大型薄壁铝合金件多功能移动磁场铸造装置

摘要

大型薄壁铝合金件多功能移动磁场铸造装置，它涉及一种利用电磁压力来铸造大型薄壁铝合金件的装置。传统的金属铸造技术很难一次实现大型整体和薄壁零件的成形，当铸件壁厚非常薄时，大的金属液与铸型壁界面粘滞阻力，导致充填不足，实际铸件质量较低。它包括由铸型(1)和与铸型(1)相固接的浇口杯(2)组成的铸型系统(A)，由线圈(3)和磁厄(4)组成的磁场发生系统(B)，磁厄(4)为外表面带槽的矩形体，在磁厄(4)的槽内镶嵌有线圈(3)，线圈(3)与电源连接。磁流铸造法被用于大型铝合金铸件的生产上，效益是非常明显的，铸件的壁厚可最低减至3mm，质量也得到相应的提高，而且铸件的截面结构不只是简单的板状，圆筒、方框、角状、槽状等不同形状都能实现。

说明书

技术领域：本发明涉及一种利用电磁压力来铸造大型薄壁铝合金件的装置。

背景技术：为了满足当前经济和社会动态和可持续发展的需求，各项民用和军事装备系统正在向高速迅捷和灵活机动的方向发展，因此各类零部件的轻量、薄壁和高强化已成必然，这在许多国民经济的重要领域表现的尤为明显，如航空、航天、造船、汽车、化工、电子信息、家用电器和体育运动等诸多领域，这些领域的装备系统对能够使其零部件接近最后形状和尺寸，并且质量优化，制造周期短程化和生产成本低廉化的制造方法需求迫切，而这也正是许多零部件的加工制造技术向整体化、精密化、高效化迈进的根源所在。金属的铸造技术可以由液态金属直接成形复杂形状的零件，在各类金属的加工方法中具有独特的技术优势，始终在零部件的加工领域处于重要地位。但传统的金属铸造技术很难一次实现大型整体和薄壁零件的成形，根本的原因在于金属液充填铸型过程温度降低很快，金属液流动不顺畅，当铸件壁厚非常薄时，大的金属液与铸型壁界面粘滞阻力，严重削弱了金属液的流动过程，导致充填不足等铸造缺陷，这是薄壁铸件生产的典型难题，实际铸件质量较低。铝合金由于密度小、比强度高、耐腐蚀性好、材质稳定和加工性能好等优点，目前已成为航空、航天和电子通讯等领域的主体用材，约占总用材量的一半以上，同时铝合金可以满足如下几方面的需求：(1)产品构件的减重和轻量化需求；(2)产品的功能性需求，如电阻材料、磁性材料和减摩耐磨材料等；(3)产品的装饰性需求。产品的减重和轻量化是推动铝合金不断扩大应用的源动力，而对于产品的功能性和装饰性的需求则是当前铝合金应用的基础。由于在产品设计时更多地是考虑如何减低结构重量，其给铝合金等轻量合金零部件的应用提供了机遇，当前对铝合金等结构件的市场需求是极为明显的。据统计从1970年至1995年的25年间，铝合金结构件的产量以每年4％的速度递增，目前已达到年产量6800万吨左右，其中在以汽车工业为代表的交通运输业表现尤为突出，约占整体铝构件产量的60％以上。如果采用铸造方法加工铝合金，可以使材料利用率提高70-80％，减少机械加工工时60-70％，尤其可以一次成形具有复杂结构的零件，避免因机械加工和再组装所带来的结构变形、尺寸精度下降和整体可靠性低等问题，这对于缩短生产周期、降低研制成本和提高各类装备系统的经济和社会效益非常重要。因此当前发展复杂、精密、整体铝合金构件的铸造成形已经是本相关领域的技术发展趋势，但零部件的复杂结构要求、薄小的壁厚组成、致密均匀的内部质量和完整精确的外形尺寸要求，使得在采用铸造方法生产这类零件时的难度很大，迫切需求有关新型的铸造方法作保证和奠定基础。当前轻质、高强、整体和薄壁铝合金构件的铸造技术呈现四个方面的显著特点：(1)新型铸造铝合金材料不断涌现；(2)特种铸造工艺运用加强；(3)铸件的结构集成化提高；(4)强调铸件的一次成形质量的优异性。经过多年的实际努力和发展，很多铸造铝合金已经实用化和标准化，如Al-Si、Al-Cu、Al-Mg等多体系多牌号铸造铝合金，它们为解决高强、耐热和轻质等方面都起到了很好的作用，但随着对铸件的刚性、耐磨性和耐热能力要求的加强，对各种铸造新型铝合金和铝基复合材料的研究和开发工作也得到了快速发展，如Al-Li、Al-Sc和陶瓷相增强铝基复合材料(如SiC颗粒或短纤维增强复合材料)，采用这些特殊的铝合金材料，虽然可以大大提高铸件的使用性能，但与传统合金相比，其物理化学性能，如化学活性、熔点、粘性和表面张力等也在发生大的改观，总的趋势是合金的铸造性能变差，工艺难度加大。为此，需要运用一系列特种铸造方法来实现不同合金材质的铸造成形，其中以调节金属液充型压力变化为特征的各类压力铸造方法是当前生产各类轻质、高强、整体和薄壁铝合金构件的主要方法，这些方法的主要组成成员为低压铸造、差压铸造、挤压铸造、压力铸造，它们与调节铸造过程热量分布为特征的顺序凝固铸造和金属型铸造等工艺共同构成了区别于传统普通重力浇注铝合金的成形方法。这些方法虽然在一定程度上可以解决铝合金铸件的成形问题，但各有优缺点，分析这几种比较适合大型薄壁铝合金铸件的成形方法，可以发现从铸件的质量和生产能力方面看，压铸具有较强的优势，这主要是压铸过程金属液以高速度充填铸型，实现了铸件的完整性充填，同时金属液在压力下结晶，保证了组织的致密，由于高度的机械化和自动化生产，从而保证了铸件的批量生产能力，但由于受压铸过程铸件投影面积的限制，实际生产过程不能生产薄大铸件，即使生产，也需要大吨位压力装置做保证，又由于压铸件易产生气孔，不能进行热处理及凹角部位取件困难，难以生产具有大尺寸封闭腔和具有厚大热节的铸件，因此只适用于简单合金牌号的中小铸件。低压铸造是另一种发展较快的薄壁大型铝合金铸件的铸造工艺，该工艺综合优越性较好，具有适当的成形能力，但是低压铸造的工艺原理表明，低压铸造是通过调整金属液沿重力充填方向的压力差实现的，一方面金属液的充填有方向性，即只能逆着重力方向，其次要求充型的压力差随金属液充填高度而做出自动调整，这给过程的控制造成相当的困难，工艺操作难度很大，目前只适于特别大型的筒体类铸件。哈尔滨工业大学从20世纪80年代便开始了磁流铸造技术的研究，目前的磁流器，磁场发生装置处于单边工作方式，磁场存在较为明显的横向边缘效应，即磁场强度量沿磁流器横向衰减很大，造成金属液在充填过程受到的电磁推力不均匀，同时磁场强度从磁流器表面向空间高度上很快减弱，其气隙效应很大，因此这种方法的优势在于大型薄壁板类件的铸造，而不适于铸造三维框架类和筒体类等具有更复杂形状的结构件。

