专利名称：一种三维x射线监测系统设备的改进结构及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及铸造技术，具体地说是一种三维X射线监测系统设备的改进结构及应用。
背景技术：
中国目前装备制造业的迅速发展，带动了传统产业的快速发展。包括钢铁、铜、铝、锌等黑色和有色金属及合金在内的我国铸件产量从2001年起超过美国成为世界第一，产量达到1600万吨，占全球产量的1/5，厂点多达2万多个，从业人员达120万人。但是在热加工行业，我国不是世界强国。热加工产品“笨重”，加工时间长，有时不能按时交货，甚至企业出现了产值高、利润低或亏损的局面。主要原因是普遍维持使用落后的工艺技术，特别是浇注系统设计一直沿用几十年前的技术，传统的经验型设计导致材料的制备工艺落后，产品的合格率低，工艺出品率(铸件的重量与浇注钢水重量的比值)低，生产原材料消耗高，能耗严重，资源环境压力大。特别是大型铸件集中表现为加工余量大和“三孔一裂”(即气孔、渣孔、缩孔和裂纹)缺陷多。据统计，我国铸件重量比国外平均重10％-20％，加工余量大1-3倍以上。我国铸钢件工艺出品率平均为50％，而工业发达国家可达70％。目前由于原材料价格成倍上涨，产品的工艺出品率和合格率问题特别突出，企业盈亏的关键在于降低成本，而降低成本的关键在于提高产品工艺出品率和合格率。
铸造行业的工艺技术有的已经几十年不变，造成技术落后。一个根本原因是铸造过程看不到，即所说的“睁眼造型，闭眼浇注”，技术人员凭经验和主观想法去设计工艺，因此先进的铸造技术的开发势在必行。
目前，国外有一种三维X射线监测系统设备(如DP435型)，这套设备可用于固态铸件的缺陷检测，精度高，对所有的固态铸件均可以检测。但是，这样的设备我国内仅有一台，在国际上也只有英国、美国和德国等少数几个国家拥有，而且通过这样的设备不能用来检测铸造动态过程。

发明内容
本发明的目的是提供一种能监测铸造动态过程的系统设备，它是在三维X射线监测系统设备的基础上，加以改进的结构，本发明可应用于可视化铸造，进行实时监测。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下
本发明三维X射线设备的改进结构包括控制柜、X-射线设备、控制模块、UXGA监视器、X-射线监视器，控制台、载物台、成像系统，所述X-射线设备、载物台、成像系统均封闭在封闭室内，X-射线设备与载物台上的物品对应设置，成像系统将接收器接收信号通过控制模块处理后送至监视器、控制台控制载物台运动；其特征是加设一浇注装置于封闭室内；所述浇注装置包括用于放坩埚的浇包支架、滑车、吊车、砂型，浇包支架通过设置于其前端的钢丝绳与安装在滑道上的滑车相连，滑车经第一开关与电机连接，设置于浇包支架底部的钢丝绳经第二开关与安装在滑道上、由电机控制的吊车连接在一起；第三开关安装在滑道上；滑车与吊车相连接；砂型位于X-射线路径上；所述电机采用双向电机，所述吊车采用150～250公斤的吊车。
本发明三维X射线监测系统设备的改进结构用于可视化铸造，进行实时监测。
本发明具有如下有益效果1.本发明利用购置的国外三维X射线监测系统设备，进行二次开发，研制了能作为可视化铸造实时监测用的改进的系统设备，采用本发明不但能够观察铸件充型和凝固过程，改进浇注系统设计，使传统的“睁眼造型，闭眼浇注”的铸造过程成为历史，而且能够精确诊断铸件成形后的缺陷位置和尺寸，具有高精度的无损检测功能。使铸件可视化成为可能，为铸造工艺提供了一个创新式技术路线，也是传统工艺的一个质的突破。
2.采用本发明可以减少产品的试制周期，及时发现和消除铸造缺陷，大大提高生产效率。
3.采用本发明可以实现可视化铸造实时监测，即可以实时观察铸件充型和凝固过程，记录金属液流动状态、气体和夹杂物的产生和上浮过程。
4.采用本发明可根据观察结果，设计新的浇注系统，使铸件平稳充型，充满型。
5.采用本发明可以对成形后的铸件缺陷进行无损检测，精确判断微小缺陷的三维空间位置和尺寸。采用可视化技术，增加了设计的合理性，缩短了铸件的生产周期，提高了生产率；采用了自然平稳充型浇注系统，在浇注过程中减少了氧化夹杂和卷气等缺陷，提高了铸件质量。


图1为三维X射线监测系统设备结构示意图；图2-1为本发明浇注装置结构示意图；图2-2为本发明浇注装置中滑车和吊车工作的电路原理图；图3为图1中X-射线设备、载物台、成像系统结构示意图；图4为本发明一个实施例底注叶片蜡模组合示意图；
