CN104209489A - 一种实现金属构件移动微压铸成型的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够实现移动微压铸熔体直接成型金属构件的装置，包括图像获取装置，环境箱，三维运动工作台，熔炼炉，精铸炉和可调压力装置。本发明所述的装置结构紧凑，可以通过调整熔体的流量、压力、压铸层厚度、熔体的凝固速度以及压铸头的移动轨迹，逐点逐层调控构件材料的组织形态(包括晶粒尺寸、相成分和界面结构等)、残余应力状态(包括大小与分布)和表面质量。本发明不仅可以按设定的形状和尺寸成型金属构件，还能实现对能对其机械性能进行有效调控，能够精确实现熔体直接成型金属构件的移动微压铸。

Description

一种实现金属构件移动微压铸成型的装置

技术领域

本发明涉及材料加工设备领域，具体的说，涉及一种实现金属构件移动微压铸成型的装置。

背景技术

近年来，在大尺寸薄壁钛合金构件的直接制造和工程应用方面，激光立体成型技术已取得了重要进展。然而，该技术也存在明显的局限性：首先，与常规制造方法相比，其制造成本高昂、加工效率较低，因而只能用于制造难以采用常规方法而又不惜工本的那类金属构件；其次，它必须以金属粉末为原料，并且对粉末的粒度有严格要求。过细，颗粒易于烧损，会降低粉末的利用率。过大，颗粒又可能熔化不充分不均匀，因而影响成型构件的性能。

另外，电子束立体成型技术，也存在上述同样的局限性，而且电子束加工需要真空环境，这进一步限制了其应用范围。

精密压铸技术也可以近净成型或直接制造金属结构，但对于复杂构件，特别是大而薄的薄壁构件，其成型能力有限。

喷射成型技术可成型大尺寸金属构件，其成型效率也较高，但难以成型形状复杂或尺寸精度要求高的金属构件。因其总有一定的孔隙率，对于致密度和机械性能要求高的金属构件，喷射成型后还须对其进行热静压加工。

近期提出的金属构件移动微压铸成型方法，已经在中国专利申请201310139419.0公开，是利用计算机辅助设计(CAD)或实物扫描的方法建立构件的3D图形数据库，并依据构件性能与精度的设计要求，选择图形的切片方向与分切厚度以及与之相应的熔体压铸程序和运动轨迹，在惰性气体(如氮气、氩气等)保护环境下，当结晶器(压铸基板)的指定部位，对准压铸头出口、且二者之间距达到指定层片厚度(以微米尺度为宜)时，压铸头以预定的流速和压力，将熔体填充到其出口端部与结晶平台之间的空间。与此同时，压铸头以指定速度和轨迹在结晶器上移动(也可以是压铸器不动而结晶器相对其移动)，移出压铸头内的熔体迅速凝固，压铸头向其下方不断产生的新的空间继续填充并压铸熔体。当压铸头的移动轨迹填满设定形状时，一个厚度可达微米尺度的金属层片便成型完成。然后，结晶器沿Z轴方向上移动一个层片厚度，压铸头开始执行下一层片的熔体压铸作业。如此往复，直至整个金属构件成型完成。

但目前还没有能够实现金属构件移动微压铸成型方法的装置，因此，本发明的目的是提供一种能够实现金属构件移动微压铸成型方法的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现移动微压铸熔体直接成型金属构件的装置。

所述微压铸，是指压铸层的厚度以限制在微米尺度为宜。

本发明所述的能够实现移动微压铸熔体直接成型金属构件的装置包括图像获取装置，环境箱，三维运动工作台，熔炼炉，精铸炉和可调压力装置；所述环境箱用于为金属构件的移动微压铸成型提供保护气体环境，所述环境箱包括进气口和排气口；

所述图像获取装置位于环境箱内，用于监测金属构件的微压铸成型过程；

环境箱上表面固定所述熔炼炉和精铸炉，熔炼炉将金属构件的原材料熔炼为金属熔体，然后金属熔体通过输送管道进入精铸炉，精铸炉与可调压力容器连接，所述可调压力容器为精铸炉提供保护气氛的同时还调节精铸炉中的金属熔体的液面高度；

