[實用新型]多功能反重力鑄造物理模擬裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201420243782.7
• 申請日: 2014-05-13
• 公開（公告）號: CN203917866U
• 公開（公告）日: 2014-11-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張永;董麗波;夏峰;于忠軍;劉洪匯;解維生
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱東安發(fā)動機（集團）有限公司
• 主分類號: B22D18/00
• 分類號: B22D18/00
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 杜永保

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及一種模擬裝置，尤其是一種多功能反重力鑄造物理模擬裝置。

背景技術(shù)

進入新世紀，我國航空、航天、航海等應(yīng)用領(lǐng)域，對傳動系統(tǒng)和武器裝備的使用要求越來越高，這些裝備的關(guān)鍵支撐件，如航空發(fā)動機傳動系統(tǒng)主減機匣，對復(fù)雜薄壁鋁合金構(gòu)件的需求越來越明顯。復(fù)雜薄壁件的鑄造技術(shù)已成為國防現(xiàn)代化建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。對于這些復(fù)雜薄壁、多油路的鎂、鋁合金結(jié)構(gòu)件，利用反重力鑄造可以增強合金液的補縮能力，減少冷隔、欠鑄等鑄造缺陷。

反重力鑄造興起于20世紀50年代，它是指通過控制坩堝所在熔煉室內(nèi)外的壓強，在坩堝內(nèi)的合金液上方形成一定的壓強差(壓差)，迫使合金液在壓差的作用下，沿升液管自下而上克服重力及其它阻力充填鑄型，并在一定壓力下獲得鑄件的一種方法。

根據(jù)反重力鑄造壓差的不同形成方式，將其分為低壓鑄造、差壓鑄造、調(diào)壓鑄造及真空吸鑄。低壓鑄造是將鑄型置于大氣壓下，合金液所在坩堝置于下罐中，通過實時控制下罐的壓強，迫使合金液沿升液管以一定的速度充型，當(dāng)合金液充滿鑄型并完全凝固后，對下罐卸壓，使得剩余的合金液從升液管倒回至坩堝，節(jié)省合金原材料。與低壓不同的是，差壓鑄造是將鑄型也置于壓力釜，即上罐內(nèi)，通過控制上下罐的壓強，產(chǎn)生壓差，壓差不但驅(qū)動合金液充型，而且合金液的凝固過程也是在一定壓差作用下完成的。調(diào)壓鑄造，是指合金液在負壓下充型，在正壓下凝固，設(shè)備結(jié)構(gòu)非常接近于差壓鑄造。真空吸鑄過程是指，合金液在較大的負壓下充型，因此充型速度往往很快。

在反重力鑄造的實驗與生產(chǎn)探索研究中，王忠等基于鑄件/鑄型的傳熱學(xué)理論(王忠，牛曉峰，侯華.低壓鑄造下凝固過程縮孔縮松的預(yù)測方法研究.鑄造.2011,60(10):983-987)，研究了低壓鑄造下鑄件縮孔、縮松缺陷的形態(tài)，考慮到低壓鑄造補縮具有重力補縮和壓力補縮雙重性質(zhì)的規(guī)律，以及壓力對臨界固相率的影響，提出了一種新的預(yù)測低壓鑄造下縮孔縮松預(yù)測的方法，并其進行了數(shù)值模擬計算。后進行驗證，結(jié)果顯示與實際吻合度較高。

米國發(fā)等研究了差壓鑄造不同工藝參數(shù)對A357合金二次枝晶間距的影響(米國發(fā),文濤,王狂飛等.差壓鑄造凝固條件對A357合金二次枝晶的影響.鑄造.2007,56(2):137-140)，實驗結(jié)果表明,安放冷鐵的石英砂型減小二次枝晶間距的能力最強；由于端部的激冷 效應(yīng),離冷端越近,二次枝晶間距越小；壓力對二次枝晶間距沒有明顯的影響；為了獲得σ _bmax(最大抗拉強度)≥320MPa的鑄件,二次枝晶間距應(yīng)控制在55μm以下,即V_L(局部凝固速度)≥0.23℃/s。

利用反重力鑄造方法，澆鑄尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件時，如要求較高的充型速度，往往采用帶吸鑄室的真空吸鑄工藝，即CLA(Counter-gravity Low-pressure Casting)法(陳善賢，郝啟堂，李強等.真空吸鑄設(shè)備的發(fā)展與展望.鑄造技術(shù).2012,33(12):1478-1481.)，將鑄型置于吸鑄室內(nèi)，密封室下降，直澆道浸入液態(tài)金屬中，啟動真空泵將吸鑄室抽成負壓狀態(tài)，液態(tài)金屬同時被吸入鑄型。鑄型內(nèi)合金液凝固后，解除吸鑄室的真空狀態(tài)，澆道及升液管內(nèi)尚未凝固的金屬液回流至坩堝，取出鑄型，清理后得到鑄件。

應(yīng)用真空吸鑄工藝時，有學(xué)者認為充型速度過快，對于復(fù)雜薄壁件而言，會在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生大量氣孔缺陷。為證明此觀點，根據(jù)相似原理設(shè)計制作了真空吸鑄葉輪鑄件的水力模擬實驗裝置(孫遜,王君卿.真空吸鑄葉輪鑄件水力模擬試驗研究.特種鑄造及有色合金.1998,(6):18-21)，研究了水充填模型型腔過程中型內(nèi)壓力和充型速度變化規(guī)律,通過實驗確定了合理的充型工藝參數(shù),并將其應(yīng)用于實際葉輪吸鑄試驗中,消除了鑄件內(nèi)的大面積氣孔缺陷。

目前反重力鑄造工藝，應(yīng)用于復(fù)雜薄壁鋁、鎂合金鑄件方面，仍有一些問題急待解決：

1).充型過程中，型內(nèi)具有較高的氣體反壓力(真空吸鑄除外)，影響了液態(tài)合金的充型能力，導(dǎo)致反重力鑄造在壓強精確控制方面難度很大；

2).低壓、差壓鑄造時，型內(nèi)殘余氣體，極易與鋁、鎂合金液表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化膜，導(dǎo)致卷入合金液形成夾渣和氣孔，形成鑄造缺陷，這類缺陷在型腔內(nèi)的分布與充型速度間的關(guān)系沒有摸清；

3).關(guān)于液態(tài)金屬的充填形態(tài)對復(fù)雜薄壁鑄件凝固過程的影響，文獻研究較少，尤其是金屬液回流規(guī)律與壓差間的關(guān)系方面，科技工作者仍然缺乏對反重力鑄造充型規(guī)律的認識；