一種可實現金屬熔體真空定量澆注的設備與方法與流程

2023-11-10 02:06:32 2

本發明涉及一種金屬熔體真空定量澆注方法與設備，主要應用於鋁合金及鎂合金的壓鑄、擠壓鑄造、重力鑄造，屬於鑄造設備領域。

背景技術：

鋁合金及鎂合金因其比強度大、質量輕，鑄造性能良好等特點，被廣泛地應用於航空航天、汽車、建築等領域，並在這些領域發揮著越來越重要的作用。伴隨著科技的不斷發展和進步，也不斷地對鋁合金及鎂合金的性能提出更高的要求。

由於鋁合金及鎂合金中的鋁元素和鎂元素均為化學性質極為活潑的元素，很容易與空氣中的氧氣發生反應而被氧化。因此，在鋁合金及鎂合金的澆注過程中，如果能夠保證熔體不與或者少與空氣接觸，就能減少合金在澆注過程中的氧化，減少合金熔體內的氧化夾雜，從而最終減少合金鑄件的缺陷，提高合金鑄件的性能。同時，如果能夠在澆注時實現合金的精確定量，就能提高材料的利用率，減少原材料的浪費，減少鑄件成型後的二次加工，從而降低生產成本，提高生產效率。因此，在鋁合金及鎂合金澆注領域，解決氧化和定量這兩大技術問題對行業的重要性不言而喻。

專利授權號為CN103153501B的中國發明專利公開了一種名稱為「用於計量熔料的裝置和方法以及鑄造機」的專利。該專利能夠初步實現對合金熔體在隔絕空氣的情況下進行的定量澆注。其方法是採用非金屬材料製造的圓形密封容器放於合金熔體中，在對圓形密封容器抽真空的作用下，使熔體吸入圓形密封容器。當密封容器內達到一定的熔體量時停止抽真空。移動密封容器到澆注位置後，控制系統閥門打開向密封容器中充入惰性氣體讓熔體流出，澆入到指定位置，當到達額定的澆注時間或者額定的密封容器剩餘重量後自動停止，等待下一鑄造循環。此技術存在一定的缺點：一、雖然在攝取和轉移合金熔體的過程中使用惰性氣體和密封容器保證了熔體與空氣的隔絕，但是在澆注時從密封容器中排放出的熔體就會不可避免地接觸到空氣，導致熔體被氧化。二、在澆注時，如果密封容器與壓室或料筒距離過遠，會導致熔體流出時呈紊流狀態，容易產生卷氣；如果密封容器與壓室或料筒距離過近，流出的熔體有可能粘附到密封容器的外壁，造成熔體的汙染和損失。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對上述存在的問題和不足，提供一種能夠在真空及惰性氣體保護狀態下實現金屬熔體的精確定量澆注的方法與設備，能夠在整個澆注過程中實現對金屬熔體的保護，防止其氧化，汙染及卷氣。即能提高合金鑄件的質量，提高生產效率，同時也能提高材料利用率，節能減排。

為實現上述目的，本發明採取技術方案如下：

一種可實現金屬熔體真空定量澆注的設備，包括機械裝置、真空定量澆注裝置、開合裝置、控制系統；

所述機械裝置控制真空定量澆注裝置的移動或者轉動；

所述真空定量澆注裝置包括具有內部空間的密封容器、氣體填充機構和真空機構，所述密封容器上還設有與氣體填充機構連接並允許氣體進入的至少兩個氣體入口，以及與真空機構連接並且可對所述內部空間抽真空的氣體出口；

所述內部空間用以容納金屬熔體，且所述至少兩個氣體入口中的一個入口允許氣體進入內部空間並和熔體接觸，

所述內部空間內還設有允許氣體通過的管道，所述至少兩個氣體入口中的另一個入口允許氣體進入所述管道，該管道將進入其的氣體與熔體隔離且互不接觸；

所述密封容器還設有排出口，所述排出口包括允許熔體排出的排液口，所述管道通過該排液口，且管道具有允許不和熔體接觸的氣體排出的排氣口，所述開合裝置對所述排液口和排氣口實現獨立控制，即可獨立控制排液口和排氣口的開/合。

優選的，所述密封容器還包括上蓋，所述上蓋將密封容器和管道的上部進行密封。

優選的，所述上蓋上設有與氣體填充機構連接並允許氣體進入所述密封容器內部空間的第一孔、和與氣體填充機構連接並允許氣體進入所述氣體填充管的第二孔、連接真空機構的第三孔。

