装板固定支架、中间隔板、保温熔化炉、金属液、下压力罐、底座、升液管、超声发生器安装法兰、超声发生器发射头、下压力罐进气口、超声发生装置控制器、上压力罐进气口、直通管、超声发生器变幅杆和超声发生装置，其特征在于上压力罐内设有铸型，铸型的下部连接在铸型安装板上，铸型安装板固定支架的上端连接铸型安装板，其下端连接在中间隔板的上表面上，上压力罐的侧壁上连有上压力罐进气口和直通管，上压力罐的底部连接在中间隔板的上表面上，下压力罐的顶部连接在中间隔板的下表面上，下压力罐的侧壁上连有下压力罐进气口，下压力罐内设有保温熔化炉，保温熔化炉固定在底座上，升液管的一端位于保温熔化炉内，另一端连接在铸型上，位于铸型安装板和中间隔板之间的升液管一侧设有超声发生装置，超声发生装置连接超声发生器安装法兰，超声发生装置是由超声发生器发射头、超声发生器变幅杆和超声发生装置控制器构成，其中超声发生器变幅杆的一端连接超声发生器发射头，另一端连接超声发生装置控制器。一种基于超声振动的真空差压铸造装置的气路系统，它包括直通管、上压力罐进气管、下压力罐进气管、卸压阀、真空阀、真空泵、储气罐、上压力罐开关阀、下压力罐开关阀、直通开关阀、上压力罐压力调节阀、下压力罐压力调节阀和连通阀，其特征在于上压力罐进气管的起始端连接上压力罐进气口，下压力罐进气管的起始端连接下压力罐进气口，直通管的末端连接在储气罐上，直通管上连有直通开关阀，上压力罐进气管的末端连接在储气罐上，上压力罐进气管上从左向右依次串联有上压力罐压力调节阀和上压力罐开关阀，下压力罐进气管的末端连接在储气罐上，下压力罐进气管上从左向右依次串联有下压力罐压力调节阀和下压力罐开关阀，上压力罐进气管的起始端和下压力罐进气管的起始端之间连有连通阀，连通阀分别与卸压阀和真空阀相连，真空阀与真空泵串联。

本发明的技术效果是：本发明将超声发生装置产生的超声波作用于金属液，一方面超声振动刻可以有效的排除金属液内部产生的气体，增加金属液在充型过程中的流动性能；另一方面，超声振动产生的“空化”效应也将使得凝固枝晶断裂，细化晶粒，减少铸造缺陷，提高铸件成形质量。本发明利用了真空差压铸造反重力充型原理使得充型过程平稳，从而减少铸造缺陷；在充型和凝固过程中，都可以施加超声振动从而有效的对铸件进行细化；该系统将两方面有效的结合，从而提高铸件的质量，满足制件性能要求。

附图说明

图1为本发明的主体结构示意图。

图2为本发明的气路等效图。

图3为基于超声振动的真空差压铸造工艺图。

在图中，1、上压力罐  2、铸型  3、铸型安装板  4、铸型安装板固定支架  5、中间隔板  6、保温熔化炉 7、下压力罐  8、底座  9、升液管 10、超声发生器安装法兰  11、超声发生器发射头  12、下压力罐进气口  13、超声发生装置控制器  14、上压力罐进气口  15、直通管  16、超声发生器变幅杆  17、超声发生装置 18、卸压阀 19、真空阀 20、真空泵 21、储气罐 22、上压力罐开关阀 23、下压力罐开关阀 24、直通开关阀 25、上压力罐压力调节阀   26、下压力罐压力调节阀 27、连通阀 28、下压力罐进气管 29、上压力罐进气管。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的具体工作方式作进一步详细的阐述，拟从基于超声振动的真空差压铸造主体结构及基于超声振动的真空差压铸造工艺2个方面进行详解；

