CN106424634B - 一种非晶金属真空熔炼成型设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非晶金属真空熔炼成型设备，其采用锥形感应线圈或部分锥形感应线圈对放置于料筒内的非晶金属坯料进行感应加热，同时产生向上的电动力，克服非晶金属坯料自身的重力，使其在被熔炼过程中处于悬浮状态，避免与压射冲头及料筒接触。这样，压射冲头不必在熔炼位置一直托举着该非晶金属坯料，从而避免了被动受热以及非晶金属坯料对压射冲头的传热。本发明的料筒包括处于熔炼位置的陶瓷料筒以及靠近模具的金属料筒两部分，这两部分同心对齐连接。本发明还提供一种非晶金属真空熔炼成型设备的使用方法。

Description

一种非晶金属真空熔炼成型设备及其使用方法

技术领域

本发明涉及金属成型加工技术领域，尤其涉及一种在真空环境下的非晶金属真空熔炼压铸成型设备以及其使用方法。

背景技术

随着工业技术的发展，在大气环境下采用常规压铸成型设备熔炼成型构件成了一项通用技术，而压铸机由于能够在极短时间内完成成型的过程而被广泛采用。但是使用常规压铸机在大气环境下熔炼和压铸成型，金属熔料内部的气体容易卷入模具型腔中，进而造成气泡等工艺缺陷。

随着产品的结构越来越复杂，性能和外观要求越来越高。为了解决在成型过程中空气卷入熔料中使铸件产生气泡的问题，现有技术一般通过使模具的型腔处于真空状态，以提高铸件的品质、成品率等，由此真空压铸成为提高铸件品质、韧性结构的必由之路。

图1所示为现有技术的真空熔炼压铸成型设备的结构示意图。该真空熔炼压铸设备包括：第一驱动装置中用于驱动压射杆向上运动将金属坯料送入产品成型模具内的气缸1，带动压射杆5在真空腔体内运动的气缸杆2。真空圆筒4上设置抽气孔19，对真空圆筒4内部抽真空，实现真空环境。金属坯料7在熔炼位置的料管8内被加热成熔融状态，料管8采用石墨材料制成。压射杆5上安装有石墨材料制成的压射冲头6，金属坯料7放置在石墨压射冲头6上，在气缸1驱动下，压射杆5可带动石墨压射冲头6上的金属坯料在料管8内部做往复运动。熔炼装置还包括高频感应线圈16，其位于真空圆筒4外部，通过高频感应线圈16对料管8内部的金属坯料7进行感应加热。为了避免熔炼时真空圆筒4因电磁感应而温度升高，在真空圆筒4外面装有水冷装置17。对金属坯料的熔炼完成后，压射杆5推动熔融状态的金属坯料7至产品成型模具，并在模具型腔内降温冷却成型。

然而，由于金属坯料的熔炼温度很高，例如非晶金属材料，熔炼的温度高达900-1200℃。在该现有技术中，如用感应线圈16熔炼非晶金属材料时，压射冲头6在料筒8内部，非晶金属材料放在该压射冲头6上，在熔融时非晶金属坯料7与压射冲头6及料筒8直接接触。这样，非晶金属坯料的热量会直接传递到压射冲头6及料筒8上，与非晶金属坯料7接触的压射冲头6及料筒8的部位也会接近900-1200℃。

现有的压射冲头材料在如此高的温度下，强度会软化。在实际工况中，压射冲头每模都会承受极高的冲击压力，而强度软化的压射冲头使用寿命极短，不具备实际使用性能。同样，料筒8的现有材料在如此高的温度下，强度也会软化。实际工况中，料筒8的上部靠近模具的部位，每模都会承受极高的冲击压力。而强度软化的料筒8使用寿命也是极短，不具备实际使用性能。即使如图1所示的技术方案中使用石墨作为压射冲头6及料筒8的材料，由于石墨材料自身较软，呈片层状结构，以分子键为主，对分子吸引力较弱，在成型过程中受力容易片层脱落，并污染金属熔料，造成产品的不良，因此也不是理想的耐高温压铸成型材料。同时，我们也看到，在该技术方案中，只在真空圆筒4外部有水冷装置17，并没有考虑压射冲头6以及料筒8的高温受热问题。所有这些问题，导致目前还没有设备能够成功利用真空压铸技术进入实践生产中。

因此，有必要提出一种非晶金属真空熔炼成型设备以及该非晶金属真空熔炼成型设备的使用方法，解决压射冲头及料筒在高温下强度软化问题，延长压射冲头及料筒的使用寿命，并能承受冲击压力，提高铸件良率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种非晶金属真空熔炼成型设备及其使用方法，其能够解决上述技术问题，并能高效、可靠地生产制品。

本发明的非晶金属真空熔炼成型设备，包括模具机架、压射装置、料筒、抽真空装置以及感应线圈，所述模具机架包括立柱、固定在该立柱上方的定模板、与该定模板相对设置的动模板，以及位于该立柱上方的模具，所述模具包括相对设置的动模具和定模具，两者形成模具型腔，并由活塞杆连接，可通过活塞杆轴向开/合模，该定模具固定在该定模板上，该动模具固定在该动模板上；所述压射装置包括压射油缸、压射杆及压射冲头，三者位于同一轴向，所述压射杆连接所述压射油缸及所述压射冲头；所述料筒用于放置待熔炼的非晶金属坯料，其连接位于其上方的模具型腔以及位于其下方的该压射装置，从而形成轴向的压射通道；所述抽真空装置为所述压射通道提供与外界密封隔离的真空环境；所述感应线圈位于所述料筒的下方外侧，其为锥形感应线圈或部分锥形感应线圈，用于熔炼非晶金属坯料并使其在熔炼时悬浮在熔炼位置。

