Core Technology and Development Trend of Vacuum Precision Casting Furnace

真空精密铸造炉的核心技术和发展趋势

核心技术

1模具加热器

模具加热器虽然不是真空精密铸造炉标配的功能，但其作用却越来越明显。

当立式双室连续型的真空精密铸造炉配备了模具加热器后，就可以有效防止模具从大气电阻炉到浇铸完成这段时间所带来的陶瓷模壳温度降低，这对于金属液体充型是十分有利的；也可以利用模具加热器将陶瓷模壳的加热工作在真空环境下进行，具体选用哪种方式要根据生产节拍与工艺条件来确定。

无疑，当用于生产等轴晶铸件的真空精密铸造炉使用模具加热器后，它更接近于生产定向凝固/单晶铸件的HRS法单晶炉，但相比单晶炉，它不需要激冷结晶环（Chill Ring）与激冷盘（Chill Plate），而且这两种工况下对模具加热器的要求也有所区别：

·首先，真空精密铸造炉的模具加热器对于加热温度一般要求在1200℃以内，在这个温度内足可以保证工艺要求，很多情况下只加热到800~900℃；

·其次，真空精密铸造炉的模具加热器结构较为简单，无需采用双区独立控温的方式，也不需要多点监测加热器内的温度；

·最后，真空精密铸造炉的模具加热器在结构上要易于维护，具有快拆快换的功能等。

对于连续型的真空精密铸造炉，一般倾向选用感应加热的模具加热器，而周期式的由于结构的原因多采用电阻加热的方式。就生产等轴晶的精密铸造炉而言，感应加热在使用成本与维护性上更有优势，但一次性投资比电阻加热要大。

图1 感应加热器的结构示意图

图1是感应加热器的结构示意图，加热器一般为石墨材质，具有使用寿命长、不易损坏等优点。加热器的保温层一般采用石纤维类的保温材料，如果加热温度较低，也可以用陶瓷纤维类的保温材料，这方面主要是成本与真空性能的考量。

另外，当模具加热器采用感应加热方式时，一定要注意模具加热器的感应效应与熔炼感应器之间的干扰问题。虽然难度上不及单晶炉的双区感应加热技术，但也要求设计者对此有充分的考虑，为两个感应器选择合适的频率和距离。

2真空隔离阀

真空隔离阀是指用于隔离连续式真空精密铸造炉熔炼室与模具室的阀门，下文只论述立式炉的阀门结构与特点。一般用于真空精密铸造炉的隔离阀主要有三种型式：1、插板阀；2、转板阀；3、翻板阀。

（1）插板阀

插板阀形式主要出现在早期炉型或小型的真空精密铸造炉，这种形式与传统的真空插板阀并无太大区别，只是在结构上变成了水冷阀板，同时，为了降低成本，还有一些厂家将阀门与模具室做成一体的。

但此类结构有结构复杂、成本高、阀门可靠性低等缺点，现已不再是主流的方式。

（2）转板阀

转板阀是真空精密铸造炉发展过程中出现的一种阀门，其基本原理是圆形水冷阀板通过转动（一般在90°左右）和升降运动实现阀门的开关与密封。

图2 转板阀结构示意图

前西德莱宝-海拉斯公司在此方面应用得较多。莱宝-海拉斯公司擅长使用螺旋槽式转板阀并有相关专利。如图2所示，该转板阀通过螺旋槽将升降与摆转两个动作通过一个液压缸统一完成，机械结构简单可靠，但对加工精度要求高。所以一些国外公司和国内一些厂家退而求其次，使用两种动作复合的方式，将摆转和升降动作分别有一套液压缸（或其他动力方式）驱动。这也不失为一种针对自身加工实力的权衡之法。

