大型筒状薄壁件的连续定向凝固精密铸造工艺及设备制造技术

本发明专利技术涉及一种大型筒状薄壁件的铸造工艺和设备，主要特点是铸件从一端开始逐渐加热连续凝固，砂芯与铸件及引出机构同时移动，并且铸件得到迅速、均匀的冷却和凝固，从而得到高质量的铸件。该发明专利技术解决了大型薄壁件铸造时易缩松的缺陷，改善了铸件材料的性能，铸造出又薄又长并且内表面有加强筋的圆筒铸件。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供一种大型筒状薄壁件的连续定向凝固精密铸造工艺及设备，尤其适用于制作导弹舱体。导弹外壳亦称导弹舱体，是细而长的筒形部件，一般战术导弹直径约为400mm～600mm，长达10多米。为了安装及制作方便常将之分解为若干舱段，有些舱段是用高强度铝合金铸造的，一般舱长800mm(最大的达3000mm)，厚2～3mm，外表面为圆柱面，内表面有横竖加强筋及凸台棋子等，其高度可能超过一般壁厚的几倍或几十倍。此外导弹舱体作为航天器的主体要承受气流施加的外力、惯性力、尾喷管的推力等等，因而要求它必须具有很高的机械性能及冶金质量，每个舱段都要经过X光透视检查。对裂纹、缩松、气孔、夹杂等铸造缺陷限制非常严格。因此导弹舱的铸造是十分困难的，一般的铸造方法是不能胜任的。国内外均采用差压铸造法生产之，虽然此法是公认的生产大型薄壁件有效工艺，但从多年的生产效果及进一步提高产品质量角度来看，尚存在一些不足之处①填充性不足。一般铸前的舱段，当长度为800mm时，其厚度为8mm，远远未能满足更长更薄铸件的要求。②补缩性不足。经常出现缩松缺陷，废品率达50％。目前国外有一种先进战术导弹其最长的舱段长3000mm，厚度2.5mm。这样又长又薄的舱段尚没有找到有效的生产工艺。自从Chalmers于1952年首先采用定向凝固研究平面及脆状凝固以来，定向凝固技术得到迅速的发展，20年前为提高航空燃气涡轮发动机叶片的性能和寿命作过巨大的贡献。但其工艺要求液体金属必须在模壳中凝固，液体金属的热量主要依赖在模壳包围中的固体金属传出，这就限制了其冷却速度及铸件尺寸。用定向凝固生产的叶片长度仅100mm左右。kerr、M.C.Flemings及大野笃美等著名学者发展了这一技术，提出了连续定向凝固技术，其已凝固金属部分完全裸露在冷却介质中(不在模壳中)，这就提高了冷却速度，生产出了无限长的小截面型材(直径10mm左右)，可见目前定向凝固尚处在理论研究、生产小型铸件及小截面型材阶段，用其理论解决大型铸件的生产及质量问题的工作尚未有所见。本专利技术的目的是提出一种适用于制作又长又薄导弹舱体的连续定向凝固精密铸造工艺及设备，以提高薄壁长筒件铸造的质量。本专利技术的工艺设备与传统连续定向凝固工艺设备的共同点是，均以加热的结晶器7为中心，在其上有加热保温炉，在其下有冷却装置。工作时，液体金属不断地由加热保温炉进入下面的结晶器7内，并在结晶器7的下部结晶凝固，已凝固的部分不断地被引出，进入下面的冷却区被继续冷却。至于本工艺设备与传统连续定向凝固工艺设备的不同点，则是由于两者产品的尺寸、形状不同而采取相应的工艺措施造成的。导弹舱段是直接为400～600mm，长度为800～3000mm的大型薄壁圆筒形铸件，内表面有横竖加强筋及圆台棋子等。这样在结晶器之中心，就必须安置一个较长型芯21，它与结晶器7之间的最大距离为2～3mm，长度和铸件一样长。在本专利技术中当导弹舱体5象小型型材一样地被引出结晶器7之外时，型芯21必须跟随它一同被引出，两者保持相对静止，不然就铸不出带有加强筋、棋子等凸起物的导弹舱段。铸件5与型芯21被一同引出结晶器7之外时，一同被冷却。这样，本专利技术的冷却方式就具有一定的特殊性，它既不同于定向凝固(其铸件始终包围在型壳中)，也不同于普通连续定向凝固(其铸件始终暴露于冷却介质中)。本专利技术中的薄壁铸件，其内表面被型芯21覆盖，其外表暴露于冷却介质之中。由于以上的特殊性决定铸件5的好坏，与型芯21的关系非常密切。因而本专利技术提出如下特殊工艺要求①型芯21与铸件5在液固介面34以上均需保持较高的温度，因而它们在绝热档板32以上均被加热，在其下均被冷却，以保证绝热挡板32上下有较大的温度梯度。②在型芯21及铸件5水平截面的圆周上温度分布均匀。③型芯21与铸件5内外表面温度应较均匀。即温度梯度小。