一种可实现金属熔体真空定量浇注的设备与方法与流程

本发明涉及一种金属熔体真空定量浇注方法与设备，主要应用于铝合金及镁合金的压铸、挤压铸造、重力铸造，属于铸造设备领域。

背景技术：

铝合金及镁合金因其比强度大、质量轻，铸造性能良好等特点，被广泛地应用于航空航天、汽车、建筑等领域，并在这些领域发挥着越来越重要的作用。伴随着科技的不断发展和进步，也不断地对铝合金及镁合金的性能提出更高的要求。

由于铝合金及镁合金中的铝元素和镁元素均为化学性质极为活泼的元素，很容易与空气中的氧气发生反应而被氧化。因此，在铝合金及镁合金的浇注过程中，如果能够保证熔体不与或者少与空气接触，就能减少合金在浇注过程中的氧化，减少合金熔体内的氧化夹杂，从而最终减少合金铸件的缺陷，提高合金铸件的性能。同时，如果能够在浇注时实现合金的精确定量，就能提高材料的利用率，减少原材料的浪费，减少铸件成型后的二次加工，从而降低生产成本，提高生产效率。因此，在铝合金及镁合金浇注领域，解决氧化和定量这两大技术问题对行业的重要性不言而喻。

专利授权号为CN103153501B的中国发明专利公开了一种名称为“用于计量熔料的装置和方法以及铸造机”的专利。该专利能够初步实现对合金熔体在隔绝空气的情况下进行的定量浇注。其方法是采用非金属材料制造的圆形密封容器放于合金熔体中，在对圆形密封容器抽真空的作用下，使熔体吸入圆形密封容器。当密封容器内达到一定的熔体量时停止抽真空。移动密封容器到浇注位置后，控制系统阀门打开向密封容器中充入惰性气体让熔体流出，浇入到指定位置，当到达额定的浇注时间或者额定的密封容器剩余重量后自动停止，等待下一铸造循环。此技术存在一定的缺点：一、虽然在摄取和转移合金熔体的过程中使用惰性气体和密封容器保证了熔体与空气的隔绝，但是在浇注时从密封容器中排放出的熔体就会不可避免地接触到空气，导致熔体被氧化。二、在浇注时，如果密封容器与压室或料筒距离过远，会导致熔体流出时呈紊流状态，容易产生卷气；如果密封容器与压室或料筒距离过近，流出的熔体有可能粘附到密封容器的外壁，造成熔体的污染和损失。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述存在的问题和不足，提供一种能够在真空及惰性气体保护状态下实现金属熔体的精确定量浇注的方法与设备，能够在整个浇注过程中实现对金属熔体的保护，防止其氧化，污染及卷气。即能提高合金铸件的质量，提高生产效率，同时也能提高材料利用率，节能减排。

为实现上述目的，本发明采取技术方案如下：

一种可实现金属熔体真空定量浇注的设备，包括机械装置、真空定量浇注装置、开合装置、控制系统；

所述机械装置控制真空定量浇注装置的移动或者转动；

所述真空定量浇注装置包括具有内部空间的密封容器、气体填充机构和真空机构，所述密封容器上还设有与气体填充机构连接并允许气体进入的至少两个气体入口，以及与真空机构连接并且可对所述内部空间抽真空的气体出口；

所述内部空间用以容纳金属熔体，且所述至少两个气体入口中的一个入口允许气体进入内部空间并和熔体接触，

所述内部空间内还设有允许气体通过的管道，所述至少两个气体入口中的另一个入口允许气体进入所述管道，该管道将进入其的气体与熔体隔离且互不接触；

所述密封容器还设有排出口，所述排出口包括允许熔体排出的排液口，所述管道通过该排液口，且管道具有允许不和熔体接触的气体排出的排气口，所述开合装置对所述排液口和排气口实现独立控制，即可独立控制排液口和排气口的开/合。

