鈦合金飛彈艙體定向凝固鑄造設備的製作方法

2023-10-28 08:53:07 1

專利名稱：鈦合金飛彈艙體定向凝固鑄造設備的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及到一種鑄造設備，特別是涉及到鈦合金飛彈艙體的鑄造設備。
背景技術：
鑄造鈦合金飛彈艙體在我國只是近幾年的事，由於鈦合金化學性質很活潑，因而 必須採用特殊的穩定性很高的鑄型材料，如手工搗固的石墨模型或石墨殼型等，在惰性氣 體(氬或氮)保護感應熔鑄設備中鑄造而成。惰性氣體保護感應熔鑄設備主要由保護室、 真空充氬(氮)系統及感應凝殼爐三部分組成。真空充氬(氮)系統由油擴散泵、羅茨泵、 機械泵以及充氬(氮)系統組成。感應凝殼爐由水冷銅坩堝及中頻感應線圈組成，其設備 示意圖如圖l所示，圖中1、窺視加料孔，2、保護室，3、感應凝殼爐，4、感應凝殼爐旋轉軸，5、 保護室外旋轉手輪，6、中間包，7、手工搗固石墨模型(或稱模殼)，8、真空閥門，9、惰性氣體 閥門，10、窺視孔。 設備操作過程(a)打開保護室上蓋，安裝好手工搗固石墨模型(7)及中間包(6)， 把鈦合金爐料裝入感應凝殼爐(3)中，關閉保護室上蓋；(b)打開真空閥門(8)抽真空，達 到真空度後繼續抽真空保持真空度；(c)當鈦合金熔煉達到要求後旋轉保護室外旋轉手輪 (5)，旋轉感應凝殼爐，把鈦合金澆鑄到中間包(6)中。鎮靜一定時間待氣泡及懸浮物浮起 後，拔起中間包(6)的柱塞，把合金澆入到石墨模型(7)中，此時關閉真空閥門(8)並開啟 閥門(9)，通入惰性氣體，讓鑄件在惰性氣體壓力下凝固。鑄件自然冷卻後，關閉閥門(9)， 打開保護室(2)，取出模型(7)及中間包(6)，打箱取出鑄件。其鑄造工藝全過程如下制 石墨模——組模——熔煉澆鑄——清殼——初退火——吹砂、酸洗——熱等靜壓——射線 檢查——螢光檢驗——尺寸檢查——艙體粗加工——艙體真空去應力處理——艙體精加 工——艙體最終檢驗。縱觀以上工藝流程，筆者認為此工藝仍然是鑄型鑄造，自然冷卻。這 樣的冷卻方式仍然是薄壁處先冷卻，加強筋處後冷卻。很難避免加強筋處產生縮松缺陷，另 外其晶粒為等軸形。這些可能是我國飛彈艙體性能長期落後於國外的原因。對於鈦合金艙 體，雖然有後繼的熱等靜壓工序，對力學性能的提高仍是有限的。縱觀在鑄造領域，為了克 服縮松缺陷提高鑄件質量，只有定向凝固最為有效。50年代美國軍方提出用失蠟精密鑄造 模殼中澆鑄鋼液，實現定向凝固，鑄出的航空渦輪葉片，大幅度地提高了機械性能及耐熱性 能，提高了發動機的使用溫度，從而提高了飛機的馬赫數，超過了模鍛的渦輪葉片，見參考 文獻。但是該工藝的應用範圍也是有限的，只能用於小型鑄件，不能用於中、大型鑄件。因 蠟料的強度有限，中、大型臘模難以承受工藝過程外力的作用而變形或破損。像飛彈艙體這 樣的中、大型薄壁鑄件採用上述的失蠟精密鑄造定向凝固是根本不可能的。

發明內容為了克服目前我國鈦合金飛彈艙體機械性能不高經常有疏鬆缺陷出現的不足，本 實用新型提出"鈦合金飛彈艙體定向凝固鑄造設備"，本設備與


圖1設備之不同點在於本 設備有兩個保護室，其中設置有加熱保溫區、冷卻區還有引出底模。在未澆鑄以前，模殼設