图5为本发明一个实施例底注叶片浇注过程实时观察结果；图6为本发明一个比较例顶注叶片蜡模组合示意图；图7为本发明一个比较例顶注叶片浇注过程实时观察结果。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例详述本发明。
实施例1为了可视化实时监测，本发明设备以DP435型三维X射线监测系统设备(RadioScopic Inspection System)为基础，主要包括控制柜1、X-射线设备2、控制模块4、UXGA监视器5、X-射线监视器6，总控制台7、双手控制台8、载物台20，成像系统22，(参见图1、2-1、3)，为完全起见，以上所述X-射线设备2、载物台20、成像系统22均封闭在一个由铅板制成带有滑动门9的封闭室内，X-射线设备2与载物台20上的物品对应设置，成像系统22将接收器19接收的信号通过控制模块4处理后送至UXGA监视器5、X-射线监视器6，总控制台7或双手控制台8控制载物台20运动；其特征是加设一浇注装置于封闭室内，所述浇注装置包括用于放浇包的浇包支架12、滑车13、吊车14(本实施例采用250公斤小型吊车)、砂型、钢丝绳，浇包支架12通过设置于其前端的钢丝绳与安装在滑道上的滑车13相连，滑车13经第一开关K1与电机连接，由电机(双向型)控制，用于控制滑车13的前行或后退；滑车13与安装在滑道上的吊车14通过钢丝绳相连，滑车13带动吊车14在滑道上作横向运动；浇包支架12底部的钢丝绳连接在吊车14上，第二开关K2控制吊车电机，使钢丝绳拉动浇包支架做上下运动以控制浇注过程；第三开关K3安装在滑道上，用于滑车13的限位；砂型18安放在载物台20上，浇注完成之后形成铸件11；砂型18位于X-射线10路径上；来自X-射线设备2的X-射线10经砂型18后，由接收器19接收信息，用来观测。
如图2-2所示，第一、二开关K1、K2为双位开关，第一开关K1的接线端a、b分别接至滑车上的滑车前行端A，滑车13后退端B，第二开关K2接线端c、d分别与吊车14上的吊车提升端C，吊车下降端D电连接，第三开关K3为行程开关，其开合由滑车13位置控制。其工作原理当第一开关K1置接线端a位置，滑车13前行；当第一开关K1置接线端b位置时滑车13后退。第二开关K2置接线端c位置，吊车14提起钢丝绳，翻转浇包；第二开关K2置接线端d位置时，吊车14放下钢丝绳，浇包复位。第三开关K3为常闭行程开关，当滑车13撞到第三开关K3时，第三开关K3打开，滑车13自动断电，当滑车13返回时，带动第三开关K3复位，使第三开关K3自动回到常闭状态。
封闭室有双层拉动式滑动门9，工作时进行封闭，浇注后打开。浇注所需的金属液由感应炉冶炼后，倒入浇包，送进封闭室，进行浇注，浇注到砂型18内。浇注过程如图2-1所示。浇注的同时打开本发明设备中X-射线设备2、UXGA监视器5、X-射线监视器6、成像系统22，通过控制柜1、控制模块4、控制台进行实时记录，也可以在显示屏上进行观察。金属液在直浇道、横浇道、内浇道的流动状态、气体和夹杂物的产生和上浮过程都可以清楚地观察到。
采用本发明可以实现可视化铸造，举例如下1)实时观察和记录铸件充型和凝固过程具体工作过程为第一步造砂型，熔炼金属液。
第二步打开滑动门9，将砂型18安放在载物台20上；关上滑动门9，打开X-射线设备2，调整载物台20位置，观察砂型18的型腔，直到型腔进入X-射线设备2的视野为止。关闭X-射线设备2，打开滑动门9。
第二步在浇包支架12上放上一个空坩埚作为浇包，打开滑车13起动键，开动滑车13，滑车13带动浇包向密封室中运行，浇包运行到砂型18上方后，起动吊车14，钢丝绳拉动浇包翻转，将浇包出口与砂型18直浇道入口对准；位置确定后，依据这个位置设定行程开关。
第三步将浇包支架12和滑车13复位，取下浇包支架12上空坩埚。
第四步从熔炼炉上取下装有金属液的坩埚，将装有金属液的坩埚放在浇包支架12上，开动滑车13，滑车13遇到行程开关后，自动停止。
第五步关上滑动门9，开起X-射线设备2，进行实时记录。开动吊车14，翻转装有金属液的浇包，将金属液浇入砂型18，逐步完成浇注过程，形成铸件11。浇注过程中，金属液的流动过程经接收器19和成像系统22成像，然后在UXGA监视器5、X-射线监视器6的显示屏上进行实时观察。同时也记录下了所有的观察结果。
2)根据观察结果，设计新的浇注系统，使铸件平稳充型，充满型通过观察可以发现金属液能否平稳充满浇注系统，是否存在湍流现象；记录金属液的流动速度，到达不同位置的时间等。据此可以判断浇注系统的尺寸设计是否合理。如果不合理，可以直接找出设计的不合理之处，以便及时修改。如根据观察结果和实际件的浇注发现，当金属液平稳充满浇注系统，进入砂型18时的速度小于0.5m/s时，铸件的内在质量最佳。金属液平稳充型至关重要，它可以避免卷气缺陷，冲刷型壁带来的夹杂卷入缺陷，也避免了由于剧烈湍流导致的表层氧化膜卷入金属液内部形成夹杂和疏松等缺陷。
