CN109794590A - 一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的装置及方法，该装置包括压铸机、压铸模具、超声振动系统、液压系统和挤压机构；所述压铸机安装在压铸模具上，并与压铸模具的定模上浇口相连；所述超声波振动系统安装在压铸模具的动模上铸件力学性能要求较高的薄壁处；所述挤压机构安装在压铸模具的定模上铸件力学性能要求较高的底部处；所述液压系统安装在压铸模具的动模上，并与超声波振动系统和挤压机构相连。本发明将超声系统和液压系统相互结合，实现了双重挤压铸造，使得金属内部质量明显提高，缩松、缩孔明显消失，提高了铸件的质量，减少了废品率。

Description

一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的装置及方法

技术领域

本发明涉及金属材料半固态成形领域，尤其涉及一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的装置及方法。

背景技术

由于半固态挤压铸造件的优良特性，使得半固态挤压铸造成为目前快速发展的一种新技术。该技术的主要核心是使固—液混合浆料或者胚料获得非晶枝组织，固相必须球化和细化，合金组织一般包括10～100μm的球形晶，进化球晶或者等轴晶，从而表现出非常小的流动阻力和良好的成形性能，然而目前的半固态挤压铸造技术依旧存在着不少的缺陷。

专利公开号为CN106424630A，该专利通过超声波系统在压铸模具上施加超声波，通过压射组件在压射腔内进行处理，由于金属半固态是从下向上挤压进入模具中，故存在充型不完整而引起的缩孔缩松等缺陷；超声加载在模具上，引起的振动很小，达到细化晶粒的作用效率不高；该专利从细化晶粒方面去考虑，而并未考虑到对细化晶粒后的半固态进行挤压，从而强化复杂铸件局部关键位置。

专利公开号为CN104439204A，该专利通过超声波系统在压铸模具的底座施加超声波，利用变幅杆将机械振动转变为稳定的超声波振动作用于金属型铸造成型装置的底板，利用超声波产生的热量去预热金属型模具，温度传感器将金属型铸造成型装置的底板的温度传回中央处理器，中央处理器将根据收到的信号，控制超声波的频率和幅值去更好的进行金属型铸造，但超声加载在厚重的底板上，引起的振动很小，达到细化晶粒的效率不高；采用的是液体金属冲入金属型模具中，由于振动成形时可能会产生喷溅、紊流及卷气等问题而带来组织疏松、缩孔、缩松等缺陷。

专利公开号为CN106077558A，该专利先将预热好的小块体熔炼，得到液态铝合金，将液态铝合金通过具有弯曲通道或倒置锥形通道的浇口注入到保温装置进行保温，得到半固态金属，再将半固态金属浇注到保温的模具，进行挤压成型，挤压完成后继续施压，之后顶出铸件。该发明在半固态金属注入模具的过程中，可能存在半固态过早地凝固导致的缩孔、缩松缺陷；该发明只能压铸一些造型简单的铸件，不能更好的压铸一些复杂铸件。

有鉴于此，亟待研发设计出一种能解决上述问题的铸造装置及方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的装置和方法，其目的在于提高半固态金属流变特性从而提高半固态金属的充型能力，提高铸件的致密度，进一步改善铸件的力学性能。

为实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的装置。该装置包括压铸机、压铸模具、超声振动系统、液压系统和挤压机构；

所述压铸机安装在压铸模具上，并与压铸模具的定模上浇口相连，用以将半固态金属挤压进模具中；

所述超声波振动系统安装在压铸模具的动模上铸件力学性能要求较高的薄壁处，用以挤压和超声辅助细化该位置处半固态金属晶粒，增加铸件的力学性能；

所述挤压机构安装在压铸模具的定模上铸件力学性能要求较高的底部处，用以挤压该位置处半固态金属晶粒，增加铸件的力学性能；

所述液压系统安装在压铸模具的动模上，并与超声波振动系统和挤压机构相连，用以驱动超声波振动系统和挤压机构挤压半固态金属。

进一步地，所述超声波振动系统包括超声波发生器、超声波换能器、变幅杆和超声波夹具，所述超声波发生器设置在动模外侧边，与所述超声波换能器相连，所述超声波换能器、变幅杆和超声波夹具设置在动模内的T型孔内，所述超声波换能器与所述变幅杆相连，二者固定在超声波夹具上，超声波夹具与液压系统相连，变幅杆作用于动模上密封套以挤压和超声辅助细化力学性能要求较高的薄壁处的半固态金属的晶粒。