④对型芯21提出的要求是a、具有较强的导热性，b、是一个中空薄壳陶瓷型芯，c、其外表面形状与所生产导弹舱段的内表面形状相符合。为满足以上要求，本专利技术采取的工艺措施如下①在型芯21之内设置内加热炉20，以保证圆周及内外均匀加热。②在结晶器7之下方，铸件之外设置外旋转冷却器6，以保证铸件5圆周方向均匀冷却。⑧在型芯21之内结晶器7之下方，设置内旋转冷却器2，以保证型芯21及铸件5圆周内外均匀冷却。④在型芯21之内，设置绝热挡板32，高度在液固介面34附近，以保证增大温度梯度。⑤在结晶器7的出口处相当于液固介面34附近设置一圈热电偶30(同一水平高)。再将这些热电偶所测得毫伏数，输入电子计算机，随时选出瞬时最高值，并用事先编排好的程序，调整各种加热装置及冷却装置，以及引出速度，控制瞬时最高值在某一个温度区间内。这样便可铸出厚度2～3mm，长度2～3mm的导弹舱体了。本专利技术的设备可分为四大部分长约2～3米的陶瓷型芯21贯穿于中心，其最下面为引出及冷却部分，这部分包括序号1—6的部件；在其上面为加热保温炉，包括序号为7～15的部件；在最上面为型芯预热炉包括序号为16～19的部件；其侧面为铝水贮存及过滤炉，包括序号为22～29的部件。其中1为引出底座。它是一个圆盘带有一个长丝杆，为了保证它能沿着垂直轴上下运动，它还被用螺帽锁在底板35上，而底板35又有四个轴孔穿在四个垂直立柱36上。引出底座1还有一个中心孔，其中贯穿着中心垂直39。2为内冷却器。它安装在型芯21之内，绝热档板32之下，可采取多种形式，其中最简便易行的形式是紫铜管圈，安装在中心垂直轴39上，圈上外侧有一二排小孔，当垂直轴39向其注入冷却介质且旋转时，冷却介质则通过小孔，均匀地喷射于型芯21之内侧。根据铸件内部结构不同也可采用其他形式。冷却介质可采用水、冰水、冷却剂(如由水＋冰＋盐类配制)、液体金属锡等。3为引出导管。它是外径和铸件外径相同的金属管，但内表面有一个突缘，此凸缘夹在引出底座1及芯头33之间，再用螺钉把三者锁紧连在一起。4为燕尾槽。它在引出导管3之顶端，其形状如附图说明图1所示，共有四个，均匀分布在其上。当铝液5与引出导管3接触时进入燕尾槽4中，当铸件冷却凝固后，它能把铸件5与引出导管3连接在一起。5为铸件底端。6为外冷却器。它安装在铸件之外结晶器之下方，其作用在于冷却铸件之外表面，可采用多种形式，其最简便易行的形式是采用能旋转的紫铜管圈，其内侧钻有一二排小孔，可把冷却介质均匀地喷在铸件表面。也可采用其它形式。冷却介质可采用水、冰水、冷却剂(如水＋冰＋盐类配制)以及液态金属锡等。7为结晶器。它是一个内径与铸件5外径相同的石墨套，也可用陶瓷或不锈钢制成。安装在坩锅10之下，炉底板8之上。它的内孔与坩锅10之内孔以及炉底板8的内孔呈同轴安装。8为炉底板。它是承受整个设备之底板，通常用厚钢板制成，但在用高频加热时，最好用钢板与电木铆成。它被四个立柱36支承着，而它又承载着预热炉、加热保温炉及铝液贮存过滤炉的全部重量。9是结晶器加热炉。它可采用电阻丝、矽碳棒及高频加热，安装在结晶器7外面，炉底板8之上。10为坩锅。最好采用石墨或SIC制成。呈圆盆状，中心有一个孔，其内径与铸件5外径相等。安装在结晶器7之上安装并使其内孔与结晶器7之内孔同轴。11为铝合金液。12为加热体。可采用电阻丝、矽碳棒。安装在炉子保温材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大型筒状薄壁件的连续定向凝固精密铸造工艺，通过加热盛装金属液体的坩埚（１０）和连续铸造铸件的结晶器（７），使之与液体金属接触的铸模面结晶器（７）和砂芯（２１）的温度在金属的凝固温度以上，来阻止液体金属在铸模上生成晶核，当以一定速度把铸件从结晶器（７）中拉出时，在结晶器外用冷却水冷却铸件，使铸件在结晶器（７）口迅速凝固，铸造时，当铸件由引出底座（２）引出时，砂芯（２１）随同铸件一起被拉出，其特征是：当铸造时，砂芯（２１）中心的中心垂直轴（３９）是旋转的，型芯（２１）内有加热炉（２０），冷却器（２）或（４１）是不断旋转的，在结晶器（７）外有热电偶群（３０）加热，热电偶（３０）是由计算机控制的。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李忠炎，
申请(专利权)人：李忠炎，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]