根据本发明的一个实施例，所述感应线圈还包括设置在所述锥形感应线圈或部分锥形感应线圈的顶部的一圈或若干圈的反接线圈，用以提供反向磁场。

根据本发明的一个实施例，所述料筒包括位于下方的陶瓷料筒、以及位于上方靠近模具的金属料筒，该陶瓷料筒与该金属料筒同心对齐连接。

根据本发明的一个实施例，所述感应线圈位于该陶瓷料筒外部。所述陶瓷料筒通过一个弹性固定装置弹性固定在该定模扳上；所述弹性固定装置位于该感应线圈上方，其包括固定螺钉、弹簧以及固定连接件，该弹簧位于该固定螺钉与该固定连接件之间，并预紧。

根据本发明的一个实施例，所述金属料筒中或者其周围设有温控装置，用以提升该金属料筒的温度。

根据本发明的一个实施例，所述抽真空装置包括位于定模具内的抽气口、位于所述压射杆外侧周围的压射罩、以及该压射罩下方的抽气口，该压射罩的抽气口与该定模具的抽气口配合，使压射罩、模具型腔以及压射通道处于真空状态。

根据本发明的一个实施例，所述压射装置内设有冷却装置，该冷却装置包括位于该压射杆、压射冲头内部的冷却腔以及位于该压射杆内部的中空冷却管，冷却介质位于该冷却腔以及该中空冷却管内。

根据本发明的一个实施例，所述冷却介质为水、水基冷却液、油、或油基冷却液。

根据本发明的一个实施例，所述压射冲头的材料选用以金属为基材的复合材料、钢材料、球墨铸铁、铜合金或工程陶瓷材料。

本发明还提供一种该非晶金属真空熔炼成型设备的使用方法，包括以下步骤：活塞杆带动动模板上的动模具向上移动，使动模具与定模具分开；压射油缸通过压射杆推动压射冲头向上运行到定模具的口部；将非晶金属坯料放到该压射冲头的上端面；压射油缸通过压射杆带动压射冲头向下沿料筒运行到熔炼位置停止；动模板以及动模板上的动模具向下移动，并与定模具合紧；抽真空装置对压射通道抽真空；向锥形感应线圈或部分锥形感应线圈通入高频或中频电流，产生向上的电动力，使得非晶金属坯料悬浮在熔炼位置；非晶金属坯料悬浮后，压射冲头向下移出熔炼位置；持续通电使得非晶金属坯料升温并熔炼成非晶金属熔液；压射油缸通过压射杆推动压射冲头向上运行，将非晶金属熔液压入模具型腔中，压铸、冷却成型；对压射通道泄压；动模板及其上的动模具向上移动，使得动模具与定模具分开，取出铸好的工件；再进行下一模的熔炼成型。

相比于现有技术，本发明在对非晶金属坯料进行熔炼时，由于锥形感应线圈或部分锥形感应线圈的存在，产生感应磁场，对感应线圈内部的金属坯料产生向上的电动力，并使金属坯料在熔炼时悬浮在空中，不与压射冲头及料筒接触。这样，熔炼时压射冲头可以向下移动并离开熔炼位置而不用一直在熔炼位置托举着该金属坯料被动受热，压射冲头的温度可以降到比较低，从而延长压射冲头的使用寿命又不会对金属坯料造成污染。

同时，由于压射冲头的温度控制在较低的温度，其可以进一步持续用例如冷水进行控温。相比于油冷方式，水冷的冷却效果更好。由于压射冲头的温度较低，压射冲头内部即使通入水作为冷却介质，也不会产生水蒸气，当然不会因为水蒸气难以排出而影响温控效果。这相比于只能通入冷却油作为冷却液的现有技术方案，成本明显降低，整体技术方案对压射冲头的降温效果更好。

另外，由于压射冲头的温度可以控制在较低的温度，并及时离开了熔炼位置，因此压射冲头的材料选择更广泛。相比于现有技术中采用石墨作为压射冲头的材料，本发明的压射冲头不会因为石墨片层脱落而污染金属坯料溶液，也不会影响压铸效果。同时，相对于陶瓷材料或者石墨材料，金属材料或以金属为基材的复合材料作为压射冲头，有更高的强度，并可具有更高的使用寿命。

其次，料筒采用两部分，熔炼位置用陶瓷料筒，靠近模具位置用金属料筒，既利用了陶瓷料筒的耐高温和保温性能，又利用了金属的抗冲击强度优势。进一步地，陶瓷料筒采用弹性固定方式，固定螺钉与固定连接件之间有弹簧，可以削减压射时产生的过大的冲击力，保护陶瓷料筒。

最后，上方模具抽真空是通过模具上的抽气口141抽出空气，下方压射罩124抽真空是通过压射罩124上的抽气口125抽出空气，压射罩124与模具的抽气口141之间的压射通道区域形成一个类似真空腔的环境，料筒130位于这个真空环境中。并且，因为压射罩124位于上架板114与下架板113之间的区域，而不是位于动模板118的顶部。相比于压射罩位于动模板顶部的技术方案而言，本发明的压射罩所在的位置排除了由于动模板上下移动而影响密封性的可能，这样的设置，充分节约了空间，并且增强了真空效果，确保整个熔炼压铸是在真空环境进行的。

通过以上方案，解决了压射冲头及料筒在高温下强度软化问题，延长压射冲头及料筒的使用寿命，并能承受冲击压力，提高铸件良率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为现有技术的真空熔炼压铸成型设备的结构示意图。