3)可以对成形后的铸件缺陷进行无损检测，精确判断微小缺陷的三维空间位置和尺寸。
该系统有7个自由度，可以进行平移和旋转，示意图见图3。本发明设备具有很高的精度，可以诊断铸件中很小的缺陷，因此特别适合航空、航天等精密铸件的无损检测。由于观察过程中可以平移和旋转，因此可以准确判断缺陷的空间位置和大小。缺陷定位后，可以直接显示在屏幕上并记录。
图4所示，下面以底注精密铸造高温合金叶片为例(图中标号表示25为横浇道，31为泡沫陶瓷过滤片)浇注金属液重量10kg，浇注时间5秒，浇注温度1430℃，壳型温度950℃。(1)在直浇道27旁边放置一个侧直浇道34，将浇口杯33与直浇道27连接处用陶瓷片32封住，金属液只能从侧直浇道34流入，底注进入叶片型腔；(2)浇口杯33与侧直浇道34连接处距离浇口杯33底部50mm，这样金属液进入浇口杯33后可以起到很好的稳流作用；(3)壳型采用硅酸乙酯壳，为防止降温，在壳型外表面缠保温棉；(4)金属液浇入后，底注进入叶片，充型非常平稳，无湍流现象，铸件中没有发现夹杂、疏松等缺陷，叶片合格率高，质量完好。底注充型过程见图5(其中37为叶片，38为直浇道27中的金属液)。
比较例图6所示，本实施例以顶注精密铸造高温合金叶片为例用常压铸造方法代替真空浇注考察底注和顶注对铸件充型过程的影响。浇注金属液重量10kg，浇注时间5秒，浇注温度1430℃，壳型温度950℃。
(1)采用传统工艺，锥形的浇口杯33；(2)应用一个直浇道27、两个横浇道25组合，上、下设置的横浇道25两侧各挂7个叶片37；(3)壳型采用硅酸乙酯壳，为防止降温，在壳型外表面缠保温棉；(4)金属液从顶端浇入后，剧烈湍流，充型不平稳，而且浇注系统处于没有充满状态，铸件中发现夹杂、疏松等缺陷，叶片废品率很高。顶注充型过程见图7。其中29为直浇道中的空隙，38为直浇道中的金属液。
利用本发明进行叶片可视化铸造实时观察，发现叶片顶注和底注过程有显著区别，顶注容易造成金属液湍流，导致明显的夹杂和疏松缺陷；而采用本发明设备，使用底注平稳充型浇注系统后，在浇注过程中金属液充型平稳，无卷气和夹杂缺陷，铸件质量良好。表明将三维X射线监测系统设备进行改造后，应用在铸造实时监测上，为可视化铸造开了一个先河。
权利要求
1.一种三维X射线监测系统设备的改进结构，包括控制柜(1)、X-射线设备(2)、控制模块(4)、监视器、X-射线监视器(6)，总控制台、载物台(20)、成像系统(22)，所述X-射线设备(2)、载物台(20)、成像系统(22)均封闭在封闭室内，X-射线设备(2)与载物台(20)上的物品对应设置，成像系统(22)将接收器(19)接收信号通过控制模块(4)处理后送至监视器，控制台控制载物台(20)运动；其特征是加设一浇注装置于封闭室内。
2.按照权利要求1所述三维X射线监测系统设备的改进结构，其特征在于所述浇注装置包括用于放坩埚的浇包支架(12)、滑车(13)、吊车(14)、砂型(18)，浇包支架(12)通过设置于其前端的钢丝绳与安装在滑道上的滑车(13)相连，滑车(13)经第一开关(K1)与电机连接，设置于浇包支架(12)底部的钢丝绳经第二开关(K2)与安装在滑道上、由电机控制的吊车(14)连接在一起；第三开关(K3)安装在滑道上；滑车(13)与吊车(14)相连接；砂型(18)安放在载物台(20)上，砂型(18)位于X-射线(10)路径上。
3.按照权利要求2所述三维X射线监测系统设备的改进结构，其特征在于所述电机采用双向电机，所述吊车(14)采用150～250公斤的吊车。
4.一种三维X射线监测系统设备的改进结构的应用，其特征在于用于可视化铸造，进行实时监测。
全文摘要
本发明公开一种能监测铸造动态过程的三维X射线监测系统设备的改进结构及应用。它包括控制柜、X－射线设备、控制模块、监视器、控制台、载物台、成像系统，所述X－射线设备、载物台、成像系统均封闭在封闭室内，X－射线设备与载物台上的物品对应设置，成像系统将接收器接收信号通过控制模块处理后送至监视器，控制台控制载物台运动；其特征是加设一浇注装置于封闭室内。本发明是在购置的国外三维X射线监测系统设备的基础上，进行二次开发而研制成功的监测系统，它可实时观察铸件充型和凝固过程。
文档编号G01N23/04GK1631580SQ20041010047
公开日2005年6月29日 申请日期2004年12月24日 优先权日2004年12月24日
发明者李殿中, 夏立军, 康秀红, 李依依 申请人:中国科学院金属研究所