CN101690941B - 一种多用途液态金属的双辊连续流变成形装置 - Google Patents

Abstract

一种多用途液态金属的双辊连续流变成形装置，主要用于板、带、管、型、线、复合材及包覆材的双辊连续流变成形。本装置由电机、半联轴器、减速机、齿轮箱、主机、冷却水箱、卷取机构成。其中主机由机架、上工作辊、下工作辊、进料靴、挤压靴、挤压靴型腔内的模具以及主机上、下工作辊轴头的转速传感器构成。上工作辊的环形凹槽与下工作辊环形凸台相互配合。主机进料端安装进料靴，与上工作辊环形凹槽形成进料型腔。金属料通过进料型腔进入两工作辊辊缝。生产管、型、线及包覆材时主机出料端安装挤压靴，其型腔内可以安装挤压成形模具。本装置既能实现液态金属的快速连续流变成形，又能用于半固态金属料的直接成形。

Description

一种多用途液态金属的双辊连续流变成形装置

技术领域

本发明涉及一种用于加工板材、带材、型材、线材、管材、复合材以及包覆材的多用途液态金属的双辊连续流变成形装置，属于金属材料成形技术领域。

背景技术

金属成形在国民经济发展中处于重要的基础地位，其发展程度在一定意义上决定着社会生产的发展水平。目前金属成形主要采用传统的工艺方法，包括金属熔炼→铸造→加热→塑性成形(锻造、挤压、轧制、拉拔等)等多个工艺环节，由于各个工艺环节是独立分开的，因此工艺路线长，产品成材率低，能耗高，污染大。因此，金属材料成形存在高投入、高污染、高能耗、低效益等问题。

为解决环境污染、资源能源短缺等问题，金属成形正朝着节能、环保、节材的方向发展。液态金属短流程连续成形技术具有工艺流程短、高效、节能、节材、产品组织性能好等优点，受到国际上高度重视。其中两种典型的液态金属连续成形技术是连续铸轧和连续铸挤。

连续铸轧技术可直接从液态金属连续生产出板材、带材产品。目前铝合金的板材、带材连续铸轧技术已有较大规模的应用，而钢铁材料的连续铸轧技术尚不十分成熟，尚未形成大规模的应用。在连续铸轧技术中，存在如下技术问题：(1)结构复杂，控制难度大。需要控制液态金属的凝固过程，解决侧封、分流等技术问题。液态金属的侧封需要特殊材料，侧封与分流装置结构复杂，控制难度大。(2)铸轧速度慢，效率低。由于连续铸轧过程中液态金属的凝固结晶需要短时间内散失大量热量，高温熔体主要靠两个轧辊来冷却，具有冷却面积小、冷却强度低的缺点，导致连续铸轧速度缓慢、效率低下，这也是钢铁材料连续铸轧无法大规模应用于工业生产的原因。(3)产品边部质量差。在连续铸轧过程中，由于未对产品边部形状、尺寸进行控制，铸轧产品边部易出现裂纹、缺口等缺陷，影响了产品成材率，增加了生产成本。

连续铸挤技术可以由液态金属连续生产出线材、型材、管材等。但该技术仍存在如下问题：(1)连续铸挤设备采用单辊挤压，挤压力小。在液态金属从进料口到出料口的过程中，固定靴座对液态金属的流动一直存在反向摩擦作用，这种作用会增大金属成形过程中的流动阻力，降低有效挤压力，严重影响金属料的充型。(2)出料方式为径向出料，成形阻力大，成形金属种类有限。铸挤过程中在挤压模具入口处金属有一个90°的流动转角，金属有一个很大的剪切变形过程，需要很大的挤压力才能完成此变形过程，所以塑性较差的金属以及难成形金属无法运用连续铸挤技术成形。(3)连续铸挤技术用于长宽比较大的型材成形时也存在很大困难。

发明内容

本发明主要是针对现有技术存在的问题，为实现由液态金属直接成形得到产品，以达到缩短工艺流程、降低技术难度、高效节能、提高产品质量、实现产品多样化的目的，而研制一种新型的多用途液态金属的双辊连续流变成形装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种多用途液态金属的双辊连续流变成形装置，它包括电机、半联轴器、减速机、齿轮箱、主机，上述电机通过半联轴器与减速机一端相连，减速机另一端通过半联轴器与齿轮箱一端相连，齿轮箱另一端通过两个半联轴器与主机相连。用于液态金属板材、带材的双辊连续流变成形时，主机由机架、进料靴、上工作辊和下工作辊构成；用于液态金属管、线、型、复合材及包覆材的双辊连续流变成形时，主机由机架、上工作辊、下工作辊、进料靴、挤压靴以及挤压靴型腔内的模具构成。在上、下工作辊的轴头安装转速传感器。