優選的，所述真空定量澆注裝置還包括內部金屬液面探針和外部金屬液面探針，所述內部金屬液面探針通過所述密封容器上蓋上的孔插入密封容器，其插入深度可以調節；外部金屬液面探針固定在所述密封容器外部。

優選的，還包括反饋信號接收裝置，所述反饋信號接收裝置分別與內部金屬液面探針和外部金屬液面探針，接收來自內外金屬液面探針的信號並反饋給控制系統。

優選的，所述控制系統和機械裝置、反饋信號接收裝置、真空機構，氣體填充機構之間分別電連接，以實現對上述各部分的自動控制。

優選的，所述上蓋與密封容器的連接處、所述上蓋與氣體填充管的連接處、以及所述上蓋上的所有孔均設有密封墊圈防止漏氣。

優選的，所述氣體為惰性氣體、氮氣或其他不與金屬熔體發生化學反應的氣體之一，或其上述氣體的混合氣體。

利用上述設備進行金屬熔體真空定量澆注方法，其特徵在於包括如下步驟：

步驟1：調整內部金屬液面探針的高度，使其固定在密封容器內需要定量澆注金屬熔體的相應高度；

步驟2：機械裝置帶動真空定量澆注裝置在盛有金屬熔體的爐內下移，直至外部金屬液面探針接觸到金屬熔體，下移停止，此時密封容器下端插入金屬熔體液面以下，並保持密封容器處於豎直狀態；

步驟3：通過控制系統控制開合裝置打開排液口，並保持排氣口關閉；

步驟4：通過控制系統啟動真空機構從第三孔對密封容器抽真空；

步驟5：密封容器內液面在內外壓差的作用下上升，當金屬熔體到達指定澆注量時，液面接觸到內部金屬液面探針，內部金屬液面探針通過反饋信號接收裝置將信號傳給控制系統，此時通過控制系統控制開合裝置關閉排液口，排氣口同時維持關閉狀態，同時真空機構停止抽真空；

步驟6：機械裝置帶動定量澆注裝置移動到鑄造模具或者壓室，使其深入模具或者壓室足夠的深度；

步驟7：通過控制系統控制開合裝置，排氣口打開，排液口保持關閉；

步驟8：通過控制系統啟動惰性氣體填充裝置，向第二孔內通入惰性氣體，惰性氣體通過惰性氣體填充管進入模具或者壓室；

步驟9：惰性氣體被通入模具或者壓室，一定時間後模具或者壓室被惰性氣體充滿，在控制系統作用下，惰性氣體填充裝置關閉，同時控制系統控制開合裝置，排氣口關閉；

步驟10：通過控制系統控制開合裝置，排液口打開，排氣口保持關閉，同時啟動惰性氣體填充裝置，向第一孔內通入惰性氣體，金屬熔體在惰性氣體推力及重力的作用下流入模具或者壓室；

步驟11：在澆注過程中隨著液面上移，機械裝置帶動真空定量澆注裝置逐漸上移，保證澆注過程中密封容器與金屬熔體液面距離基本保持恆定，直至澆注完成；

步驟12：控制系統控制開合裝置，排液口關閉，機械裝置帶動真空定量澆注裝置移走，進行下一循環。

優選的，另一種利用上述設備進行金屬熔體真空定量澆注方法，其特徵在於包括如下步驟：

步驟1：調整內部金屬液面探針的高度，使其固定在密封容器內需要定量澆注金屬熔體的相應高度；

步驟2：機械裝置帶動真空定量澆注裝置在盛有金屬熔體的爐內下移，直至外部金屬液面探針接觸到金屬熔體，下移停止，此時密封容器下端插入金屬熔體液面以下，並保持真空坩堝處於豎直狀態；

步驟3：通過控制系統控制開合裝置打開排液口，並保持排氣口關閉；

步驟4：通過控制系統啟動真空機構從第三孔對密封容器抽真空；

步驟5：密封容器內液面在內外壓差的作用下上升，當金屬熔體到達指定澆注量時，液面接觸到內部金屬液面探針，內部金屬液面探針通過反饋信號接收裝置將信號傳給控制系統，此時通過控制系統控制開合裝置關閉排液口，排氣口同時維持關閉狀態，同時真空機構停止抽真空；

