專利名稱：大型薄壁鋁合金件多功能移動磁場鑄造裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用電磁壓力來鑄造大型薄壁鋁合金件的裝置。
背景技術：
為了滿足當前經濟和社會動態(tài)和可持續(xù)發(fā)展的需求，各項民用和軍事裝備系統正在向高速迅捷和靈活機動的方向發(fā)展，因此各類零部件的輕量、薄壁和高強化已成必然，這在許多國民經濟的重要領域表現的尤為明顯，如航空、航天、造船、汽車、化工、電子信息、家用電器和體育運動等諸多領域，這些領域的裝備系統對能夠使其零部件接近最后形狀和尺寸，并且質量優(yōu)化，制造周期短程化和生產成本低廉化的制造方法需求迫切，而這也正是許多零部件的加工制造技術向整體化、精密化、高效化邁進的根源所在。金屬的鑄造技術可以由液態(tài)金屬直接成形復雜形狀的零件，在各類金屬的加工方法中具有獨特的技術優(yōu)勢，始終在零部件的加工領域處于重要地位。但傳統的金屬鑄造技術很難一次實現大型整體和薄壁零件的成形，根本的原因在于金屬液充填鑄型過程溫度降低很快，金屬液流動不順暢，當鑄件壁厚非常薄時，大的金屬液與鑄型壁界面粘滯阻力，嚴重削弱了金屬液的流動過程，導致充填不足等鑄造缺陷，這是薄壁鑄件生產的典型難題，實際鑄件質量較低。鋁合金由于密度小、比強度高、耐腐蝕性好、材質穩(wěn)定和加工性能好等優(yōu)點，目前已成為航空、航天和電子通訊等領域的主體用材，約占總用材量的一半以上，同時鋁合金可以滿足如下幾方面的需求(1)產品構件的減重和輕量化需求；(2)產品的功能性需求，如電阻材料、磁性材料和減摩耐磨材料等；(3)產品的裝飾性需求。產品的減重和輕量化是推動鋁合金不斷擴大應用的源動力，而對于產品的功能性和裝飾性的需求則是當前鋁合金應用的基礎。由于在產品設計時更多地是考慮如何減低結構重量，其給鋁合金等輕量合金零部件的應用提供了機遇，當前對鋁合金等結構件的市場需求是極為明顯的。據統計從1970年至1995年的25年間，鋁合金結構件的產量以每年4％的速度遞增，目前已達到年產量6800萬噸左右，其中在以汽車工業(yè)為代表的交通運輸業(yè)表現尤為突出，約占整體鋁構件產量的60％以上。如果采用鑄造方法加工鋁合金，可以使材料利用率提高70-80％，減少機械加工工時60-70％，尤其可以一次成形具有復雜結構的零件，避免因機械加工和再組裝所帶來的結構變形、尺寸精度下降和整體可靠性低等問題，這對于縮短生產周期、降低研制成本和提高各類裝備系統的經濟和社會效益非常重要。因此當前發(fā)展復雜、精密、整體鋁合金構件的鑄造成形已經是本相關領域的技術發(fā)展趨勢，但零部件的復雜結構要求、薄小的壁厚組成、致密均勻的內部質量和完整精確的外形尺寸要求，使得在采用鑄造方法生產這類零件時的難度很大，迫切需求有關新型的鑄造方法作保證和奠定基礎。當前輕質、高強、整體和薄壁鋁合金構件的鑄造技術呈現四個方面的顯著特點(1)新型鑄造鋁合金材料不斷涌現；(2)特種鑄造工藝運用加強；(3)鑄件的結構集成化提高；(4)強調鑄件的一次成形質量的優(yōu)異性。