CN109049280B - 一种空间结构预制体的生产设备及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种空间结构预制体的生产设备，包括缸体、循环水冷装置、微波加热装置、模具、型芯、压板和滑轮；所述模具包括上模具和下模具，上模具又由左上模具和右上模具组成；所述压板包括左压板和右压板；所述滑轮包括大滑轮和小滑轮。使用方法为：在模具腔内放入型芯，同时加入预制体粉末，挤压成型后通过微波装置加热，烧掉型芯后进行加热成型，冷却后取模即得。该装置结构简单，可以通过整套装置同时完成各种不同空间结构预制体的压制、成型，干燥等工艺，有效提高了空间结构复合材料的生产效率，提高了产品质量，并降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间结构预制体的生产设备及使用方法，属于金属基复合材料技术领域。
背景技术
在矿山、建材、电力等领域，物料的破碎是一个重要的生产流程，需要消耗大量耐磨件。传统耐磨材料如高锰钢、高铬铸铁等的性能提升已不大，因此研发新型耐磨材料的意义重大。近年来陶瓷颗粒（p）增强钢铁基复合材料（MMC）作为新型耐磨材料已经逐渐应用于工业领域，而对MMC材料进行空间结构的韧化被证明是提高其塑性、韧性的重要措施。但具有陶瓷空间结构的金属基复合材料其内部空间结构体由于其复杂性，目前还无法进行大规模生产，导致具有空间结构的金属基复合材料的使用受到限制。因此，大规模批量生产空间结构预制体对具有陶瓷颗粒空间结构的金属基复合材料在不同工况下的应用，具有重大意义。
CN101585081A将WC颗粒与粘结剂制成膏状，填充于模具中形成蜂窝状预制体，该发明只能制备柱状陶瓷预制体增强的金属基复合材料，无法制备具有复杂空间结构的预制体和增强的金属基复合材料。CN101889585A将预制体制成了各种不同的形状，如柱状、条状、蜂窝状等，然后将预制体规则排列在铸型端面，最后浇注液态金属制备金属基复合材料。该发明制备预制体的方法需要人工操作，过程比较复杂，预制体在铸型中的位置不能够精确控制，导致复合材料空间结构的连续性和复杂性受到限制。CN104874768A利用3D打印方法制备空间结构预制体外壳，之后通过真空烧结使外层的3D打印体消失，得到内部的空间结构预制体。该方法可以制造各种复杂的空间结构，其结构准确性也较好。但3D打印的生产时间较长，并且在陶瓷颗粒填充过程中外部加压不好控制，导致其空间结构的强度较低，无法进行大规模的批量生产，使空间结构金属基复合材料的实用性受限。
综上所述，当前制备空间结构金属基复合材料预制体的方法缺点有：空间结构预制体的连续性和复杂性受限，空间结构预制体的强度不高，空间结构预制体无法进行大规模批量生产，并只局限于单层空间结构的制备。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种复合材料空间结构预制体的生产设备及其使用方法。与传统方法相比，本发明能够同时大量制备各种不同体积分数、分布区域、形状的空间结构预制体，并通过微波快速加热烧结技术，提高预制体的强度，减少空间结构预制体的生产周期，适用范围广。本发明通过以下技术方案实现。
一种空间结构预制体的生产设备，包括缸体、循环水冷装置、微波加热装置、模具、型芯、压板和滑轮；所述模具包括上模具和下模具，上模具又由左上模具和右上模具组成；所述压板包括左压板和右压板；所述滑轮包括大滑轮和小滑轮；
下模具嵌装在缸体顶部中心的凹槽内，左上模具和右上模具均通过螺栓与下模具固定连接；型芯置于模具腔内；微波加热装置设置在下模具周围；循环水冷装置设置在微波加热装置外周，进水口和出水口分别设置在缸体两侧；缸体顶部边缘设有挡板；挡板与模具之间设有滑轮轨道；左压板和右压板的底部边缘设有大滑轮，底部中间设有小滑轮，大滑轮和小滑轮均位于滑轮轨道内；左压板和右压板分别置于左上模具和右上模具上方；左上模具和右上模具连接处及左压板和右压板连接处设有多个排气孔，排气孔上方设有密封盖；左压板和右压板顶部均设有把手。
下模具也可以由一个以上部分组成，此时，在下模具周边设有滑槽，以方便取模。
模具和型芯的组合还可以有其它变形，例如，由多个具有特定结构的部分拼接、组装而成，可根据实际需要自行选择。
排气孔半径为3~5mm。
缸体顶部中心的凹槽内可同时安装多个模具。
左压板、右压板、缸体的材料可为铁基、钴基、镍基等耐高温合金材料。
所述空间结构预制体的生产设备的使用方法，包括以下步骤：
