本发明涉及低压铸造领域，具体涉及一种用于大型铝、镁合金铸件的真空低压铸造装置及铸造方法。
背景技术：
常用的生产大型铝合金、镁合金等铸件的工艺方法主要有砂型铸造、压力铸造、低压铸造等。低压铸造是使液体金属在较低压力作用下将金属液压入铸型充填型腔，以形成铸件的一种方法。由于金属液自下而上，平稳上升，充型时不会产生飞溅，气氛、压力可调，因此特别适用于铝、镁等合金。
在现有的低压铸造工艺生产过程中，由于金属液体充型时，模具型腔内气体无法完全排除，导致部分气体残留于铸件中形成气孔，同时造成了金属液体氧化、夹渣的问题。目前对低压铸造工艺的改进方法均是在模具外部加设密封罩，然后对其抽真空，进行排气处理。
但是，这样的改进不合适用于生产大型铸件。由于大型铸件的体积太大，要进行生产就需要比它更大的模具、大型吊装设备和干燥设备等。如采用上述改进方法，在模具外部加设密封罩，则会导致设备复杂，不仅安装起来工艺步骤繁琐、不便于维护，且存在密封性不良的问题，难以保障铸件的质量，也不利于生产成本的控制。
技术实现要素：
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决大型铸件的真空低压铸造过程中，在模具外加设密封罩导致设备复杂且无法保证大型铸件质量、无法控制铸造成本的问题，提供一种用于大型铝、镁合金铸件的真空低压铸造装置，该装置设置简单、易于实施，能够满足大型铸件的真空低压铸造要求，且成本较低。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种用于大型铝、镁合金铸件的真空低压铸造装置，包括模具系统和铸造系统；所述模具系统包括上模和下模，在上模和下模的分型面上设有至少一个排气块，该上模和下模之间形成型腔；所述铸造系统包括保温炉，在保温炉的炉膛内设有坩埚，在坩埚内设有一升液管，所述升液管的上端具有一浇口，所述浇口与型腔连通；该升液管的下端穿过下模后延伸至靠近坩埚底部；在保温炉的上部还设有一充气管，该充气管的一端与气泵相连通，另一端穿过保温炉和坩埚后延伸至坩埚内；
还包括真空系统，所述真空系统包括真空泵、负压罐、真空管道，所述真空泵与负压罐相连，所述真空管道的一端与负压罐相连，另一端延伸至排气块处并与排气块密封连接，通过真空泵能够对型腔抽真空；
还包括控制系统，所述控制系统分别与模具系统、铸造系统和真空系统相连，用于控制模具系统、真空系统及铸造系统的工作。
通过设置真空系统，所述真空系统包括真空泵、负压罐和真空管道，所述真空泵与负压罐相连，所述真空管道的一端与负压罐相连，另一端延伸至排气块处并与排气块密封连接，通过真空泵能够对型腔抽真空。这样，无需在模具外侧加设用于抽真空的密封罩，而是在现有的模具的基础上，在模具上设置真空通道，并且真空通道与排气块密封连接，可开设一个或多个抽真空通道，抽真空通道数量、位置、大小灵活可调，通过真空泵和真空管道完成对模具型腔内的真空度的调节。该装置设置简单，易于实施，节约了加设密封罩的成本，并且实现了对模具抽真空，能够获得品质良好的铸件。
通过设置控制系统，所述控制系统分别与模具系统、铸造系统和真空系统相连，用于控制模具系统、真空系统及铸造系统的工作，这样，能够实现对模具系统、铸造系统和真空系统的自动控制，使得该装置自动化程度高，确保每个铸件的参数一致，工艺稳定性高，产品质量一致性好。
进一步，在真空管道上连接有真空计、流量控制阀和真空阀，便于控制型腔内抽真空的进程和读取型腔内的真空度。
进一步，在上模或者下模上对应所述排气块的位置开有通孔，该通孔延伸至排气块处并与排气块密封连接；所述真空管道插入到该通孔内，并与通孔密封连接，这样，便于设置真空管道，使整个装置整洁。
