CN101602099B - 一种金属零件半固态流变成形的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种金属零件的半固态流变成形装置。其特征是：由浇注系统、熔体冷却系统、冷却板调节机构、浆料保温系统、结构支撑密封系统、多通道温度监测系统、惰性气体保护系统、压铸系统组成。本发明解决了半固态流变成形过程中浆料保存、运输难的问题，实现了半固态流变制浆与成形一体化；设备结构简单、紧促，节省空间，且不用对原有压铸设备进行任何改动；制浆工艺简单，流程短，便于监控，可以有效地进行气体保护，防止氧化，提高熔体质量，并且影响系统热交换的因素减少，有利于系统热平衡的控制，有利于提高温度控制的精度和稳定性；且减少了热损，有利于节能降耗，特别适合于中小企业。应用前景广泛，包括铝合金、镁合金、锡合金半固态制坯及流变压铸。
Description
技术领域
本发明属于金属加工技术领域，特别是一种金属零件半固态流变成形的装置。
背景技术
半固态金属加工方法由于具有优质、高效及近净成形等特点，因而成为最具发展前景的近净成形技术之一。半固态成形方式包括流变成形和触变成形两种，目前应用较成功的是触变成形技术，但是与流变成形相比，触变成形工艺存在以下明显的缺陷：1)触变成形流程较长，因而生产成本高、能耗高、效率低；2)二次加热对设备要求较高；且坯料表面氧化严重；3)二次加热后坯料中固相成分不能太低，否则无法搬运，这对成型复杂零件带来困难；4)触变工艺不仅要求严格控制半固态制浆过程，确保坯料质量良好，还要在二次加热过程中严格控制工艺参数，得到固相分数稳定、组织形貌良好的半固态组织，这使得成型过程中的不确定因素增多，控制成本增加。相比之下，半固态流变成形具有流程更短、节能低耗、废料及时回收、更容易被中小企业所接受等优势，因而成为半固态成形领域颇具发展前景的技术之一。
近年来，世界各国学者对流变成形进行了大量研究，推出了一系列流变成形装置。这些发明可以分为以下几类：1)机械搅拌制浆式流变成形技术，包括最早的机械搅拌制浆的方法和近期发明的单螺旋、双螺旋流变射铸技术，但是在实际生产中，唯有最早的机械搅拌装置得到一定应用，流变射铸技术由于螺杆工况差，消耗大，寿命短等原因还处于设备开发阶段。2)电磁搅拌制浆式流变成形技术，此类装置的最大特点是用电磁力取代机械力作为搅拌的动力，没有搅拌棒与金属液的直接接触，因而对合金的污染减少，但是存在设备复杂，剪切力小等缺点。3)近液相线浇注式流变成形工艺，此法是近年发展的一种新的流变成形技术，其工艺路线是低过热浇注，在对流和激冷的作用下，促进合金熔体形核，并严格的控制温度，提高晶核的存活率，然后使合金液迅速冷却到两相区，获得大量的自由晶粒，这一类方法工艺简单、成本低，但是对温度控制的精度和均匀性要求非常高，因而实际应用困难。4)超声振动制浆式流变成形技术，其原理是利用超声波扰动金属的凝固过程，细化晶粒，从而获得非枝晶金属浆料，此类方法工艺简单，对熔体和环境的污染小，是一种颇有前景的半固态制浆方式，但是由于设备复杂，技术条件不成熟等原因，在实际生产中还没得到应用。5)冷却体法制浆流变技术，此类方法设备简单，流程短，成本低，特别是适合于高温合金的半固态制浆技术，但是在轻合金中存在氧化、吸气严重等问题。
近年，南昌大学杨湘杰等人开发了低转速输送管制浆工艺，达到了良好的的效果，其工艺原理是在液相线附近对合金液施加局部激冷+搅拌混合，形成大量游离晶核，后期通过保温，降低合金液的冷却速率，防止晶粒长大成树枝，从而获得初生相晶粒细小、球形或近球形的半固态组织。其工艺的关键技术是前期在熔体中要获得足够多的自由晶核，后期通过温度控制，防止初生晶核长大。此法具有良好的应用前景，但是由于转动管的存在，使得设备相对复杂。因此，本发明设计出一套简单的制浆设备。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属零件半固态流变成形的装置，将其与现有的压铸设备结合，生产出性能优良的半固态流变压铸件。