进一步地，所述挤压机构包括第一纵板、第二纵板、第一横板、第二横板和推杆，所述第一纵板和第二纵板通过螺栓固定连接，所述第一横板穿过第一纵板和第二纵板上方通过螺栓固定在定模上，所述第二横板穿过第一纵板和第二纵板下方通过螺栓固定在定模上，所述第一纵板上开有上下贯通的油槽，油槽下端与进油管螺纹连接，油槽上端与出油管螺纹连接，所述推杆一端设置在油槽内，且该端推杆端面向下倾斜，另一端穿过第二纵板和定模作用于力学性能要求较高的底座处的半固态金属的晶粒，所述进油管和出油管分别与液压系统的出油口和回油口相连。

进一步地，所述压铸模具包括动模、定模、底座和模脚，所述动模和定模底侧安装在底座上，所述动模和定模侧边通过模脚固定在同一水平面上。

更进一步地，所述模脚上设有定模螺纹孔和动模螺纹孔，定模与模脚通过定模螺栓穿过定模螺纹孔固定，动模与模脚通过动模螺栓穿过动模螺纹孔固定。

更进一步地，所述动模包括动模模芯和动模模框，所述动模模芯嵌入在动模模框内，动模模芯内设有型芯。

更进一步地，所述定模包括定模模芯和定模模框，所述定模模框与定模模芯通过螺栓固定连接，所述定模模芯内设有型芯。

在第二方面，本发明还提供了通过上述装置进行局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的方法，包括如下步骤：

1)将压铸模具进行预热至150～250℃，模具内喷涂脱模剂，然后进行合模；

2)将制备好的半固态金属注入压铸机内，以比压120MPa将半固态金属挤压进压铸模具中进行挤压铸造；

3)在半固态金属充型至铸件力学性能要求较高的薄壁处时，启动超声波振动系统和液压系统，超声波振动系统的变幅杆在振动的同时，并由液压系统驱动超声波夹具以带动变幅杆挤压铸件力学性能要求较高的薄壁处的半固态金属晶粒；

4)当压铸完成后，再次启动液压系统，分别作用于超声波系统中的超声波夹具，带动变幅杆再次挤压铸件力学性能要求较高的薄壁处的半固态金属晶粒；以及带动挤压机构的推杆挤压铸件力学性能要求较高的底座处的半固态金属晶粒；

5)关闭超声波振动系统、液压系统，打开压铸模具，取出铸件，进行下次的挤压铸造。

进一步地，所述步骤3)中超声波振动系统振动的功率2000～3000W，频率15～25KHZ，幅值5～15μm。

进一步地，所述步骤4)中液压系统补压压力为135MPa,加压延时26～28S。

本发明的有益效果：

1、本发明引入局部超声振动，施加在铸件的力学性能要求较高位置，使得铝合金半固态的枝晶臂从母晶上断裂，形成新核，从而细化晶粒，提高铸件致密度，另外也可提高半固态金属的流动能力和充型能力。

2、引入液压系统进行挤压铸造，当半固态金属充型到铸件力学性能要求较高的薄壁时，超声波振动系统开启后，开启液压系统，液压系统作用于超声波振动系统的超声波夹具，超声波夹具带动变幅杆挤压在动模密封套上，从而辅助超声系统进行细化晶粒；当铸件完成后，再次开启液压系统进行挤压，液压系统分别作用于超声波系统的超声波夹具和挤压机构的推杆，分别对铸件力学性能要求较高的薄壁位置进行超声细化晶粒和挤压，和对铸件底部位置进行挤压，使得铸件内部组织致密，具有更好的力学性能，将超声系统和液压系统相互结合，实现了双重挤压铸造，使得金属内部质量明显提高，缩松、缩孔明显消失，提高了铸件的质量，减少了废品率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的装置结构示意图；