进一步，所述通孔与排气块之间、所述真空管道与通孔之间分别通过密封条密封连接，这样，易于对型腔抽真空并保持真空度。
进一步，所述控制系统用于控制上模和下模的开合、保温炉的加热、气泵和真空泵的工作，这样，便于实现铝、镁合金铸件的真空低压铸造的智能化，使得产品一致性好。
本发明还提供一种大型铸件的真空低压铸造方法，采用所述的用于大型铝、镁合金铸件的真空低压铸造装置，包括如下步骤：
s1、通过控制系统控制上模和下模合模，并控制真空泵、流量控制阀及真空阀打开，对型腔抽真空，使型腔内的真空度为0.005~0.03mpa；这样，在合模后充型前对模具进行了预抽真空，能够排出型腔中的大部分气体，降低金属液体卷携气体并被截留在铸件内部的风险。
s2、保持s1中的真空度，控制气泵工作对坩埚内加压，使坩埚内的气压达到第一设定值，将金属液体填充到型腔内，直至完成型腔填充；这样，在充型时同步抽真空，更进一步地排出了型腔内的气体，进一步降低金属液体卷携气体并被截留在铸件内部的风险。
s3、完成型腔填充后，通过控制系统关闭真空泵、流量控制阀及真空阀，继续控制气泵工作对坩埚内加压，使坩埚内的气压达到第二设定值，使金属液体在该气压下凝固成型。这样，在停止抽真空后，对坩埚内继续增压，使金属液体在较大压力下凝固成型，使得铸件因凝固而造成的缩松缩孔得到有效的补缩，铸件内部组织致密，表面光洁度高。
s4、控制系统关闭气泵，卸除坩埚内的气压，升液管内的金属液体回流至所述坩埚内，待铸件冷却后，取出铸件；
s5、重复步骤s1-s4，进行下一铸件加工。
通过本发明提供的铸造方法，由于在合模后充型前对模具进行了预抽真空，排出了型腔中的大部分气体，并在充型时同步抽真空，更进一步地排出了型腔内的气体，减小了金属液体卷携气体并被截留在铸件内部的风险，有利于大型、薄壁、复杂结构件的流动充型，特别有利于消除多浇口充型带来的氧化、夹杂等充型缺陷，产品质量高。该方法操作简单，生产效率高，有利于大型铸件的成本控制。
本发明提供的方法中，在上模和下模合模后金属液体充型前，打开抽真空泵和真空通道，对模具型腔进行预抽真空；然后向坩埚内通入压缩空气将金属液体压入模具型腔，该过程保持抽真空通道为打开状态；充型结束后，关闭抽真空通道；金属液体在压力下凝固成型，铸件凝固后卸除气压，未凝固的金属液体流回至坩埚内；待铸件冷却后开模取件，并进入下一个工作循环。
由于直接在模具上设置通孔，所述真空管道插入到该通孔内，通孔与排气块、真空管道与通孔之间分别密封连接，使通孔与真空管道之间形成抽真空通道。该真空通道位置和数量灵活可调，抽真空效果好，可实现模具型腔的高真空度。抽真空过程与铸造过程可实现集成控制，工艺稳定性高，产品质量一致性好；由于模具型腔预抽真空，以及充型过程同时抽真空，有利于大型、薄壁、复杂结构件的流动充型，特别有利于消除多浇口充型带来的氧化、夹杂等充型缺陷，产品质量高；该方法和装置结构简单，安装、维护方便，生产效率高，有利于成本控制。
其中，所述坩埚内的第一设定值为0.06-0.08mpa，所述第二设定值为0.12-0.15mpa。这样，能够满足铸件的铸造要求，获得品质良好的铸件。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、通过设置真空系统，所述真空系统包括真空泵、负压罐和真空管道，所述真空泵与负压罐相连，所述真空管道的一端与负压罐相连，另一端延伸至排气块处并与排气块密封连接，通过真空泵能够对型腔抽真空。这样，无需在模具外侧加设用于抽真空的密封罩，而是在现有的模具的基础上，在排气块上设置真空通道，并且真空通道与排气块密封连接，可开设一个或多个抽真空通道，抽真空通道数量、位置、大小灵活可调，通过真空泵和真空管道完成对模具型腔内的真空度的调节。该装置设置简单，易于实施，节约了加设密封罩的成本，并且实现了对模具抽真空，能够获得品质良好的铸件。
