CN103857088B - 半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置，属于金属半固态加工技术领域。包括感应加热电源、感应加热机构、托料运载机构、坯料旋转机构和自动上料机构；感应加热机构包括7个感应加热线圈和驱动装置，感应加热线圈安装在驱动装置上，7个线圈与一个空位沿圆周方向45°均布，线圈之间互相串联与感应加热电源相连；坯料通过自动上料机构放置到托料运载机构，依次完成7个感应加热线圈的加热，坯料旋转机构连接到托料运载机构上，使坯料在加热过程中处于连续旋转状态。该装置能够满足铝合金半固态触变加工中，加热迅速、温度均匀及加热过程完全自动化的要求，同时具有操作安全、运行稳定、易于控制的优点。

Description

半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置

技术领域

本发明涉及一种半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置，具体为一种合金坯料半固态触变加工用全自动连续式二次加热装置，属于金属半固态加工技术领域。

背景技术

金属半固态加工技术是介于传统的固态加工技术（如轧制、挤压、锻造等）和液态成形技术（如铸造等）之间的一种新型加工成形方法。其核心的技术特征包括：1）成形温度介于固液相线温度之间；2）晶粒形态不同于一般凝固组织中的树枝状晶粒形态，而是表现为非树枝状的、近球形的晶粒形态。由于具有以上特征，半固态加工技术具有铸造缺陷少、气孔率低、易于加工成形、模具寿命高等优点。这些优点使得半固态加工技术与压铸、挤压铸造、重力铸造等传统加工成形方法相比在成本、性能方面均具有相当的竞争优势。另外，半固态加工技术在以铸代锻、变形合金的直接近净成形、改善难铸造合金的铸造性能等方面也具有广泛的应用前景。

触变加工技术是最早获得工业应用的半固态加工技术，该方法可分为半固态坯料制备、二次加热、触变加工三个工艺阶段。通常对半固态合金坯料的二次加热工艺的要求是：①经过二次加热的半固态合金坯料内外、上下温差应尽可能均匀，以避免在后续触变成形过程中由于流动性的差异而导致固液相分离等现象，同时也可避免二次加热后产生“象足”等缺陷，给合金坯料的夹持搬运带来困难；②二次加热过程所用的时间应尽可能短，以最大程度地避免半固态坯料在二次加热过程中产生表面氧化和初生α晶粒过分长大，给半固态触变成形件的最终性能产生不利影响；③为后续的触变成形提供优异的微观组织基础。基于以上工艺要求，如何设计出一种能够满足上述二次加热工艺要求的装置成为触变加工技术工业应用的重要研究方向。

中国专利03115916.8提及了一种铝合金半固态成形技术中的二次加热工艺，该工艺虽可以获得坯料的内外温差较小，温度场均匀的效果，满足升温速度快、控温准确、温度分布均匀、氧化少，易于自动控制的要求。但是该专利只是提供了一种铝合金半固态成形技术的二次加热工艺。

中国专利200810115679.3提及了一种半固态金属坯料二次加热用卧式装置，由感应加热电源、感应加热机构和坯料运载机构组成，设有三个热料及置料、出料共五个工位；感应加热机构采用三段独立卧式放置的感应加热线圈，各感应加热线圈间相互电联通，分设在三个热料工位上。但是此种加热装置坯料有端部加热效应，难以达到温度分布一致，加热完半固态状态的坯料夹持转移困难，难以和以后的成形过程实现衔接，人工上料，实现不了整个加热过程的完全自动化，不利于半固态加工技术的推广和大规模应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种全自动连续式二次加热装置，该装置能够保证被加热半固态坯料温度场分布更均匀、控制准确、自动上料及与后续成形自动衔接，实现整个生产过程的自动化。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置，用于合金坯料的半固态加工，该装置包括感应加热电源、感应加热机构、托料运载机构、坯料旋转机构和自动上料机构五部分；所述的感应加热机构包括7个感应加热线圈和驱动装置，感应加热线圈安装在驱动装置上，7个线圈与一个空位沿圆周方向45°均布，线圈之间互相串联与感应加热电源相连，线圈通过驱动装置可进行前、后往复运动；坯料通过自动上料机构放置到托料运载机构，托料运载机构上7个加热工位与7个感应加热线圈位置相对应，坯料完成7个工位的加热过程，坯料旋转机构连接到托料运载机构上，使坯料在加热过程中处于连续旋转状态。