环境箱内底面设置三维运动工作台，所述三维运动工作台上可放置工件，三维运动工作台的三维运动使工件运动，从而完成移动微压铸成型；环境箱中的环境保护气体由进气口进入，排气口排出。加工前通过气体置换方法使环境箱中充满正压的惰性气体，以避免氧气与金属熔体发生反应。

其中，三维运动工作台由计算机控制或嵌入式控制实现所需的加工动作；

另外，本发明所述的装置还包括稳定台，所述稳定台位于环境箱内底面，与三维运动工作台紧密固接；所述稳定台的重量显著大于环境箱重量，用于稳定环境箱，克服机械运动造成的共振；

本发明所述的装置还包括熔炼炉托架，所述熔炼炉托架用于支撑熔炼炉，保证熔炼炉中的金属液体能以重力通过输送管道流入精铸炉内。

精铸炉是以一种能够将熔融的金属液体直接进行铸造成型的装置，一般其关键部件包括金属液体容器，容器下方的出口，位于出口处的压铸头；压铸头具有输出管道，输出管道外部设置有感应加热器，输出管道的内径依据毛细原理设计，可确保仅有重力作用时熔体不会自然流出，但在有外加压力作用的情况下，熔体能够顺畅稳定地输出。感应加热器可在输出管道内壁出现熔体凝固和熔体流动受阻时发挥作用。

熔体的温度以及对熔体所施加的压力均采取闭环控制，精铸炉与可调压力容器连接，所述可调压力容器能够为精铸炉提供保护气氛，还能够通过调节压力，来调节精铸炉内的液面高度；

为保证金属液体的稳定性和一致性，精铸炉还包括搅拌装置，所述搅拌装置可为本领域内常用的搅拌装置，可为机械搅拌、电磁搅拌等。

本发明采用的熔炼炉主要用于熔炼微压铸加工所需的材料，可采用感应或电阻加热方法使原材料熔化，因此可采用本领域常用的中频感应炉，电弧熔炼炉等。

进一步的，本发明所述的装置还包括平行调节板，所述平行调节板环境箱上表面，固定其上固定精铸炉，用于平行调整精铸炉相对于三维运动工作台的位置。

进一步的，所述输送管道还包括阀门。

本发明所述的装置结构紧凑，能够精确实现熔体直接成型金属构件的移动微压铸，使用之前，开启进气口和排气口，通过气体置换，使得环境箱、精铸炉中充满惰性气体；熔炼炉对原材料进行熔炼，金属液体进入精铸炉；调整精铸炉和三维运动工作台的相对位置；然后开始工作，三维运动工作台根据预设程序运动，调节压力调节装置的压力，使精铸炉的压铸头开始压铸。加工过程中根据液位严格控制液面上方内压力使得金属熔体恒速流出。加工过程中严格控制熔体流出时的温度。加工过程中根据需要控制精铸炉上压铸头的开闭。因此，本发明所述的装置可以通过调整熔体的流量、压力、压铸层厚度、熔体的凝固速度以及压铸头的移动轨迹，逐点逐层调控构件材料的组织形态(包括晶粒尺寸、相成分和界面结构等)、残余应力状态(包括大小与分布)和表面质量。本发明不仅可以按设定的形状和尺寸成型金属构件，还能实现对能对其机械性能进行有效调控。

附图说明

图1为本发明实施例1所述的能够实现金属构件移动微压铸成型的装置的外部示意图；

图2为本发明实施例1所述的能够实现金属构件移动微压铸成型的装置的仰视示意图；

其中，1为熔炼炉；2为熔炼炉托架；3为环境箱；4为进气口；5为稳定台；6为三维运动工作台；7为工件；8为排气口；9为可调压力容器；10为精铸炉；11为输送管道；12为平行调节板；13为图像获取设备。

具体实施方式

以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的发明范围。该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。如无特别说明，所采用的方法是本领域常用的方法和设备。

实施例1

本发明具体的装置的基本部件及具体结构见图1所示：

熔炼炉1置于熔炼炉托架2上。加工时在熔炼炉1中添加熔炼所需材料，采用感应或电阻加热方法使原材料熔化。

输送管道11一端设置在熔炼炉1的金属液体出口处，另一端设置在精铸炉10的入口处，用于将熔炼炉1熔化的金属液体以重力输送至精铸炉10，精铸炉10保温和搅拌，搅拌可采用机械搅拌或电磁搅拌。