3置在引出底模之上，處於加熱保溫區之內，其溫度在合金熔點以上20°C 。當合金澆鑄於模殼 之中以後，引出底模帶動模殼及鑄件以一定的速度下降到下面的冷卻區。這樣鑄件底部先 進入冷卻區，因而先凝固，然後逐漸冷卻到上部，最終整個鑄件實現了定向凝固。由於鑄件 底部先進入冷卻區，因而它先凝固結晶，這些晶粒作為晶種，隨著模殼下降，冷卻區的上移， 它們不斷地向上伸長，結果在整個鑄件都生長成為由下而上的細長的柱狀晶。作為金屬材 料的薄弱點的晶界，都分布於柱狀晶之間，平行於鑄件軸線，橫向的晶界大為減少，因而鑄 件宏觀的機械性能大幅度提高。但是傳統定向凝固的失蠟制模殼法對於飛彈艙體是行不通 的，因此如何制模殼對於本發明是一個關鍵。然而考慮到飛彈艙體是一個薄壁筒型鑄件，其 模殼必然由內外模殼(兩個筒型件)及底模構成，因飛彈艙體厚度只有5-8mm，因而底模的 寬度也只有5-8mm。所以飛彈艙體的模殼主要是內外模殼，底模很小，容易製作。 為了解決模殼的製作問題，並實現飛彈艙體的定向凝固，本實用新型所採用的技 術方案如下 1、採用其他辦法(非失蠟制模殼法)分別製作兩個筒型模殼，然後在把它們套裝 在一起，製成完整模殼。 2、用壓制緊實的石墨坯料再經精密機械加工製成內外兩個模殼，在其內模殼底部
車出一個法蘭盤，藉以形成底模，然後把這兩個模殼套裝在一起，組成完整的模殼。 3、在兩個精密加工的金屬模具(內外各一個)上塗以數層精密鑄造漿料並在每層
漿料上撒布一層石英砂骨料，固化後取下，則得內外精鑄模殼各一個，然後在內精鑄模殼之
下法蘭上塗以漿料，把外模殼套裝於其外，底部粘接在一起，便得完整模殼。 4、在模殼內外設置加熱爐，以備在澆鑄以前模殼已加熱到合金熔點以上20°C，以
避免液體金屬澆鑄之後的無序凝固。 5、為了保證液體金屬定向快速凝固，在加熱爐之下設置有外噴水環及內噴水器， 組成噴水冷卻區。當模殼以一定速度下降到下面的噴水冷卻區後，其中的液體金屬被由下 而上逐層冷卻，實現定向凝固。 6、為了確保金屬定向凝固必須避免下面的噴水噴濺到上面的加熱保溫區，同時要 避免加熱保溫區的熱量幅射或傳導到下面來。為此本發明在加熱保溫區及噴水冷卻區之間 設置了耐火氈墊，把兩者隔離開。 7、為了保證澆鑄後的模殼能以一定速度由加熱保溫區下降到噴水冷卻區，本發明
將其安裝在引出底模(25)上，後者承載著前者以一定速度下降到冷卻區。 8、為了達到快速定向凝固的目的，本工作的內噴水器(23)與下面的厚壁輸水管
焊接在一起，並由後者將其支持於引出底模之中心。 本實用新型的有益效果是可以徹底改變原工藝(圖l)條件下的凝固方式，實 現定向凝固，杜絕了飛彈艙體長期以來難以避免的縮松缺陷，使飛彈艙體的晶體結構由等 軸晶改變為柱狀晶，並且其排列方向與飛彈艙體軸線方向一致，因而能大幅度的提高ob、 S %以及疲勞強度。
以下結合附圖和實施例對本實用新型性進一步說明
