[0001] 本实用新型涉及铸造的技术领域，具体涉及一种大型有色金属薄壁结构件的铸造装置。

[0002] 铝合金枕梁是高速列车转向架机构的关键部件，其通过减振机构直接与车轮行走装置连接。枕梁作为高铁机车的关键零部件，是典型的结构复杂、薄壁的大型铝合金铸件，同时，枕梁又是箱体类铸件，中间有完整的空腔，是空气弹簧附加气室的贮气室，枕梁铸件的外形尺寸3068mm×1315mm×260mm，平均壁厚为15～25mm，铸件净重710kg。工作压力6bar，因此，枕梁又属于打压铸件；枕梁承受着整个车体重力的作用，在车辆运行中，随着车辆的颠簸，受交变载荷的作用，所以枕梁也属于受力铸件。因此，铝合金枕梁铸件的技术要求高，铸件需进行100％X光检测，内部不允许有裂纹、超标气孔及夹杂缺陷，圆形针孔不允许超过4级，长形针孔不允许超过2级，海绵状疏松和分散状疏松均不允许超过2级。尺寸精度为GB/T6414-1999的Ⅱ级，铸件内腔在为6bar压力时保压，5min内压降为0.1bar，最大工作压力为7bar。砂型铸造，铸型一般由外部砂型和内部型芯两部分组成。大型箱体类、薄壁铝合金铸件砂型铸造的主要铸造缺陷就是铸件的针孔度达不到设计要求。

[0003] 现有技术的大型薄壁铝合金铸件的砂型铸造，存在如下缺陷：

[0004] 1)低压铸造难以铸造大铸件，均是小铸件。例如日本尼桑发动机公司的发明专利(JP2008142735A，20080626)以活塞11将射出腔9内的熔体由型腔底部竖直向上充入型腔5，射出腔9的容量是有限的。还有日本新东工业株式会社的发明专利(CN103517776A，20140115)也是以活塞20将注射套筒16的注射腔内的熔体压入横浇道8进而水平填充入型腔6中。以注射腔获得压力填充型腔，适合小铸件，不适合类似铸件净重710kg的铝合金枕梁。即便如CITIC DICASTAL CO LTD中信戴卡股份公司的发明专利(US2019283122A1，
20190919)一种铝合金车轮低压铸造方法，在坩埚顶部通过上升管13经多个分浇道11连通模具型腔，以气压作为动力使得熔体从上升管13进入型腔，虽然可以增大铸件，但仍然存在气体大面积作用于液体的压力迟滞问题。

[0005] 或者低压铸造设备适应小铸件铸造，则无法填充大铸件，大型号的低压铸造设备做小铸件则是浪费，适应性很差。

[0006] 2)低压铸造与晶粒细化不能有机结合，互相等待。因为射出腔或坩埚腔都是坩埚材料，而晶粒细化需要冷却并晶粒物理打碎的过程，而这一过程只能单独安排另一工序来完成。

[0007] 3)需要创新与其他铸造工艺相结合的铸造工艺设备，例如倾转式填充在重力铸造中比较成熟，如何很好地结合使用到低压铸造工艺中，还需要专门的铸造装置。

[0008] 因此，对于大型有色金属薄壁结构件的铸造，如何结合不同铸造工艺的优点，如倾转式填充结合低压铸造，倾转式填充结合重力铸造，如何填充同时结合晶粒细化，如何使得小设备能够适应填充大铸件的能力，成为业界急需解决的棘手问题。实用新型内容

[0009] 针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种大型有色金属薄壁结构件的铸造装置及铸造方法。

[0010] 本发明的目的是这样实现的，一种大型有色金属薄壁结构件的铸造装置，所述铸造装置出液口连通铸造砂箱，铸造砂箱内设有连通的浇注系统及型腔，包括[0011] L形储液筒，L形储液筒顶部可充入第一气压的保护性气体，所述L形储液筒用于将存储的金属熔体以第一气压为动力使得金属熔体填充到型腔中；