上述半联轴器是由两个法兰盘构成，法兰盘中心具有凹口，边缘具有圆孔。两法兰盘通过凹口分别与两边的轴连接，并通过插入圆孔的尼龙销连接。它除了能起到连接作用之外，当主机的工作扭矩过大时，尼龙销能够断裂，从而起到保护主机和电机的作用。

上述上、下工作辊安装在机架两边立架上，为水冷工作辊，具有空心轴结构，工作辊内表面有冷却水孔，冷却水孔通过冷却水通道与空心轴连通，空心轴外端与一个分水套相连，分水套上设有两个接口，分别接进水管和出水管。两个工作辊的直径范围为100mm-1500mm。上工作辊表面具有环形凹槽，下工作辊表面具有环形凸台，凸台能伸入凹槽并配合，凹槽深度大于凸台高度，通过改变凸台伸入凹槽的尺寸，可改变两工作辊之间的辊缝尺寸，生产时辊面可加工出多道相同或不同宽度、深度的环形凹槽，以及相应的环形凸台，以用于生产多种规格的产品，降低成本。

上述工作辊表面环形凹槽与环形凸台的个数为1-20个。用于液态金属板材、带材的双辊连续流变成形时，所述凹槽宽度5mm-1800mm，深度2mm-35mm，凸台宽度5mm-1800mm，高度1mm-30mm，通过调节机架上的压下控制装置可以调节下辊凸台伸入上辊凹槽的尺寸，进而改变板材、带材的厚度；用于液态金属管、线、型、复合材及包覆材的双辊连续流变成形时，凹槽宽度为5mm-60mm，深度7mm-55mm，凸台宽度5mm-60mm，高度1mm-40mm。

上述进料靴安装在机架进料端立架上，由一固定挡板通过固定螺栓固定在机架上，在固定挡板上有四个顶紧螺栓固定进料靴，并可通过顶紧螺栓的拧进拧出调节进料靴与两工作辊之间的间隙，使进料靴与上、下工作辊贴紧。进料靴有上下两排可与工作辊配合的弧形面，上弧形面可与上工作辊配合，由上弧形面和上工作辊的环形凹槽构成液态金属进料型腔，下弧形面有与下工作辊环形凸台相配合的凹槽，可保证进料靴与工作辊的严密配合及其位置的固定。两弧形面与上下辊面为同轴弧形面，且辊面与弧形面的半径相同。进料靴内靠近弧形面侧有冷却水孔，弧形面表面嵌有测温电偶。

上述挤压靴安装在机架出料端立架上，并通过液压装置与机架相连，通过液压装置可以固定挤压靴，并能调节挤压靴与工作辊的间隙，使挤压靴与上、下工作辊贴紧。挤压靴具有上、下两个弧形面，两弧形面与上下辊面为同轴弧形面，且辊面与弧形面的半径相同。上弧形面上有与上工作辊环形凹槽配合的凸台，下弧形面有与下工作辊环形凸台配合的凹槽，当挤压靴与工作辊贴紧后可以保证挤压靴与工作辊的严密配合及位置的固定。在挤压靴中部有一个安装模具的型腔，型腔底部有出料孔，在模具前面有一个收料模，在收料模下方安装挤压模。挤压靴内靠近弧形面的一侧有冷却水孔。在挤压靴制品出口处配备有冷却水箱和卷取机，可对制品进行冷却和卷取。

上述收料模上表面具有与挤压靴两弧形面相一致的凹槽与凸台，并能与上、下工作辊配合，收料模放入挤压靴后，其弧形面与挤压靴的上下弧形面在相同弧面上，同时其弧形面上的凸台、凹槽与挤压靴上的凸台、凹槽一致。凸台高度与上工作辊环形凹槽深度相同，凹槽深度与下工作辊环形凸台高度一致。收料模中间的型腔构成中心挤压筒，中心挤压筒下方安装挤压模具，工作过程中金属料进入收料模后经过中心挤压筒进入挤压模具，进行挤压成形。

上述进料靴与工作辊的包角为30-120°，挤压靴与工作辊的包角为30-180°。

本发明可选用的模具主要有各种型材、线材、管材、包覆材模具以及扩展成形模具；模具材质选用热作模具钢，可选3Cr 2W8V、3Cr 3Mo 3W2V、Cr4W5Mo2V等。