2、通过设置控制系统，所述控制系统分别与模具系统、铸造系统和真空系统相连，用于控制模具系统、真空系统及铸造系统的工作，这样，能够实现对模具系统、铸造系统和真空系统的自动控制，使得该装置自动化程度高，确保每个铸件的参数一致，工艺稳定性高，产品质量一致性好。
附图说明
图1为本发明一种用于大型铝、镁合金铸件的真空低压铸造装置的示意图（控制系统未示出）。
图2为图1中a处放大图。
图3为本发明一种大型铸件的真空低压铸造方法的流程图。
图4为实施例1制备的a356铝合金大型铸件的金相显微镜图。
图5为现有的低压铸造方法制备的a356铝合金大型铸件的宏观形貌图。
图6为实施例3制备的a356铝合金大型铸件的金相显微镜图。
图中，上模1、下模2、排气块3、保温炉4、坩埚5、升液管6、浇口7、充气管8、气泵9、真空泵10、负压罐11、真空管道12、真空计13、流量控制阀14、真空阀15、铸件16。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
参见图1和图2，一种用于大型铝、镁合金铸件的真空低压铸造装置，包括模具系统和铸造系统。所述模具系统包括上模1和下模2。在上模1和下模2的分型面上设有至少一个排气块3。该上模1和下模2之间形成型腔。所述铸造系统包括保温炉4，在保温炉4的炉膛内设有坩埚5。在坩埚5内设有一升液管6，所述升液管6的上端具有一浇口7，所述浇口7与型腔连通。该升液管6的下端穿过下模2后延伸至靠近坩埚5底部。在保温炉4的上部还设有一充气管8，该充气管8的一端与气泵9相连通，另一端穿过保温炉4和坩埚5后延伸至坩埚5内。
还包括真空系统，所述真空系统包括真空泵10、负压罐11、真空管道12，所述真空泵10与负压罐11相连，所述真空管道12的一端与负压罐11相连，另一端延伸至排气块3处并与排气块3密封连接，通过真空泵10能够对型腔抽真空。具体实施时，根据铸件16的形状和复杂程度可设置一个或者多个排气块3，在上模1或者下模2上对应所述排气块3的位置开有通孔，该通孔延伸至排气块3处并与排气块3密封连接。所述真空管道12插入到该通孔内，并与通孔密封连接，这样，便于设置真空管道12，使得真空管道12的设置灵活，并且能够保持整个装置整洁。所述通孔与排气块3之间、所述真空管道12与通孔之间分别通过密封条密封连接，这样，易于对型腔抽真空并保持真空度。在真空管道12上连接有真空计13、流量控制阀14和真空阀15，便于控制型腔内抽真空的进程和读取型腔内的真空度。
还包括控制系统，所述控制系统分别与模具系统、铸造系统和真空系统相连，用于控制模具系统、真空系统及铸造系统的工作。所述控制系统具体用于控制上模1和下模2的开合、保温炉4的加热、气泵9和真空泵10的工作，便于实现铝、镁合金铸件16的真空低压铸造的智能化，使得产品一致性好。
参见图3，采用上述用于大型铝、镁合金铸件16的真空低压铸造装置进行真空低压铸造方法，包括如下步骤：
s1、通过控制系统控制上模1和下模2合模，并控制真空泵10、流量控制阀14及真空阀15打开，对型腔抽真空，使型腔内的真空度为0.005~0.03mpa；这样，在合模后充型前对模具进行了预抽真空，能够排出型腔中的大部分气体，降低金属液体卷携气体并被截留在铸件16内部的风险。