图2是图1的左视图；

图3为本发明实施例提供的一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的装置的模脚的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的第一纵板的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的装置，主要用来铸造复杂薄壁类的铸件，本发明实施例中的铸造装置为用来铸造车辆变速箱箱体，包括压铸机1、压铸模具2、超声振动系统3、液压系统4和挤压机构5。压铸机1安装在压铸模具2上，压铸机1的压射腔11与压铸模具2定模浇口相连，用以将半固态金属挤压进压铸模具2中，压射腔11内的半固态金属由压射杆12挤压进压射模具2内。超声波振动系统3安装在压铸模具2的动模上铸件力学性能要求较高的薄壁处，该位置为图1中铸件中间壁薄的部分，用以超声辅助细化该位置处半固态金属晶粒，增加铸件的力学性能。挤压机构5安装在压铸模具的定模上铸件力学性能要求较高的底部处，用以挤压该位置处半固态金属晶粒，增加铸件的力学性能。液压系统4安装在压铸模具2的动模上，并与超声波振动系统3和挤压机构5相连，用以驱动超声波振动系统3和挤压机构5挤压半固态金属。

如图1和图2所示，所述压铸模具2包括动模21、定模22、底座23和模脚24，动模21包括动模模框21.1和动模模芯21.2，动模模芯21.2嵌入在动模模框21.1内，动模模芯21.2内设有型芯25，动模模芯21.2内设有卡槽，型芯25端部与卡槽卡接。定模22包括定模模框22.1和定模模芯22.2，定模模框22.1与定模模芯22.2通过螺栓固定连接，定模模芯22.2内设有型芯25，定模模芯22.2内设有卡槽，型芯25端部与卡槽卡接。模脚24上设有定模螺纹孔24.1和动模螺纹孔24.2(如图3所示)，定模模框22.1与模脚24通过定模螺栓穿过定模螺纹孔24.1固定，动模模框21.1与模脚24通过动模螺栓穿过动模螺纹孔24.2固定。通过模脚24可实现动模21和定模22的侧边在同一水平面。动模模框21.1和定模模框22.1底侧安装在底座23上，实现动模21和定模22的下底面在同一水平面。

如图1所示，本发明实施例的超声波振动系统3包括超声波发生器31、超声波换能器32、变幅杆33和超声波夹具34，超声波发生器31设置在动模模框21.1外侧边，与超声波换能器32相连，超声波换能器32、变幅杆33和超声波夹具34设置在动模21内的T型孔内，超声波换能器32与变幅杆33相连，二者固定在超声波夹具34上，超声波夹具34与液压系统4相连，变幅杆33作用于动模模芯21.2上密封套21.4。变幅杆33可在超声波发生器31和超声波换能器32带动下高频振动，细化薄壁的半固态金属的晶粒，而通过液压系统4可进一步辅助超声波振动系统，带动超声波夹具34在动模T型孔内运动，从而带动变幅杆来回挤压密封套，在变幅杆振动的时候再挤压密封套21.4，可进一步提高铸件的力学性能。

如图1和图4所示，本发明实施例的挤压机构5包括第一纵板51、第二纵板52、第一横板53、第二横板54和推杆55。第一纵板51和第二纵板52通过螺栓固定连接，第一横板53穿过第一纵板51和第二纵板52上方并通过螺栓固定在定模22上。第二横板54穿过第一纵板51和第二纵板52下方并通过螺栓固定在定模22上。第一纵板上51开有上下贯通的油槽51.1，油槽51.1下端与进油管41螺纹连接，油槽51.1上端与出油管42螺纹连接，推杆55一端设置在油槽51.1内，且该端推杆端面向下倾斜，另一端穿过第二纵板52和定模22作用于铸件力学性能要求较高的底座处的半固态金属的晶粒。进油管41和出油管42分别与液压系统4的出油口和回油口相连。