所说的扩展成形模具主要用于大尺寸产品生产，一般为分流组合模具，由扩展模、分流模和成形模组成。

本发明与已有技术相比较，显著的特点有：

(1)设置了进料靴，比连续铸轧生产效率明显提高。在液态金属从浇注口到达两辊辊缝的过程中，进料靴对金属液提供了预冷，相比连续铸轧技术，解决了因液态金属冷却缓慢而导致的生产效率低的问题，从而大大提高连续铸轧的生产效率。

(2)采用工作辊表面环形凸台和凹槽进行侧封，比连续铸轧技术省去了复杂的侧封装置，还可避免产品边部产生缺口、裂纹等缺陷，提高产品边部质量。

(3)采用了双辊装置和切向出料的方式，一方面使上、下工作辊的摩擦力全部指向挤压方向，成形挤压力增大。另一方面，挤压靴的模具设置在靴体中部，安装位置为两轧辊中间，采用切向出料方式，避免了连续铸挤技术中金属径向出料时金属料所受90°的剪切阻力，金属成形所需的挤压力大大减小。这种结构比连续铸挤提供的挤压力大，所需的成形力小，更容易实现金属的挤压成形，因此适于加工的金属种类广，可实现对塑性差及难成形金属的加工。

产生的积极效果是：(1)由于配备了进料靴，能为液态金属冷却提供预冷，从而提高液态金属连续铸轧的生产效率，更易实现工业生产。(2)在同一组工作辊上可加工多道相同或不同的环形凹槽和环形凸台，能够降低成本、提高生产效率。(3)装置自身能够完成侧封功能。进料靴上弧形面与上辊环形凹槽构成进料型腔，完成液态料的侧封；上辊环形凹槽与下辊环形凸台配合完成产品侧封。既省去了侧封装置，又能显著提高产品边部质量。(4)改善产品组织，提高产品质量。当金属浆料在型腔内流动的过程中，工作辊与进料靴之间的剪切搓动作用能细化金属组织，提高产品质量。(5)采用了双辊装置，改善了金属料充型时的力学条件，增大挤压力。(6)采用了切向出料的出料方式，避免了径向出料时挤压路径存在的90°拐角，使得金属料的充型更加容易，所需挤压力更小，易于实现塑性差金属及难成形金属的成形，还能降低成本，实现节能节材。(7)产品种类广，采用一种设备可生产板、带、管、型、线、复合材及包覆材等多种产品，并能在一台主机上生产出不同规格的产品。(8)本装置除了可采用液态料直接成形外，也可将半固态金属料直接导入进料型腔，在上辊的摩擦及两辊轧制咬入的作用下产生挤压力，通过成形模具，实现半固态挤压成形。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中主机沿双辊中心立面剖面图

图3是本发明中上工作辊结构剖面图。

图4是本发明中下工作辊结构剖面图。

图5是本发明中进料靴结构示意图。

图6是本发明中挤压靴结构示意图。

图7是本发明中收料模结构示意图。

图8是本发明中用于板材、板带生产原理图。

图9是本发明中用于板材、板带、复合材生产时主机沿上辊中心线水平剖面图。

图10是本发明中用于管材、线材、型材及包覆材生产原理图。

图11是本发明中用于管材、线材、型材及包覆材生产时主机沿辊缝水平剖面图。

上述图中：1电机、2半联轴器I、3减速机、4半联轴器II、5齿轮箱、6半联轴器III、7半联轴器IV、8转速传感器、9主机、10上工作辊、11上辊环形凹槽、12压下螺栓、13上瓦、14封水套、15进水口、16出水口、17托瓦、18弹簧、19下瓦、20下辊环形凸台、21下工作辊、22机架、23空心轴、24冷却水通道I、25冷却水孔、26冷却水通道II、27轴外出水通道、28轴内进水通道、29进料靴、30进料靴冷却水孔、31电偶、32进料靴上弧形面、33进料靴下弧形面、34进料靴凹槽、35挤压靴、36挤压靴冷却水孔、37挤压靴凸台、38挤压靴上弧形面、39出料孔、40型腔、41挤压靴下弧形面、42挤压靴凹槽、43收料模凹槽、44中心挤压筒、45收料模凸台、46浇注口、47刮刀、48固定挡板、49固定螺栓、50顶紧螺栓、51进料型腔、52模具、53收料模、54液压装置

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明用于板材生产时，本装置中电机1(选用直流电机)通过半联轴器I 2与减速机3的一端相连，减速机3的另一端与半联轴器II 4相连，半联轴器II 4与齿轮箱5一端相连，从齿轮箱5的另一端分出两轴分别通过半联轴器III6和半联轴器IV7与主机9相连，在主机9的两工作辊轴头部位设置转速传感器8，进行转速的测定。