[0012] 压力提供筒，压力提供筒与L形储液筒一体连接，压力提供筒顶部可充入第二气压的保护性气体，用于以第二气压通过结晶处理器为型腔保压补缩；

[0013] 结晶处理器，所述结晶处理器入液口连通压力提供筒，出液口连通浇注系统及型腔，结晶处理器设有用于对流经的金属熔体进行微合金化处理的细晶机构；

[0014] 结晶处理器包括结晶上升部，所述结晶上升部的出口竖直向上，或者所述结晶上升部的出口竖直向下。

[0015] 进一步地，L形储液筒包括直筒部和L延伸部，直筒部顶部设有第一气体流路，L延伸部的顶壁与压力提供筒一体连接，压力提供筒通过第一通路通L延伸部，压力提供筒通过第二通路连通结晶处理器。

[0016] 进一步地，结晶处理器包括依序一体连接且连通的，以第一水平轴线为旋转轴的入液转接锥头、以倾斜轴为旋转轴的的结晶处理部、以竖直轴为旋转轴的结晶上升部和以第二水平轴线为旋转轴的出液转接头，第一水平轴线、倾斜轴、竖直轴位于同一主平面Л，第二水平轴线垂直于所述主平面Л，压力提供筒包括与第二通路连通的出液锥口，结晶处理器通过入液转接锥头液密封地插入出液锥口而连通压力提供筒。

[0017] 进一步地，出液转接头可旋转地套设L浇道，L浇道包括依序一体连接的转接套筒部、主浇道部，转接套筒部两侧设有侧法兰，侧法兰端面嵌设封液石棉，转接套筒部套接于出液转接头外周，压紧端盖的筒部抵接出液转接头并与之螺栓固定连接,使得转接套筒部的侧法兰而具有可相对旋转却能够密封金属液体的能力。

[0018] 进一步地，铸造砂箱可倾斜地设置在轨道车上，铸造砂箱的后侧壁下角固定连接与直浇道连通的插接锥，L浇道的主浇道部插入插接锥锥孔并抵接铸造砂箱壁，进而使得结晶处理器连通浇注系统及型腔。

[0019] 进一步地，铸造砂箱具有倾斜对接状态、填充旋转状态和水平保压状态,在倾斜对接状态，轨道车上的铸造砂箱转动到与水平面成浇铸倾角并通过L浇道连通结晶处理器；在填充旋转状态，铸造砂箱抽真空，结晶处理器中的金属液不断从主浇道部流入型腔，在该填充过程中，伴随地使铸造砂箱、插接锥迫使L浇道绕出液转接头转动到铸造砂箱水平；在水平保压状态，压力提供筒提供第二气压而迫使型腔、浇道和主浇道部中的金属熔体处于保压状态，直到浇道的浇口凝固为止。

[0020] 进一步地，所述细晶机构包括超声振动机构和冷却机构，超声振动机构包括第一超声和第二超声，结晶处理部和结晶上升部连接处与倾斜轴同轴地设有第一超声，出液转接头顶部与结晶上升部同轴地设有第二超声；冷却机构包括在金属液流动方向上相继设置的第一冷却机构和第二冷却机构，在结晶处理部外壁周围设有第一冷却机构，在结晶上升部的外壁周围设有第二冷却机构。

[0021] 进一步地，直筒部的高度大于压力提供筒的高度2倍以上。

[0022] 所述大型有色金属薄壁结构件的铸造装置，小设备制造大铸件，低压填充、高压补缩，在填充的同时可对熔体连续微合金化处理。在上述低压铸造/重力铸造结合倾转式填充的复合铸造工艺下,在短时间内使型腔获得较低的真空度(负压),不仅可以使砂型型腔内的空气减少,也使铝合金液的含气量降低,在真空浇注后迅速建压,使铸件在压力下结晶,从而降低铸件的针孔度,消除铸件缩孔、缩松缺陷,获得优质的铝合金枕梁铸件。