优选的，所述密封容器还包括上盖，所述上盖将密封容器和管道的上部进行密封。

优选的，所述上盖上设有与气体填充机构连接并允许气体进入所述密封容器内部空间的第一孔、和与气体填充机构连接并允许气体进入所述气体填充管的第二孔、连接真空机构的第三孔。

优选的，所述真空定量浇注装置还包括内部金属液面探针和外部金属液面探针，所述内部金属液面探针通过所述密封容器上盖上的孔插入密封容器，其插入深度可以调节；外部金属液面探针固定在所述密封容器外部。

优选的，还包括反馈信号接收装置，所述反馈信号接收装置分别与内部金属液面探针和外部金属液面探针，接收来自内外金属液面探针的信号并反馈给控制系统。

优选的，所述控制系统和机械装置、反馈信号接收装置、真空机构，气体填充机构之间分别电连接，以实现对上述各部分的自动控制。

优选的，所述上盖与密封容器的连接处、所述上盖与气体填充管的连接处、以及所述上盖上的所有孔均设有密封垫圈防止漏气。

优选的，所述气体为惰性气体、氮气或其他不与金属熔体发生化学反应的气体之一，或其上述气体的混合气体。

利用上述设备进行金属熔体真空定量浇注方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：调整内部金属液面探针的高度，使其固定在密封容器内需要定量浇注金属熔体的相应高度；

步骤2：机械装置带动真空定量浇注装置在盛有金属熔体的炉内下移，直至外部金属液面探针接触到金属熔体，下移停止，此时密封容器下端插入金属熔体液面以下，并保持密封容器处于竖直状态；

步骤3：通过控制系统控制开合装置打开排液口，并保持排气口关闭；

步骤4：通过控制系统启动真空机构从第三孔对密封容器抽真空；

步骤5：密封容器内液面在内外压差的作用下上升，当金属熔体到达指定浇注量时，液面接触到内部金属液面探针，内部金属液面探针通过反馈信号接收装置将信号传给控制系统，此时通过控制系统控制开合装置关闭排液口，排气口同时维持关闭状态，同时真空机构停止抽真空；

步骤6：机械装置带动定量浇注装置移动到铸造模具或者压室，使其深入模具或者压室足够的深度；

步骤7：通过控制系统控制开合装置，排气口打开，排液口保持关闭；

步骤8：通过控制系统启动惰性气体填充装置，向第二孔内通入惰性气体，惰性气体通过惰性气体填充管进入模具或者压室；

步骤9：惰性气体被通入模具或者压室，一定时间后模具或者压室被惰性气体充满，在控制系统作用下，惰性气体填充装置关闭，同时控制系统控制开合装置，排气口关闭；

步骤10：通过控制系统控制开合装置，排液口打开，排气口保持关闭，同时启动惰性气体填充装置，向第一孔内通入惰性气体，金属熔体在惰性气体推力及重力的作用下流入模具或者压室；

步骤11：在浇注过程中随着液面上移，机械装置带动真空定量浇注装置逐渐上移，保证浇注过程中密封容器与金属熔体液面距离基本保持恒定，直至浇注完成；

步骤12：控制系统控制开合装置，排液口关闭，机械装置带动真空定量浇注装置移走，进行下一循环。

优选的，另一种利用上述设备进行金属熔体真空定量浇注方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：调整内部金属液面探针的高度，使其固定在密封容器内需要定量浇注金属熔体的相应高度；

步骤2：机械装置带动真空定量浇注装置在盛有金属熔体的炉内下移，直至外部金属液面探针接触到金属熔体，下移停止，此时密封容器下端插入金属熔体液面以下，并保持真空坩埚处于竖直状态；

步骤3：通过控制系统控制开合装置打开排液口，并保持排气口关闭；

步骤4：通过控制系统启动真空机构从第三孔对密封容器抽真空；

步骤5：密封容器内液面在内外压差的作用下上升，当金属熔体到达指定浇注量时，液面接触到内部金属液面探针，内部金属液面探针通过反馈信号接收装置将信号传给控制系统，此时通过控制系统控制开合装置关闭排液口，排气口同时维持关闭状态，同时真空机构停止抽真空；