图2为本发明一个实施例的非晶金属真空熔炼成型设备的结构示意图。

图3为图2的部分放大示意图。

图4为本发明金属料筒132与陶瓷料筒131之间的连接方式的一个实施例的示意图。

图5为本发明金属料筒132的温控装置的第二个实施例示意图。

图6为本发明金属料筒132的温控装置的第三个实施例示意图。

图7为本发明金属料筒132的温控装置的第四个实施例示意图。

图8为本发明感应线圈151的第一个实施例示意图。

图9为本发明感应线圈152的第二个实施例示意图。

图10为本发明感应线圈153的第三个实施例示意图。

图11为本发明感应线圈154的第五个实施例示意图。

图12为本发明感应线圈155的第六个实施例示意图。

图13为本发明感应线圈156的第七个实施例示意图。

图14为本发明感应线圈的容纳空间的第二个实施例示意图。

图15为本发明感应线圈的容纳空间的第三个实施例示意图。

图16为本发明感应线圈的容纳空间的第四个实施例示意图。

图17为本发明感应线圈的容纳空间的第五个实施例示意图。

图18为本发明的压射装置的冷却装置结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明详细说明如下。

图2为本发明一个实施例提供的非晶金属真空熔炼成型设备的结构示意图，图3为图2的部分放大示意图。如图2及图3所示，本发明的该非晶金属真空熔炼成型设备包括模具机架110、压射装置120、料筒130、抽真空装置、以及感应线圈151。其中所述模具机架110包括立式框状的底座111、由该底座111延伸的四根立柱112、下架板113、上架板114以及模具115，该下架板113以及上架板114分别固定在该立柱112上，并且相对设置，形成一个空间116；所述模具115包括相对设置的动模具1151以及定模具1152，两者形成一模具型腔1153，并可轴向开/合模。所述模具机架110还包括相对的定模板117及动模板118、活塞杆119以及合模油缸1190，上述定模具1152固定在该定模板117上，上述动模具1151固定在该动模板118下方，所述定模板117及所述动模板118之间设有四根活塞杆119，所述四根活塞杆119分别与其下方的四个合模油缸1190相连，所述合模油缸1190分别固定在该上架板114以及下架板113上，并放置在该上架板114和该下架板113的空间116内，其可以驱动活塞杆119上下运动，从而活塞杆119带动该动模板118以及固定在该动模板118下方的动模具1151沿轴向运动，完成开模/合模。这种设置，合模油缸1190放置在上架板114和下架板113之间的空间116内，充分节约了空间。

所述压射装置120包括一压射油缸121、压射杆122以及压射冲头123，三者均位于同一轴向上，所述压射杆122连接所述压射油缸121及所述压射冲头123。

所述料筒130用于放置待熔炼的非晶金属坯料，其连接位于其上方的模具型腔1153以及位于其下方的该压射装置120，从而模具型腔1153、料筒130、压射装置120三者形成轴向的压射通道。具体来说，该料筒130位于该定模板117内，本发明的料筒130的结构设计为由两部分组成：位于下方熔炼位置的陶瓷料筒131以及位于上方模具位置的金属料筒132，两者以同心对齐方式连接。在熔炼位置的料筒131采用陶瓷材料，因为陶瓷材料符合此处耐高温的要求，同时陶瓷材料的隔热性比金属好，而又对非晶金属熔液有保温的效果，且此处受冲击的强度不高，陶瓷材料可以承受。而在靠进定模具1152的位置采用金属料筒132，由于此处每模都会受到较高的冲击，金属材料的抗冲击性好。在该金属料筒132上方，该定模具1152内还设置与该金属料筒132连接的套管133，该套管133的另一端与该模具型腔1153连接。这样，压射杆122的通道、陶瓷料筒131、金属料筒132、套管133以及模具型腔1153就形成一个轴向的压射通道，金属坯料熔融后，被压射装置120经由该压射通道向上推动至模具型腔1153，并在该处完成压铸成型。

所述抽真空装置用于为所述压射通道提供与外界密封隔离的真空环境。该抽真空装置包括位于定模具1152内的抽气口141，其用于将模具型腔1153抽真空；还包括位于所述压射杆122外侧的压射罩124以及该压射罩124下方的抽气口125。该压射罩124置于该压射杆122周围，实际工况作业时，抽气口125一直对压射罩124内部抽真空，使压射杆122周围处于真空状态，避免外界气体进入。这样，该压射罩124的抽气口125与该定模具1152内的抽气口141相配合，使得压射罩124、模具型腔1153以及整个压射通道处于真空状态。

所述感应线圈151位于所述料筒130的下方外侧，具体来说位于该陶瓷料筒131外侧，其为锥形感应线圈或者部分锥形的感应线圈，用于熔炼非晶金属坯料并使其在熔炼时悬浮在熔炼位置。根据电磁学原理，锥形感应线圈151通入高频或中频电流时，会产生感应磁场，感应磁场又会对陶瓷料筒131内部的非晶金属坯料159产生感应电流与电动力。在本发明中，所述锥形感应线圈151，环绕半径上方大，下方小，总体产生向上的电动力，克服非晶金属坯料159的重力，并把非晶金属坯料159悬浮在熔炼位置的空中。由此，在非晶金属坯料159悬浮后，该压射冲头123就可以下移退出熔炼位置，避免被动受热，而非晶金属坯料159则继续产生感应电流并逐渐升温熔炼成非晶金属熔液。这样，就克服了现有技术中感应线圈对金属坯料加热时，由于金属坯料本身的重力，使得压射冲头123必须与该金属坯料159一起处于熔炼位置用以托住该金属坯料159，由此该压射冲头123被动地同时受到感应线圈的感应加热以及金属坯料的接触传热的影响，致使自身温度过高，影响冲压强度及使用寿命。相对而言，采用本发明的锥形感应线圈或者部分锥形的感应线圈，在感应线圈151开始通入电流时，非晶金属坯料159即悬浮在熔炼位置，当其悬浮后，压射冲头123即下移，退出熔炼位置。这样，非晶金属坯料159不与压射冲头123以及周围的陶瓷料筒131接触，从而避免接触传热。

该金属料筒132与该陶瓷料筒131的连接：

如图2-3所示，在本发明的一个实施例中，该金属料筒132固定在该定模扳117上，同时该金属料筒132与该陶瓷料筒131有互相匹配的台阶用以定位对齐，以同心对齐方式连接。为保证机械装配，在本发明的一个实施例中，该陶瓷料筒131的台阶凸起与该金属料筒132的台阶下凹，轴向有装配间隙。本领域技术人员也可以理解，也可以设置为陶瓷料筒的台阶下凹，金属料筒的台阶凸起，两者同心定位连接。在本发明的一个实施例中，该台阶凸起与台阶下凹的表面有互相配合的螺纹咬合，并且用密封胶带密封。