[0037] 以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，但不用来限制本发明的范围。

[0038] 实施例一

[0039] 如图1，2所示，一种大型有色金属薄壁结构件的铸造装置，包括L形储液筒10、压力提供筒20、结晶处理器30，L形储液筒10包括直筒部11和L延伸部12，压力提供筒20与L延伸部顶壁一体连接，压力提供筒20底部包括位于L延伸部两侧的第一通路21和第二通路22，压力提供筒20通过第一通路21连通L形储液筒10的L延伸部，压力提供筒20通过第二通路22连通结晶处理器30。直筒部11的高度大于压力提供筒20的高度2倍以上。

[0040] 结晶处理器30包括依序一体连接且连通的，以第一水平轴线d为旋转轴的入液转接锥头33、以倾斜轴a为旋转轴的的结晶处理部31、以竖直轴b为旋转轴的结晶上升部32和以第二水平轴线c为旋转轴的出液转接头34，第一水平轴线d、倾斜轴a、竖直轴b位于同一主平面Л，第二水平轴线c垂直于主平面Л。倾斜轴a与竖直轴b的夹角α在130°～150°。压力提供筒20包括与第二通路22连通的出液锥口23，结晶处理部31通过入液转接锥头33液密封地插入出液锥口23而连通压力提供筒20。

[0041] 结晶上升部32出口竖直向上，用于低压铸造工艺，或者结晶上升部32出口竖直向下，用于重力铸造工艺。

[0042] 出液转接头34可旋转地套设L浇道35，L浇道35包括依序一体连接的转接套筒部36、主浇道部37，转接套筒部36圆周壁设有与出液转接头34连通的入液口36.1。L浇道35一端与铸造砂箱1侧壁的插接锥2插接连接，另一端通过转接套筒部36可旋转地套设在出液转接头34而使得转接浇道38连通结晶处理器与铸造砂箱1的主浇道及型腔。转接套筒部36两侧具有侧法兰，侧法兰端面嵌设封液石棉，转接套筒部36套接于出液转接头34外周，压紧端盖的筒部抵接出液转接头并与之螺栓可调节地固定连接。当压紧端盖可调节地压紧转接套筒部36后，正好使得封液石棉压紧在转接套筒部36的侧法兰而具有可相对旋转却能够密封金属液体的能力。

[0043] 结晶处理器30设有细晶机构，所述细晶机构包括超声振动机构40和冷却机构50。超声振动机构40包括第一超声41和第二超声42，结晶处理部31和结晶上升部32连接处与倾斜轴a同轴地设有第一超声41，出液转接头34顶部与结晶上升部32同轴地设有第二超声42，所述超声振动机构40包括一体顺序连接的超声转换器43、变幅杆44和振动杆45，振动头45同轴地固定在振动杆43端部。冷却机构50包括在金属液流动方向上相继设置的第一冷却机构51和第二冷却机构52。在结晶处理部31外壁周围设有第一冷却机构51，在结晶上升部32的外壁周围设有第二冷却机构52。结晶处理部31外壁罩设有两瓣对合的冷却壳体，冷却壳体内壁形成连续的第一冷却流道51.1；出液转接头34包括入液锥壳部34.1，所述入液锥壳部34.1套设在结晶上升部32外壁，入液锥壳部内壁形成连续的第二冷却流道52.1。所述第一冷却机构51、第二冷却机构52的冷却温度单独控制。

[0044] 结晶处理器30的各部件，结晶处理部31、结晶上升部32、入液转接锥头33、出液转接头34和L浇道35材质均为耐火材料，如陶瓷等。

[0045] 铸造砂箱1可倾斜地设置在轨道车上，铸造砂箱1左右两侧壁通过转轴可旋转地搭接在两侧的可伸缩车架3的支撑轴瓦4中，前侧壁通过搭接轴瓦5可旋转地搭接连接倾斜油缸6，后侧壁下角固定连接与直浇道连通的插接锥2。搭接轴瓦5可旋转地搭接在于倾斜油缸6的活塞的水平转轴上，倾斜油缸6可带动搭接轴瓦5及铸造砂箱1绕出液转接头34旋转一定角度。