經過多年的實際努力和發(fā)展，很多鑄造鋁合金已經實用化和標準化，如Al-Si、Al-Cu、Al-Mg等多體系多牌號鑄造鋁合金，它們?yōu)榻鉀Q高強、耐熱和輕質等方面都起到了很好的作用，但隨著對鑄件的剛性、耐磨性和耐熱能力要求的加強，對各種鑄造新型鋁合金和鋁基復合材料的研究和開發(fā)工作也得到了快速發(fā)展，如Al-Li、Al-Sc和陶瓷相增強鋁基復合材料(如SiC顆?；蚨汤w維增強復合材料)，采用這些特殊的鋁合金材料，雖然可以大大提高鑄件的使用性能，但與傳統合金相比，其物理化學性能，如化學活性、熔點、粘性和表面張力等也在發(fā)生大的改觀，總的趨勢是合金的鑄造性能變差，工藝難度加大。為此，需要運用一系列特種鑄造方法來實現不同合金材質的鑄造成形，其中以調節(jié)金屬液充型壓力變化為特征的各類壓力鑄造方法是當前生產各類輕質、高強、整體和薄壁鋁合金構件的主要方法，這些方法的主要組成成員為低壓鑄造、差壓鑄造、擠壓鑄造、壓力鑄造，它們與調節(jié)鑄造過程熱量分布為特征的順序凝固鑄造和金屬型鑄造等工藝共同構成了區(qū)別于傳統普通重力澆注鋁合金的成形方法。這些方法雖然在一定程度上可以解決鋁合金鑄件的成形問題，但各有優(yōu)缺點，分析這幾種比較適合大型薄壁鋁合金鑄件的成形方法，可以發(fā)現從鑄件的質量和生產能力方面看，壓鑄具有較強的優(yōu)勢，這主要是壓鑄過程金屬液以高速度充填鑄型，實現了鑄件的完整性充填，同時金屬液在壓力下結晶，保證了組織的致密，由于高度的機械化和自動化生產，從而保證了鑄件的批量生產能力，但由于受壓鑄過程鑄件投影面積的限制，實際生產過程不能生產薄大鑄件，即使生產，也需要大噸位壓力裝置做保證，又由于壓鑄件易產生氣孔，不能進行熱處理及凹角部位取件困難，難以生產具有大尺寸封閉腔和具有厚大熱節(jié)的鑄件，因此只適用于簡單合金牌號的中小鑄件。低壓鑄造是另一種發(fā)展較快的薄壁大型鋁合金鑄件的鑄造工藝，該工藝綜合優(yōu)越性較好，具有適當的成形能力，但是低壓鑄造的工藝原理表明，低壓鑄造是通過調整金屬液沿重力充填方向的壓力差實現的，一方面金屬液的充填有方向性，即只能逆著重力方向，其次要求充型的壓力差隨金屬液充填高度而做出自動調整，這給過程的控制造成相當的困難，工藝操作難度很大，目前只適于特別大型的筒體類鑄件。哈爾濱工業(yè)大學從20世紀80年代便開始了磁流鑄造技術的研究，目前的磁流器，磁場發(fā)生裝置處于單邊工作方式，磁場存在較為明顯的橫向邊緣效應，即磁場強度量沿磁流器橫向衰減很大，造成金屬液在充填過程受到的電磁推力不均勻，同時磁場強度從磁流器表面向空間高度上很快減弱，其氣隙效應很大，因此這種方法的優(yōu)勢在于大型薄壁板類件的鑄造，而不適于鑄造三維框架類和筒體類等具有更復雜形狀的結構件。
發(fā)明內容
