專利名稱：一種可視化鑄造實時觀察系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及鑄造技術，具體地說是一種可視化鑄造實時觀察系統。
背景技術：
中國目前裝備制造業的迅速發展，帶動了傳統產業的快速發展。包括鋼鐵、銅、鋁、鋅等黑色和有色金屬及合金在內的我國鑄件產量從2001年起超過美國成為世界第一，產量達到1600萬噸，占全球產量的1/5，廠點多達2萬多個，從業人員達120萬人。但是在熱加工行業，我國不是世界強國。熱加工產品“笨重”，加工時間長，有時不能按時交貨，甚至企業出現了產值高、利潤低或虧損的局面。主要原因是普遍維持使用落后的工藝技術，特別是澆注系統設計一直沿用幾十年前的技術，傳統的經驗型設計導致材料的制備工藝落后，產品的合格率低，工藝出品率(鑄件的重量與澆注鋼水重量的比值)低，生產原材料消耗高，能耗嚴重，資源環境壓力大。特別是大型鑄件集中表現為加工余量大和“三孔一裂”(即氣孔、渣孔、縮孔和裂紋)缺陷多。據統計，我國鑄件重量比國外平均重10％-20％，加工余量大1-3倍以上。我國鑄鋼件工藝出品率平均為50％，而工業發達國家可達70％。目前由于原材料價格成倍上漲，產品的工藝出品率和合格率問題特別突出，企業盈虧的關鍵在于降低成本，而降低成本的關鍵在于提高產品工藝出品率和合格率。
鑄造行業的工藝技術有的已經幾十年不變，造成技術落后。一個根本原因是鑄造過程看不到，即所說的“睜眼造型，閉眼澆注”，技術人員憑經驗和主觀想法去設計工藝，因此先進的鑄造技術的開發勢在必行。
目前，國外有一種三維X射線檢測系統設備(如DP435型)，這套設備可用于固態鑄件的缺陷檢測，精度高，對所有的固態鑄件均可以檢測。但是，這樣的設備我國內僅有一臺，在國際上也只有英國、美國和德國等少數幾個國家擁有，而且通過這樣的設備不能用來檢測鑄造動態過程。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種能監測鑄造動態過程的可視化鑄造實時觀察系統，它是在三維X射線檢測系統設備的基礎上，加以改進的結構，可應用于可視化鑄造，進行實時監測。
為了實現上述目的，本實用新型技術方案包括控制柜、X-射線設備、控制模塊、監視器、控制臺、載物臺、成像系統，所述X-射線設備、載物臺、成像系統均封閉在封閉室內，X-射線設備與載物臺上的物品對應設置，成像系統將接收器接收的信號送至控制模塊，監視器的輸入信號為控制模塊輸出信號，載物臺與控制臺電連接；其特征是加設一澆注裝置于封閉室內；所述澆注裝置包括用于放坩堝的澆包支架、滑車、吊車、砂型，澆包支架通過設置于其前端的鋼絲繩與安裝在滑道上的滑車相連，滑車經第一開關與電機連接，設置于澆包支架底部的鋼絲繩經第二開關與安裝在滑道上、由電機控制的吊車連接在一起；第三開關安裝在滑道上；滑車與吊車相連接；砂型安放在載物臺上，砂型位于X-射線路徑上；所述電機采用雙向電機，所述吊車采用150～250公斤的吊車。
本實用新型具有如下有益效果1.本實用新型利用購置的國外三維X射線檢測系統設備，進行二次開發，研制了能作為可視化鑄造實時監測用的改進的系統設備，采用本實用新型不但能夠觀察鑄件充型和凝固過程，改進澆注系統設計，使傳統的“睜眼造型，閉眼澆注”的鑄造過程成為歷史，而且能夠精確診斷鑄件成形后的缺陷位置和尺寸，具有高精度的無損檢測功能。使鑄件可視化成為可能，為鑄造工藝提供了一個創新式技術路線，也是傳統工藝的一個質的突破。