[0046] 铸造砂箱1具有倾斜对接状态、填充旋转状态和水平保压状态。在倾斜对接状态，轨道车上的铸造砂箱1通过倾斜油缸4相对于可伸缩车架3的支撑轴瓦4转动到与水平面成浇铸倾角α，浇铸倾角α优选为20°～40°，优选25°左右。对接时，控制轨道车沿轨道移动直到L浇道35的主浇道部37插入插接锥2锥孔并抵接铸造砂箱壁，使得铸造砂箱的主浇道和型腔通过主浇道部37连通结晶处理器30。在填充旋转状态，铸造砂箱1抽真空，结晶处理器30中的金属液不断从转接浇道38经铸造砂箱的浇道流入型腔，在该填充过程中，伴随地使倾斜油缸4的活塞收缩，带动铸造砂箱1、插接锥2迫使L浇道35绕出液转接头34转动到铸造砂箱水平。在水平保压状态，压力提供筒20第一通路21关闭，第二通路22开通，压力室20内通过增加气压而迫使型腔、主浇道和转接浇道38中的金属液处于保压状态，直到浇道的浇口凝固为止。

[0047] 一种使用大型有色金属薄壁结构件的铸造装置的低压铸造方法，包括[0048] 1)倾斜对接，铸造砂箱1以浇铸倾角α倾斜设置在轨道车上，铸造砂箱1随轨道车沿轨道移动，控制轨道车沿轨道移动直到L浇道35的主浇道部37插入插接锥2锥孔并抵接铸造砂箱壁，使得铸造砂箱的主浇道和型腔通过主浇道部37的转接浇道38连通结晶处理器30；

[0049] 更为优选的是，铸造砂箱的型腔最高端连接抽真空装置，使得型腔获得较低的真空度。

[0050] 2)连续微合金化

[0051] 同时启动冷却机构50和超声振动机构40，结晶处理器30的入液转接锥头33处熔体温度控制在液相线温度以上100～120℃，出液转接头34出口温度控制在合金液相线温度以上80～90℃，熔体的剪切速率为10～2000s-1，冷却强度为500～5000W/(m2·k)。

[0052] 所述微细合金化通过超声机构协同冷却机构，第一超声41协同第一冷却机构51，第二超声42协同第二冷却机构52。

[0053] 3)填充的同时伴随旋转

[0054] 压力提供筒20的第一通路21、第二通路22开通，来自第一气体流路8对L形储液筒10的直筒部10.1顶部增加气压，熔体经L浇道35的主浇道部37开始填充至型腔内直到填充结束。当大铸件比如净重710kg的铝合金枕梁填充时，直筒部10.1内的液面水平下降，当水平传感器检测到液面达到下限液面水平，关闭第一通路，来自第二气体流路(9)的气体对压力提供筒20的熔体顶部加压，熔体继续填充，直到压力提供筒20的液面下降到下限液面水平，则熔体向型腔内的填充结束；甚至于，压力提供筒20中熔体用尽，气体将结晶处理器中的液体向上压入型腔而填充。伴随金属液填充型腔的开始直到结束，同时进行如下控制：旋转，铸造砂箱1绕出液转接头34的第二水平轴线c由浇铸倾角α位置开始旋转直到水平位置。

[0055] 由于浇铸倾角α的设置，直浇道正对加强筋位置设置，使得铝合金熔体以层流方式充型。

[0056] L形储液筒(10)的液面水平下降，

[0057] 4)保压直到顺序凝固至浇口

[0058] 压力提供筒20的第一通路21关闭、第二通路22开通，来自第二气体流路9的气体对压力提供筒20的熔体顶部加压，直到大型铝合金薄壁结构件顺序凝固至浇口，保压结束。