步驟6：機械裝置帶動定量澆注裝置移動到鑄造模具或者壓室，使其深入模具或者壓室足夠的深度；

步驟7：通過控制系統控制開合裝置，排氣口打開，排液口保持關閉；

步驟8：通過控制系統啟動惰性氣體填充裝置，向第二孔內通入惰性氣體，惰性氣體通過惰性氣體填充管進入模具或者壓室；

步驟9：惰性氣體被通入模具或者壓室，一定時間後模具或者壓室被惰性氣體充滿；

步驟10：通過控制系統控制開合裝置，排液口打開，同時啟動惰性氣體填充裝置，向第一孔內通入惰性氣體，金屬熔體在惰性氣體推力及重力的作用下流入模具或者壓室；

步驟11：在澆注過程中隨著液面上移，機械裝置帶動真空定量澆注裝置逐漸上移，保證澆注過程中密封容器與金屬熔體液面距離基本保持恆定，直至澆注完成，該過程中根據需要選擇是否打開排氣口對模具或者壓室通入惰性氣體；

步驟12：控制系統控制開合裝置，排液口關閉，機械裝置帶動真空定量澆注裝置移走，進行下一循環。

本發明的優點是：

1、本發明在密封容器內部設置一個惰性氣體填充管，並且分別設有獨立的熔體排液出口和惰性氣體排氣出口，能夠在澆注之前通過惰性氣體填充管向壓室或者模具內通入惰性氣體，同時，尤其是，還能夠在在澆注時密封容器逐漸上移直至澆注結束的過程中，同時開始開啟排液口和排氣口，在該過程中能夠隨時形成惰性氣體環境，保證金屬熔體在澆注時減少熔體的氧化和吸氫，減少鑄件的氣孔和氧化夾雜，提高鑄件質量。

2、本發明在澆注時移動真空定量澆注裝置的排液口到壓室或者模具的底部，並在澆注過程中逐漸上移直至澆注結束，既能保證澆注過程中金屬熔體不發生紊流而卷氣，又能保證金屬熔體不會因為和密封容器的外壁接觸而被汙染，減少鑄件氣孔和夾雜，提高鑄件質量。

3、本發明使用可調節位置的內部金屬液面探針直接檢測密封容器內金屬熔體液面高度的方法，大大提高了定量澆注的精度，同時可以通過調節內部金屬液面探針的位置方便地調節金屬熔體澆注量，提高了材料利用率和生產效率。

4、本發明使用對填充了惰性氣體的密封容器在金屬熔體液面以下抽真空的方式攝取熔體，並且在整個轉移過程中均保持密封容器的氣密性，從而阻止了金屬熔體和氧氣的接觸，能夠有效防止澆注過程中金屬熔體的氧化，減少鑄件氧化夾雜，提高鑄件質量。

5、本發明使用完全密封的密封容器對金屬熔體進行定量澆注，能夠減少金屬熔體與外界的熱交換，減緩金屬熔體的降溫速度，可以在保證鑄件成型的前提下降低金屬熔體的出爐溫度，節能減排。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為本發明的攝取熔體過程示意圖。

圖3為本發明轉移熔體過程示意圖。

圖4為本發明填充惰性氣體保護過程示意圖。

圖5為本發明澆注過程示意圖。

圖6為本發明澆注過程中真空定量澆注裝置位置變化示意圖。

圖7為本發明上移澆注過程惰性氣體保護示意圖。

其中，1—機械裝置；2—固定裝置；3—氣缸及傳動裝置；4—真空定量澆注裝置；5—反饋信號接收裝置；6—控制系統；7—合金熔體；8—爐體；9—壓室或者模具；31—四工位氣缸；32—活塞杆；33—連接件；41—密封容器；42—排氣口關閉塞；43—排液口關閉塞；44—內部金屬液面探針；45—外部金屬液面探針；46—抽真空裝置；47—惰性氣體填充裝置；411—容器罐；412—惰性氣體填充管；413—上蓋；414—法蘭盤；4131—孔一；4132—孔二；4133—孔三。