步骤6：机械装置带动定量浇注装置移动到铸造模具或者压室，使其深入模具或者压室足够的深度；

步骤7：通过控制系统控制开合装置，排气口打开，排液口保持关闭；

步骤8：通过控制系统启动惰性气体填充装置，向第二孔内通入惰性气体，惰性气体通过惰性气体填充管进入模具或者压室；

步骤9：惰性气体被通入模具或者压室，一定时间后模具或者压室被惰性气体充满；

步骤10：通过控制系统控制开合装置，排液口打开，同时启动惰性气体填充装置，向第一孔内通入惰性气体，金属熔体在惰性气体推力及重力的作用下流入模具或者压室；

步骤11：在浇注过程中随着液面上移，机械装置带动真空定量浇注装置逐渐上移，保证浇注过程中密封容器与金属熔体液面距离基本保持恒定，直至浇注完成，该过程中根据需要选择是否打开排气口对模具或者压室通入惰性气体；

步骤12：控制系统控制开合装置，排液口关闭，机械装置带动真空定量浇注装置移走，进行下一循环。

本发明的优点是：

1、本发明在密封容器内部设置一个惰性气体填充管，并且分别设有独立的熔体排液出口和惰性气体排气出口，能够在浇注之前通过惰性气体填充管向压室或者模具内通入惰性气体，同时，尤其是，还能够在在浇注时密封容器逐渐上移直至浇注结束的过程中，同时开始开启排液口和排气口，在该过程中能够随时形成惰性气体环境，保证金属熔体在浇注时减少熔体的氧化和吸氢，减少铸件的气孔和氧化夹杂，提高铸件质量。

2、本发明在浇注时移动真空定量浇注装置的排液口到压室或者模具的底部，并在浇注过程中逐渐上移直至浇注结束，既能保证浇注过程中金属熔体不发生紊流而卷气，又能保证金属熔体不会因为和密封容器的外壁接触而被污染，减少铸件气孔和夹杂，提高铸件质量。

3、本发明使用可调节位置的内部金属液面探针直接检测密封容器内金属熔体液面高度的方法，大大提高了定量浇注的精度，同时可以通过调节内部金属液面探针的位置方便地调节金属熔体浇注量，提高了材料利用率和生产效率。

4、本发明使用对填充了惰性气体的密封容器在金属熔体液面以下抽真空的方式摄取熔体，并且在整个转移过程中均保持密封容器的气密性，从而阻止了金属熔体和氧气的接触，能够有效防止浇注过程中金属熔体的氧化，减少铸件氧化夹杂，提高铸件质量。

5、本发明使用完全密封的密封容器对金属熔体进行定量浇注，能够减少金属熔体与外界的热交换，减缓金属熔体的降温速度，可以在保证铸件成型的前提下降低金属熔体的出炉温度，节能减排。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的摄取熔体过程示意图。

图3为本发明转移熔体过程示意图。

图4为本发明填充惰性气体保护过程示意图。

图5为本发明浇注过程示意图。

图6为本发明浇注过程中真空定量浇注装置位置变化示意图。

图7为本发明上移浇注过程惰性气体保护示意图。

其中，1—机械装置；2—固定装置；3—气缸及传动装置；4—真空定量浇注装置；5—反馈信号接收装置；6—控制系统；7—合金熔体；8—炉体；9—压室或者模具；31—四工位气缸；32—活塞杆；33—连接件；41—密封容器；42—排气口关闭塞；43—排液口关闭塞；44—内部金属液面探针；45—外部金属液面探针；46—抽真空装置；47—惰性气体填充装置；411—容器罐；412—惰性气体填充管；413—上盖；414—法兰盘；4131—孔一；4132—孔二；4133—孔三。