[0059] 在步骤1)的同时进行铝合金熔体准备

[0060] 所述铝合金优选材料优选英国标准EN1706中的ENAC-42100T6，相当于国内ZL101A-T6。

[0061] ①熔化：将铝合金铸锭加入感应加热炉内加热熔化，与铝合金铸锭一起加入铝钛硼中间合金，加温熔化同时辅以氮气保护，熔炼速率不小于1000kg/h，为铝合金熔体，每炉约1.5t左右的铝合金溶液，并施加惰性气体保护，保温5-10min，熔体温度控制在液相线温度以上100～140℃，保温并静置5～10min后，去除表面浮渣，倒入精炼炉。

[0062] ②精炼，精炼炉放入一定量的铝硅合金变质剂，其中铝硅合金中加入Cu、Mg，以99.99％的氩气吹从感应加热炉底部吹入铝合金熔体，保温静置10～30min，随后倒入L形储液筒10内，压力提供筒20的第一通路21、第二通路22开通，直到熔体充满至结晶处理器30的顶部，关闭第二通路，继续储入铝合金熔体直到直筒部储满，熔体温度控制在液相线温度以上100～120℃。

[0063] 在上述低压铸造结合倾转式填充的复合铸造工艺下,在短时间内使型腔获得较低的真空度(负压),不仅可以使砂型型腔内的空气减少,也使铝合金液的含气量降低,在真空低压浇注后迅速建压,使铸件在压力下结晶,从而降低铸件的针孔度,消除铸件缩孔、缩松缺陷,获得优质的铝合金枕梁铸件。

[0064] 如图6所示，一种大型有色金属薄壁结构件的铸造装置的重力铸造方法，[0065] 结晶上升部32出口竖直向下,转接套筒部36的压紧端盖设有柱塞阀；

[0066] 1)倾斜对接，铸造砂箱1以与水平面夹角成浇铸倾角α位置倾斜地设置在轨道车上，铸造砂箱1随轨道车沿轨道移动，控制轨道车沿轨道移动直到浇注系统连通结晶处理器30；

[0067] 2)连续微细合金化

[0068] 启动细晶机构，结晶处理器30的入液口处熔体温度控制在有色金属的合金液相线温度以上100～120℃，出液口熔体温度控制在有色金属的合金液相线温度以上80～90℃；

[0069] 3)填充的同时伴随旋转

[0070] 压力提供筒20连通L形储液筒10和结晶处理器30，熔体靠重力流出结晶处理器开始填充至型腔内直到熔体向型腔内的填充结束；伴随金属液填充型腔的开始直到结束，同时进行如下控制：旋转，铸造砂箱1由所述浇铸倾角α位置开始旋转直到水平位置；

[0071] 4)重力保压直到顺序凝固至浇口

[0072] 压力提供筒20与L形储液筒10、结晶处理器30均保持连通，直到大型铝合金薄壁结构件顺序凝固至浇口，重力保压结束；等浇铸系统凝固后，柱塞阀封住转接套筒部36的出液口，移走轨道车及铸造砂箱，等待下一个铸造砂箱的倾斜对接。

[0073] 对于大型铝合金薄壁结构件，为铝合金枕梁铸件，其模具内沿长度方向设有多个间隔叠置的薄状型芯，薄状型芯之间形成狭长腔，狭长腔宽度为加强筋壁厚，薄状型芯采用高溃散性酚尿烷树脂砂造型。薄状型芯长度方向两端设有第一芯头，下表面一体连接有第二芯头，第二芯头插入到到叠置于下边的薄状型芯以形成所述狭长腔。

[0074] 实施例二

[0075] 对结晶处理器30的细晶机构作了改进，其他结构与实施例一相同。

[0076] 如图3-5所示，一种大型有色金属薄壁结构件的铸造装置，除了超声振动机构40和冷却机构50，细晶机构还包括刮壁搅拌60，刮壁搅拌60与倾斜轴a同轴地设置在结晶处理部31和结晶上升部32连接处，刮壁搅拌60包括旋转驱动61、搅拌冷轴62，搅拌冷轴62连接旋转驱动61，搅拌冷轴62外壁设有刮壁螺旋63，搅拌冷轴62内设有冷却通道64。刮壁螺旋63与结晶处理部31内壁间隙配合。