（1）打开密封盖，移开左压板、右压板、左上模具和右上模具，在模具腔内放入型芯，再盖上左上模具和右上模具并用螺栓固定好，将预制体粉末加入到模具中，最后盖上左压板和右压板；
（2）通过对左压板和右压板加压，压制预制体；
（3）接通循环水冷却装置，同时打开微波加热装置，对模具内的预制体进行预热，当型芯完全消失时，关闭密封盖，对模具中的预制体进行加热、干燥，使其成型；
（4）待预制体成型后，关闭微波加热装置，继续通循环水将预制体冷却到室温，打开左压板、右压板、左上模具和右上模具，取模，得到空间结构预制体。
步骤（1）中移开左压板和右压板的方式，可以通过以大滑轮为轴，将左压板和右压板旋开，也可以通过大滑轮和小滑轮在滑轮轨道内滑动将左压板和右压板移开。
步骤（1）中所述预制体粉末可以是ZTA、氧化铝、氧化锆、碳化钨等陶瓷粉，也可以是铁粉、镁粉等金属粉末和合金粉末中的一种或几种。
本发明的有益效果是：
（1）本发明中的模具可以设计成各种不同的空间结构体，如球状结构、三维互穿结构、螺旋状空间结构等，并配合以各种形状的型芯（型芯可以通过将发泡塑料浇入金属模中冷却后得到），可制成具有复杂的空间结构的预制体，适用范围广；
（2）本发明可以安装多个相同或不同的模具同时制备，从而达到批量生产的目的；
（3）本发明设有微波加热烧结装置，可以快速对预制体进行烧结，并通过压力设备，使其具有一定的强度。微波加热迅速，并可以定向加热，从而缩短加热时间，节约能源，降低生产成本，提高空间结构预制体的生产效率；
（4）本发明设有循环水冷装置，可以快速对预制体进行降温，冷却，从而缩短生产时间，提高生产效率。
附图说明
图1是本发明所述生产设备的结构示意图；
图2-1是实施例4中型芯结构示意图；
图2-2是实施例4中模具与型芯组合示意图；
图2-3是实施例4中制得的三维互穿网络空间ZTA陶瓷预制体结构示意图；
图3-1是实施例5中型芯结构示意图；
图3-2是实施例5中模具结构示意图；
图3-3是实施例5中制得的空间螺旋结构ZTA陶瓷预制体结构示意图；
图中：1-把手，2-左压板，3-大滑轮，4-挡板，5-循环水冷装置，6-缸体，7-进水口，8-下模具，9-密封盖，10-右压板，11-右上模具，12-左上模具，13-螺栓，14-小滑轮，15-微波加热装置，16-出水口，17-滑轮轨道，18-滑槽，19-排气孔,20-型芯。
具体实施方式
下面结合附图和实例，对本发明做进一步说明。
实施例1
一种空间结构预制体的生产设备，包括缸体6、循环水冷装置5、微波加热装置15、模具、型芯20、压板和滑轮；所述模具包括上模具和下模具8，上模具又由左上模具12和右上模具11组成；所述压板包括左压板2和右压板10；所述滑轮包括大滑轮3和小滑轮14；
下模具8嵌装在缸体6顶部中心的凹槽内，通过螺栓固定，左上模具12和右上模具11均通过螺栓13与下模具8固定连接；型芯20置于模具腔内；微波加热装置15设置在下模具8周围；循环水冷装置5设置在微波加热装置15外周，进水口7和出水口16分别设置在缸体6两侧；缸体6顶部边缘设有挡板4；挡板4与模具之间设有滑轮轨道17；左压板2和右压板10的底部边缘设有大滑轮3，底部中间设有小滑轮14，大滑轮3和小滑轮14均位于滑轮轨道17内；左压板2和右压板10分别置于左上模具12和右上模具11上方；左上模具12和右上模具11连接处及左压板2和右压板10连接处设有20个半径为3mm的排气孔19，排气孔19上方设有密封盖9；左压板2和右压板10顶部均设有把手1。
左压板2、右压板10、缸体6的材料为铁基耐高温合金材料。
实施例2
本实施例与实施例1结构基本相同，不同之处在于，排气孔有30个，半径为5mm。左压板2、右压板10、缸体6的材料为钴基耐高温合金材料。
实施例3
本实施例与实施例1结构基本相同，不同之处在于，缸体6顶部中心的凹槽内同时安装20~30个模具。左压板、右压板、缸体的材料为镍基耐高温合金材料。
实施例4
本实施例与实施例1结构基本相同，不同之处在于，模具由左上模具、右上模具、左下模具、右下模具和中间并列的多个型芯组成，其中空结构为三维互穿网络空间，如图2-1和2-2所示。模具材料选用热轧模具钢，要求至少可以承受1500℃的温度、至少10MPa的压力。
采用本实施例所述生产设备制备空间结构预制体，具体步骤如下：
（1）打开密封盖9，以大滑轮3为轴，将左压板2和右压板10旋开，将模具和型芯20组装好并用螺栓固定，将ZTA陶瓷粉末与粘结剂、铁粉的混合物通过喷粉设备填充到模具中，最后盖上左压板2和右压板10；