发明内容：为了能在复杂薄壁大型铝合金铸件铸造过程中，既实现外力调节又考虑热量的分布，以获得铸件的外部完整性和内部质量的优异性，本发明提供了一种大型薄壁铝合金件多功能移动磁场铸造装置，它是基于磁流体力学原理，利用交变电磁场对导电金属产生的洛仑兹力效应和焦耳热效应，从而产生对液态金属的加热保温和推动作用，使金属液快速充填铸型型腔，以达到成形大型薄壁铝合金铸件的目的。它包括由铸型1和与铸型1相固接的浇口杯2组成的铸型系统A，由线圈3和磁厄4组成的磁场发生系统B，其特征在于所述磁厄4为外表面带槽的矩形体，在磁厄4的槽内镶嵌有线圈3，线圈3与电源连接。电磁场在铸造过程的应用已经有几十年的历史，最初是利用电磁搅拌作用细化晶粒组织，提高力学性能，后来发展到电磁连铸和约束成形，将电磁场与特殊凝固技术相结合的电磁复合铸造技术也得到了快速发展，如电磁离心铸造、正交电磁场模拟微重力铸造等方法，而液态金属的电磁净化和电磁雾化等技术手段，由于在铸造及金属材料的加工过程能对金属液起到无接触除气、去渣和破碎的功能也受到了人们的广泛关注。电磁场之所以能在包括铸造在内的各种冶金过程中得到广泛应用，主要是由于熔融金属是电的良导体，因此能因磁束和电流的作用而在金属熔体内产生电磁力，利用电磁力就可以对熔融金属进行非接触性搅拌、传输和形状控制，而这与采用机械手段是不同的。磁流铸造法被用于大型铝合金铸件的生产上，效益是非常明显的，铸件的壁厚可最低减至3mm，质量也得到相应的提高。尤其值得注意的是磁流铸造所需要的设备简单，只不过是与铸型大小相近的直线型感应电动机。它既可以使用金属型，也可使用非金属型(壳型、石膏型等)这样低成本的铸型结构。