本发明的金属零件半固态流变成形的装置的构成是：由浇注系统、熔体冷却系统、冷却板调节机构、浆料保温系统、结构支撑密封系统、多通道温度监测系统、惰性气体保护系统、压铸系统组成；浇注系统由浇杯和置于杯内的石墨柱塞、热电偶构成；熔体冷却系统由多个冷却板、以及冷却板中的冷却水出水口和进水口构成；冷却板调节机构由转动轴承、锥形齿轮组和控制摇柄连接构成；浆料保温系统由保温坩埚和坩埚外的加热线圈、坩埚保护箱构成；结构支撑密封系统由箱体、箱体底部的活动挡板和箱盖构成；多通道温度监测系统由分别置于浇杯、冷却板、坩埚内的热电偶和温度采集及显示仪表构成；惰性气体保护系统为箱体上和箱盖上的进气管和出气管；压铸系统由零件成型模具、压铸机料筒和其内的压铸机锤头构成；熔体冷却机构、浆料保温系统设置在结构支撑密闭系统内，并与箱体外部的温度采集及显示仪表连接，浇注系统设置在箱盖上，浆料的保温系统置于箱体的底部并与压铸系统连接。
结构支撑密闭系统可以是空心的圆柱或方柱结构，材质可以是各种金属。
熔体的冷却系统中的冷却板长度在30mm～200mm，界面形状可以是平板型、S型、U型、V型、波浪形等；材质可以是导热性好的各种金属；板与水平方向的角度在5～80°范围内可调；冷却板的数量在2～15个；板的冷却介质可以是水、油等流动性好、冷却效果好、廉价、无污染的各种介质。
惰性气体保护系统所提供的气体可以是各种不会降低合金熔体质量的、廉价的、无污染的气体。
工作过程如下：
1、合金熔体以一定温度从冷却箱上端流入，在重力的作用下依次通过箱中的冷却系统，在激冷和流体剪切的双重作用下，在熔体内形成大量自由晶核；
2、包含大量自由晶核的熔体，从冷却系统流入箱底的保温容器内，在半固态温度区间内保温一定时间后，即可获得初生相圆整的半固态组织；
3、当温度降到预定温度后，打开箱底的闸板，制备好的半固态浆料流入压铸机料筒，压制成零件。
本发明与现有技术相比具有以下明显优势：
1、解决了半固态流变成形过程中浆料保存、运输难的问题，实现了半固态流变制浆与成形一体化；
2、设备结构简单、紧促，节省空间，且不用对原有压铸设备进行任何改动；
3、制浆工艺简单，流程短，便于监控；特别适合于中小企业；
4、制浆在一个密闭环境内进行，可以有效地进行气体保护，防止氧化，提高熔体质量；
5、制浆在一个密闭的环境内进行，因而影响系统热交换的因素减少，有利于系统热平衡的控制，有利于提高温度控制的精度和稳定性；且减少了热损，有利于节能降耗；
6、应用前景广泛，包括铝合金、镁合金、锡合金半固态制坯及流变压铸。
附图说明
图1为本发明的金属零件半固态流变成形的装置结构示意图。
图2为本发明加上微振装置后的结构示意图。
图中：
浇注系统：1-浇杯、24-石墨柱塞、25-热电偶；
熔体冷却系统：3-倾斜板(冷却板)、6-倾斜板、8-冷却水出水口、9-冷却水进水口、11-倾斜板、12-倾斜板；
冷却板调节机构：5-转动轴承、7-锥形齿轮组、10-控制摇柄；
浆料保温系统：14-保温坩埚、15-坩埚保护箱、20-加热线圈；
结构支撑密封系统：4-箱体、21-活动挡板、22-转动铰链、26-箱盖；
多通道温度监测系统：13-热电偶、25-热电偶、27-点焊式热电偶、28-点焊式热电偶、29-点焊式热电偶、30-点焊式热电偶、31-温度采集及显示仪表；
惰性气体保护系统：16-进气管、23-出气管；压铸系统：17-压铸机锤头、18-模具型腔、19-压铸机料筒。
具体实施方式
如图1所示，本发明为一个具有空间箱式结构的半固态制浆装置。箱体4由具有一定壁厚的金属制成，其形状可以为长方体、立方体或者圆柱体，其上端由箱盖26盖住，箱盖通过铰链22与箱体4连接，并可以实现开启与关闭操作；箱体下端通过活动挡板21的位置实现与压铸机料筒19的进料口的定位，整个箱体置于压铸机料筒上方。箱盖26上靠近箱壁的一侧开有预留通孔，大小与浇杯1的底部外径相当，浇杯1工作时置于箱盖26的这个预留孔内。浇杯1底部开有小孔，柱塞24与该小孔紧密配合。倾斜冷却板3、6、11、12分别置于箱壁上不同方向和高度的地方，使这几块板成空间搭桥型但并不相互接触，倾斜板的具体材质和空间位置关系根据合金液性质及所需冷却效果而定。每块倾斜板均通过置于箱体壁内的滚动轴承5与箱体相连，通过锥形齿轮组7与摇杆10相连，转动摇杆10可以控制倾斜板的倾斜角度。倾斜板中空且有一定厚度，在其中空的内腔置有两根水管，伸入距离较大的为进水管9，只伸入端部的为出水管8，通过控制循环水量来调整倾斜板的冷却能力；在冷却水与外表面之间的壁厚部分内装有点焊式热电偶27、28、29、30，通过温度收集与显示机31来监测合金液在板面上流动时的温度变化情况。保温坩埚14置于活动挡板21上方的坩埚保护箱15内，坩埚中合金液的温度由热电偶13监测。保护气体从箱体4底部的进气管16压入，充满整个箱体后从位于箱盖26上出气口23逸出。