圖1是本實用新型提出以前鈦合金飛彈 體生產設備示意圖。[0017] 圖2是本實用新型第1實施例的設備示意圖。 圖3是本實用新型第2實施例的設備示意圖。 圖4是芯盒裝配圖，它是圖3(第二實施例)中製作內精鑄模殼的模具。 圖5是圖4的芯盒體圖。 圖6是圖4的上下法蘭圖。 圖7是圖4的加強筋及圓臺結構圖。 圖8是圖3(第二實施例)製作外精鑄模殼的圓筒模型圖。 圖2中1、窺視加料孔，2、保護室，3、感應凝殼爐，4、旋轉軸，5、保護室外旋轉手 輪，6、中間包，43、外石墨模殼，8、真空閥門，9、惰性氣體閥門，10、窺視孔，11、澆冒口杯，44、 內石墨模殼，13、型腔，14、外加熱爐保溫層，15、外加熱爐殼，16、內加熱爐耐火支架，17、中 心固定支柱，18、外加熱爐加熱體，19、內加熱爐加熱體，20、內耐火氈墊，21、外耐火氈墊， 22、外噴水環，23、內噴水器，24、溢流孔，25、引出底模，26、下保護室，27、排水閥門，28、螺 釘、29、通氣道。
具體實施方式圖2中，窺視加料孔(1)既能窺視爐中熔煉情況又能加入少量易燒損的合金元素， 保護室(2)為lOmm鋼板焊接而成的圓柱形鐵殼，感應凝殼爐(3)由水冷銅坩堝及感應線 圈組成，旋轉軸(4)是整個感應凝殼爐的支持物，保護室外旋轉手輪(5)安裝在感應凝殼 爐旋轉軸保護室之外部分，操作時可以旋轉此輪使感應凝殼爐傾斜把液體金屬澆注到其下 方的中間包中，中間包(6)為長方形鐵槽，其內襯有氧化物陶瓷耐火材料，鈦合金澆入其中 後經過一定時間的鎮靜，氣泡及夾雜物漂浮至上表面之後，再澆注到下方的澆冒口杯(11) 中，外石墨模殼(43)是內表面精車的高密度石墨圓筒，其內表面直徑與飛彈艙外表面直徑 一致。真空閥門(8)開啟後，可把上下兩個保護室抽成真空，當其關閉後可保持真空。惰性 氣體閥門(9)開啟後可把上下兩個保護室充滿惰性氣體。窺視孔(10)可觀察澆注情況，澆 冒口杯(11)為普通石墨製成，內石墨模型(44)為高密度石墨精車、精銑而成，其外表面有 橫豎溝槽及圓坑；型腔(13)為5-6mm狹窄間隙；外加熱爐保溫層(14)是耐火粘土燒制而 成，其上有耐火支架，文承著外加熱體(18);外加熱爐爐殼(15)是5mm鋼板焊接而成；內加 熱爐耐火支架(16)是圓筒狀耐火陶瓷燒結而成，其外面有支架支承著內加熱體(19)，安插 在中心固定支柱(17)上，內外加熱爐就構成了加熱保溫區，保證石墨模型溫度高於合金熔 點之上。並保持2(TC的過熱度。中心固定支柱(17)是耐熱鋼棒材經機械加工並焊接在內 噴水器(23)之上；外加熱爐加熱體(18)可採用高頻圈或螺旋狀矽碳棒；內加熱爐加熱體 (19)亦可採用高頻圈或螺旋狀矽碳棒；內耐火氈墊(20)為矽酸鋁耐火纖維編織而成，剪成 墊圈狀，其中心孔套在中心固定支柱上，外圓周上剪有小豁口，以便呈向下翹曲變形，其作 用是防止下面的噴水進入上面的加熱爐中，外耐火氈墊(21)亦矽酸鋁耐火纖維編織而成， 剪成墊圈狀，其目的也是防止下面的噴水進入上面的加熱爐中；外噴水環(22)為環狀噴水 裝置，耐熱鋼板焊成，其截面為矩形，其內表面上有數排小孔，安裝在引出底模(25)之外以 便向後者及外石墨模殼(43)噴灑冷卻液，冷卻液採用_20°〇之鹽水，以便增加冷卻效果；內 噴水器(23)焊接在中心固定支柱(17)之下，是一個圓筒形耐熱鋼容器，圓筒面上有數行小 孔，-2(TC冷卻液由下面的管件進入其中，通過小孔噴向引出底模(25)及內石墨模型(44);溢流孔(24)是鑽在引出底模(25)上的4個大圓孔，以便內噴水器(23)噴出的冷卻水流出 引出底模(25)之外，淌到下方，通過水閥(27)流出下保護室(26)之外；引出底模(25)是 不鏽鋼車制的迴轉體另件，其頂部支承著外石墨模殼(43)及內石墨模殼(44)其下方連接 著保護室(26)以外的引出機構，啟動引出機構可帶動它上下運動，同時也帶動內外石墨模 殼上下運動；下保護室(26)為lOmm不鏽鋼板焊接製成位於原保護室(2)之下，故稱下保護 室；排水閥門(27)是自動控制水閥，其作用在於控制下保護室(26)底部冷卻水的深度。