[0077] 超声机构40与第二水平轴线c同轴地设有出液转接头34的外壁。更为优选的是，超声机构40包括第一超声41和第二超声42，第一超声41与第二水平轴线c同轴地设有出液转接头34的外壁，第二超声42与结晶上升部32同轴线地竖直设置在出液转接头34的顶部外壁。

[0078] 本发明的大型有色金属薄壁结构件的铸造装置，通过以下手段解决了“如何结合不同铸造工艺的优点，如倾转式填充结合低压铸造，倾转式填充结合重力铸造，如何填充同时结合晶粒细化，如何使得小设备能够适应填充大铸件的能力”的技术问题，[0079] 1)出液转接头34与L浇道35的可旋转出液设计

[0080] 结晶处理器30的结晶上升部连接以第二水平轴线c为旋转轴的出液转接头34，L浇道35可旋转地配合在出液转接头34上，在浇铸倾角α时，L浇道35的入液口正对出液转接头34的出液口，因二者的入液口和出液口是以第二水平轴线为中心旋转一定角度形成的扇形开口，L浇道35绕出液转接头34转动至水平位置时，L浇道35的入液口仍然有80％的面积正对出液转接头34的出液口，构成可旋转出液设计。当倾斜对接完成后，可实现边填充边旋转的倾转式填充。

[0081] 现有技术的低压铸造填充通常采取型腔在上，金属液从上升管进入浇道而填充型腔，液面水平上升，将型腔中的空气向上赶出，如此很难结合倾转式填充，而本申请的结晶处理器在顶部固定连接以水平轴线为旋转轴的出液转接头34，L浇道35可旋转地套设于出液转接头34，实现旋转不影响熔体流出。

[0082] 2)结晶处理器可调节地设置在坩埚与铸造砂箱之间

[0083] ①结晶处理器，设置在坩埚与铸造砂箱之间，使得填充前对熔体流进行晶粒微细化成为可能，进而使得铸造装置具有控制材料结晶粒度的能力。例如通过冷却机构和超声机构的协同作用，使得等轴晶粒化，则会提高铸件的组织性能。

[0084] ②与L形储液筒、压力提供筒的一体式坩埚的可旋转调节地固定连接，可用于低压铸造或重力铸造

[0085] L形储液筒、压力提供筒为一体式坩埚，用于存储合金熔体，结晶上升部的出口竖直向上，可用于低压铸造工艺。结晶上升部的出口竖直向下，可用于重力铸造工艺。当然，因直筒部高度是压力提供筒的高度的2倍以上，结晶处理器30的顶部液面水平与压力提供筒相同，结晶上升部的出口竖直向上，同样也可用于重力铸造工艺。

[0086] 3)L形储液筒和压力提供筒，大小铸件均适宜

[0087] 对于小铸件，压力提供筒20用于填充保压即可满足，对于稍大的铸件，则第一通路、第二通路均开启，直到直筒部液面下降至下极限水平，关闭第一通路，压力提供筒提供气压动力使得熔体继续填充。铸造装置的总熔体容量为结晶处理器30、压力提供筒20和L形储液筒10的总的体积乘以合金密度得到的熔体重量。对于净重接近该铸造装置的总熔体容量的极限情况，填充直到压力提供筒的压力气体经第二通路进入结晶处理器并迫使结晶处理器的熔体大部分填充入型腔，直到结晶处理器的气液界面距离结晶上升部的出口一保压距离H，则继续保压直到铸件凝固为止。

[0088] 正是由于上述1)-3)的协同设计下，使得所述大型有色金属薄壁结构件的铸造装置解决了上述技术问题，而当使用在上述低压铸造结合倾转式填充的复合铸造工艺时,在短时间内使型腔获得较低的真空度(负压),不仅可以使砂型型腔内的空气减少,也使铝合金液的含气量降低,在真空低压浇注后迅速建压,使铸件在压力下结晶,从而降低铸件的针孔度,消除铸件缩孔、缩松缺陷,易于获得优质的大型薄壁铸件。