具體實施方式

下面結合附圖1至附圖7和實施例對本發明作進一步的說明。

本發明所述的合金熔體真空定量澆注設備，包括機械裝置1、固定裝置2、氣缸及傳動裝置3、真空定量澆注裝置4、反饋信號接收裝置5、控制系統6。真空定量澆注裝置4又包含密封容器41、排氣口關閉塞42、排液口關閉塞43、內部金屬液面探針44、外部金屬液面探針45、抽真空裝置46、惰性氣體填充裝置47。固定裝置2為一T字形橫梁，一端固定一個四工位氣缸31，一端固定真空定量澆注裝置4，最後一端固定在機械裝置1上，這樣既保證了四工位氣缸31和真空定量澆注裝置4的相對固定，同時使真空定量澆注裝置可以在機械裝置1的控制下移動或者轉動。氣缸及傳動裝置3包括一個四工位氣缸31、活塞杆32和用來傳動的連接件33。四工位氣缸31固定在固定裝置2上。連接件33為一個圓盤，其中心部位一個圓柱形推桿，兩側對稱布置有兩個圓柱形推桿。圓盤連接四工位氣缸31的活塞杆32，中心圓柱形推桿連接排氣口關閉塞42，兩側圓柱形推桿連接排液口關閉塞43，這樣排氣口關閉塞42和排液口關閉塞43能夠在四工位氣缸31的控制下實現開啟和關閉。密封容器41由容器罐411、惰性氣體填充管412、上蓋413、法蘭盤414這四部分組成。其中，容器罐411是圓柱形的容器，下端中心部位有一個開口。惰性氣體填充管412為一分布在容器罐411周圍的環形管，下端開口有收縮。惰性氣體填充管412位於容器罐411的外部，兩者同軸心。惰性氣體填充管412和容器罐411通過法蘭盤414固定在上蓋413上，連接處有密封圈保證裝置的氣密性。連接件33的三個圓柱形推桿和內部金屬液面探針44通過上蓋413上面的通孔插入密封容器，通孔處設有密封圈保證裝置的氣密性。上蓋413上面的孔一4131通過未畫出的彈性補償管連接抽真空裝置46，孔二4132和孔三4133通過未畫出的彈性補償管連接惰性氣體填充裝置47。即，抽真空裝置46通過孔一4131對密封容器41抽真空，惰性氣體填充裝置47通過孔二4132和孔三4133向密封容器41填充惰性氣體。排氣口關閉塞42為一環形塞子，和惰性氣體填充管412的下端內壁緊密配合，它一端連接到連接件33上，通過四工位氣缸31的控制實現開閉。排液口關閉塞43為一圓柱形塞子，和惰性氣體填充管412下端外壁以及容器罐411下端內壁緊密配合，它的一端連接到連接件33上，通過四工位氣缸31的控制實現開閉。排氣口關閉塞42和排液口關閉塞43在裝配時存在一定的軸向位置關係，這樣可以保證在攝取、儲存、澆注合金熔體7和填充惰性氣體保護時兩者不會相互幹涉。內部金屬液面探針44固定在上蓋413上，作用是監測合金熔體液面是否達到指定高度，即合金熔體攝取量是否滿足要求，其深度可以根據所需的合金熔體量進行調節。外部金屬液面探針45固定在法蘭盤414上，作用是檢測密封容器41的底部是否浸入合金熔體7的液面下一定的深度，保證在液面以下攝取合金熔體7。內部金屬液面探針44、外部金屬液面探針45均電連接到反饋信號接收裝置5，用將物理信號轉換化為電信號。機械裝置1、四工位氣缸31、抽真空裝置46、惰性氣體填充裝置47、反饋信號接收裝置5均電連接到控制系統6上，以實現整個設備的自動控制。

本發明所述的合金熔體真空定量澆注設備的工作過程是：

1、確定澆注量，通過計算，確定密封容器41內合金熔體吸入高度，調整內部金屬液面探針44高度，使其固定在相應高度；

2、通過控制系統6控制機械裝置1使設備在爐體8內向下移動，直到外部金屬液面探針45接觸到合金熔體7的液面，外部金屬液面探針45通過反饋信號接收裝置5將信號傳給控制系統6，在控制系統6的作用下，設備停止移動；

3、通過控制系統6控制四工位氣缸31動作，使活塞杆32位於1工位，此時排液口關閉塞43打開，排氣口關閉塞42保持關閉；

4、通過控制系統6啟動抽真空裝置46，通過孔一4131從密封容器41抽真空；

5、密封容器41內液面在內外壓差的作用下上升，當合金熔體到達指定澆注量時，液面接觸到內部金屬液面探針44，內部金屬液面探針44通過反饋信號接收裝置5將信號傳給控制系統6，在控制系統6作用下，氣缸31動作，使活塞杆32位於2工位，排液口關閉塞43關閉，同時抽真空裝置46停止抽真空；