如图4所示，为本发明另一个实施例的金属料筒与陶瓷料筒同心对齐连接的结构示意图。在该实施例中，该金属料筒132与该陶瓷料筒131之间没有台阶定位。金属料筒132与该定模扳117之间有定位，陶瓷料筒131与该定模扳117之间有定位，这样也能保证该金属料筒132与该陶瓷料筒131之间的同心度。

该陶瓷料筒131与该定模扳117的连接关系：

在本发明一个实施例中，该陶瓷料筒131直接嵌在该定模板117内。

在本发明另一个实施例中，为了提高该陶瓷料筒131的抗冲击力，将该陶瓷料筒131弹性固定在该定模扳117上，如图3及图4所示。如图4所示为该陶瓷料筒131弹性固定方式示意图。该陶瓷料筒131外侧设置一个弹性固定装置160，该弹性固定装置160位于该感应线圈151的上方并且不与该感应线圈151接触，其包括固定螺钉161、弹簧162以及固定连接件163。该弹簧162位于该固定螺钉161与该固定连接件163之间，并用一定的预紧力进行预紧。当压射产生过大的冲击力时，该弹簧162能形变并缓冲冲击力；冲击力结束时，该弹簧162会恢复原状。这样就可以保护该陶瓷料筒131进一步抵消冲击力的影响。

进一步来说，该固定连接件163为圆环状或半环状，一方面可以通过半环或圆环压住该陶瓷料筒131，另一方面有隔磁效果。在本发明的一个实施例中，该固定连接件163为一个完整的圆环状结构。在本发明的另一个实施例中，该固定连接件163为两个半环拼成的一个圆环。该固定连接件163的材料为不导磁但导电的金属，例如紫铜、铝铜、不锈钢等。该固定连接件163有足够的厚度，可以产生感应磁场，这样，该感应线圈151的磁力线向上穿到该固定连接件163或者该固定连接件163的中心孔时，该固定连接件163会在其表面或者中心孔产生感应磁场，用来抵消该感应线圈151的向上的磁力线。由此，该固定连接件163可以起到稳定处于磁场中的悬浮物体的作用，使其不至于向上超出熔炼位置。同时，该感应线圈151的外围，近距离没有其他零件与该感应线圈151接触，故没有其他金属零件与该感应线圈151的磁力之间产生相互影响；同时该感应线圈151外围的磁力很弱，且衰减很快，故感应线圈的磁力可以使非晶金属坯料稳定地悬浮在熔炼位置，不会受到其他干扰。

该弹性固定装置160的弹簧162为矩形螺旋弹簧，此种弹簧的截面积大，能承受的承载负荷较大，能吸收的能量也较大。装配时，该矩形螺旋弹簧162装在该固定螺钉161的外面，该固定螺钉161作为该弹簧的导向轴。该弹簧162的两端与周围的其他零件接触，并且接触面要比该弹簧的外径大。装配后该弹簧162处于已压缩1毫米左右的压缩量的状态，此为初始绕曲量。因弹簧的力的计算公式为：弹簧力=弹簧参数×压缩量，故此时该弹簧162就具有初始的弹簧力。如果受到的外力小于初始的弹簧力，则被固定的陶瓷料筒131不会摆动；如果受到的外力大于初始的弹簧力，则弹簧的压缩量增大，即弹簧力相应增大，使弹簧力与外力平衡。此时，由于弹簧的压缩量增大，固定的陶瓷料筒131会轻微摆动。应该注意的是，此处的摆动是非常轻微的摆动，只是为了平衡冲击力，防止陶瓷料筒131因冲击力过大而破损的一个特别设计。这种轻微的摆动会带动与陶瓷料筒131密封的金属料筒132一起进行非常轻微的摆动，而不会影响两者的密封性。

在本发明的一个实施例中，该弹簧162为其他的弹性材料，如弹性垫板。

关于金属料筒132的温控装置：

非晶金属坯料159在熔炼位置受热熔融时，会对周围的金属料筒132以及陶瓷料筒131进行传热，由此会引起金属料筒132的温度升高。为了使金属料筒132与非晶金属熔液之间的温差尽量减小，其温度需要尽量提高，以免由于金属料筒132的温度过低而使得非晶金属熔液还未压铸成型之前就被迫冷却从而影响压铸效果，因此在该金属料筒132中或其周围设置温控装置，用以提升该金属料筒132的温度。

在本发明的温控装置的第一个实施例中，如图3或图4所示，在该金属料筒132中设有温控液槽1320，以尽可能提升该金属料筒132的温度。在本实施例中，该温控液槽1320位于该金属料筒132的内部。在实际工况中，由于非晶金属熔液向模具型腔压射这个阶段才会与金属料筒132直接接触，这个时间很短，之后立即开始压铸制品冷却成型的阶段。在该温控液槽1320的作用下，该金属料筒132的温度已经尽可能得到了提高，非晶金属熔液与该金属料筒132之间的温差已经减小，而且非晶金属熔液在熔炼时的温度控制上有工艺余量。金属材质相对于石墨材质而言，不会像石墨材质那样脱落石墨层。因此，此处非晶金属熔液与该金属料筒132的短暂接触不会由于温度低或污染影响到非晶金属制品的品质。

如图5所示，为本发明第二个实施例的温控装置结构示意图。在该实施例中，该金属料筒132外缠绕若干圈的温控管1321，该温控管1321内通入温控液例如水或油，以控制该金属料筒132的温度。在本实施例中，该温控管1321缠绕在金属料筒132的外围。在另一个实施例中，该金属料筒132的外围设置环绕该金属料筒132的凹槽，该温控管1321放置在这些凹槽内。