當 其達到一定深度時它便開啟，排出這些冷卻水；反之冷卻水太淺，惰性氣體有可能由此逸出 時，此閥門自動關閉；螺釘(28)安裝在下保護室法蘭盤上，其作用是把上下兩個保護室連 接在一起，成為一個密閉整體；通氣道(29)，其作用是保持上下兩個保護室氣流通暢。 設備操作過程a)打開保護室(2)上蓋，把鈦合金爐料裝入感應凝殼爐中，使引出 底模(25)上表面升至保護室(2)底板平面，把內加熱爐耐火支架(16)及內加熱體(19)安 插在中心固定支柱(17)上。b)把內外石墨模殼(44、43)及澆冒口杯(11)安裝在引出底模 (25)之頂端，把外加熱爐(14、15、18)安裝在外石墨模殼(43)之外，再安裝好中間包(6)。 c)擰緊螺釘(28)使上下保護室形成一個密封整體，開啟真空閥門(8)使上下保護室同時抽 真空，達到真空度後，繼續抽真空，保持真空度。d)開啟感應凝殼爐(3)開始熔煉合金，之 後再開啟模型內外加熱爐(18、19)。 e)當感應凝殼爐(3)中鈦合金熔煉合格及內外石墨模 殼(43、44)溫度達到合金熔點以上的某一過熱度後，開始澆鑄合金到中間包(6)中，當合金 在其中鎮靜一定時間後打開柱塞使合金澆注到下方的澆冒口杯(11)及型腔(13)中，經過 一定時間後，關閉真空閥門(8)並開啟惰性氣體閥門(9)，使上下保護室充滿惰性氣體。f) 啟動內外噴水裝置(23、22)及設備下面的引出裝置使引出底模(25)及內外石墨模殼(43、 44)以一定速度向下方牽引，鑄件在加熱保溫區被逐漸引入強制冷卻區以實現定向凝固。當 整個石墨模殼(43、44)下降到保護室(2)底板之下時冷卻過程完畢。g)關閉惰性氣體閥門 (9)，待整個裝置冷卻後，卸下緊固螺釘(28)，吊走上面的保護室(2)、同時帶走感應凝殼爐 (3)以及外加熱爐(14、15、18)，然後開啟引出裝置使引出底模(25)上升，使內外石墨模殼 (43、44)上升到下保護室(26)之上，取下內外石墨模殼(43、44)及鑄件以及內加熱爐(16、 19)，打箱完畢。可見，內外石墨模殼(43、44)由加熱保溫區以一定速度進入下面的冷卻區 就實現了定向凝固。本工作的操作要點在於真空熔煉、真空澆注及惰性氣體保護下定向凝 固。 圖3所示為第2實施例，它與圖2(第1實施例)的區別在於把圖2上的外石墨模 殼(43)及內石墨模殼(44)更換為圖3上的外精鑄模殼(45)及內精鑄模殼(46)，其餘機構 均無區別。 本工作的圖3 (第2個實施例)的特點是用金屬芯盒生產內精鑄模殼，用圓棒模具 生產外精鑄模殼，然後再把它們組裝成完整的精鑄模殼。本工作得以實施都是基於飛彈艙 體的形狀是一個比較簡單的迥轉圓柱體。前面所列圖4、圖5、圖6、圖7、圖8所示的模具及 工具圖都是進一步說明圖3的(第2實施例)。其中圖4、圖5、圖6、圖7為製作內精鑄模 殼的模具圖，圖8為製作外精鑄模殼的模具圖，圖4為芯盒裝配圖。 