沈阳真空技术研究所又在常规水冷转板阀的基础上，开发出大口径高压锁紧式隔离阀，具有双向密封的功能，可用于腔室内充气压力高于大气压（0.2-3MPa）的工况。

（3）翻板阀

翻板阀是真空精密铸造炉发展过程中出现的一种形式。现在国际上主流的立式连续型真空精密铸造炉，均采用这一种形式的阀门。

图3 翻板阀结构示意图

图9是一种翻板阀的结构示意图，它具有大口径成本低、占用空间小、维修方便等诸多优点。

翻板阀置于模具室内部，模具室不必制成带有凸出部分的腔体，来容纳相应的阀门机构，这对于减少模具室容积，进而减少抽空时间是很有帮助的（模具室要求抽空速度快）。

翻板阀的阀板为水冷结构，内部有水道。密封圈置于水冷阀板上，既易于更换，也有利于防止密封圈温度过高而失效。

翻板阀在结构上主要有两种形式，一种是以德国ALD公司为代表的连杆式，即阀板的翻转及平动由三个连杆来约束；另一种是滑槽式结构，以美国Retech公司为代表，滑槽式结构较为简单易于制造，并具有较大的调节余量，但阀板的运动半径比连杆式要大一些。国内厂家采用滑槽式翻板阀结构的情况比较多。

3翻转浇铸机构

翻转浇铸机构是实现精密铸造的核心机构之一。精密铸造过程中往往要求对翻转速度、角度等参数进行控制。传统设备往往采用液压缸驱动翻转，甚至还有人工手动翻转，这些方式控制性差，往往浇铸没有重复性，不利于产品质量的稳定。

而新一代的翻转浇铸机构一般采用伺服电机控制，通过齿轮机构将动力传递给翻转机构实现翻转。同时，由于采用伺服控制，所以可以配合角度传感器（或编码器）和控制系统实现翻转参数控制、曲线浇铸、曲线学习记忆等多种功能。

美国Consarc公司偏爱使用Parker公司的液压执行器作为驱动源。这种液压执行器也是通过液压缸推动齿轮和齿条来实现动力输出的，在伺服控制上也有相应的液压伺服比例控制阀和控制模块。这两种方式在机械原理上没有区别，伺服电机虽然精度更高，但对于此类工况高精度是没有意义的，因为即使采用开环的步进控制，都可以满足对于精密浇铸工艺的控制要求。

各家公司采用不同的方式，更多地是因为设计风格的原因，德系偏好电驱的伺服电机，干净整洁，而美系偏好液压作为动力，力量大且易于集成控制。

对于较大容量的真空精密铸造炉（100kg以上），在翻转浇铸时要尽量保证熔液流量的恒定，这时会出现浇铸过程中浇点变化导致的金属液飞溅和浇铸流量波动大问题。为解决以上问题，发展出两种翻转浇铸机构：

一种是带平移功能的翻转浇铸机构，这种机构在坩埚翻转浇铸过程中可以实现短距离的平移运动来补偿变化的浇点从而实现恒流量浇铸。这种方法同时配合升降的模具和翻转的角度可以达到3个自由度内的灵活调节。

另一种是双旋转中心浇铸，这种翻转浇铸机构上有两个旋转中心，内圈和外圈上的旋转中心是不同心的。浇铸时两个旋转中心以不同速度转动来实现恒流量且浇点不变的功能，此法也可以配合模具升降来进行调节。

图4 洛克希德·马丁公司的专利

这两种方式目前均有应用，后者为洛克希德·马丁公司的专利技术（如图4所示），理论上完全可行，但机构较为复杂，应用较少。

未来发展趋势探讨

真空精密铸造炉发展已超过50年，如今国际上主流厂家已将其独立设为一类设备，同时与定向凝固/单晶炉兼容，形成了系列化的产品，这种思路是值得肯定的。

国内的厂家生产的真空精密铸造炉应该向以下几个方面发展：

1跟进国外先进技术并完成产品标准化、系列化，提高设备可靠性；

2模块化设计，根据用户的不同需求增加或减少配置，但设备主体仅几个标准化的规格；

3提高自动化程度，逐步实现全自动化的真空精密铸造炉，减少人员操作成本，为用户带来效益。

随国内航空发动行业的崛起，生产航发铸件的真空精密铸造炉也会有较大的需求。由于此类设备涉及军工领域，所以国外设备的进口常常因国际局势受阻。这就给了国内主要真空设备生产厂家一个窗口期，如果能在此时发展自身技术水平占领市场，无论从经济效益角度还是国产装备业进步的角度都是十分积极的。

本文节选自《真空精密铸造炉的发展与展望》
本文首发于《真空》杂志2018年第3期
本文作者：宋静思1，曲殿鹏2，陈晋3，马海玲1，应冰1，张哲魁1
作者单位：1.沈阳真空技术研究所有限公司；2.沈阳航发精密铸造有限公司；3.中国国家认证认可监督管理委员会