具体实施方式

下面结合附图1至附图7和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明所述的合金熔体真空定量浇注设备，包括机械装置1、固定装置2、气缸及传动装置3、真空定量浇注装置4、反馈信号接收装置5、控制系统6。真空定量浇注装置4又包含密封容器41、排气口关闭塞42、排液口关闭塞43、内部金属液面探针44、外部金属液面探针45、抽真空装置46、惰性气体填充装置47。固定装置2为一T字形横梁，一端固定一个四工位气缸31，一端固定真空定量浇注装置4，最后一端固定在机械装置1上，这样既保证了四工位气缸31和真空定量浇注装置4的相对固定，同时使真空定量浇注装置可以在机械装置1的控制下移动或者转动。气缸及传动装置3包括一个四工位气缸31、活塞杆32和用来传动的连接件33。四工位气缸31固定在固定装置2上。连接件33为一个圆盘，其中心部位一个圆柱形推杆，两侧对称布置有两个圆柱形推杆。圆盘连接四工位气缸31的活塞杆32，中心圆柱形推杆连接排气口关闭塞42，两侧圆柱形推杆连接排液口关闭塞43，这样排气口关闭塞42和排液口关闭塞43能够在四工位气缸31的控制下实现开启和关闭。密封容器41由容器罐411、惰性气体填充管412、上盖413、法兰盘414这四部分组成。其中，容器罐411是圆柱形的容器，下端中心部位有一个开口。惰性气体填充管412为一分布在容器罐411周围的环形管，下端开口有收缩。惰性气体填充管412位于容器罐411的外部，两者同轴心。惰性气体填充管412和容器罐411通过法兰盘414固定在上盖413上，连接处有密封圈保证装置的气密性。连接件33的三个圆柱形推杆和内部金属液面探针44通过上盖413上面的通孔插入密封容器，通孔处设有密封圈保证装置的气密性。上盖413上面的孔一4131通过未画出的弹性补偿管连接抽真空装置46，孔二4132和孔三4133通过未画出的弹性补偿管连接惰性气体填充装置47。即，抽真空装置46通过孔一4131对密封容器41抽真空，惰性气体填充装置47通过孔二4132和孔三4133向密封容器41填充惰性气体。排气口关闭塞42为一环形塞子，和惰性气体填充管412的下端内壁紧密配合，它一端连接到连接件33上，通过四工位气缸31的控制实现开闭。排液口关闭塞43为一圆柱形塞子，和惰性气体填充管412下端外壁以及容器罐411下端内壁紧密配合，它的一端连接到连接件33上，通过四工位气缸31的控制实现开闭。排气口关闭塞42和排液口关闭塞43在装配时存在一定的轴向位置关系，这样可以保证在摄取、储存、浇注合金熔体7和填充惰性气体保护时两者不会相互干涉。内部金属液面探针44固定在上盖413上，作用是监测合金熔体液面是否达到指定高度，即合金熔体摄取量是否满足要求，其深度可以根据所需的合金熔体量进行调节。外部金属液面探针45固定在法兰盘414上，作用是检测密封容器41的底部是否浸入合金熔体7的液面下一定的深度，保证在液面以下摄取合金熔体7。内部金属液面探针44、外部金属液面探针45均电连接到反馈信号接收装置5，用将物理信号转换化为电信号。机械装置1、四工位气缸31、抽真空装置46、惰性气体填充装置47、反馈信号接收装置5均电连接到控制系统6上，以实现整个设备的自动控制。

本发明所述的合金熔体真空定量浇注设备的工作过程是：

1、确定浇注量，通过计算，确定密封容器41内合金熔体吸入高度，调整内部金属液面探针44高度，使其固定在相应高度；

2、通过控制系统6控制机械装置1使设备在炉体8内向下移动，直到外部金属液面探针45接触到合金熔体7的液面，外部金属液面探针45通过反馈信号接收装置5将信号传给控制系统6，在控制系统6的作用下，设备停止移动；

3、通过控制系统6控制四工位气缸31动作，使活塞杆32位于1工位，此时排液口关闭塞43打开，排气口关闭塞42保持关闭；

4、通过控制系统6启动抽真空装置46，通过孔一4131从密封容器41抽真空；

5、密封容器41内液面在内外压差的作用下上升，当合金熔体到达指定浇注量时，液面接触到内部金属液面探针44，内部金属液面探针44通过反馈信号接收装置5将信号传给控制系统6，在控制系统6作用下，气缸31动作，使活塞杆32位于2工位，排液口关闭塞43关闭，同时抽真空装置46停止抽真空；