附图说明：图1是本发明的整体结构示意图，图2是磁场发生系统B的结构示意图，图3是图2的C-C剖视图，图4是铸型系统A的结构示意图，图5、图6是线圈接线示意图。

具体实施方式：本实施方式包括由铸型1和与铸型1相固接的浇口杯2组成的铸型系统A，铸型系统A设置在铸型底座9上，铸型底座9水平稳定地固定于地面之上，在铸型底座9与铸型系统A之间设有导轨10，导轨10与铸型底座9相固接，可以将导轨10通过螺栓连接方式连接到铸型底座9上，导轨10的长度延伸到铸型底座9的两端，间距保持在铸型底座9宽度的三分之二左右，铸型1呈左右对称放置于导轨10上，保持能顺利前后滑动状态，磁场发生系统B由线圈3和磁厄4组成，磁厄4为带槽的矩形体，在磁厄4的槽内镶嵌有线圈3，线圈3的组数为3的整数倍，本实施方式是由十二个绝缘漆包覆的纯铜导线绕制的工作感应线圈3镶嵌在由导磁材料机械加工和装配成的磁厄4腔中，共同组成磁场发生系统B，在磁场发生系统B的外表面设有扣板11，扣板11通过螺钉12与磁场发生系统B连接，它还包括电源转换器5，线圈3通过导线6连接到电源转换器5上，导线6为纯铜制绝缘漆导线，电源转换器5采用“  ”型连接方式供电，电源转换器5作为三相电源输入，在本实施方式中，接入磁场发生系统B工作所需要的电能，其输入电压在零到500伏特变化，输入频率为50赫兹工频电流即可，铸型系统A还包括型芯7，型芯7是由导磁材料制成的磁芯7-1包埋到无磁性材料制成的外芯7-2中，本实施方式的型芯应用的材质为普通碳素钢，型芯7设置在铸型1的腔体内，铸型1包括铸型上型1-1和铸型下型1-2，铸型上型和铸型下型都采用非铁磁质材料制造，本实施方式应用了两种材质：陶瓷质材料和石膏材料，铸型上型1-1和铸型下型1-2内设有相通的腔14，腔14为铸件的金属液充填型腔，用于呈接金属液而最终形成铸件，浇口杯2通过粘结的方式固定于铸型上型1-1的上表面，并且浇口杯2的内部空腔与铸型1内的腔14相通并共同组成金属液浇注系统，金属液通过浇口杯被浇注入铸型的型腔中，其做为复合次极起到导电的作用，铸型腔体内还固定有一组型芯撑8，型芯撑8设置在型芯7的底部，型芯7通过型芯撑8固定到铸型下型1-2的工作内腔内，在铸型1的侧壁上还开有排气孔15，排气孔15可以开在铸型上腔1-1内，它的作用为在金属液浇注入型腔时排除气体，磁场发生系统B设置在固定平台13上，固定平台13的下端设有移动导轮13-1，本实施方式中的移动导轮13-1为四个，在移动导轮13-1上还铰接有止动块13-2，工作时通过止动块13-2固定工作位置，磁场发生系统B通过移动式固定平台13与固定到铸型底座9上的铸型1对接，铸型1通过导轨10滑入磁场发生系统B的矩形腔即工作内腔内。

本实施方式中，十三块磁厄将十二组工作线圈隔开，用于阻挡磁力线的渗漏。由磁芯、工作线圈和磁厄共同组成了本装置的电磁驱动工作部分，其工作空间封闭，主要优点为：漏磁率极低、制造工艺简单。磁场发生系统B的基本结构参数为：长I＝684mm，宽b＝282mm，高w＝141mm，极距τ＝171mm，齿距t＝54mm，槽宽b₀＝20mm，工作铸型型腔厚度小于3mm，极数p＝2，每相匝数ω＝375，每匝导线的横截面直径φ＝1.25mm。

本发明是对单边式磁流器的改进，单边式磁流铸造中产生流动磁场的装置为磁流电磁感应器，可以看成一直线电机，它是旋转电机在结构上的一种变形。将旋转电机沿其径向剖开，并将圆周拉直而成。由定子演变而来的一侧叫作初级或原边，由转子演变而来的一侧叫做次级或副边。在这种直线电机的三相绕组中通入三相对称正弦电流后，就会产生气隙磁场。当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边缘效应时，这个气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，即可看成沿展开的直线方向成正弦形分布，与旋转电机相比，这个磁场不是旋转而是平行的，因此称之为流动磁场。流动磁场会对次极产生作用，次极在流动磁场的切割下，将感应出电动势并产生电流，而所有导电条的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力，如果初级是固定不动的，那么次级(此处是液态金属)就顺着流动磁场运动的方向作直线运动。通过流动磁场与浇入铸型的金属液相互作用，通过磁场所激发的电磁体积力推动，沿铸型长度方向不断高速充填铸型的细薄截面，达到成形的目的，同时，感应电流对金属液进行加热、搅拌，在这些力的作用下，金属液凝固后还会形成致密的细晶粒组织。本发明将四个单独的磁流器组合起来，并形成四面封闭结构，使金属液在充填铸型型腔的周围空间中都受到磁场的作用，磁场强度叠加，这样磁场的各种衰减效应就能减弱，因此铸件的截面结构不只是简单的板状，圆筒、方框、角状、槽状等不同形状都能实现。