一种厚大断面机床铸铁件同时凝固的激冷装置的制作方法

本发明涉及机床铸件铸造工艺设计领域，特别是一种厚大断面机床铸铁件同时凝固的激冷装置，采用中空型钢材质实现铸件厚大部位的可控、均匀冷却，最终达成铸件的“同时凝固”，以消除缩孔、缩松缺陷，提高铸件内部质量。本发明适用于局部断面厚度大于100mm以上的机床灰铸铁及球墨铸铁件，用于控制厚大部位的冷却速度，使铸件实现同时凝固。

背景技术：

1、机床铸件是高端装备制造的基础，其内部质量直接关系到机床的精度、刚度和长期稳定性。受机床铸件的结构特殊性限制，铸件普遍结构复杂、壁厚差异悬殊，存在较多厚大断面部位，如大型主轴箱厚壁、立柱厚壁等。

2、传统铸造此类厚大断面铸件时，由于厚大断面金属液热容量极大，凝固过程中存在巨大的温度梯度，普遍采用“顺序凝固”原则，通过设置冒口、外冷铁等引导铸件从远端向冒口方向依次凝固。但该方法存在明显缺点：一是工艺出品率低，大型冒口消耗大量金属液，增加了熔炼成本和后续切割工作量；二是存在热节转移风险，若冷铁设计或安放不当，可能导致热节转移，在非预期位置产生缩松；三是铸造内应力大，显著的凝固顺序导致铸件各部位冷却不均，铸造应力大，易引发变形或开裂；四是无法彻底消除微观缩松，在厚大断面心部，顺序凝固后期补缩通道狭窄，难以完全补缩。

3、“同时凝固”是理想的解决方案，即通过内部激冷装置与外部冷却配合，使铸件整体温度场均匀，几乎同时开始并完成凝固，从根本上消除集中缩孔和宏观缩松。但传统外冷铁仅能提供有限的初始激冷能力，蓄热饱和后冷却效果骤降，且无法控制冷却强度与时机；传统内冷铁存在定位困难、熔合不良、冷却强度不可控等问题，难以实现均匀的内部激冷。

4、公开号cn121715534a的专利提出一种用于厚大铸件的骨架式内冷铁，该方案专为铝合金铸件设计，通过差异化间隙设计引导从内向外的顺序凝固，端部预留大间隙保证补缩通道畅通，完全不适用于铸铁件的同时凝固工艺，无法实现取消或减少冒口的效果；其定位结构依赖型芯上预先加工的定位槽或定位孔，仅能用于带内腔的铸件壁厚区域，无法应用于机床铸件常见的实心厚大断面部位。

5、公开号cn223733810u的专利提出一种可调节的激冷冷铁，作为外冷铁仅能作用于铸件表面，对于厚度100mm以上的厚大断面心部几乎没有冷却效果，无法从根本上解决心部缩孔缩松问题；无法实现同时凝固，仅能强化局部表面冷却，反而会增大铸件表里的温度梯度，加剧铸造应力与变形倾向。

6、公开号cn113441688a的专利提出一种芯撑及使用方法，激冷件的作用是加速芯撑周边铁液凝固，以替代芯撑支撑砂芯，并非针对厚大断面的凝固质量控制；激冷效率极低，激冷件为离散块状，预埋于砂型与砂芯内部，不直接接触铁液，属于间接激冷，冷却作用非常有限，无法对厚大断面心部形成有效激冷；整套装置包含可旋出的芯撑主体、连接件、衬套等多个部件，成本高且操作繁琐，仅适用于带内腔的腔道类铸件，无法应用于实心厚大断面的批量生产。

7、公开号cn119282061a的专利提出一种用于强激冷的异形冷铁结构及快速制备方法，针对异形回转面设计带通气孔的扇形冷铁，仍为表面激冷方案，冷铁围绕砂芯外围布置，仅能作用于铸件内表面，无法深入厚大断面的中心区域，对超厚壁心部缩松的改善效果十分有限；专为异形回转面设计，无法适应机床铸件常见的矩形、框型等厚大断面结构；仍为配合顺序凝固强化表面激冷，并非以均衡整体温度场、实现同时凝固为设计目标。