该加热装置的感应加热电源可以选择可控硅电源或IGBT（绝缘栅双极型晶体管）电源，电源频率为800～1200Hz。

7个线圈均采用不同横截面铜管及匝数绕制，以实现每组线圈不同的加热功率，第一、第二和第三线圈横截面均为15×15mm，匝数均为30匝，第四、第五线圈横截面积均为20×20mm，匝数为25匝，第六、第七线圈横截面积为20×20mm，匝数为20匝。

根据所需加热半固态坯料的尺寸决定感应加热线圈的尺寸，感应加热线圈内径为坯料直径的1.5～2倍，感应加热线圈的高度为坯料高度的1.5～4倍。

驱动装置为气动、液压或机械装置，即感应加热机构的前、后往复运动可通过气动、液压或机械装置中的任何一种方式实现动作。

托料运载机构包括支撑转盘、托料架、旋转定位装置和电动驱动装置等，托料架与旋转定位装置连接，旋转定位装置与支撑转盘连接，支撑转盘与电动驱动装置相连接。旋转定位装置与支撑转盘之间连接可采用不同的机械连接结构来实现，电动驱动装置带动支撑转盘实现旋转运动，当支撑转盘旋转时，托料架始终保持与加热坯料相对位置保持不变。

坯料旋转机构由7个步进电机组成，分别对应7个旋转定位装置，当支撑转盘旋转到一个工位后，坯料旋转机构与旋转定位装置相连接，带动坯料连续旋转直到此工位加热完成。

自动上料装置包括推料装置、上料导槽和推料导槽等，坯料放置到上料导槽，坯料由于重力自动滚落到推料导槽，推料装置将坯料推到托料架上，实现全自动上料过程。

自动上料装置中，推料装置可为气动、液压或机械装置，即自动上料机构可通过气动、液压或机械装置中的任何一种方式实现推料动作。

利用本发明的加热装置，坯料通过自动上料机构放置到托料架上，支撑转盘旋转至第一工位，坯料旋转机构与旋转定位装置相连接，带动坯料连续旋转，同时驱动装置将感应加热线圈移动到位，开始加热，加热完成后，驱动装置后退将感应加热线圈移开，坯料旋转机构与旋转定位装置断开连接，支撑转盘再次旋转至第二工位，重复上述步骤，直到完成7个工位、7个线圈的加热，即完成坯料的整个加热过程，托料架自动开启，加热后的坯料自动落到落料导槽中，以进行后续的成形过程。

本发明选用感应加热方式，即：采用7个感应加热线圈做加热工位及一个上料落料工位，这种加热方式可使坯料的加热温度更加均匀合理，降低功耗及实现加热过程的完全自动化。

本发明的优点是：

1、与电阻加热方式比较，本发明具有加热效率高、避免晶粒粗大等特点；与单工位感应加热设备比较，本发明具有效率高且加热温度均匀的特点；

2、与半固态金属坯料二次加热用立式装置相比，本发明坯料加热过程中处于旋转状态，避免了由于线圈磁场分布不均匀造成的坯料轴向温度不均匀，使加热完坯料温度场分布更均匀。

