CN108500223A - 一种镁基材料连续铸挤设备中的增压装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种为实现镁基材料中连续铸挤压过程中能建立有效摩擦力的镁基材料连续铸挤设备中的增压装置，其结构包括、相互配合的铸挤辊和铸挤靴座，铸挤辊的辊面上开设有铸挤槽，铸挤靴在相应侧面上设置有与铸挤槽相配合的增压轴瓦，增压轴瓦的内侧面呈圆弧形包覆在铸挤辊的辊面上，该内侧面的圆弧半径R比铸挤辊辊面的圆弧半径r大0.8～1.2毫米，并且，该增压轴瓦的内侧面与铸挤辊的铸挤槽的接触区域采用径向渐进式结构，该接触区域的展开长度L为增压轴瓦的弧度角α所对应的圆弧的长度，增压轴瓦的内侧面由上而下分为三个区域(平台区、小角度斜坡区和大角度斜坡区)。本发明所述的增压装置可广泛地应用各种镁或镁合金的连续铸挤设备中。

Description

一种镁基材料连续铸挤设备中的增压装置

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，特别涉及到一种镁基材料连续铸挤设 备中的增压装置。

背景技术

镁及其合金具有密度小、比强度和比刚度高，良好的铸造、减震、切削加 工和电磁屏蔽性能，以及资源丰富、容易回收等一系列优点，被誉为21世纪重 要的绿色工程材料。在航空航天、汽车、电子等工业领域有广泛的应用前景。

根据加工方式的不同，镁合金主要分为铸造与变形镁合金两大类，但是， 铸造工艺的镁合金存在脆性、晶粒粗大、易成分偏析、耐腐蚀性差等问题，难 以制备高性能的镁合金制品。与铸造镁合金相比，变形镁合金更具发展前途与 潜力，通过塑性变形可以消除微观空洞、偏析等铸造缺陷，而使其具有优良的 综合性能。因此，塑性成形工艺是镁合金成形的发展方向。

连续铸挤可以将合金熔体直接凝固，实现凝固与成形一体化，达到短流程 和节能的目的，同时，连续铸挤过程是在高压下的结晶凝固和塑性变形，是强 制补缩和致密化两种过程的复合，可一次大变形量加工形状复杂的制件，外加 压力提供的膨胀能增加了形核率，有利于提高材料的综合力学性能，且理论上 零件长度可以无限。因此，连续铸挤可以解决Al、Mg合金及其复合材料成形性 能差、大断面棒型材与大口径管材生产设备庞大、能耗高的技术问题，可达到 节能、节材和提高制品使用价值的目的，并易于实现工业化。

然而，镁与其它有色金属相比，熔体状态易于吸气，其液态收缩、凝固收 缩和固态收缩率较大，同时，镁与热作模具钢的摩擦系数较小，所以在镁及镁 合金的铸挤过程中，结晶凝固后易于脱离铸挤辊表面，并产生打滑现象，故不 能有效地建立摩擦力，使金属镁难于产生挤压塑性变形。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种为实现镁基材料在连续铸挤压过 程中能建立有效摩擦力的镁基材料连续铸挤设备中的增压装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种镁基材料连续铸挤 设备中的增压装置，包括：机座、活动设置在机座上的铸挤辊、通过铰接轴活 动铰接在机座上的铸挤靴座，铰接轴的轴心线与铸挤辊的轴心线平行，铸挤辊 上开设有环形的铸挤槽，铸挤靴座上在靠近铸挤辊的一侧设置有铸挤靴，铸挤 靴座与机座之间设置有使铸挤靴转动、并顶向铸挤辊的转动顶紧机构，所述的 铸挤靴在朝向铸挤辊一侧的侧面上设置有与铸挤槽相配合的增压轴瓦，增压轴 瓦的内侧面呈圆弧形包覆在所述铸挤辊的辊面上，该内侧面的圆弧半径R比铸 挤辊辊面的圆弧半径r大0.8～1.2毫米，并且，该增压轴瓦的内侧面与铸挤辊的 铸挤槽的接触区域采用径向渐进式结构，该接触区域的展开长度L为增压轴瓦 的弧度角α所对应的圆弧的长度，所述增压轴瓦的内侧面由上而下分为三个区 域，即：平台区、小角度斜坡区和大角度斜坡区，其中，小角度斜坡区和大角 度斜坡区的长度分别为L/5±10％和L/3±10％。