s2、保持型腔内的真空度，控制气泵9工作对坩埚5内加压，使坩埚5内的气压达到第一设定值，将金属液体填充到型腔内，直至完成型腔填充。具体实施时，所述坩埚5内的第一设定值为0.06-0.08mpa。这样，在充型时同步抽真空，更进一步地排出了型腔内的气体，进一步降低金属液体卷携气体并被截留在铸件16内部的风险。
s3、完成型腔填充后，通过控制系统关闭真空泵10、流量控制阀14及真空阀15，继续控制气泵9工作对坩埚5内加压，使坩埚5内的气压达到第二设定值，使金属液体在该气压下凝固成型。具体实施时，所述第二设定值为0.12-0.15mpa。这样，在停止抽真空后，对坩埚5内继续增压，使金属液体在较大压力下凝固成型，使得铸件16因凝固而造成的缩松缩孔得到有效的补缩，铸件16内部组织致密，表面光洁度高。
s4、控制系统关闭气泵9，卸除坩埚5内的气压，升液管6内的金属液体回流至所述坩埚5内，待铸件16冷却后，取出铸件16；
s5、重复步骤s1-s4，进行下一铸件16加工。
实施例1
某a356铝合金大型铸件产品真空低压铸造。排气块和真空通道分别设置2个。
具体步骤如下：
s1、通过控制系统控制上模和下模合模，并控制真空泵、流量控制阀及真空阀打开，对型腔抽真空，使型腔内的真空度为0.02mpa。（本实施例中的真空度以绝对压力表示，下同。）
s2、保持s1中的真空度，控制气泵工作对坩埚内加压，使坩埚内的气压达到0.06mpa。模具预热至170-180℃，将熔炼至680℃的金属液体填充到型腔内，直至完成型腔填充；
s3、完成型腔填充后，通过控制系统关闭真空泵、流量控制阀及真空阀，继续控制气泵工作对坩埚内加压，使坩埚内的气压增加至0.12mpa，并保持此压力140s，使金属液体在该气压下凝固成型；
s4、控制系统关闭气泵，卸除坩埚内的气压，升液管内的金属液体回流至所述坩埚内，待铸件冷却后，取出铸件；
s5、重复步骤s1-s4，进行下一铸件加工。本实施例制备的铸件的组织如图4所示,图中箭头指向为气孔（下同）。
对比例1
采用常规低压铸造方法制备a356铝合金大型铸件。具体方法为控制上下模合模，模具预热至170-180℃，控制气泵工作对坩埚内加压，使坩埚内得气压达到0.06mpa，将熔炼至680℃的金属液体填充到型腔内，直至完成型腔填充。继续控制气泵工作对坩埚内加压，使坩埚内的气压增加至0.12mpa，并保持此压力140s，使金属液体在该气压下凝固成型。采用低压铸造方法制备的a356铝合金大型铸件的组织如图5所示，从图5中可知，对比例1制备的铸件肉眼看到明显的气孔，并且气孔多且孔径较大。
通过对比图4和5可知，本发明提供的制备方法制备的铸件的致密度高，且在本实施例制备的铸件内气孔更少，铸件质量高。
实施例2
某a356铝合金大型铸件产品真空低压铸造，排气块和真空通道分别设置4个。
具体步骤如下：
s1、通过控制系统控制上模和下模合模，并控制真空泵、流量控制阀及真空阀打开，对型腔抽真空，使型腔内的真空度为0.02mpa；
s2、保持s1中的真空度，控制气泵工作对坩埚内加压，使坩埚内的气压达到0.06mpa。模具预热至170-180℃，将熔炼至680℃的金属液体填充到型腔内，直至完成型腔填充；
s3、完成型腔填充后，通过控制系统关闭真空泵、流量控制阀及真空阀，继续控制气泵工作对坩埚内加压，使坩埚内的气压增加至0.12mpa，并保持此压力140s，使金属液体在该气压下凝固成型；
s4、控制系统关闭气泵，卸除坩埚内的气压，升液管内的金属液体回流至所述坩埚内，待铸件冷却后，取出铸件；