6、控制系统6控制机械装置1移动定量浇注装置4到压室9，使其深入压室9足够的深度；

7、通过控制系统6，使气缸31动作，活塞杆32位于3工位，排气口关闭塞42打开，排液口关闭塞43保持关闭；

8、通过控制系统6启动惰性气体填充装置47，通过孔三4133向密封容器41内通入惰性气体，惰性气体通过惰性气体填充管412进入压室9；

9、惰性气体被通入压室9，一定时间后压室9内被惰性气体充满，在控制系统6的作用下，惰性气体填充装置47关闭，同时气缸31动作使活塞杆32恢复2工位，排气口关闭塞42关闭；

10、通过控制系统6控制气缸31动作，使活塞杆32位于1工位，排液口关闭塞43打开，排气口关闭塞42保持关闭，同时启动惰性气体填充装置47，向孔二4312内通入惰性气体，合金熔体在惰性气体推力及重力的作用下流入压室9；

11、在浇注过程中随着液面上移，控制系统6控制机械装置1带动真空定量浇注装置4从(a)位置逐渐上移到(c)位置，保证浇注过程中密封容器41即不会离合金熔体液面太高也不会浸入合金熔体，直至浇注完成；

12、控制系统6控制气缸31动作，使活塞杆32位于2工位，排液口关闭塞43关闭，机械装置1带动真空定量浇注装置4移走，等待下一循环。

另一种上述设备的工作过程是：

1、确定浇注量，通过计算，确定密封容器41内合金熔体吸入高度，调整内部金属液面探针44高度，使其固定在相应高度；

2、通过控制系统6控制机械装置1使设备在炉体8内向下移动，直到外部金属液面探针45接触到合金熔体7的液面，外部金属液面探针45通过反馈信号接收装置5将信号传给控制系统6，在控制系统6的作用下，设备停止移动；

3、通过控制系统6控制四工位气缸31动作，使活塞杆32位于1工位，此时排液口关闭塞43打开，排气口关闭塞42保持关闭；

4、通过控制系统6启动抽真空装置46，通过孔一4131从密封容器41抽真空；

5、密封容器41内液面在内外压差的作用下上升，当合金熔体到达指定浇注量时，液面接触到内部金属液面探针44，内部金属液面探针44通过反馈信号接收装置5将信号传给控制系统6，在控制系统6作用下，气缸31动作，使活塞杆32位于2工位，排液口关闭塞43关闭，同时抽真空装置46停止抽真空；

6、控制系统6控制机械装置1移动定量浇注装置4到压室9，使其深入压室9足够的深度；

7、通过控制系统6，使气缸31动作，活塞杆32位于3工位，排气口关闭塞42打开，排液口关闭塞43保持关闭；

8、通过控制系统6启动惰性气体填充装置47，通过孔三4133向密封容器41内通入惰性气体，惰性气体通过惰性气体填充管412进入压室9；

9、惰性气体被通入压室9，一定时间后压室9内被惰性气体充满；

10、通过控制系统6控制气缸31动作，使活塞杆32位于4工位，排液口关闭塞43打开，惰性气体填充装置47向孔二4312内通入惰性气体，合金熔体在惰性气体推力及重力的作用下流入压室9；

11、在浇注过程中随着液面上移，控制系统6控制机械装置1带动真空定量浇注装置4从(a)位置逐渐上移到(c)位置，保证浇注过程中密封容器41即不会离合金熔体液面太高也不会浸入合金熔体，直至浇注完成，该过程中根据需要选择是否控制活塞杆位于4工位，打开排气口关闭塞42对压室9通入惰性气体；

12、控制系统6控制气缸31动作，使活塞杆32位于2工位，排液口关闭塞43和排气口关闭塞42关闭，机械装置1带动真空定量浇注装置4移走，等待下一循环。

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。