2.采用本實用新型可以減少產品的試制周期，及時發現和消除鑄造缺陷，大大提高生產效率。
3.采用本實用新型可以實現可視化鑄造實時監測，即可以實時觀察鑄件充型和凝固過程，記錄金屬液流動狀態、氣體和夾雜物的產生和上浮過程。
4.采用本實用新型可根據觀察結果，設計新的澆注系統，使鑄件平穩充型，充滿型。
5.采用本實用新型可以對成形后的鑄件缺陷進行無損檢測，精確判斷微小缺陷的三維空間位置和尺寸。采用可視化技術，增加了設計的合理性，縮短了鑄件的生產周期，提高了生產率；采用了自然平穩充型澆注系統，在澆注過程中減少了氧化夾雜和卷氣等缺陷，提高了鑄件質量。
圖1為三維X射線檢測系統設備結構示意圖；圖2-1為本實用新型澆注裝置結構示意圖；圖2-2為本實用新型澆注裝置中滑車和吊車工作的電路原理圖；圖3為圖1中X-射線設備、載物臺、成像系統結構示意圖；圖4為本實用新型一個實施例底注葉片蠟模組合示意圖；圖5為本實用新型一個比較例頂注葉片蠟模組合示意圖；
具體實施方式
以下結合附圖及實施例詳述本實用新型。
實施例1為了可視化實時監測，本實用新型設備以DP435型三維X射線檢測系統設備(Radio Scopic Inspection System)為基礎，主要包括控制柜1、X-射線設備2、控制模塊4、UXGA監視器5、X-射線監視器6，總控制臺7、雙手控制臺8、載物臺20、成像系統22，(參見圖1、2-1、3)，為完全起見，以上所述X-射線設備2、載物臺20、成像系統22均封閉在一個鉛板制成帶有滑動門9的封閉室內，X-射線設備2與載物臺20上的物品對應設置，成像系統22將接收器19接收信號通過控制模塊4處理后送至UXGA監視器5、X-射線監視器6，總控制臺7或雙手控制臺8控制載物臺20運動；其特征是加設一澆注裝置于封閉室內，所述澆注裝置包括用于放澆包的澆包支架12、滑車13、吊車14(本實施例采用250公斤小型吊車)、砂型18、鋼絲繩，澆包支架12通過設置于其前端的鋼絲繩與安裝在滑道上的滑車13相連，滑車13經第一開關K1與電機連接，由電機(雙向型)控制，用于控制滑車13的前行或后退；滑車13與安裝在滑道上的吊車14通過鋼絲繩相連，滑車13帶動吊車14在滑道上作橫向運動；澆包支架12底部的鋼絲繩連接在吊車14上，第二開關K2控制吊車電機，使鋼絲繩拉動澆包支架做上下運動以控制澆注過程；第三開關K3安裝在滑道上，用于滑車13的限位；砂型18安放在載物臺20上，澆注完成之后形成鑄件11；砂型18位于X-射線10路徑上；來自X-射線設備2的X-射線10經砂型18后，由接收器19接收信息，用來觀測。
如圖2-2所示，第一、二開關K1、K2為雙位開關，第一開關K1的接線端a、b分別接至滑車上的滑車前行端A，滑車13后退端B，第二開關K2接線端c、d分別與吊車14上的吊車提升端C，吊車下降端D電連接，第三開關K3為行程開關，其開合由滑車13位置控制。其工作原理當第一開關K1置接線端a位置，滑車13前行；當第一開關K1置接線端b位置時滑車13后退。第二開關K2置接線端c位置，吊車14提起鋼絲繩，翻轉澆包；第二開關K2置接線端d位置時，吊車14放下鋼絲繩，澆包復位。第三開關K3為常閉行程開關，當滑車13撞到第三開關K3時，第三開關K3打開，滑車13自動斷電，當滑車13返回時，帶動第三開關K3復位，使第三開關K3自動回到常閉狀態。