（2）将左压板2和右压板10与液压机连接，打开电源，对左压板2和右压板10加压，压制预制体；
（3）接通循环水冷却装置5，同时打开微波加热装置15，对模具内的预制体进行预热，当型芯20完全消失时，关闭密封盖9，对模具中的预制体进行加热、干燥，使其成型；
（4）待预制体成型后，关闭微波加热装置15，继续通循环水将预制体冷却到室温，打开左压板2、右压板10、左上模具12和右上模具11，取模，得到三维互穿网络空间ZTA陶瓷预制体，如图2-3所示。
实施例5
本实施例与实施例1结构基本相同，不同之处在于，模具由左上模具、右上模具、左下模具、右下模具和中间圆柱形型芯组成，其中空结构为空间螺旋结构，如图3-1和3-2所示。该模具的材料选用热轧模具钢，要求至少可以承受1500℃的温度、至少10MPa的压力。
制备方法同实施例4，制得的空间螺旋结构ZTA陶瓷预制体，如图3-3所示。
上述结合附图对本发明的具体实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种空间结构预制体的生产设备，包括缸体（6）、循环水冷装置（5）、微波加热装置（15）、模具、型芯（20）、压板和滑轮；所述模具包括上模具和下模具（8），上模具又由左上模具（12）和右上模具（11）组成；所述压板包括左压板（2）和右压板（10）；所述滑轮包括大滑轮（3）和小滑轮（14）；
下模具（8）嵌装在缸体（6）顶部中心的凹槽内，左上模具（12）和右上模具（11）均通过螺栓（13）与下模具（8）固定连接；型芯（20）置于模具腔内；微波加热装置（15）设置在下模具（8）周围；循环水冷装置（5）设置在微波加热装置（15）外周，进水口（7）和出水口（16）分别设置在缸体（6）两侧；缸体（6）顶部边缘设有挡板（4）；挡板（4）与模具之间设有滑轮轨道（17）；左压板（2）和右压板（10）的底部边缘设有大滑轮（3），底部中间设有小滑轮（14），大滑轮（3）和小滑轮（14）均位于滑轮轨道（17）内；左压板（2）和右压板（10）分别置于左上模具（12）和右上模具（11）上方；左上模具（12）和右上模具（11）连接处及左压板（2）和右压板（10）连接处设有多个排气孔（19），排气孔（19）上方设有密封盖（9）；左压板（2）和右压板（10）顶部均设有把手（1）。
2.根据权利要求1所述的生产设备，其特征在于，下模具（8）由一个以上部分组成，在下模具（8）周边设有滑槽（18）。
3.根据权利要求1所述的生产设备，其特征在于，排气孔（19）半径为3~5mm。
4.根据权利要求1所述的生产设备，其特征在于，缸体（6）顶部中心的凹槽内同时安装多个模具。
5.根据权利要求1所述的生产设备，其特征在于，左压板（2）、右压板（10）、缸体（6）的材料相同，均为铁基、钴基或镍基耐高温合金材料。
6.权利要求1-5任意一项所述的生产设备的使用方法，包括以下步骤：
（1）打开密封盖（9），移开左压板（2）、右压板（10）、左上模具（12）和右上模具（11），在模具腔内放入型芯（20），再盖上左上模具（12）和右上模具（11）并用螺栓（13）固定好，将预制体粉末通过排气孔（19）加入到模具中，最后盖上左压板（2）和右压板（10）；
（2）通过对左压板（2）和右压板（10）加压，压制预制体；
（3）接通循环水冷却装置（5），同时打开微波加热装置（15），对模具内的预制体进行预热，当型芯（20）完全消失时，关闭密封盖（9），对模具中的预制体进行加热、干燥，使其成型；
（4）待预制体成型后，关闭微波加热装置（15），继续通循环水将预制体冷却到室温，打开左压板（2）、右压板（10）、左上模具（12）和右上模具（11），取模，得到空间结构预制体。
7.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，步骤（1）中所述预制体粉末为陶瓷粉、金属粉末或合金粉末中的一种或几种。
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-
2018
- 2018-07-16 CN CN201810777248.7A patent/CN109049280B/zh active Active
Patent Citations (8)
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