3、与半固态金属坯料二次加热用卧式装置相比，本发明实现上料、加热、落料全自动化，且与后续成形设备衔接简单，容易实现加热成形过程全自动化，满足大规模生产要求。

附图说明

图1是本发明全自动连续式二次加热装置的示意图。

主要附图标记：

1机架2驱动装置

3坯料旋转机构4感应加热线圈

5支撑转盘6旋转定位装置

7托料架8推料导槽

9推料装置10上料导槽

11落料导槽

具体的实施方式

如图1所示为全自动连续式二次加热装置，用于合金坯料的半固态加工，该装置主要由感应加热电源、感应加热机构、托料运载机构、坯料旋转机构和自动上料机构及机架1等组成。感应加热机构包括7个感应加热线圈4和驱动装置2，感应加热线圈4安装在驱动装置2上，7个感应加热线圈4与一个空位沿圆周方向45°均布，线圈之间互相串联并与感应加热电源相连，感应加热线圈4通过驱动装置2可进行前、后往复运动，坯料通过自动上料机构放置到托料运载机构，托料运载机构上7个加热工位与7个感应加热线圈位置相对应，坯料完成7个工位的加热过程，坯料旋转机构连接到托料运载机构上，使坯料在加热过程中处于连续旋转状态。

该装置的感应加热电源可以选择可控硅电源或IGBT（绝缘栅双极型晶体管）电源，电源频率为800～1200Hz。7个线圈均采用不同横截面铜管及匝数绕制，以实现每组线圈不同的加热功率，内通冷却水，第一、第二和第三线圈横截面均为15×15mm，匝数均为30匝，第四、第五线圈横截面积均为20×20mm，匝数为25匝，第六、第七线圈横截面积为20×20mm，匝数为20匝。根据所需加热半固态坯料的尺寸决定感应加热线圈4的尺寸，感应加热线圈4内径为坯料直径的1.5～2倍，感应加热线圈4的高度为坯料高度的1.5～4倍。

驱动装置2可为气动、液压或机械装置，通过气动、液压或机械装置中的任何一种方式来实现感应加热机构的前、后往复运动。

托料运载机构由支撑转盘5、托料架7、旋转定位装置6、电动驱动装置等组成，托料架7与旋转定位装置6连接，旋转定位装置6与支撑转盘5连接，支撑转盘5与电动驱动装置相连接。旋转定位装置6与支撑转盘5之间连接可采用不同的机械连接结构来实现，电动驱动装置带动支撑转盘5实现旋转运动，当支撑转盘5旋转时，托料架7始终保持与加热坯料相对位置保持不变。8个旋转定位装置6及托料架7沿圆周方向45°均布，与7个感应加热线圈4及一个空位的位置相对应。

坯料旋转机构3由7个步进电机组成，分别与7个旋转定位装置6相对应，当支撑转盘旋5转一个工位后，坯料旋转机构3与旋转定位装置6相连接，带动坯料连续旋转直到此工位加热完成。

自动上料装置由推料装置9、上料导槽10、推料导槽8等组成，气缸作为推料动作执行元件，坯料放置到上料导槽10，坯料由于重力自动滚落到推料导槽8，气缸（推料装置9）将坯料推至到托料架7上，实现全自动上料过程。推料装置9还可采用液压或机械装置方式实现推料动作。

本发明的加热装置中，自动上料装置将坯料放置到托料架7上，支撑转盘5旋转至第一工位，坯料旋转机构3与旋转定位装置6相连接，带动坯料连续旋转，驱动装置2带动感应加热线圈4移动到位，开始第一阶段加热，时间为50S，当第一个加热阶段完成后，坯料旋转机构3与旋转定位装置6断开连接，坯料停止旋转，驱动装置2带动感应加热线圈4移动退出，且加热电源停止工作；支撑转盘5旋转至下一个工位，同时自动上料装置将另一个坯料放置到另一个托料架7上，重复上述步骤，第一个坯料进行第二个线圈的加热，如此往复，当第一个坯料完成7个工位加热（7个线圈即一个加热周期）后，旋转定位装置6的托料架7自动开启，自动落料到落料导槽11上，第一个坯料加热完成，后续重复以上所描述动作，实现全自动化二次加热过程。

下面以半固态A390铝合金坯料的二次加热为例，来说明本发明装置的工作原理。本实施例中半固态加热的坯料为￠50×55mm，加热电源采用IGBT加热电源，电源加热频率为1000Hz。