封閉室有雙層拉動式滑動門9，工作時進行封閉，澆注后打開。澆注所需的金屬液由感應爐冶煉后，倒入澆包，送進封閉室，進行澆注，澆注到砂型18內，形成鑄件11。澆注過程如圖2-1所示。澆注的同時打開本實用新型設備中X-射線設備2、UXGA監視器5、X-射線監視器6、成像系統22，通過控制柜1、控制模塊4、控制臺進行實時記錄，也可以在顯示屏上進行觀察。金屬液在直澆道、橫澆道、內澆道的流動狀態、氣體和夾雜物的產生和上浮過程都可以清楚地觀察到。
采用本實用新型可以實現可視化鑄造，舉例如下1)實時觀察和記錄鑄件充型和凝固過程具體工作過程為第一步造砂型，熔煉金屬液。
第二步打開滑動門9，砂型18安放在載物臺20上；關上滑動門9，打開X-射線設備2，調整載物臺20位置，觀察砂型18的型腔，直到型腔進入X-射線設備2的視野為止。關閉X-射線設備2，打開滑動門9。
第二步在澆包支架12上放上一個空坩堝作為澆包，打開滑車13起動鍵，開動滑車13，滑車13帶動澆包向密封室中運行，澆包運行到砂型18上方后，起動吊車14，鋼絲繩拉動澆包翻轉，將澆包出口與砂型18直澆道入口對準；位置確定后，依據這個位置設定行程開關。
第三步將澆包支架12和滑車13復位，取下澆包支架12上空坩堝。
第四步從熔煉爐上取下裝有金屬液的坩堝，將裝有金屬液的坩堝放在澆包支架12上，開動滑車13，滑車13遇到行程開關后，自動停止。
第五步關上滑動門9，開起X-射線設備2，進行實時記錄。開動吊車14，翻轉裝有金屬液的澆包，將金屬液澆入砂型18，逐步完成澆注過程，形成鑄件11。澆注過程中，金屬液的流動過程經接收器19和成像系統22成像，然后在UXGA監視器5、X-射線監視器6的顯示屏上進行實時觀察。同時也記錄下了所有的觀察結果。
2)根據觀察結果，設計新的澆注系統，使鑄件平穩充型，充滿型通過觀察可以發現金屬液能否平穩充滿澆注系統，是否存在湍流現象；記錄金屬液的流動速度，到達不同位置的時間等。據此可以判斷澆注系統的尺寸設計是否合理。如果不合理，可以直接找出設計的不合理之處，以便及時修改。如根據觀察結果和實際件的澆注發現，當金屬液平穩充滿澆注系統，進入砂型18時的速度小于0.5m/s時，鑄件的內在質量最佳。金屬液平穩充型至關重要，它可以避免卷氣缺陷，沖刷型壁帶來的夾雜卷入缺陷，也避免了由于劇烈湍流導致的表層氧化膜卷入金屬液內部形成夾雜和疏松等缺陷。
3)可以對成形后的鑄件缺陷進行無損檢測，精確判斷微小缺陷的三維空間位置和尺寸。
該系統有7個自由度，可以進行平移和旋轉，示意圖見圖3。本實用新型設備具有很高的精度，可以診斷鑄件中很小的缺陷，因此特別適合航空、航天等精密鑄件的無損檢測。由于觀察過程中可以平移和旋轉，因此可以準確判斷缺陷的空間位置和大小。缺陷定位后，可以直接顯示在屏幕上并記錄。
圖4所示，下面以底注精密鑄造高溫合金葉片為例(圖中標號表示25為橫澆道，31為泡沫陶瓷過濾片)澆注金屬液重量10kg，澆注時間5秒，澆注溫度1430℃，殼型溫度950℃。(1)在直澆道27旁邊放置一個側直澆道34，將澆口杯33與直澆道27連接處用陶瓷片32封住，金屬液只能從側直澆道34流入，底注進入葉片型腔；(2)澆口杯33與側直澆道34連接處距離澆口杯33底部50mm，這樣金屬液進入澆口杯33后可以起到很好的穩流作用；(3)殼型采用硅酸乙酯殼，為防止降溫，在殼型外表面纏保溫棉；(4)金屬液澆入后，底注進入葉片，充型非常平穩，無湍流現象，鑄件中沒有發現夾雜、疏松等缺陷，葉片合格率高，質量完好。