液压系统4作用于超声波系统的超声波夹具34和挤压机构5，液压系统4可驱动超声波夹具34动作，进而带动变幅杆33挤压动模模芯21.2上密封套26，以进一步挤压铸件薄壁处的半固态金属晶粒，以增加该处的力学性能。同时，液压系统4还可带动挤压机构5的推杆55动作，具体为：液压油从液压系统4的出油口出来进入输油管57，输油管57将液压油输送至油槽56内，液压油顶到推杆55的斜面，推杆55向右挤压铸件力学性能要求较高的底座处的半固态金属的晶粒，以增强该位置铸件的力学性能。通过液压系统4作用与超声波系统的超声波夹具34和挤压机构5实现了铸件的双重挤压，再通过超声波系统3自身的超声振动细化颗粒，使得铸造出的铸件内部质量明显提高，缩松、缩孔明显消失，提高了铸件的质量，减少了废品率。

本发明实施例还提供了一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的方法，该方法采用如图1至4所述的装置进行铸件的铸造，包括如下步骤：

在步骤401中，将压铸模具进行预热至150～250℃，此时半固态金属伸长率较高，避免胚料未充型就已经凝固，模具内喷涂脱模剂，然后进行合模。

在步骤402中，将制备好的半固态金属注入压铸机的压射腔内，压射杆以比压120MPa将半固态金属挤压进模具中进行挤压铸造。

在步骤403中，当半固态金属充型到铸件力学性能要求较高的薄壁位置时，启动超声波振动系统，超声波振动系统振动的功率2000～3000W，频率15～25KHZ，幅值5～15μm。在该种工艺参数下，超声波产生的应力大于半固态金属枝晶臂的抗剪强度，从而使得枝晶臂从母晶上断裂，形成新核，在这过程中，同时打开液压系统进行局部挤压，此时的压力将具有填充功能并且把流动性差的共晶成分强行压入即将凝固的枝晶骨架之中，从而达到辅助超声波系统细化晶粒，减少局部关键位置缩孔缩松，提高铸件的质量。

在步骤404中，当压射完成后，液压系统启动，补压压力为135MPa,加压延时26～28S，液压系统分别作用于超声波振动系统的超声波夹具和挤压机构的推杆。在此种工艺参数条件下，局部加压功能使得铸件局部关键的地方内部质量显著提高、铸件内部组织致密，具有更好的力学性能，缩松、缩孔随之消失，加压延长时间过短，半固态的固相率太低，难以充分破碎枝晶组织，达不到加压补缩的效果；加压延长时间过长，半固态的固相率太高，加压时无过多的半固态去填充，从而导致缩孔缩松的缺陷。

在步骤405中，关闭超声系统、液压系统，打开模具，取出铸件，进行下次的挤压铸造。

综上，本发明引入局部超声振动，施加在铸件的力学性能要求较高位置，使得铝合金半固态的枝晶臂从母晶上断裂，形成新核，从而细化晶粒，提高铸件致密度，另外也可提高半固态金属的流动能力和充型能力。引入液压系统进行挤压铸造，当半固态金属充型到铸件力学性能要求较高的薄壁时，超声波振动系统开启后，开启液压系统，液压系统作用于超声波振动系统的超声波夹具，超声波夹具带动变幅杆挤压在动模密封套上，从而辅助超声系统进行细化晶粒；当铸件完成后，再次开启液压系统进行挤压，液压系统分别作用于超声波系统的超声波夹具和挤压机构的推杆，分别对铸件力学性能要求较高的薄壁位置进行超声细化晶粒和挤压，和对铸件底部位置进行挤压，使得铸件内部组织致密，具有更好的力学性能，将超声系统和液压系统相互结合，实现了双重挤压铸造，使得金属内部质量明显提高，缩松、缩孔明显消失，提高了铸件的质量，减少了废品率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的装置，其特征在于，包括压铸机、压铸模具、超声振动系统、液压系统和挤压机构；