如图6所示，为本发明第三个实施例的温控装置结构示意图。在该实施例中，该金属料筒132外缠绕若干圈的电热丝1322，该电热丝1322加热，以提高并控制金属料筒132的温度。在本实施例中，该电热丝1322缠绕在金属料筒132的外围。在另一个实施例中，该金属料筒132的外围设置环绕该金属料筒132的凹槽，该电热丝1322放置在这些凹槽内。

如图7所示，为本发明第四个实施例的温控装置结构示意图。在该实施例中，该金属料筒132内部开有槽孔，电热棒1323安装在该槽孔中，加热该电热棒1323，用以提高并控制金属料筒132的温度。

关于感应线圈：

如图2及3所示，所述陶瓷料筒131的外侧对应于该熔炼位置，该感应线圈151即位于该陶瓷料筒131的外侧，盘旋环绕为总体呈锥形的结构，其材料为紫铜管，用来导电。该感应线圈151为中空结构，内部通冷却液，用来进行冷却。

在本发明中，该感应线圈为锥形感应线圈或者部分锥形感应线圈。进一步地，该感应线圈在上述的锥形感应线圈或者部分锥形感应线圈的基础上，顶部还设置反向线圈。具体来说：

如图8所示，为本发明的感应线圈151结构的第一个实施例示意图。由图8可以看出，该感应线圈151为最基本的锥形感应线圈。所述锥形，指的是各匝感应线圈的边缘处的切面连线（如图8的虚线所示）相对于竖轴有夹角，而非相互平行，如图8所示。也即是说，相邻的各匝感应线圈的缠绕直径由上至下顺次递减。优选地，所述各匝感应线圈边缘处的切面连线与竖直方向的夹角为1度小于60度，优选为2-45度，再优选为3-30度，最优选为4-15度。该夹角为0即与竖轴平行，无法克服金属坯料159自身重力使之悬浮；夹角过大，悬浮的位置又会远远高于熔炼位置，导致无法加热金属坯料159。因此，夹角大小的选择是一个因素。

对感应线圈151，其设计的最终目的就是使非晶金属坯料159在熔炼时悬浮在熔炼位置。为此，需要产生方向向上的电磁力。为达到这一目的，感应线圈的缠绕，最好沿水平方向由下而上或由上而下顺次盘旋缠绕。本领域技术人员可以理解，综合考虑各种因素，只要能够实现电磁力向上的目的的技术方案，都在本发明的范围内。例如，在本发明的一个实施例中，为了达到电磁力向上的目的，锥形感应线圈上粗下细，线圈左旋，电流从上往下流动。

各匝感应线圈之间的疏密对加工效果也有影响，太疏，无法克服金属坯料自身的重力；太密，向上的电动力太大，使得金属坯料上浮，而高出熔炼位置，受热不理想。因此，相邻两匝线圈之间的间距（即相邻两匝感应线圈之间的间隙宽度）为感应线圈自身直径的0.1-3倍，优选为0.2-2倍，最优选为0.3-1.5倍。

为了使非晶金属熔液悬浮在感应线圈的中部，受热更充分，本发明还在上述锥形感应线圈的基础上作了不同的改进，以下为部分锥形感应线圈的设计。

如图9所示为本发明的第二个实施例的感应线圈152的结构示意图。该感应线圈152顺次螺旋缠绕，为部分锥形感应线圈，其包括两部分，上部为上粗下细的锥形感应线圈，下部有一段为环形环绕的圆柱形感应线圈，即各匝线圈边缘处的切面连线平行于竖直方向。

如图10所示为本发明第三个实施例的感应线圈153的结构示意图。该感应线圈153顺次螺旋缠绕，为部分锥形感应线圈，其包括两部分，上部为环形环绕的圆柱形感应线圈，下部为上粗下细的锥形感应线圈。这种结构的感应线圈的好处是，环形环绕的感应线圈可以控制金属坯料使其不高于环形环绕的感应线圈，即使在下方的锥形环绕的感应线圈与竖直方向的夹角稍大时，也能控制金属坯料始终位于熔炼位置。

本发明的第四个实施例的感应线圈与图10类似，顺次螺旋缠绕，为部分锥形感应线圈，其下部同样为上粗下细的锥形感应线圈，所不同的是：上部为上细下粗的倒锥形感应线圈。

如图11所示为本发明第五个实施例的感应线圈154的结构示意图。该感应线圈154顺次螺旋缠绕，为部分锥形感应线圈，其包括三部分，中间为上粗下细的锥形感应线圈，上部及下部分别设置一段环形环绕的圆柱形感应线圈。

如图12所示为本发明第六个实施例的感应线圈155的结构示意图。该感应线圈155顺次螺旋缠绕，为部分锥形感应线圈，其包括两部分，上部为上粗下细的锥形感应线圈，下部设置上细下粗的锥形感应线圈，以调整磁力的大小。

在上述锥形感应线圈、部分锥形感应线圈的基础上，为了进一步控制非晶金属坯料稳定处于熔炼位置，本发明还做了进一步改进。具体如下：

如图13所示，为本发明第七个实施例的感应线圈156的结构示意图。其在图8所示的锥形感应线圈的基础上，在该上粗下细的锥形感应线圈顶部，设置有一圈或若干圈的反接线圈。该反接线圈可以产生反向的磁场，对处于感应线圈内部的悬浮非晶金属物块具有稳定作用。

本领域技术人员可以理解，对于上述的各个实施例的感应线圈，均可以如感应线圈156一样，在顶部设置反接线圈，产生反向磁场，来稳定悬浮在其中的物块。也就是说，在本发明中，优选地，除了以上所述的锥形感应线圈或者部分锥形感应线圈之外，该感应线圈还包括设置在其顶部的一圈或若干圈反接线圈。

感应线圈的容纳空间：

如图2-3及图4所示，本发明的感应线圈容纳空间的第一个实施例为：该感应线圈151位于该陶瓷料筒131外部，陶瓷料筒131外部设置一环锥形凹槽，用以放置该感应线圈。该感应线圈151则缠绕在该陶瓷料筒131的凹槽位置。