由图2、图3、图4、图5、图6所示，主机9主要由两个相互配合在一起的水冷工作辊构成，下工作辊21平放在放置于机架22两立板上的下瓦19上，上工作辊10放置在由托瓦17、辊缝调节弹簧18构成的支撑系统上，上工作辊轴上罩上瓦13，上瓦13可由连接在机架22上的压下螺栓12压紧，并可以通过压下螺栓12的上拧、下拧调节辊缝大小。上、下工作辊是具有空心轴23的水冷工作辊，工作辊的水冷系统主要由封水套14、空心轴23、冷却水通道I 24，冷却水孔25，冷却水通道II 26构成。冷却水由封水套14的进水口15进入工作辊空心轴23，经由空心轴23的轴内进水通道28、冷却水通道I 24，冷却水孔25，冷却水通道II 26进入空心轴23的轴外出水通道27，最后由封水套14的出水口16流出回到水箱。

上述工作辊中，上工作辊10上有环形凹槽11，下工作辊21上有环形凸台20，上、下工作辊可如图2所示相互配合。两辊间的辊缝尺寸即为产品厚度，凹槽宽度即为板材的宽度。通过压下螺栓12可以调节环形凸台20伸入环形凹槽11的尺寸进而调节板材厚度。

主机9中的进料靴29放置在机架22进料端的立架上，同时有一固定挡板48通过固定螺栓49固定在机架22上，在固定挡板48上有四个顶紧螺栓50，通过顶紧螺栓50的拧进拧出调节进料靴29与两工作辊之间的间隙。当进料靴29与上工作辊10贴紧后，进料靴下弧形面33上的进料靴凹槽34与下工作辊21上的环形凸台20配合固定进料靴29的水平位置，进料靴上弧形面32与上工作辊10的环形凹槽11形成了进料型腔51，液态金属由浇注口46浇入进料型腔51后，金属料在进料靴29与上工作辊10的冷却/剪切搓动作用下，金属组织得到优化，最后到达两工作辊之间进行轧制变形。进料靴29靠近工作辊一侧有进料靴冷却水孔30，可对进料靴29及金属料提供强冷却，加快金属的凝固速度。进料靴29的进料靴上弧形面32上有测温电偶31可测量金属料在进料型腔51内流动过程中的温度变化，以及时调整浇注温度。进料靴上弧形面32的长度将影响冷却效果，根据金属材料本身性质，选择进料靴29的上弧面30与上工作辊10的包角为30-120°。

本发明装置应用直流电机，电机1输出的扭矩通过半联轴器2传到减速机3进行扭矩放大，再通过半联轴器4连接到齿轮箱5后通过两同速齿轮分出两个连接轴6、7分别与主机的上、下工作辊10、21相连，驱动主机工作。

主机工作的基本原理如图8所示，当进料靴29与两工作辊辊面贴紧后，主机沿上辊中心线水平剖面如图9所示，液态金属通过浇注口46注入进料型腔51后，由于上工作辊10和进料靴29的强烈剪切/冷却作用，液态金属将经历液相凝固、半固态浆料形成过程，最后半固态浆料进入由上辊环形凹槽11和下辊环形凸台20构成的辊缝完成轧制成形。经过轧制后的板材在刮刀47的作用下，与上工作辊10的凹槽11脱离，经过产品出口处的冷却水箱冷却后，得到成品板材并由卷取机卷取成卷。

实施例2

本发明用于型材生产时，主机工作的基本原理如图10所示，其装置主机的结构沿辊缝水平剖面如图11所示，与例1不同之处在于主机出料端配备一个挤压靴35，挤压靴35上有装配模具的型腔40，型腔内装模具52，在模具52前有一结构如图7所示的收料模53，挤压靴冷却水孔36可对挤压靴进行冷却。挤压靴35在液压装置54的作用下与工作辊靠紧后，挤压靴上弧形面38挤压靴凸台37进入上工作辊10的凹槽，收料模凹槽43与挤压靴凹槽42一致，下辊环形凸台20进入挤压靴下弧形面41的挤压靴凹槽42与收料模凹槽43构成的凹槽，固定挤压靴35的左右位置。当金属料随上工作辊10经过两辊辊缝后，由于收料模53的凸台45的作用，金属料在收料模53的中心挤压筒44内堆积变形后进入模具52成形得到产品从出料孔39出料，经过冷却水箱冷却后，由卷取机卷取成卷。通过更换挤压靴型腔内的模具可实现生产不同种类、规格的产品。