作为一种优选方案，在所述的镁基材料连续铸挤设备中的增压装置中，所 述铸挤辊的铸挤槽采用了梯形端面形状，其两侧面之间的夹角为18～22度；作 为进一步的优选方案，所述铸挤辊的铸挤槽的其两侧面之间的夹角为20度。

作为一种优选方案，在所述的镁基材料连续铸挤设备中的增压装置中，所 述小角度斜坡区的斜坡高度h＝6×镁的凝固收缩率K1×铸挤槽的宽度，所述大 角度斜坡区的斜坡高度H＝6×镁的固体收缩率K2×铸挤槽的宽度。

作为一种优选方案，在所述的镁基材料连续铸挤设备中的增压装置中，所 述的增压轴瓦中沿着周向分别在与平台区、小角度斜坡区和大角度斜坡区相对 应的区域分别设置有一个温度传感器。

作为一种优选方案，在所述的镁基材料连续铸挤设备中的增压装置中，所 述的转动顶紧机构包括：油缸或气缸，油缸或气缸的活塞杆与所述的铸挤靴座 活动铰接在一起，油缸或气缸的缸体活动铰接在机座上。

本发明的有益效果是：本发明中所采用的具有两段式斜坡区结构的增压轴 瓦通过径向渐进补偿方式，克服了金属镁在铸挤过程中的凝固收缩和固态收缩 率大的不利影响，使金属镁始终压紧在铸挤辊上。除此之外，本发明所设置的 与增压轴瓦配套使用的梯形铸挤槽，可以进一步放大增压轴瓦的增压效果；另 外，根据镁的凝固收缩率和固相收缩率特点，本发明将梯形铸挤槽的角度设定 18～22度之间，增加了增压轴瓦的径向应力放大倍数，铸挤槽侧面产生的摩擦 应力得到了相应幅度的提高，当梯形铸挤槽的角度为20度时，增压轴瓦的径向 应力放大倍数为2.87倍，摩擦应力增加了1.87倍。

附图说明

图1是本发明所述的增加装置的结构示意图。

图2是图1中增压轴瓦的展开图。

图3是图1中铸挤辊的局部放大结构示意图。

图1至图3中的附图标记为：1、铸挤辊，11、铸挤槽，2、流量控制器，3、 铸挤靴座，4、铸挤靴，5、增压轴瓦，6、密闭浇注器，7、铰接轴，8、油缸， 17、地基，18、机座。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明所述的一种镁基材料连续铸挤设备中的增 压装置的具体实施方案：

如图1所示，本发明所述的一种镁基材料连续铸挤设备中的增压装置，其 结构包括：机座18、活动设置在机座18上的铸挤辊1、通过铰接轴7活动铰接 在机座18上的铸挤靴座3，铰接轴7的轴心线与铸挤辊1的轴心线平行，如图 3所示，铸挤辊1上开设有环形的梯形铸挤槽11，该铸挤槽11采用了等腰梯形 端面形状，其两侧的侧面之间夹角为18～22度，本实施例中优选20度；所述 的铸挤靴座2上在靠近铸挤辊1的一侧设置有铸挤靴4，铸挤靴座3与机座18 之间设置有使铸挤靴3转动、并顶向铸挤辊1的转动顶紧机构，该转动顶紧机 构的具体结构包括：油缸8，油缸8的活塞杆与所述的铸挤靴座3活动铰接在一 起，油缸8的缸体活动铰接在与机座18的位置保持不变的地基17上(这样就 相当于间接铰接在机座18上)；所述的铸挤靴4在朝向铸挤辊1一侧的侧面上 设置有与所述的铸挤槽11相配合的增压轴瓦5，增压轴瓦5的内侧面呈圆弧形 包覆在所述铸挤辊1的辊面上，该内侧面的圆弧半径R比铸挤辊辊面的圆弧半 径r大0.8～1.2毫米，并且，该增压轴瓦5的内侧面与铸挤辊1的铸挤槽11的 接触区域采用径向渐进式结构，如图2所示，该接触区域的展开长度L为增压 轴瓦的弧度角α所对应的圆弧的长度，增压轴瓦的内侧面由上而下分为三个区 域，即：平台区A、小角度斜坡区B和大角度斜坡区C，其中，小角度斜坡区B 区和大角度斜坡区C区的长度分别为L/5±10％和L/3±10％，本实施例中，平 台区A、小角度斜坡区B和大角度斜坡区C的优选长度范围分别为7L/15、L/5 和L/5；并且，所述小角度斜坡区B的斜坡高度h＝6×镁的凝固收缩率K1×铸 挤槽的宽度，所述大角度斜坡区C的斜坡高度H＝6×镁的固体收缩率K2×铸 挤槽的宽度；所述的增压轴瓦5中沿着周向分别在与平台区A、小角度斜坡区B 和大角度斜坡区C相对应的区域分别设置有一个温度传感器(属于本领域的惯 常技术，图中未示出)。