為了能在復雜薄壁大型鋁合金鑄件鑄造過程中，既實現外力調節(jié)又考慮熱量的分布，以獲得鑄件的外部完整性和內部質量的優(yōu)異性，本發(fā)明提供了一種大型薄壁鋁合金件多功能移動磁場鑄造裝置，它是基于磁流體力學原理，利用交變電磁場對導電金屬產生的洛侖茲力效應和焦耳熱效應，從而產生對液態(tài)金屬的加熱保溫和推動作用，使金屬液快速充填鑄型型腔，以達到成形大型薄壁鋁合金鑄件的目的。它包括由鑄型1和與鑄型1相固接的澆口杯2組成的鑄型系統A，由線圈3和磁厄4組成的磁場發(fā)生系統B，其特征在于所述磁厄4為外表面帶槽的矩形體，在磁厄4的槽內鑲嵌有線圈3，線圈3與電源連接。電磁場在鑄造過程的應用已經有幾十年的歷史，最初是利用電磁攪拌作用細化晶粒組織，提高力學性能，后來發(fā)展到電磁連鑄和約束成形，將電磁場與特殊凝固技術相結合的電磁復合鑄造技術也得到了快速發(fā)展，如電磁離心鑄造、正交電磁場模擬微重力鑄造等方法，而液態(tài)金屬的電磁凈化和電磁霧化等技術手段，由于在鑄造及金屬材料的加工過程能對金屬液起到無接觸除氣、去渣和破碎的功能也受到了人們的廣泛關注。電磁場之所以能在包括鑄造在內的各種冶金過程中得到廣泛應用，主要是由于熔融金屬是電的良導體，因此能因磁束和電流的作用而在金屬熔體內產生電磁力，利用電磁力就可以對熔融金屬進行非接觸性攪拌、傳輸和形狀控制，而這與采用機械手段是不同的。磁流鑄造法被用于大型鋁合金鑄件的生產上，效益是非常明顯的，鑄件的壁厚可最低減至3mm，質量也得到相應的提高。尤其值得注意的是磁流鑄造所需要的設備簡單，只不過是與鑄型大小相近的直線型感應電動機。它既可以使用金屬型，也可使用非金屬型(殼型、石膏型等)這樣低成本的鑄型結構。
圖1是本發(fā)明的整體結構示意圖，圖2是磁場發(fā)生系統B的結構示意圖，圖3是圖2的C-C剖視圖，圖4是鑄型系統A的結構示意圖，圖5、圖6是線圈接線示意圖。
具體實施例方式本實施方式包括由鑄型1和與鑄型1相固接的澆口杯2組成的鑄型系統A，鑄型系統A設置在鑄型底座9上，鑄型底座9水平穩(wěn)定地固定于地面之上，在鑄型底座9與鑄型系統A之間設有導軌10，導軌10與鑄型底座9相固接，可以將導軌10通過螺栓連接方式連接到鑄型底座9上，導軌10的長度延伸到鑄型底座9的兩端，間距保持在鑄型底座9寬度的三分之二左右，鑄型1呈左右對稱放置于導軌10上，保持能順利前后滑動狀態(tài)，磁場發(fā)生系統B由線圈3和磁厄4組成，磁厄4為帶槽的矩形體，在磁厄4的槽內鑲嵌有線圈3，線圈3的組數為3的整數倍，本實施方式是由十二個絕緣漆包覆的純銅導線繞制的工作感應線圈3鑲嵌在由導磁材料機械加工和裝配成的磁厄4腔中，共同組成磁場發(fā)生系統B，在磁場發(fā)生系統B的外表面設有扣板11，扣板11通過螺釘12與磁場發(fā)生系統B連接，它還包括電源轉換器5，線圈3通過導線6連接到電源轉換器5上，導線6為純銅制絕緣漆導線，電源轉換器5采用“ ”型連接方式供電，電源轉換器5作為三相電源輸入，在本實施方式中，接入磁場發(fā)生系統B工作所需要的電能，其輸入電壓在零到500伏特變化，輸入頻率為50赫茲工頻電流即可，鑄型系統A還包括型芯7，型芯7是由導磁材料制成的磁芯7-1包埋到無磁性材料制成的外芯7-2中，本實施方式的型芯應用的材質為普通碳素鋼，型芯7設置在鑄型1的腔體內，鑄型1包括鑄型上型1-1和鑄型下型1-2，鑄型上型和鑄型下型都采用非鐵磁質材料制造，本實施方式應用了兩種材質陶瓷質材料和石膏材料，鑄型上型1-1和鑄型下型1-2內設有相通的腔14，腔14為鑄件的金屬液充填型腔，用于呈接金屬液而最終形成鑄件，澆口杯2通過粘結的方式固定于鑄型