如图14所示为本发明的感应线圈容纳空间的第二个实施例示意图。该陶瓷料筒131下部与感应线圈相对应的部分开有一个剖面为锥形的空间，用于容纳该感应线圈151，陶瓷料筒外部除该感应线圈位置外的其他部分仍为筒状。

如图15所示为本发明的感应线圈容纳空间的第三个实施例示意图。该陶瓷料筒131下部开有剖面为三角形的空间用于容纳线圈。可选地，在放好线圈后，用耐火材料填充多余空间。

如图16所示，为本发明的感应线圈容纳空间的第四个实施例示意图。在陶瓷料筒131的外侧设置一过渡套1312，过渡套1312的形状依据所需的感应线圈的形状而定，感应线圈缠绕在过渡套1312外面。

如图17所示，为本发明的感应线圈容纳空间的第五个实施例示意图。其在图14所示的放置线圈的位置，设置类似螺纹的凹槽，用于固定感应线圈，防止线圈在工作中脱落。本领域技术人员可以理解，以上其他各实施例的感应线圈容纳空间中，均可设置类似螺纹的凹槽来固定所需的感应线圈。

冷却装置：

如图18所示，本发明的压射装置内设置有冷却装置。具体来说，该压射装置的连接接头126连接该压射冲头123以及该压射杆122，该压射杆122、连接接头126与该压射冲头123内部分别有冷却腔128、129，压射杆122内部设有中空的冷却管127。顺着压射杆122、连接接头126与压射冲头123内部的冷却腔128、129，以及压射冲头123内部的中空的冷却管127，冷却介质进行循环流动，从而对压射冲头进行冷却降温。

该冷却介质可以为水、也可以为其他冷却介质，例如用油冷却、用水乙二醇冷却。可以选择以水为主的水基冷却液，增加添加剂，例如将皂化液母液与水以1:10的比例配置的皂化液；也可以选择以油为主的油基冷却液，添加添加剂，例如以植物油或环烷酯为基础增加各种添加剂。

与现有技术中在熔炼时压射冲头必须处于熔炼位置托举金属料块的方案相比，现有技术中，即使采用冷却装置对压射冲头进行冷却，也只能选择油类冷却介质，不能选择水类冷却介质。因为在高温下，水会汽化成水蒸气，无法及时排出，从而影响对压射冲头的冷却效果。相对地，本发明一个显著的优点是，因为熔炼时压射冲头退出熔炼位置，非晶金属坯料可以悬浮在熔炼位置，并且压射冲头内部还设置有冷却装置，这使得压射冲头的温度比现有技术中显著降低。这样，本发明可以选用廉价的冷却水作为冷却介质，冷却水在压射冲头附近的冷却腔内也不会被汽化，从而达到对压射冲头的冷却降温。

同时，由于以上方法能够控制所述压射冲头123的温度处于较低水平，所述压射冲头123的材料选择面广，可选的材料包括但不限于以金属为基材的复合材料，例如基材为45号钢外面喷涂陶瓷涂层，或者基材为45号钢外面喷涂镍基合金；也可以选用钢材料，例如H13、SKD61；也可以选用球墨铸铁，例如QT600-3、QT500-7、QT450-10；也可以选用铜合金，例如铍青铜、钨铜合金、QAI10-5-5；还可以选用工程陶瓷材料，例如氮化硅、碳化硅。

本发明还提供一种上述非晶金属真空熔炼成型设备的使用方法，其包括如下步骤：活塞杆119带动动模板118上的动模具1151向上移动，使动模具1151与定模具1152分开；压射油缸121通过压射杆122推动压射冲头123向上运行到定模具1152的口部；将非晶金属坯料159放到该压射冲头123的上端面；压射油缸121通过压射杆122带动压射冲头123向下沿料筒130运行到熔炼位置停止；动模板118以及动模板118上的动模具1151向下移动，并与定模具1152合紧；抽真空装置对压射通道抽真空；向锥形感应线圈或部分锥形感应线圈通入高频或中频电流，产生向上的电动力，使得非晶金属坯料159悬浮在熔炼位置；非晶金属坯料159悬浮后，压射冲头123向下移出熔炼位置；持续通电使得非晶金属坯料159升温并熔炼成非晶金属熔液；压射油缸121通过压射杆122推动压射冲头123向上运行，将非晶金属熔液压入模具型腔1153中，压铸、冷却成型；对压射通道泄压；动模板118及其上的动模具1151向上移动，使得动模具1151与定模具1152分开，取出铸好的工件；再进行下一模的熔炼成型。

在本发明的非晶金属真空熔炼成型设备的使用方法的一个实施例中，该模具机架110还包括相对设置的上架板114和下架板113，该活塞杆119与位于该上架板114与该下架板113之间的空间内的合模油缸1190连接，并由该合模油缸1190驱动沿轴向上下运动。