6、控制系統6控制機械裝置1移動定量澆注裝置4到壓室9，使其深入壓室9足夠的深度；

7、通過控制系統6，使氣缸31動作，活塞杆32位於3工位，排氣口關閉塞42打開，排液口關閉塞43保持關閉；

8、通過控制系統6啟動惰性氣體填充裝置47，通過孔三4133向密封容器41內通入惰性氣體，惰性氣體通過惰性氣體填充管412進入壓室9；

9、惰性氣體被通入壓室9，一定時間後壓室9內被惰性氣體充滿，在控制系統6的作用下，惰性氣體填充裝置47關閉，同時氣缸31動作使活塞杆32恢復2工位，排氣口關閉塞42關閉；

10、通過控制系統6控制氣缸31動作，使活塞杆32位於1工位，排液口關閉塞43打開，排氣口關閉塞42保持關閉，同時啟動惰性氣體填充裝置47，向孔二4312內通入惰性氣體，合金熔體在惰性氣體推力及重力的作用下流入壓室9；

11、在澆注過程中隨著液面上移，控制系統6控制機械裝置1帶動真空定量澆注裝置4從(a)位置逐漸上移到(c)位置，保證澆注過程中密封容器41即不會離合金熔體液面太高也不會浸入合金熔體，直至澆注完成；

12、控制系統6控制氣缸31動作，使活塞杆32位於2工位，排液口關閉塞43關閉，機械裝置1帶動真空定量澆注裝置4移走，等待下一循環。

另一種上述設備的工作過程是：

1、確定澆注量，通過計算，確定密封容器41內合金熔體吸入高度，調整內部金屬液面探針44高度，使其固定在相應高度；

2、通過控制系統6控制機械裝置1使設備在爐體8內向下移動，直到外部金屬液面探針45接觸到合金熔體7的液面，外部金屬液面探針45通過反饋信號接收裝置5將信號傳給控制系統6，在控制系統6的作用下，設備停止移動；

3、通過控制系統6控制四工位氣缸31動作，使活塞杆32位於1工位，此時排液口關閉塞43打開，排氣口關閉塞42保持關閉；

4、通過控制系統6啟動抽真空裝置46，通過孔一4131從密封容器41抽真空；

5、密封容器41內液面在內外壓差的作用下上升，當合金熔體到達指定澆注量時，液面接觸到內部金屬液面探針44，內部金屬液面探針44通過反饋信號接收裝置5將信號傳給控制系統6，在控制系統6作用下，氣缸31動作，使活塞杆32位於2工位，排液口關閉塞43關閉，同時抽真空裝置46停止抽真空；

6、控制系統6控制機械裝置1移動定量澆注裝置4到壓室9，使其深入壓室9足夠的深度；

7、通過控制系統6，使氣缸31動作，活塞杆32位於3工位，排氣口關閉塞42打開，排液口關閉塞43保持關閉；

8、通過控制系統6啟動惰性氣體填充裝置47，通過孔三4133向密封容器41內通入惰性氣體，惰性氣體通過惰性氣體填充管412進入壓室9；

9、惰性氣體被通入壓室9，一定時間後壓室9內被惰性氣體充滿；

10、通過控制系統6控制氣缸31動作，使活塞杆32位於4工位，排液口關閉塞43打開，惰性氣體填充裝置47向孔二4312內通入惰性氣體，合金熔體在惰性氣體推力及重力的作用下流入壓室9；

11、在澆注過程中隨著液面上移，控制系統6控制機械裝置1帶動真空定量澆注裝置4從(a)位置逐漸上移到(c)位置，保證澆注過程中密封容器41即不會離合金熔體液面太高也不會浸入合金熔體，直至澆注完成，該過程中根據需要選擇是否控制活塞杆位於4工位，打開排氣口關閉塞42對壓室9通入惰性氣體；

12、控制系統6控制氣缸31動作，使活塞杆32位於2工位，排液口關閉塞43和排氣口關閉塞42關閉，機械裝置1帶動真空定量澆注裝置4移走，等待下一循環。

本發明是通過實施例來描述的，但並不對本發明構成限制，參照本發明的描述，所公開的實施例的其他變化，如對於本領域的專業人士是容易想到的，這樣的變化應該屬於本發明權利要求限定的範圍之內。