上型1-1的上表面，并且澆口杯2的內部空腔與鑄型1內的腔14相通并共同組成金屬液澆注系統，金屬液通過澆口杯被澆注入鑄型的型腔中，其做為復合次極起到導電的作用，鑄型腔體內還固定有一組型芯撐8，型芯撐8設置在型芯7的底部，型芯7通過型芯撐8固定到鑄型下型1-2的工作內腔內，在鑄型1的側壁上還開有排氣孔15，排氣孔15可以開在鑄型上腔1-1內，它的作用為在金屬液澆注入型腔時排除氣體，磁場發(fā)生系統B設置在固定平臺13上，固定平臺13的下端設有移動導輪13-1，本實施方式中的移動導輪13-1為四個，在移動導輪13-1上還鉸接有止動塊13-2，工作時通過止動塊13-2固定工作位置，磁場發(fā)生系統B通過移動式固定平臺13與固定到鑄型底座9上的鑄型1對接，鑄型1通過導軌10滑入磁場發(fā)生系統B的矩形腔即工作內腔內。
本實施方式中，十三塊磁厄將十二組工作線圈隔開，用于阻擋磁力線的滲漏。由磁芯、工作線圈和磁厄共同組成了本裝置的電磁驅動工作部分，其工作空間封閉，主要優(yōu)點為漏磁率極低、制造工藝簡單。磁場發(fā)生系統B的基本結構參數為長I＝684mm，寬b＝282mm，高w＝141mm，極距τ＝171mm，齒距t＝54mm，槽寬b0＝20mm，工作鑄型型腔厚度小于3mm，極數p＝2，每相匝數ω＝375，每匝導線的橫截面直徑φ＝1.25mm。
本發(fā)明是對單邊式磁流器的改進，單邊式磁流鑄造中產生流動磁場的裝置為磁流電磁感應器，可以看成一直線電機，它是旋轉電機在結構上的一種變形。將旋轉電機沿其徑向剖開，并將圓周拉直而成。由定子演變而來的一側叫作初級或原邊，由轉子演變而來的一側叫做次級或副邊。在這種直線電機的三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，就會產生氣隙磁場。當不考慮由于鐵心兩端開斷而引起的縱向邊緣效應時，這個氣隙磁場的分布情況與旋轉電機相似，即可看成沿展開的直線方向成正弦形分布，與旋轉電機相比，這個磁場不是旋轉而是平行的，因此稱之為流動磁場。流動磁場會對次極產生作用，次極在流動磁場的切割下，將感應出電動勢并產生電流，而所有導電條的電流和氣隙磁場相互作用便產生電磁推力，如果初級是固定不動的，那么次級(此處是液態(tài)金屬)就順著流動磁場運動的方向作直線運動。通過流動磁場與澆入鑄型的金屬液相互作用，通過磁場所激發(fā)的電磁體積力推動，沿鑄型長度方向不斷高速充填鑄型的細薄截面，達到成形的目的，同時，感應電流對金屬液進行加熱、攪拌，在這些力的作用下，金屬液凝固后還會形成致密的細晶粒組織。本發(fā)明將四個單獨的磁流器組合起來，并形成四面封閉結構，使金屬液在充填鑄型型腔的周圍空間中都受到磁場的作用，磁場強度疊加，這樣磁場的各種衰減效應就能減弱，因此鑄件的截面結構不只是簡單的板狀，圓筒、方框、角狀、槽狀等不同形狀都能實現。
權利要求
1.一種大型薄壁鋁合金件多功能移動磁場鑄造裝置，它包括由鑄型(1)和與鑄型(1)相固接的澆口杯(2)組成的鑄型系統(A)，由線圈(3)和磁厄(4)組成的磁場發(fā)生系統(B)，其特征在于所述磁厄(4)為外表面帶槽的矩形體，在磁厄(4)的槽內鑲嵌有線圈(3)，線圈(3)與電源連接。