（1）基于超声振动的真空差压铸造主体结构

如图1所示，基于超声振动的真空差压铸造主体结构主要是由上压力罐1、中间隔板5和下压力罐7构成，中间隔板5将主体部分分隔成上下单独的密闭空间。在下压力罐7中包含有底座8和保温炉熔化炉6，保温炉熔化炉6直接放置在底座8上，负责融化金属获取金属液，同时在下压力罐7侧面具有下压力罐进气口12，用于下压力罐7提供并调节压力                                                。在上压力罐1中包含有超声发生装置17和铸型2等组件，铸型2固定在铸型安装板3上，铸型安装板3通过铸型安装板固定支架4固定于中间隔板5上，升液管9通过法兰安装于铸型安装板3上面，并穿过中间隔板5伸入下压力罐7的保温炉熔化炉6中，用于将金属液导入铸型2的型腔中，超声发生装置17通过超声发生器安装法兰10将超声发生器发射头11固定于坩埚侧壁，将前端部分伸入金属液中，并通过超声发生器变幅杆16连接至超声发生装置控制器13，整个超声发生装置17位于铸型安装板3和中间隔板5之间，从而使金属液进入铸型2前将超声源带入铸件中。在上压力罐1侧面有2根进气口，直通管15和上压力罐进气口14，其中直通管15用于直接通气，主要是由于上压力罐1提压较大，需要的压力气体较多，而上压力罐进气口14则主要用于调节提供并调节上压力罐1中的压力。

（2）基于超声振动的真空差压铸造工艺

如图2所示，上压力罐进气管29的起始端连接上压力罐进气口14，下压力罐进气管28的起始端连接下压力罐进气口12，直通管15的末端连接在储气罐21上，直通管15上连有直通开关阀24，上压力罐进气管29的末端连接在储气罐21上，上压力罐进气管29上从左向右依次串联有上压力罐压力调节阀25和上压力罐开关阀22，下压力罐进气管29的末端连接在储气罐21上，下压力罐进气管28上从左向右依次串联有下压力罐压力调节阀26和下压力罐开关阀23，上压力罐进气管29的起始端和下压力罐进气管28的起始端之间连有连通阀27，连通阀27分别与卸压阀18和真空阀19相连，真空阀19与真空泵20串联。

基于超声振动的真空差压铸造工艺主要包括5个阶段：抽真空、超声振动充型、超声振动升压、超声振动保压和卸压，其中超声则主要在充型、升压和保压3个阶段施加，用于提高充型能力和铸件成形质量，如图3。其具体实施过程为：

1）抽真空：将下压力罐进气管28和上压力罐进气管29之间的连通阀27打开，此时上压力罐1和下压力罐7中的压力和都为，即环境压力，同时打开真空阀19和真空泵20，将主体内部的气体排出，根据零件的大小不同，将使得==1-10KPa；然后将真空阀19、真空泵20和连通阀27关闭，进入下一阶段超声振动充型；

2）超声振动充型：打开下压力罐开关阀23和下压力罐调节阀26，储气罐21对下压力罐7充入气体，此时下压力罐7和上压力罐1将形成一个压差—=，金属液在压力作用下将由升液管9并经过超声发生器发射头11后进入铸型2中，其中的大小与金属种类、铸型2大小和阻力系数有关，一般取值在10-50KPa；在通入压力气体的同时，打开超声发生装置控制器13，经过超声发生器变幅杆16由超声发生器发射头11将超声源加入金属液中，可以改变超声的功率从而形成不同形式的超声源，具体形式可以为：恒定的功率，或者采用三角函数模式，或者采用矩形模式，或者采用脉冲模式（时有时无），功率可在和之间变化，形成强度不断变化的超声源，从而加大超声振动效果，降低金属液的粘度，提高充型能力。

3）超声振动升压阶段：超声施加方面继续保持超声发生装置17电源打开，并且可以改变不同的超声施加方式，同时也可以通过改变和的大小来加强或减小超声源的强度。压力气体加入方面，打开上压力罐开关阀22和上压力罐调节阀25，上压力罐1和下压力罐7通过各自的调节阀同时升压，保持设定的下压力罐7和上压力罐1压差为，由于上压力罐1体积较大，为了快速提高下压力罐压力，可以通过打开直通开关阀对上压力罐1进行补压，当下罐压力7达到保压压力=时，进入保压阶段，关闭气体通入阀门，此时一般选择为200-600KPa左右，构建压力时间在1-2min左右。

4）超声振动保压阶段：与超声振动充型和超声振动升压阶段一样，继续保持超声发生装置17电源打开，并且可以改变不同的超声施加方式，同时也可以通过改变和的大小来进一步加强或减小超声源的强度。压力气体加入方面，下压力罐7压力为，由于设备密封问题，上压力罐1和下压力罐7的和会有小波动，应通过各自的调节阀适当的补充压力气体，保持下压力罐7和上压力罐1压差为直至金属液完全凝固，该过程持续持续时间为1-30min左右。

5）卸压：当金属液完全凝固后，关闭超声发生装置17，同时将上压力罐1和下压力罐7之间的连通阀27和卸压阀18打开，使上压力罐1和下压力罐7的压力值恢复为，再打开上压力罐1，取出铸件。