在图2中，每个冷却系统中均增加了微振动装置31、32、33、34，该装置位于倾斜板上不能与合金液接触的部位，微振动装置由微型电机控制(图中未画出)。
该装置的使用方法以及各部件实现的功能如下：
合金精炼处理后浇入可定量的浇杯1中，浇杯中熔体温度由热电偶25监测，待温度达到预定值时，提起柱塞24，熔体在重力作用下从浇杯下端出口流出并依次通过冷却斜板3、6、11、12，通过控制摇柄10使倾斜板的角度固定在某一定值从而控制合金液与板的热交换作用，使得熔体在到达最后一块斜板12末端时，温度控制在合金液相线下10℃以内，温度由镶嵌在板壁内的点式热电偶27、28、29、30监测；熔体流入箱底由感应线圈20加热的保温容器14内，并通过热电偶13测温，严格控制冷却速率，防止自由晶核长大成树枝晶，确保晶核细小，圆整；待保温容器中浆料温度到达预定值后，打开容器底部的闸板21，合金半固态浆料进入压铸机料筒19，在压铸机锤头17的推进下，快速填充模腔，形成结构致密的流变压铸零件；熔体的激冷和保温是在密闭的冷却箱4内进行，箱内通过输气管16、23填充氩气或氮气，进行气体保护，防止熔体氧化；冷却箱上端的盖板26通过铰链22与箱体4连接，关闭时能与箱体紧密闭合，也可以打开，清理多次生产后的箱内的金属屑；
图2为加上微振装置后本发明的结构示意图，与图1相比，该装置在每块冷却板3、6、11、12上都安装了微振动装置31、32、33、34，其使方法与图1相似，不同之处在于，合金熔体将在重力作用下依次通过四块带有微振动装置31、32、33、34的冷却斜板3、6、11、12，通过振动加剧形核与破碎枝晶作用。
图中的冷却斜板3、6、11、12可根据不同的合金熔体及零件需要，对熔体流经长度，温度，角度，板的形状、材质进行调整，更换；由图中以下机构控制：滚轴5、锥形齿轮7、摇把10、进水管9、出水管10、热电偶26、27、28、29以及外围的温度监控设备31。
Claims (4)
1.一种金属零件的半固态流变成形装置，其特征是：由浇注系统、熔体冷却系统、冷却板调节机构、浆料保温系统、结构支撑密封系统、多通道温度监测系统、惰性气体保护系统、压铸系统组成；浇注系统由浇杯和置于杯内的石墨柱塞、热电偶构成；熔体冷却系统由多个冷却板、以及冷却板中的冷却水出水口和进水口构成；冷却板调节机构由转动轴承、锥形齿轮组和控制摇柄连接构成；浆料保温系统由保温坩埚和坩埚外的加热线圈、坩埚保护箱构成；结构支撑密封系统由箱体、箱体底部的活动挡板和箱盖构成；多通道温度监测系统由分别置于浇杯、冷却板、坩埚内的热电偶和温度采集及显示仪表构成；惰性气体保护系统为箱体上和箱盖上的进气管和出气管；压铸系统由零件成型模具、压铸机料筒和其内的压铸机锤头构成；熔体冷却系统、浆料保温系统设置在结构支撑密封系统内，并与箱体外部的温度采集及显示仪表连接，浇注系统设置在箱盖上，浆料的保温系统置于箱体的底部并与压铸系统连接。
2.根据权利要求1所述的金属零件的半固态流变成形装置，其特征是：结构支撑密封系统是空心的圆柱或方柱结构。
3.根据权利要求1所述的金属零件的半固态流变成形装置，其特征是：熔体的冷却系统中的冷却板长度在30mm～200mm，界面形状是平板型、S型、U型、V型、波浪形；板与水平方向的角度在5～80°范围内可调；冷却板的数量在2～15个；板的冷却介质是水、油。
4.根据权利要求1所述的金属零件的半固态流变成形装置，其特征是：在每块冷却板上都安装了微振动装置。
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