所述压铸机安装在压铸模具上，并与压铸模具的定模上浇口相连，用以将半固态金属挤压进模具中；

所述超声波振动系统安装在压铸模具的动模上铸件力学性能要求较高的薄壁处，用以挤压和超声辅助细化该位置处半固态金属晶粒，增加铸件的力学性能；

所述挤压机构安装在压铸模具的定模上铸件力学性能要求较高的底部处，用以挤压该位置处半固态金属晶粒，增加铸件的力学性能；

所述液压系统安装在压铸模具的动模上，并与超声波振动系统和挤压机构相连，用以驱动超声波振动系统和挤压机构挤压半固态金属。

2.根据权利要求1所述的一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的装置，其特征在于，所述超声波振动系统包括超声波发生器、超声波换能器、变幅杆和超声波夹具，所述超声波发生器设置在动模外侧边，与所述超声波换能器相连，所述超声波换能器、变幅杆和超声波夹具设置在动模内的T型孔内，所述超声波换能器与所述变幅杆相连，二者固定在超声波夹具上，超声波夹具与液压系统相连，变幅杆作用于动模上密封套以挤压和超声辅助细化力学性能要求较高的薄壁处的半固态金属的晶粒。

3.根据权利要求1所述的一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的装置，其特征在于，所述挤压机构包括第一纵板、第二纵板、第一横板、第二横板和推杆，所述第一纵板和第二纵板通过螺栓固定连接，所述第一横板穿过第一纵板和第二纵板上方通过螺栓固定在定模上，所述第二横板穿过第一纵板和第二纵板下方通过螺栓固定在定模上，所述第一纵板上开有上下贯通的油槽，油槽下端与进油管螺纹连接，油槽上端与出油管螺纹连接，所述推杆一端设置在油槽内，且该端推杆端面向下倾斜，另一端穿过第二纵板和定模作用于力学性能要求较高的底部处的半固态金属的晶粒，所述进油管和出油管分别与液压系统的出油口和回油口相连。

4.根据权利要求1所述的一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的装置，其特征在于，所述压铸模具包括动模、定模、底座和模脚，所述动模和定模底侧安装在底座上，所述动模和定模侧边通过模脚固定在同一水平面上。

5.根据权利要求4所述的一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的装置，其特征在于，所述模脚上设有定模螺纹孔和动模螺纹孔，定模与模脚通过定模螺栓穿过定模螺纹孔固定，动模与模脚通过动模螺栓穿过动模螺纹孔固定。

6.根据权利要求4所述的一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的装置，其特征在于，所述动模包括动模模芯和动模模框，所述动模模芯嵌入在动模模框内，动模模芯内设有型芯。

7.根据权利要求4所述的一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的装置，其特征在于，所述定模包括定模模芯和定模模框，所述定模模框与定模模芯通过螺栓固定连接，所述定模模芯内设有型芯。

8.一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的方法，其特征在于，采用如权利要求1至7任意之一所述装置，包括如下步骤：

1)将压铸模具进行预热至150～250℃，模具内喷涂脱模剂，然后进行合模；

2)将制备好的半固态金属注入压铸机内，以比压120MPa将半固态金属挤压进压铸模具中进行挤压铸造；

3)在半固态金属充型至铸件力学性能要求较高的薄壁处时，启动超声波振动系统和液压系统，超声波振动系统的变幅杆在振动的同时，并由液压系统驱动超声波夹具以带动变幅杆挤压铸件力学性能要求较高的薄壁处的半固态金属晶粒；

4)当压铸完成后，再次启动液压系统，分别作用于超声波系统中的超声波夹具，带动变幅杆再次挤压铸件力学性能要求较高的薄壁处的半固态金属晶粒；以及带动挤压机构的推杆挤压铸件力学性能要求较高的底座处的半固态金属晶粒；

5)关闭超声波振动系统、液压系统，打开压铸模具，取出铸件，进行下次的挤压铸造。

9.根据权利要求8所述的一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的方法，其特征在于，所述步骤3)中超声波振动系统振动的功率2000～3000W，频率15～25KHZ，幅值5～15μm。

10.根据权利要求8所述的一种局部超声辅助半固态双重挤压铸造铸件的方法，其特征在于，所述步骤4)中液压系统补压压力为135MPa,加压延时26～28S。