Claims (6)

1.一种多用途液态金属的双辊连续流变成形装置，它包括电机、半联轴器、减速机、齿轮箱、主机，上述电机通过半联轴器与减速机一端相连，减速机另一端通过半联轴器与齿轮箱一端相连，齿轮箱另一端通过两个半联轴器与主机相连，其特征在于所述主机：

a、用于液态金属板材、带材的双辊连续流变成形时，主机由机架、进料靴、上工作辊和下工作辊构成，上、下工作辊安装在机架两边立架上，进料靴安装在机架进料端立架上，由一固定挡板通过固定螺栓固定在机架上，在固定挡板上有四个顶紧螺栓固定进料靴，并可通过顶紧螺栓的拧进拧出调节进料靴与两工作辊之间的间隙，使进料靴与上、下工作辊贴紧；

b、用于液态金属管、线、型、复合材及包覆材的双辊连续流变成形时，主机由机架、上工作辊、下工作辊、进料靴、挤压靴以及挤压靴型腔内的模具构成，上、下工作辊安装在机架两边立架上，进料靴安装在机架进料端立架上，由一固定挡板通过固定螺栓固定在机架上，在固定挡板上有四个顶紧螺栓固定进料靴，并可通过顶紧螺栓的拧进拧出调节进料靴与两工作辊之间的间隙，使进料靴与上、下工作辊贴紧；挤压靴安装在机架出料端立架上，并通过液压装置与机架相连，通过液压装置可以固定挤压靴，并能调节挤压靴与工作辊的间隙，使挤压靴与上、下工作辊贴紧；

上述a和b在上、下工作辊的轴头安装转速传感器。

2.如权利要求1所述的一种多用途液态金属双辊连续流变成形的装置，其特征在于：上、下工作辊为水冷工作辊，具有空心轴结构，工作辊内表面有冷却水孔，冷却水孔通过冷却水通道与空心轴连通，空心轴外端与一个分水套相连，分水套上设有两个接口，分别接进水管和出水管；上工作辊表面具有环形凹槽，下工作辊表面具有环形凸台，凸台能伸入凹槽并配合，通过改变凸台伸入凹槽的尺寸，可改变两工作辊之间的辊缝尺寸；生产时辊面可加工出多道相同或不同宽度、深度的环形凹槽，以及相应的环形凸台。

3.如权利要求2所述的一种多用途液态金属双辊连续流变成形的装置，其特征在于：两个工作辊的直径范围为100mm-1500mm，环形凹槽与环形凸台的个数为1-20个，用于液态金属板材、带材的双辊连续流变成形时，所述凹槽宽度5mm-1800mm，深度2mm-35mm，凸台宽度5mm-1800mm，高度1mm-30mm，通过调节机架上的压下控制装置可以调节下辊凸台伸入上辊凹槽的尺寸，进而改变板材、带材的厚度；用于液态金属管、线、型、复合材及包覆材的双辊连续流变成形时，凹槽宽度为5mm-60mm，深度7mm-55mm，凸台宽度5mm-60mm，高度1mm-40mm。

4.如权利要求1所述的一种多用途液态金属双辊连续流变成形的装置，其特征在于：进料靴安装在机架进料端立架上，它有上下两排可与工作辊配合的弧形面，上弧形面可与上工作辊配合，由上弧形面和上工作辊的环形凹槽构成液态金属进料型腔，下弧形面有与下工作辊环形凸台相配合的凹槽，进料靴与工作辊的包角为30-120°，进料靴内靠近弧形面侧有冷却水孔，弧形面表面嵌有测温电偶。

5.如权利要求1所述的一种多用途液态金属双辊连续流变成形的装置，其特征在于：所述挤压靴具有上、下两个弧形面，上弧形面上有与上工作辊环形凹槽配合的凸台，下弧形面有与下工作辊环形凸台配合的凹槽，在挤压靴中部有一个安装模具的型腔，在模具前面有一个收料模，在收料模后方安装挤压模，挤压靴与工作辊的包角为30-180°，挤压靴内靠近弧形面的一侧有冷却水孔。

6.如权利要求5所述的一种多用途液态金属双辊连续流变成形的装置，其特征在于：所述收料模上表面具有与挤压靴两弧形面相一致的凹槽与凸台，并能与上、下工作辊配合，收料模中间的型腔构成中心挤压筒，中心挤压筒后方安装挤压模具，工作过程中金属料进入收料模后经过中心挤压筒进入挤压模具，进行挤压成形。

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