圖4中30、芯盒體，31、上法蘭，32、下法蘭，33、弧型筋，34、直筋，35、圓臺a，36、圓 臺b，37、定位銷，38、螺釘。 圖4中芯盒體(30)是芯盒的主體，為鑄鋁件車削成型，其結構見圖5，由圖可見，它是用10個M5螺釘將左右兩部分組裝在一起形成的圓筒狀芯盒體，其上方有上法蘭(31)，下 方裝有下法蘭(32)，其內部裝有直筋(34)，弧型筋(33)及圓臺a(35)，圓臺b(36)以及銷 釘(37)、螺釘(38)等；上下法蘭(31、32)為鑄鋁件經車削成型，其作用在於形成內精鑄模 殼的上、下埠，其結構見圖6中之上、下法蘭圖。弧型筋(33)是車削成型的鋁鑄件其結構 見圖7，由圖可見該件截面為梯形。直筋(34)是鑄鋁件經銑削成形的，截面為梯形，是靠兩 個M5螺釘與芯盒體組裝在一起的，螺釘帽在芯盒體(30)之外。圓臺是鑄鋁經銑削及鉗工 加工而成，其中圓臺a為上下底為圓弧形之梯形圓臺；圓臺b為同上之圓臺另外附帶有四 個短筋；其中心有M10螺孔用以和外面的芯盒體(30)連接在一起，其詳細結構見圖7，定位 銷(37)及直筋、弧形筋上的螺釘孔見圖7。 制內精鑄模殼操作過程(a)把芯盒如圖4所示組裝好；(b)把芯盒放入高溫精鑄 蠟料鍋中，使其充分加熱至高溫後，撈出芯盒，將其站立在蠟料鍋上的地鐵格子板上使其上 之蠟油自由滴下，則在芯盒內表剩留一層蠟料；(c)待芯盒冷卻至室溫，蠟料凝固後，把芯 盒平放在鐵板上，把用高純石墨粉與粘接劑配製的精鑄漿料傾入芯盒中，把芯盒在鐵板上 來回滾動若干次，使漿料在芯盒內均勻分布一層，再把芯盒站立在精鑄漿料槽上之鐵格板 上，將多餘的漿料滴回到漿料槽中，則在芯盒內表面剩留一層漿料，再在這層漿料上撒布高 純石墨骨料，待其硬化後，便得一薄層內精鑄模殼芯約1. 5mm厚，如上法操作數次便得合適 厚度的精鑄模殼。(d)要從芯盒中取出內精鑄模殼，需先把芯盒放於開水鍋中使其充分加 熱，使芯盒上的蠟料充分溶化後取出芯盒，然後依次拆下直筋(34)、弧型筋(33)及兩種圓 臺(35、36)的鎖緊螺釘，拆卸上法蘭(31)及兩個芯盒體(30)之間的鎖緊螺釘(38)，然後取 下兩個芯盒體(30)，再從內精鑄模殼上取下直筋(5)、弧形筋(4)、圓臺a及圓臺b，再拆卸 下法蘭，便得內精鑄模殼。它是一個外表面光潔內表面粗糙的圓筒，外表面上有橫豎溝槽及 園坑，以便形成飛彈艙體上的加強筋及圓臺棋子等，其下方有法蘭以便形成精鑄模殼的底 模[它是由下法蘭(32)形成的]。以上是製作內精鑄模殼的過程，下面再說明製作外精鑄 模殼的工具及操作過程。 —、圖8為製作外精鑄模殼的圓筒模具示意圖。圖中(39)圓筒模型體；(40)底 板；(41)為頂蓋板；(42)提手。 圖8中圓筒模型體(39)為鋁板焊接後經過精車加工而成，其外徑小與飛彈艙段 直徑一致；底板(40)為圓鋁板與圓筒模型體(39)焊接在一起；頂蓋板(41)為一個圓鋁板， 用螺釘與圓筒模型體(39)組裝在一起；提手(42)是焊在頂蓋板(41)之上的鋁棍手把，以 便於提起該圓筒模型。 二、外精鑄模殼製作過程(a)把圖8所示的模具，放入熔蠟鍋中，待其充分加熱 後，取出將其站立在熔蠟鍋上之鐵格板上，使蠟油自由滴下，然後再將其水平放在一鐵板上 加以滾動，使其外表面均勻剩餘一層2mm左右蠟膜。