比較例圖5所示，本實施例以頂注精密鑄造高溫合金葉片為例用常壓鑄造方法代替真空澆注考察底注和頂注對鑄件充型過程的影響。澆注金屬液重量10kg，澆注時間5秒，澆注溫度1430℃，殼型溫度950℃。
(1)采用傳統工藝，錐形的澆口杯33；(2)應用一個直澆道27、兩個橫澆道25組合，上、下設置的橫澆道25兩側各掛7個葉片37；(3)殼型采用硅酸乙酯殼，為防止降溫，在殼型外表面纏保溫棉；(4)金屬液從頂端澆入后，劇烈湍流，充型不平穩，而且澆注系統處于沒有充滿狀態，鑄件中發現夾雜、疏松等缺陷，葉片廢品率很高。
利用本實用新型進行葉片可視化鑄造實時觀察，發現葉片頂注和底注過程有顯著區別，頂注容易造成金屬液湍流，導致明顯的夾雜和疏松缺陷；而采用本實用新型設備，使用底注平穩充型澆注系統后，在澆注過程中金屬液充型平穩，無卷氣和夾雜缺陷，鑄件質量良好。表明將三維X射線檢測系統設備進行改造后，應用在鑄造實時監測上，為可視化鑄造開了一個先河。
權利要求1.一種可視化鑄造實時觀察系統，包括控制柜(1)、X-射線設備(2)、控制模塊(4)、監視器、控制臺、載物臺(20)、成像系統(22)，所述X-射線設備(2)、載物臺(20)、成像系統(22)均封閉在封閉室內，X-射線設備(2)與載物臺(20)上的物品對應設置，成像系統(22)將接收器(19)接收的信號送至控制模塊(4)，監視器的輸入信號為控制模塊(4)輸出信號，載物臺(20)與控制臺電連接；其特征是加設一澆注裝置于封閉室內。
2.按照權利要求1所述可視化鑄造實時觀察系統，其特征在于所述澆注裝置包括用于放坩堝的澆包支架(12)、滑車(13)、吊車(14)、砂型(18)，澆包支架(12)通過設置于其前端的鋼絲繩與安裝在滑道上的滑車(13)相連，滑車(13)經第一開關(K1)與電機連接，設置于澆包支架(12)底部的鋼絲繩經第二開關(K2)與安裝在滑道上、由電機控制的吊車(14)連接在一起；第三開關(K3)安裝在滑道上；滑車(13)與吊車(14)相連接；砂型(18)安放在載物臺(20)上，砂型(18)位于X-射線(10)路徑上。
3.按照權利要求2所述可視化鑄造實時觀察系統，其特征在于所述電機采用雙向電機，所述吊車(14)采用150～250公斤的吊車。
專利摘要本實用新型一種可視化鑄造實時觀察系統公開一種能監測鑄造動態過程的三維X射線檢測系統設備的改進結構。它包括控制柜、X－射線設備、控制模塊、監視器、控制臺、載物臺、成像系統，所述X－射線設備、載物臺、成像系統均封閉在封閉室內，X－射線設備與載物臺上的物品對應設置，成像系統將接收器接收的信號通過控制模塊處理后送至監視器，控制臺控制載物臺運動；其特征是加設一澆注裝置于封閉室內。本實用新型是在購置的國外三維X射線檢測系統設備的基礎上，進行二次開發而研制成功的監測系統，它可實時觀察鑄件的充型和凝固過程。
文檔編號G01N23/02GK2790638SQ20042012070
公開日2006年6月28日 申請日期2004年12月24日 優先權日2004年12月24日
發明者李殿中, 夏立軍, 康秀紅, 李依依 申請人:中國科學院金屬研究所