在本发明的非晶金属真空熔炼成型设备的使用方法的一个实施例中，该压射装置120内设有冷却装置，在每模熔炼压铸成型过程中，开启该冷却装置对该压射装置进行冷却。

在本发明的一个具体实施例中，其整个作用过程如下：四个合模油缸1190驱动动模板118向上移动，合模油缸1190中的活塞杆119既有连接作用，又有导向作用。动模板118上的动模具1151也随之向上移动。而定模板117与定模具1152则固定不动。这样，动模具1151与定模具1152分开。此时，下方的压射油缸121通过压射杆122推动压射冲头123向上运行到定模具1152的口部。此时将非晶金属坯料159放到压射冲头123的上端面。压射油缸121通过压射杆122带动压射冲头123向下沿着金属料筒132和陶瓷料筒131运行到熔炼位置停止。四个合模油缸1190驱动动模板118向下移动，动模板118上的动模具1151也随之向下移动，并与定模具1152合紧。抽真空系统通过定模具1152上的抽气口141对动模具1151及定模具1152内部抽真空；并通过压射罩124上的抽气口125对压射罩124内部一直抽真空。在熔炼位置，陶瓷料筒131外侧有锥形感应线圈151。通入高频或中频的电流时，该锥形感应线圈151会产生感应磁场，对放置在其中的非晶金属坯料159产生向上的电动力，克服非晶金属坯料159的重力，并使其悬浮在空中。非晶金属坯料159悬浮后，压射冲头123向下移，并退出熔炼位置。非晶金属坯料159继续产生感应电流并逐渐升温熔炼成非晶金属熔液。此时在下方的压射油缸121通过压射杆122推动压射冲头123向上运行，并将非晶金属熔液压入动模具1151与定模具1152之间的模具型腔1153中，实现压铸机冷却成型。再通过定模具1152上的抽气口141对动模具1151与定模具1152内部输送空气并泄压。然后四个合模油缸1190驱动动模板118向上移动，动模板118上的动模具1151随之向上移动，这样动模具1151与定模具1152分开，再取出铸好的工件。下方的压射油缸121通过压射杆122推动压射冲头123向上运行到动模具1151的口部，再将非晶金属坯料159放到压射冲头123上端面，并进行下一模的熔炼成型。

在整个过程中，压射杆122内部的冷却管127、压射冲头123内部的冷却腔129等，一直进行冷却水循环流动，对压射冲头123进行冷却降温。同时，金属料筒132附近的温控装置一直对该金属料筒132进行加热以提升其温度。

综上所述，本发明在对非晶金属坯料进行熔炼时，由于锥形感应线圈或部分锥形感应线圈的存在，产生感应磁场，对感应线圈内部的金属坯料产生向上的电动力，并使金属坯料在熔炼时悬浮在空中，不与压射冲头及料筒接触。这样，熔炼时压射冲头可以向下移动并离开熔炼位置而不用一直在熔炼位置托举着该金属坯料被动受热，压射冲头的温度可以降到比较低，从而延长压射冲头的使用寿命又不会对金属坯料造成污染。

同时，由于压射冲头的温度控制在较低的温度，其可以进一步持续用例如冷水进行控温。相比于油冷方式，水冷的冷却效果更好。由于压射冲头的温度较低，压射冲头内部即使通入水作为冷却介质，也不会产生水蒸气，当然不会因为水蒸气难以排出而影响温控效果。这相比于只能通入冷却油作为冷却液的现有技术方案，成本明显降低，整体技术方案对压射冲头的降温效果更好。

另外，由于压射冲头的温度可以控制在较低的温度，并及时离开了熔炼位置，因此压射冲头的材料选择更广泛。相比于现有技术中采用石墨作为压射冲头的材料，本发明的压射冲头不会因为石墨片层脱落而污染金属坯料溶液，也不会影响压铸效果。同时，相对于陶瓷材料或者石墨材料，金属材料或以金属为基材的复合材料作为压射冲头，有更高的强度，并可具有更高的使用寿命。

其次，料筒采用两部分，熔炼位置用陶瓷料筒，靠近模具位置用金属料筒，既利用了陶瓷料筒的耐高温和保温性能，又利用了金属的抗冲击强度优势。进一步地，陶瓷料筒采用弹性固定方式，固定螺钉与固定连接件之间有弹簧，可以削减压射时产生的过大的冲击力，保护陶瓷料筒。

最后，上方模具抽真空是通过模具上的抽气口141抽出空气，下方压射罩124抽真空是通过压射罩124上的抽气口125抽出空气，压射罩124与模具的抽气口141之间的压射通道区域形成一个类似真空腔的环境，料筒130位于这个真空环境中。并且，因为压射罩124位于上架板114与下架板113之间的区域，而不是位于动模板118的顶部。相比于压射罩位于动模板顶部的技术方案而言，本发明的压射罩所在的位置排除了由于动模板上下移动而影响密封性的可能，这样的设置，充分节约了空间，并且增强了真空效果，确保整个熔炼压铸是在真空环境进行的。

通过以上方案，解决了压射冲头及料筒在高温下强度软化问题，延长压射冲头及料筒的使用寿命，并能承受冲击压力，提高铸件良率。

本发明的非晶金属真空熔炼成型设备可以用于生产非晶金属制品，包括手机壳、手表壳、笔记本电脑壳、耳机壳、医疗器械、运动器械等，因此具有广泛的应用前景。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (36)

1.一种非晶金属真空熔炼成型设备，包括模具机架、压射装置、料筒、抽真空装置以及感应线圈，

所述模具机架包括立柱、固定在该立柱上方的定模板、与该定模板相对设置的动模板，以及位于该立柱上方的模具，所述模具包括相对设置的动模具和定模具，两者形成模具型腔，并由活塞杆连接，可通过活塞杆轴向开/合模，该定模具固定在该定模板上，该动模具固定在该动模板上；

所述压射装置包括压射油缸、压射杆及压射冲头，三者位于同一轴向，所述压射杆连接所述压射油缸及所述压射冲头；

所述料筒用于放置待熔炼的非晶金属坯料，其连接位于其上方的模具型腔以及位于其下方的该压射装置，从而形成轴向的压射通道；

所述抽真空装置为所述压射通道提供与外界密封隔离的真空环境；

所述感应线圈位于所述料筒的下方外侧，其为锥形感应线圈或部分锥形感应线圈，用于熔炼非晶金属坯料并使其在熔炼时悬浮在熔炼位置。

2.根据权利要求1所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述感应线圈顺次盘旋缠绕，为上粗下细的锥形感应线圈。

3.根据权利要求1所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述感应线圈顺次盘旋缠绕，为部分锥形感应线圈，包括位于上部的上粗下细的锥形感应线圈以及位于下部的环形环绕的圆柱形感应线圈。

4.根据权利要求1所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述感应线圈顺次盘旋缠绕，为部分锥形感应线圈，包括位于上部的环形环绕的圆柱形感应线圈以及位于下部的上粗下细的锥形感应线圈。