二次加热装置加热线圈采用方铜管绕制，线圈内径90mm，线圈高度均为200mm，共设7个加热工位。驱动装置2为液压装置，可实现感应加热线圈4的前、后往复运动。

将上料位为起始位置开始，自动上料装置将半固态A390铝合金坯料放置到托料架7上，然后支撑转盘5旋转45°，即一个工位角度。坯料旋转机构3与旋转定位装置6相连接，带动坯料连续旋转，驱动装置2带动感应加热线圈4移动到位，同时自动上料装置将第二个坯料放置到位，开始第一阶段加热，时间为50S，加热时间到后，坯料旋转机构3与旋转定位装置6断开连接，坯料停止旋转，驱动装置2带动感应加热线圈4后退到位，支撑转盘5再次旋转45°。如此往复，直到第1块坯料完成7个工位加热，即一个加热周期，旋转定位装置6将托料架7开启，加热完坯料自动落到落料导槽11，旋转定位装置6将托料架7闭合，自动上料装置将第8个坯料放置到位，这样就完成了坯料的整个加热过程，以此动作循环，可实现全自动化半固态坯料的连续加热。

表1、尺寸为￠50×55mmA390铝合金坯料加热到560℃数据对比

加热设备	加热时间	坯料内外温差
			普通感应加热设备	20min	10℃以上
本发明加热设备	10min	2℃以内

由此可见，该装置能够满足铝合金半固态触变加工即需要加热迅速、温度均匀及加热过程完全自动化的要求，同时具有操作安全、运行稳定、易于控制的优点。

为实施该发明的设备既适合于铝基合金材料半固态坯料的加热，也适合于镁基合金、锌基合金、铜基合金、镍基合金、钴基合金和铁基合金和其他合金材料及其复合材料半固态坯料的加热。

Claims (10)

1.一种半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置，其特征在于：它包括感应加热电源、感应加热机构、托料运载机构、坯料旋转机构和自动上料机构；感应加热机构包括7个感应加热线圈和驱动装置，所述的感应加热线圈安装在驱动装置上，7个线圈与一个空位沿圆周方向45°均布，线圈之间互相串联与感应加热电源相连，线圈通过驱动装置可进行前、后往复运动；坯料通过自动上料机构放置到托料运载机构，托料运载机构上7个加热工位与7个感应加热线圈位置相对应，完成7个工位的加热过程，坯料旋转机构连接到托料运载机构上，使坯料在加热过程中处于连续旋转状态。

2.根据权利要求1所述的半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置，其特征在于：所述的感应加热电源为可控硅电源或IGBT电源，电源频率为800～1200Hz。

3.根据权利要求1所述的半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置，其特征在于：7个线圈采用不同横截面铜管及匝数绕制，第一、第二和第三线圈横截面均为15×15mm，匝数均为30匝，第四、第五横截面积均为20×20mm，匝数为25匝，第六、第七线圈横截面积为20×20mm，匝数为20匝。

4.根据权利要求1所述的半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置，其特征在于：所述的感应加热线圈内径为坯料直径的1.5～2倍，高度为坯料高度的1.5～4倍。

5.根据权利要求1所述的半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置，其特征在于：所述的驱动装置为气动、液压或机械装置。

6.根据权利要求1所述的半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置，其特征在于：所述的托料运载机构包括支撑转盘、托料架、旋转定位装置和电动驱动装置，所述的托料架与旋转定位装置连接，所述的旋转定位装置与支撑转盘连接，所述的支撑转盘与电动驱动装置相连接。

7.根据权利要求6所述的半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置，其特征在于：所述的旋转定位装置与支撑转盘之间采用机械连接，所述的托料架始终保持与加热坯料相对位置保持不变。

8.根据权利要求1所述的半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置，其特征在于：所述的坯料旋转机构由7个步进电机组成，分别对应7个旋转定位装置，所述的坯料旋转机构与旋转定位装置相连接，带动坯料连续旋转直到加热完成。

9.根据权利要求1所述的半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置，其特征在于：所述的自动上料机构包括推料装置、上料导槽和推料导槽，坯料放置到上料导槽，坯料由于重力自动滚落到推料导槽，所述的推料装置将坯料推到托料架上。

10.根据权利要求9所述的半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置，其特征在于：所述的推料装置为气动、液压或机械装置。