s5、重复步骤s1-s4，进行下一铸件加工。
实施例3
某a356铝合金大型铸件产品真空低压铸造，排气通道设置2个。
具体步骤如下：
s1、通过控制系统控制上模和下模合模，并控制真空泵、流量控制阀及真空阀打开，对型腔抽真空，使型腔内的真空度为0.01mpa；
s2、保持s1中的真空度，控制气泵工作对坩埚内加压，使坩埚内的气压达到0.06mpa。模具预热至170-180℃，将熔炼至680℃的金属液体填充到型腔内，直至完成型腔填充；
s3、完成型腔填充后，通过控制系统关闭真空泵、流量控制阀及真空阀，继续控制气泵工作对坩埚内加压，使坩埚内的气压增加至0.12mpa，并保持此压力140s，使金属液体在该气压下凝固成型；
s4、控制系统关闭气泵，卸除坩埚内的气压，升液管内的金属液体回流至所述坩埚内，待铸件冷却后，取出铸件；
s5、重复步骤s1-s4，进行下一铸件加工。本实施例制备的铸件的组织如图6所示。通过对比图4和图6可知，随着真空度的提高，获得的铸件的组织更加致密、气孔更少，气孔的尺寸更小。
实施例4
某az91d镁合金大型铸件产品真空低压铸造，排气通道设置2个。
具体步骤如下：
s1、通过控制系统控制上模和下模合模，并控制真空泵、流量控制阀及真空阀打开，对型腔抽真空，使型腔内的真空度为0.01mpa；
s2、保持s1中的真空度，控制气泵工作对坩埚内加压，使坩埚内的气压达到0.08mpa。模具预热至170-180℃，将熔炼至680℃的金属液体填充到型腔内，直至完成型腔填充；
s3、完成型腔填充后，通过控制系统关闭真空泵、流量控制阀及真空阀，继续控制气泵工作对坩埚内加压，使坩埚内的气压增加至0.15mpa，并保持此压力150s，使金属液体在该气压下凝固成型；
s4、控制系统关闭气泵，卸除坩埚内的气压，升液管内的金属液体回流至所述坩埚内，待铸件冷却后，取出铸件；
s5、重复步骤s1-s4，进行下一铸件加工。
实施例5
某az91d镁合金大型铸件产品真空低压铸造，排气通道设置4个。
具体步骤如下：
s1、通过控制系统控制上模和下模合模，并控制真空泵、流量控制阀及真空阀打开，对型腔抽真空，使型腔内的真空度为0.01mpa；
s2、保持s1中的真空度，控制气泵工作对坩埚内加压，使坩埚内的气压达到0.08mpa。模具预热至170-180℃，将熔炼至680℃的金属液体填充到型腔内，直至完成型腔填充；
s3、完成型腔填充后，通过控制系统关闭真空泵、流量控制阀及真空阀，继续控制气泵工作对坩埚内加压，使坩埚内的气压增加至0.15mpa，并保持此压力150s，使金属液体在该气压下凝固成型；
s4、控制系统关闭气泵，卸除坩埚内的气压，升液管内的金属液体回流至所述坩埚内，待铸件冷却后，取出铸件；
s5、重复步骤s1-s4，进行下一铸件加工。
实施例6
某az91d镁合金大型铸件真空低压铸造，排气通道设置2个。
具体步骤如下：
s1、通过控制系统控制上模和下模合模，并控制真空泵、流量控制阀及真空阀打开，对型腔抽真空，使型腔内的真空度为0.02mpa；
s2、保持s1中的真空度，控制气泵工作对坩埚内加压，使坩埚内的气压达到0.08mpa。模具预热至170-180℃，将熔炼至680℃的金属液体填充到型腔内，直至完成型腔填充；
s3、完成型腔填充后，通过控制系统关闭真空泵、流量控制阀及真空阀，继续控制气泵工作对坩埚内加压，使坩埚内的气压增加至0.15mpa，并保持此压力150s，使金属液体在该气压下凝固成型；
s4、控制系统关闭气泵，卸除坩埚内的气压，升液管内的金属液体回流至所述坩埚内，待铸件冷却后，取出铸件；