5.根据权利要求1所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述感应线圈顺次盘旋缠绕，为部分锥形感应线圈，包括位于上部的上粗下细的锥形感应线圈以及位于下部的上细下粗的锥形感应线圈。

6.根据权利要求1所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述感应线圈顺次盘旋缠绕，为部分锥形感应线圈，包括位于中间的上粗下细的锥形感应线圈以及位于上部及下部的环形环绕的圆柱形感应线圈。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述感应线圈还包括设置在所述锥形感应线圈或部分锥形感应线圈的顶部的一圈或若干圈的反接线圈，用以提供反向磁场。

8.根据权利要求1所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述感应线圈为紫铜管，内部为中空结构，通冷却液。

9.根据权利要求1所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述感应线圈的各匝边缘处的切面连线与竖直方向的夹角为1度到60度。

10.根据权利要求1所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述感应线圈的相邻两匝线圈之间的间距为感应线圈自身直径的0.1-3倍。

11.根据权利要求1所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述料筒包括位于下方的陶瓷料筒、以及位于上方靠近模具的金属料筒，该陶瓷料筒与该金属料筒同心对齐连接。

12.根据权利要求11所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述陶瓷料筒与所述金属料筒有互相匹配的台阶用以定位对齐连接。

13.根据权利要求11所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述感应线圈位于该陶瓷料筒外部。

14.根据权利要求13所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述陶瓷料筒外部设置环锥形凹槽，用以放置该感应线圈。

15.根据权利要求13所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述陶瓷料筒外部开有剖面为锥形的空间，用于容纳该感应线圈。

16.根据权利要求13所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述陶瓷料筒下部开有剖面为三角形的空间，用于容纳感应线圈。

17.根据权利要求13所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述陶瓷料筒的外侧设置与所需感应线圈形状匹配的过渡套，感应线圈缠绕在该过渡套外。

18.根据权利要求17所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述该陶瓷料筒或该过渡套的与感应线圈接触的位置设置有凹槽，用于固定感应线圈。

19.根据权利要求11所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述陶瓷料筒直接嵌在该定模扳上。

20.根据权利要求11所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述陶瓷料筒通过一个弹性固定装置弹性固定在该定模扳上。

21.根据权利要求20所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述弹性固定装置位于该感应线圈上方，其包括固定螺钉、弹簧以及固定连接件，该弹簧位于该固定螺钉与该固定连接件之间，并预紧。

22.根据权利要求21所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述固定连接件为圆环状或半环状，其材料为不导磁但导电的金属。

23.根据权利要求21所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述弹簧为矩形螺旋弹簧，位于该固定螺钉的外面，作为该弹簧的导向轴。

24.根据权利要求11所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述金属料筒中或者其周围设有温控装置，用以提升该金属料筒的温度。

25.根据权利要求24所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述温控装置为缠绕在该金属料筒外的温控液槽。

26.根据权利要求24所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述温控装置为缠绕在该金属料筒外的若干圈温控管，该温控管内通温控液。

27.根据权利要求24所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述温控装置为缠绕在该金属料筒外的若干圈的电热丝。

28.根据权利要求24所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述金属料筒内部设有槽孔，所述温控装置为放置在该槽孔内的电热棒。

29.根据权利要求1所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述抽真空装置包括位于定模具内的抽气口、位于所述压射杆外侧周围的压射罩、以及该压射罩下方的抽气口，该压射罩的抽气口与该定模具的抽气口配合，使压射罩、模具型腔以及压射通道处于真空状态。

30.根据权利要求1所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述压射装置内设有冷却装置，该冷却装置包括位于该压射杆、压射冲头内部的冷却腔以及位于该压射杆内部的中空冷却管，冷却介质位于该冷却腔以及该中空冷却管内。

31.根据权利要求30所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：所述冷却介质为水、水基冷却液、油、或油基冷却液。

32.根据权利要求1所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：该压射冲头的材料选用以金属为基材的复合材料、钢材料、球墨铸铁、铜合金或工程陶瓷材料。

33.根据权利要求1所述的非晶金属真空熔炼成型设备，其特征在于：该模具机架还包括相对设置的上架板与下架板，合模油缸位于该上架板与该下架板之间形成的空间内，并与该活塞杆连接，驱动该活塞杆带动该动模板及动模具沿轴向上下运动，完成开/合模。

34.根据权利要求1所述的非晶金属真空熔炼成型设备的使用方法，包括以下步骤：

活塞杆带动动模板上的动模具向上移动，使动模具与定模具分开；

压射油缸通过压射杆推动压射冲头向上运行到定模具的口部；

将非晶金属坯料放到该压射冲头的上端面；

压射油缸通过压射杆带动压射冲头向下沿料筒运行到熔炼位置停止；

动模板以及动模板上的动模具向下移动，并与定模具合紧；

抽真空装置对压射通道抽真空；

向锥形感应线圈或部分锥形感应线圈通入高频或中频电流，产生向上的电动力，使得非晶金属坯料悬浮在熔炼位置；

非晶金属坯料悬浮后，压射冲头向下移出熔炼位置；

持续通电使得非晶金属坯料升温并熔炼成非晶金属熔液；

压射油缸通过压射杆推动压射冲头向上运行，将非晶金属熔液压入模具型腔中，压铸、冷却成型；

对压射通道泄压；

动模板及其上的动模具向上移动，使得动模具与定模具分开，取出铸好的工件；

再进行下一模的熔炼成型。

35.根据权利要求34所述的非晶金属真空熔炼成型设备的使用方法，其特征在于：该模具机架还包括相对设置的上架板和下架板，该活塞杆与位于该上架板与该下架板之间的空间内的合模油缸连接，并由该合模油缸驱动沿轴向上下运动。

36.根据权利要求34所述的非晶金属真空熔炼成型设备的使用方法，其特征在于：该压射装置内设有冷却装置，在每模熔炼压铸成型过程中，开启该冷却装置对该压射装置进行冷却。