3为环境箱，环境保护气体由进气口4进入，排气口8排出。加工前通过气体置换方法使环境箱中充满正压的惰性气体，以避免氧气与金属熔体发生反应。环境箱3熔炼炉1和精铸炉10的下方，其上固定熔炼炉支架2和精铸炉10。

5为稳定台，位于环境箱3内部的底部，其重量显著大于环境箱3重量，其作用是避免由于机械运动造成的共振。

6为三维运动工作台，置于稳定台5之上，与稳定台5紧固连接。工作台可根据需要调节水平。

9为可调压力容器，为精铸炉10提供保护气体以及液面压力控制。

其中，精铸炉10是以一种能够将熔融的金属液体直接进行铸造成型的装置，一般其关键部件包括金属液体容器，容器下方的出口，位于出口处的压铸头；压铸头具有输出管道，输出管道外部设置有感应加热器，输出管道的内径依据毛细原理设计，可确保仅有重力作用时熔体不会自然流出，但在有外加压力作用的情况下，熔体能够顺畅稳定地输出。感应加热器可在输出管道内壁出现熔体凝固和熔体流动受阻时发挥作用。

整个加工过程可通过图像获取设备13进行监控。

7为加工零件。

另外，所述的装置还包括平行调节板12，所述平行调节板12位于环境箱3上表面，其上固定精铸炉10，用于平行调整精铸炉10相对于三维运动工作台6的位置。

所述输送管道11上还包括阀门，该阀门可以为电磁阀门。

该装置的工作过程如下：

1.关闭液态金属输送管道11；

2.在熔炼炉1中添加熔炼所需材料，开启熔炼炉加热电源，加热至所需温度并保持；

3.开启环境保护气体设备(未示出)，开启进气口4，关闭排气口8，使得环境箱3、精铸炉10中充满惰性气体；

4.开启精铸炉10加热电源，加热至所需温度并保持，该温度与熔炼炉中加热温度无关；

5.开启液态金属输送管道11，输送部分液态金属至精铸炉10，关闭输送管道11；

6.针对三维运动工作平台6对调节板12进行平行度调节；

7.调节可调压力容器9的压力，使得精铸炉10中金属熔体液面上方压力恒定为某一值；

8.实施加工，通过三维运动工作平台6的运动，实现成型。加工过程中根据液位严格控制液面上方内压力使得金属熔体恒速流出。加工过程中严格控制熔体流出时的温度。加工过程中根据需要控制精铸炉10上压铸头的开闭。

9.待加工完成，除渣，清理。

Claims (5)

1.一种能够实现移动微压铸熔体直接成型金属构件的装置，其特征在于，包括图像获取装置，环境箱，三维运动工作台，熔炼炉，精铸炉和可调压力装置；

所述环境箱用于为金属构件的移动微压铸成型提供保护气体环境，所述环境箱包括进气口和排气口；

所述图像获取装置位于环境箱内，用于监测金属构件的微压铸成型过程；

环境箱上表面固定所述熔炼炉和精铸炉，熔炼炉将金属构件的原材料熔炼为金属熔体，然后金属熔体通过输送管道进入精铸炉，精铸炉与可调压力容器连接，所述可调压力容器为精铸炉提供保护气氛的同时还调节精铸炉中的金属熔体的液面高度；

环境箱内底面设置三维运动工作台，所述三维运动工作台上可放置工件，三维运动工作台的三维运动使工件运动，从而完成移动微压铸成型。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括稳定台，所述稳定台位于环境箱内底面，与三维运动工作台紧密固接；所述稳定台的重量显著大于环境箱重量。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括熔炼炉托架，所述熔炼炉托架用于支撑熔炼炉，保证熔炼炉中的金属液体能以重力通过输送管道流入精铸炉内。

4.如权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括平行调节板，所述平行调节板位于环境箱上表面，其上固定精铸炉，用于平行调整精铸炉相对于三维运动工作台的位置。

5.如权利要求1-4所述的装置，其特征在于，所述输送管道还包括阀门。