8、因此，亟需一种作用均匀且安全可靠的型腔内部的新型激冷装置，以实现厚大断面铸件的高品质同时凝固。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种厚大断面机床铸铁件同时凝固的激冷装置，满足铸铁件厚大部位的内部激冷要求，实现同时凝固。通过使用该装置，一方面能够提高工艺出品率、降低生产成本，另一方面能够消除铸铁件厚大部位的缩孔、缩松缺陷，提高铸件内部质量。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种厚大断面机床铸铁件同时凝固的激冷装置，包括至少一个激冷装置本体，激冷装置本体由两根以上中空型钢通过主体联通管焊接连接构成，内部形成连续贯通的中空通道网络；激冷装置本体的外壁焊接固定有两个以上支撑固定芯撑，支撑固定芯撑采用铸造芯撑结构，用于支撑于铸型内壁，使激冷装置本体定位于铸件厚大部位的内部中心区域，保证激冷装置本体外壁与型腔内壁之间形成均匀的冷却壁厚；激冷装置本体的三维尺寸与铸件厚大部位的三维尺寸呈预设余量配比，通过控制冷却壁厚调节激冷强度，使厚大部位与铸件薄壁部位实现同时凝固。

4、所述的厚大断面机床铸铁件同时凝固的激冷装置，中空型钢为q235碳素结构钢40mm×40mm方型钢，激冷装置使用前经喷砂除锈处理，表面洁净无氧化皮。

5、所述的厚大断面机床铸铁件同时凝固的激冷装置，支撑固定芯撑包括第一支撑固定芯撑和第二支撑固定芯撑，其中：第一支撑固定芯撑由四根支撑柱与两块支撑板构成，用于受力较大的支撑区域；第二支撑固定芯撑由两根支撑柱与两块支撑板构成，用于空间受限或受力较小的区域；支撑柱的直径为10mm，支撑板的厚度为2mm，支撑板的沿周边角半径为r15mm。

6、所述的厚大断面机床铸铁件同时凝固的激冷装置，每个激冷装置本体上至少焊接有8个支撑固定芯撑，所有支撑固定芯撑在激冷装置本体的各外壁面上均匀分布。

7、所述的厚大断面机床铸铁件同时凝固的激冷装置，在激冷装置本体端部设有第三支撑固定芯撑，第三支撑固定芯撑由四根支撑柱与两块支撑板构成。

8、所述的厚大断面机床铸铁件同时凝固的激冷装置，铸件厚大部位的三维尺寸为壁厚t×宽度d×长度l，激冷装置本体的宽度为a、高度为h、厚度为b；其中，高度h=l-(120~150)mm，宽度a=t-(50~60)mm，厚度b=d-(120~150)mm。

9、所述的厚大断面机床铸铁件同时凝固的激冷装置，激冷装置应用于树脂砂铸造工艺，在合箱装配时预埋于型腔内的厚大部位处，适用于局部断面厚度大于100mm的灰铸铁或球墨铸铁机床铸件。

10、本发明的设计思想是：

11、现有技术中厚大断面机床铸铁件的外冷铁激冷深度不足，无法解决心部缩松，传统内冷铁定位困难、冷却强度不可控、易产生熔合缺陷，顺序凝固工艺出品率低、铸造应力大、变形严重。本发明采用中空型钢焊接构成激冷装置本体，利用型钢自身的中空结构形成连续通道网络，既保证足够的蓄热与导热能力，又可通过焊接灵活适应不同形状的厚大部位；将传统铸造芯撑结构直接集成焊接在激冷装置本体外壁，作为支撑固定芯撑，无需依赖型芯定位结构，即可使激冷装置定位于厚大部位的中心区域，保证装置四周的冷却壁厚均匀一致，为均匀冷却提供结构基础；通过激冷装置本体与厚大部位三维尺寸的匹配，控制不同方向的冷却强度，使厚大断面心部的冷却速度与铸件薄壁部位的冷却速度趋于同步，最终实现铸件整体的同时凝固。

12、与现有技术相比，本发明的优点及有益效果是：

13、1、实现高质量同时凝固：从根本上消除厚大断面中心的宏观缩孔、缩松缺陷，显著提高铸件本体的致密度和力学性能均匀性，经实际生产验证，厚大部位剖切检验无缩松缩孔，铸件整体变形量可控制在极小范围内，满足高精度机床的制造要求。

14、2、提高工艺出品率：可大幅减少甚至取消传统大型冒口，节约金属液20%~40%，有效降低熔炼能耗与后续冒口切割的清理成本。

15、3、减小铸造应力：均匀的冷却过程大幅降低了铸件各部位的温度差，从而减少残余应力与变形倾向，提升铸件尺寸稳定性。

16、4、装置布置灵活，制作成本低：激冷单元可根据厚大部位的形状灵活焊接成型，采用型材焊接制作，加工工艺简单，铸造厂能够自产自用，无需复杂的专用设备，可根据铸件厚大部位的形状灵活焊接为框型、井字型、王字型等多种结构，适应不同结构的机床铸件。