实际应用时，所述的油缸8也可以由气缸替代，所述油缸8的缸体可以直 接铰接在机座18上。

在本发明中，用于驱动铸挤辊1的动力装置采用直流电机或变频电机等无 极调速方式，电机输出的扭矩通过弹性连轴器，将动力传至减速机进行扭矩放 大，再通过弹性连轴器传递至主机，驱动铸挤辊1转动。圆柱形的铸挤辊1表 面开设有截面为方形的铸挤槽11，铸挤靴4表面与铸挤辊1表面相贴合，形成 型腔，熔化的镁熔体浇入铸挤辊1的铸挤槽11内，在铸挤槽11内壁的冷却作 用下，液态镁逐渐凝固，同时，在铸挤槽11的内壁摩擦力的作用下运动，到达 挡料块处时已完全凝固，在铸挤辊1内壁持续的摩擦力作用下被挤出模孔。

在上述铸挤过程中，增压轴瓦5的三个区域，即：平台区A、小角度斜坡 区B和大角度斜坡区C，平台区A对应于金属液态的区域，摩擦应力τ＝0，径 向应力σ_r＝0；小角度斜坡区B对应于金属开始凝固、并逐渐充填铸挤槽11的区 域，如果不考虑金属凝固收缩的影响，此时径向应力σ_r由0逐渐增加到金属的 屈服应力σ_s，摩擦应力τ由0逐渐增加到f×σ_s。而大角度斜坡区C对应金属凝 固后的区域，如果不考虑金属固态收缩的影响，此时，径向应力σ_r＝σ_s，摩擦应 力τ＝f×σ_s。然而，由于镁的凝固收缩和固态收缩大，使径向应力σ_r变小，甚至使镁脱离铸挤槽表面，使σ_r＝0。为此，本发明在小角度斜坡区B和大角度斜坡 区C均采用斜坡的结构，以增加径向应力σ_r。

为了进一步增加增压轴瓦的增压效果，本发明采用了梯形铸挤槽11，即铸 挤辊1的铸挤槽11采用了图3所示的梯形端面形状，铸挤槽11的侧面夹角为 20度，这种结构的铸挤槽11，镁给其侧壁的压力N是增压轴瓦给金属的压力F 的2.87倍，摩擦应力增加了1.87倍，有效地阻止了镁凝固时脱离铸挤辊1的表 面、产生打滑的现象。

在实际使用过程中，基于上述镁基材料连续铸挤设备的工艺流程为：镁合金 熔体制备、熔体处理、熔体浇注、连续铸挤成形(增压)和制品冷却；其具体 过程为：

1)熔体准备

a)原料：Mg合金及辅助材料。

b)熔体炉中的熔体必须取样进行化学分析，成分合格达到浇注温度后，再 通过密闭式浇注器和TAP镁流量控制器，将镁熔体浇注到连续铸挤机的铸挤槽 中。

2)模具装配与PLC控制参数设定

a)正确选用增压轴瓦和梯形截面的铸挤辊(选择方法见表1)，增压轴瓦的 斜面部分保证与铸挤辊接合准确；

b)装配前，必须清理吹净固定靴座体内各工模具及机座内的毛刺、Mg屑， 以保证所有配合面平整光滑；

c)根据合金种类、工模具结构和制品质量要求，正确设定熔体流量、冷却 强度、主机轮系转速和制品在线冷却的工艺参数(选择方法见表1)，以进行有 效的PLC过程控制。

3)间隙调整

a)调整连续铸挤固定靴座的偏心轴，保证固定靴座体上槽封块和铸挤辊1 之间的间隙合理，通常为0.8～1.2mm.产品的挤压比愈大，其间隙要求愈小；

b)背压启动到位后，如果工作电流异常高，或是工具与轮之间摩擦发出刺 耳声，或是喂料后出现Mg泄漏现象，说明间隙调整或工具装配不当，应立即停 机检查重新调整间隙或装配工具。