2.根據權利要求1所述的大型薄壁鋁合金件多功能移動磁場鑄造裝置，其特征在于所述鑄型系統(A)還包括型芯(7)，型芯(7)是由導磁材料制成的磁芯(7-1)包埋到無磁性材料制成的外芯(7-2)中，所述型芯(7)設置在鑄型(1)的腔體內。
3.根據權利要求2所述的大型薄壁鋁合金件多功能移動磁場鑄造裝置，其特征在于在鑄型(1)的腔體內還固定有一組型芯撐(8)，型芯撐(8)設置在型芯(7)的底部。
4.根據權利要求1所述的大型薄壁鋁合金件多功能移動磁場鑄造裝置，其特征在于所述鑄型(1)包括鑄型上型(1-1)和鑄型下型(1-2)，鑄型上型(1-1)和鑄型下型(1-2)內設有相通的腔(14)，所述澆口杯(2)通過粘結的方式固定于鑄型上型(1-1)的上表面，并且澆口杯(2)的內部空腔與鑄型(1)內的腔(14)相通。
5.根據權利要求1所述的大型薄壁鋁合金件多功能移動磁場鑄造裝置，其特征在于在鑄型(1)的側壁上開有排氣孔(15)。
6.根據權利要求1、2、3、4或5所述的大型薄壁鋁合金件多功能移動磁場鑄造裝置，其特征在于它還包括電源轉換器(5)，線圈(3)通過導線(6)連接到電源轉換器(5)上，電源轉換器(5)采用“ ”型連接方式供電。
7.根據權利要求6所述的大型薄壁鋁合金件多功能移動磁場鑄造裝置，其特征在于線圈(3)的組數為3的整數倍。
8.根據權利要求1、2、3、4或5所述的大型薄壁鋁合金件多功能移動磁場鑄造裝置，其特征在于在磁場發(fā)生系統(B)的外表面設有扣板(11)，扣板(11)通過螺釘(12)與磁場發(fā)生系統(B)連接。
9.根據權利要求1、2、3、4或5所述的大型薄壁鋁合金件多功能移動磁場鑄造裝置，其特征在于所述磁場發(fā)生系統(B)設置在固定平臺(13)上，固定平臺(13)的下端設有移動導輪(13-1)，在移動導輪(13-1)上還鉸接有止動塊(13-2)。
10.根據權利要求9所述的大型薄壁鋁合金件多功能移動磁場鑄造裝置，其特征在于所述鑄型系統(A)設置在鑄型底座(9)上，在鑄型底座(9)與鑄型系統(A)之間設有導軌(10)，導軌(10)與鑄型底座(9)相固接。
全文摘要
大型薄壁鋁合金件多功能移動磁場鑄造裝置，它涉及一種利用電磁壓力來鑄造大型薄壁鋁合金件的裝置。傳統的金屬鑄造技術很難一次實現大型整體和薄壁零件的成形，當鑄件壁厚非常薄時，大的金屬液與鑄型壁界面粘滯阻力，導致充填不足，實際鑄件質量較低。它包括由鑄型(1)和與鑄型(1)相固接的澆口杯(2)組成的鑄型系統(A)，由線圈(3)和磁厄(4)組成的磁場發(fā)生系統(B)，磁厄(4)為外表面帶槽的矩形體，在磁厄(4)的槽內鑲嵌有線圈(3)，線圈(3)與電源連接。磁流鑄造法被用于大型鋁合金鑄件的生產上，效益是非常明顯的，鑄件的壁厚可最低減至3mm，質量也得到相應的提高，而且鑄件的截面結構不只是簡單的板狀，圓筒、方框、角狀、槽狀等不同形狀都能實現。
文檔編號B22D27/02GK1513626SQ03132448
公開日2004年7月21日 申請日期2003年6月19日 優(yōu)先權日2003年6月19日
發(fā)明者郭景杰, 丁宏升, 畢維生, 賈均, 蘇彥慶 申請人:哈爾濱工業(yè)大學