s5、重复步骤s1-s4，进行下一铸件加工。
通过本发明提供的铸造装置，由于直接在模具上设置抽真空通道密封结构，抽真空通道位置和数量灵活可调，抽真空效果好，可实现模具型腔的高真空度；抽真空过程与铸造过程可实现集成控制，工艺稳定性高，产品质量一致性好。该装置结构简单，安装、维护方便，生产效率高，有利于成本控制。
本发明提供的铸造方法，由于在合模后充型前对模具进行了预抽真空，排出了型腔中的大部分气体，并在充型时同步抽真空，更进一步地排出了型腔内的气体，减小了金属液体卷携气体并被截留在铸件内部的风险，有利于大型、薄壁、复杂结构件的流动充型，特别有利于消除多浇口充型带来的氧化、夹杂等充型缺陷，产品质量高。该方法操作简单，生产效率高，有利于大型铸件的成本控制。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
1.一种用于大型铝、镁合金铸件的真空低压铸造装置，包括模具系统和铸造系统；所述模具系统包括上模和下模，在上模和下模的分型面上设有至少一个排气块，该上模和下模之间形成型腔；所述铸造系统包括保温炉，在保温炉的炉膛内设有坩埚，在坩埚内设有一升液管，所述升液管的上端具有一浇口，所述浇口与型腔连通；该升液管的下端穿过下模后延伸至靠近坩埚底部；在保温炉的上部还设有一充气管，该充气管的一端与气泵相连通，另一端穿过保温炉和坩埚后延伸至坩埚内；其特征在于，
还包括真空系统，所述真空系统包括真空泵、负压罐、真空管道，所述真空泵与负压罐相连，所述真空管道的一端与负压罐相连，另一端延伸至排气块处并与排气块密封连接，通过真空泵能够对型腔抽真空；
还包括控制系统，所述控制系统分别与模具系统、铸造系统和真空系统相连，用于控制模具系统、真空系统及铸造系统的工作。
2.根据权利要求1所述的用于大型铝、镁合金铸件的真空低压铸造装置，其特征在于，在真空管道上连接有真空计、流量控制阀和真空阀。
3.根据权利要求1所述的用于大型铝、镁合金铸件的真空低压铸造装置，其特征在于，在上模或者下模上开有通孔，该通孔延伸至排气块处并与排气块密封连接；所述真空管道插入到该通孔内，并与通孔密封连接。
4.根据权利要求3所述的用于大型铝、镁合金铸件的真空低压铸造装置，其特征在于，所述通孔与排气块之间、所述真空管道与通孔之间分别通过密封条密封连接。
5.根据权利要求1所述的用于大型铝、镁合金铸件的真空低压铸造装置，其特征在于，所述控制系统用于控制上模和下模的开合、保温炉的加热、气泵和真空泵的工作。
6.一种用于大型铝、镁合金铸件的真空低压铸造方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的用于大型铝、镁合金铸件的真空低压铸造装置，包括如下步骤：
s1、通过铸造系统控制上模和下模合模，并控制真空泵、流量控制阀及真空阀打开，对型腔抽真空，使型腔内的真空度为0.005~0.03mpa；
s2、保持s1中的真空度，控制气泵工作对坩埚内加压，使坩埚内的气压达到第一设定值，将金属液体填充到型腔内，直至完成型腔填充；
s3、完成型腔填充后，通过控制系统关闭真空泵、流量控制阀，继续控制气泵工作对坩埚内加压，使坩埚内的气压达到第二设定值，使金属液体在该气压下凝固成型；
s4、控制系统关闭气泵，卸除坩埚内的气压，升液管内的金属液体回流至所述坩埚内，待铸件冷却后，取出铸件；
s5、重复步骤s1-s4，进行下一铸件加工。
7.根据权利要求6所述的大型铸件的真空低压铸造方法，其特征在于，所述坩埚内的第一设定值为0.06-0.08mpa，所述第二设定值为0.12-0.15mpa。
技术总结