4)加背压

a)主机启动前，先启动液压系统、润滑系统及冷却系统，然后主机慢慢转 动，使固定靴座到位；

b)主机慢转加背压，待稳定后将其锁紧。

5)连续铸挤与喂料

a)新的连续铸挤辊需要在表面形成一层Mg材料层，开始主机处于慢转状态 〈7～8rpm〉，可以开始喂短料，短料长30～100mm，在喂短料升温过程中，要 注意观察挤压轮面的Mg层变化，判断连续铸挤的铸挤辊与槽封块的间隙是否合 理，及时检测轮面、模子、进料块的温度变化，方可继续喂短料，待挤压温度 达到200～250℃时，料出模孔后，方可少量浇注熔体，当达到稳定状态，方可 连续供料。

b)将制品穿过冷却槽，跨过滑轮，张力轮，进行卷取。

c)连续铸挤的工艺参数如表1所示：

表1

d)临时停止生产线或换卷盘时，连续铸挤设备慢速运转并加少量的料防止 铸挤辊Mg层磨掉。

6)冷却与卷取

a)根据连续铸挤工艺参数调整连续铸挤的铸挤辊和固定靴座的冷却水的流 量，产品冷却水的温度<(50～60℃).并保证产品表面干燥；

b)根据产品调整张力大小，保证产品带张力卷取。

7)关停

a)主机慢转，停止浇注熔体，剪断产品杆料，产品全部卷取完毕，停止卷 取机，关闭冷却水；

b)在主机慢转过程中，松开背压，固定靴座打开，主机停止；

c)关闭所有辅助设备。

综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范 围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所作的均等变化 与修饰，均应包括在本发明的权利要求范围内。

Claims (6)

1.一种镁基材料连续铸挤设备中的增压装置，包括：机座、活动设置在机座上的铸挤辊、通过铰接轴活动铰接在机座上的铸挤靴座，铰接轴的轴心线与铸挤辊的轴心线平行，铸挤辊上开设有环形的铸挤槽，铸挤靴座上在靠近铸挤辊的一侧设置有铸挤靴，铸挤靴座与机座之间设置有使铸挤靴转动、并顶向铸挤辊的转动顶紧机构，其特征在于，所述的铸挤靴在朝向铸挤辊一侧的侧面上设置有与所述的铸挤槽相配合的增压轴瓦，增压轴瓦的内侧面呈圆弧形包覆在所述铸挤辊的辊面上，该内侧面的圆弧半径R比铸挤辊辊面的圆弧半径r大0.8～1.2毫米，并且，该增压轴瓦的内侧面与铸挤辊的铸挤槽的接触区域采用径向渐进式结构，该接触区域的展开长度L为增压轴瓦的弧度角α所对应的圆弧的长度，增压轴瓦的内侧面由上而下分为三个区域，即：平台区、小角度斜坡区和大角度斜坡区，其中，小角度斜坡区和大角度斜坡区的长度分别为L/5±10％和L/3±10％。

2.根据权利要求1所述的一种镁基材料连续铸挤设备中的增压装置，其特征在于，所述铸挤辊的铸挤槽采用了梯形端面形状，其两侧面之间的夹角为18～22度。

3.根据权利要求2所述的一种镁基材料连续铸挤设备中的增压装置，其特征在于，所述铸挤辊铸挤槽的侧面夹角为20度。

4.根据权利要求1所述的一种镁基材料连续铸挤设备中的增压装置，其特征在于，所述的小角度斜坡区的斜坡高度h＝6×镁的凝固收缩率K1×铸挤槽的宽度，所述的大角度斜坡区的斜坡高度H＝6×镁的固体收缩率K2×铸挤槽的宽度。

5.根据权利要求1所述的一种镁基材料连续铸挤设备中的增压装置，其特征在于，所述的增压轴瓦中沿着周向分别在与平台区、小角度斜坡区和大角度斜坡区相对应的区域分别设置有一个温度传感器。

6.根据权利要求1至5之一所述的一种镁基材料连续铸挤设备中的增压装置，其特征在于，所述转动顶紧机构的具体结构包括：油缸或气缸，油缸或气缸的活塞杆与所述的铸挤靴座活动铰接在一起，油缸或气缸的缸体活动铰接在机座上。