待蠟膜凝固後，將其蘸入同上之石墨粉 調製的漿料中，用提手(42)提起後使其站立在漿料槽上的鐵格板上，則其表面剩留一層漿 料，然後再將其平放在鐵板上，來回滾動幾次，使其漿料更為均勻。再在其上撒布一層高純 石墨骨料，待其凝結後，則得一薄層外精鑄模殼。(b)在此基礎上，同樣操作數次，則得厚度 適合的外精鑄模殼；(c)每一層硬化後，將其外表面打磨修整，使其外表面形成較規則的圓 筒型；(d)最後將其放入開水鍋中，待其充分加熱後，臘膜充分熔化，從鍋中取出，在工作檯 上從模型上取下頂蓋板(41)，最後從下而上取下外精鑄模殼。它是一個內表面光潔、外表面粗糙的圓筒狀模殼(其上下均無法蘭)。 三、內外精鑄模殼的組裝把內精鑄模殼的下法蘭塗以漿料，把外精鑄模殼套在其 上，並調節兩者之間隙，使之均勻一致，使外精鑄模殼與內精鑄模殼的下法蘭粘接在一起， 則得一個完整精鑄模殼。 四、澆注過程把上述完整模殼安裝在圖3所示的設備的引出底模(25)頂端上，就 組成圖3的設備，其澆鑄操作過程亦如實施例1所述，在此不予贅述。 由上可知，本實用新型的兩個實施例採用了不同的鑄型第一實施例採用的是冷 加工成型的高密度石墨模殼；第二實施例採用的是漿料在金屬模具上成型的石墨殼型。以 上兩種鑄型簡稱模殼。 參考文獻《金屬凝固原理》第七章胡漢起主編機械工業出版社。
權利要求鈦合金飛彈艙體定向凝固精密鑄造設備，由惰性氣體保護室及其內部的感應凝殼爐、精密鑄造模殼、引出底模、內外加熱爐、內外噴水冷卻器組成，操作時引出底模帶動精密鑄造模殼由加熱爐區以一定速度下降到冷卻區，實現定向凝固，其特徵在於其精密鑄造模殼是由分別製作的內外模殼組裝在一起製成的。
2. 根據權利要求1所述的設備，其特徵在於其模殼是用壓制的石墨坯料經機械加工 製成的。
3. 根據權利要求1所述的設備，其特徵在於其模殼是用精鑄漿料在金屬模具上成型 製成的。
4. 根據權利要求1所述的設備，其特徵在於其模殼內外均設置有加熱爐，以便保證其 溫度在合金熔點之上有2(TC的過熱度。
5. 根據權利要求1所述的設備，其特徵在於在加熱爐之下設置有外噴水環及內噴水 器，以保證鑄件快速定向凝固。
6. 根據權利要求l所述的設備，其特徵在於加熱爐及冷卻器之間由耐火氈墊隔離開。
7. 根據權利要求l所述的設備，其特徵在於內外模殼是安裝在引出底模之上，當後者 以一定速度下降時，兩者以同樣的速度進入冷卻區。
8. 根據權利要求l所述的設備，其特徵在於內噴水器(23)、中心固定支柱(17)以及下面的通水管是焊接在一起的，安裝在引出底模(25)之中心。
專利摘要本實用新型涉及到一種鑄造設備，特別是涉及到鈦合金飛彈艙體的鑄造設備。我國的鈦合金飛彈艙體在機械性能及冶金質量方面尚有較大差距，本實用新型提出「鈦合金飛彈艙體定向凝固鑄造設備」，目的在於改變其凝固方式，使其結晶結構由等軸晶改變為細而長的柱狀晶，達到提高機械性能及冶金質量的目的。實現本實用新型的關鍵在於模殼的製作，本工作用精加工的高密度石墨模殼及在精加工的金屬模具上成型的模殼解決了此問題。其精密鑄造模殼是由分別製作的內外模殼組裝在一起製成的。
文檔編號B22D27/04GK201442085SQ20082017686
公開日2010年4月28日 申請日期2008年11月28日 優先權日2008年11月28日
發明者李忠炎 申請人:李忠