CN109909318B - 基于低熔点合金的半固态流变内高压成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低熔点合金的半固态流变内高压成形装置，包括制坯装置、阀岛式供热集成系统和成形模具；制坯装置包括灌浆载体，灌浆载体内设有管腔，灌浆载体上且围绕管腔中部设有第一加热模块，灌浆载体上且围绕管腔端部设有第一降温模块；成形模具包括模具本体，模具本体内设有一个主管腔道和至少一个支管腔道，主管腔道与支管腔道相连通，主管腔道和支管腔道内均设有可活动的推料杆。本发明的各个装置结构简单、设计巧妙，有很好的市场推广和应用价值。

Description

基于低熔点合金的半固态流变内高压成形装置及方法

技术领域

本发明涉及流变成形技术领域，尤其是涉及一种基于低熔点合金的半固态流变内高压集约式成形装置及方法。

背景技术

管材内高压成形技术是一种为了成形以轻量化和一体化为特征的空心变截面管状构件发展而来的先进塑性加工技术，是结构轻量化和柔性加工技术的完美结合，在汽车发动机系统、排气系统、底盘系统，航空航天、空调配管，水暖等产业中具有较为广泛的应用。

异形管件(三通管类)通常可以采用弹性体或塑性体作为胀形介质，通过轴端作用实现介质的变形而成形所需要的管件形状。

作为成形直管高度较大的铜三通管，通常采用铅作为胀形介质，变形量较大。但铅涨技术，存在以下问题：

1、灌装与回收时加热温度较高，能耗较大；

2、并且铅容易挥发，危害人体健康，已被国家明令禁止。

作为替代，NaCl粉具有无污染、易回收等特点，也多被采用，但由于NaCl结构的致密度和弹塑性较差，变形能力远不及铅，故成形能力较差。另外也有采用石蜡、聚氨酯橡胶等作为介质的胀形工艺，以及工业应用较为广泛的“水胀”工艺，但这些介质的成形能力远不及铅的成形能力，应用的局限性很大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于低熔点合金的半固态流变内高压集约式成形装置，进一步提供一种通过该装置形成异形管件的成形方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：基于低熔点合金的半固态流变内高压集约式成形装置，包括制坯装置、阀岛式供热集成系统和成形模具；

所述的制坯装置包括灌浆载体，所述的灌浆载体内设有管腔，所述的灌浆载体上且围绕管腔中部设有第一加热模块，所述的灌浆载体上且围绕管腔端部设有第一降温模块；

所述的阀岛式供热集成系统包括制浆装置和收浆装置，所述的制浆装置包括滑台和位于滑台上方的喷淋管组，所述的收浆装置包括沉浆池和清洗池，所述的沉浆池设于清洗池内，所述的滑台设于沉浆池顶部；

所述的滑台设有具有预定斜度的波形台面，所述的喷淋管组设于波形台面上方，所述的喷淋管组包括若干热水管与若干冷水管；

其中，所述的若干热水管和若干冷水管在所述的滑台水平方向上并排交替设置，所述的若干热水管、若干冷水管可分别向波形台面喷洒热水、冷水；

所述的沉浆池内设有高温水和支架，所述的支架设有若干管孔，所述的沉浆池设有取浆口；所述的清洗池内设有清洗溶剂；

所述的成形模具包括模具本体，所述的模具本体内设有一个主管腔道和至少一个支管腔道，所述的主管腔道与支管腔道相连通，所述的主管腔道和支管腔道内均设有可活动的推料杆。

本发明进一步优选方案：所述的主管腔道包括左端部区段、右端部区段和中部区段，所述的支管腔道连接于主管腔道的中部区段，所述的模具本体内且围绕于支管腔道，以及围绕于中部区段设有温度可控的第二加热模块，所述的模具本体内且围绕于左端部区段、右端部区段设有温度可控的第二降温模块。通过设置第二加热模块和第二降温模块，来实现胀形介质(半固态合金浆料)的固液相转化，使管坯内的胀形介质呈现“端部高固相，中部低固相”的状态；

“端部高固相”能够增加黏度，提高胀形介质与管坯内壁的摩擦力，实现拉动补料；“中部低固相”增加管坯所要变形处的液相分数，提高管坯所要变形处的内部压力，实现等压整形；

并且选用的第二加热模块和第二降温模块温度是可控的，进而来达到胀形介质(半固态合金浆料)固相率控制的目的。

本发明进一步优选方案：所述的第二加热模块且贴近支管腔道，以及贴近主管腔道中部区段的表面呈波纹状。此方案的设置是为了增大换热面积，提高胀形介质(半固态合金浆料)升温/降温速率。

本发明进一步优选方案：所述的制坯装置还包括用于封住管腔端口的密封块。

本发明进一步优选方案：所述的清洗池内还设有超声波振荡器。

本发明进一步优选方案：所述的清洗溶剂成分包括烷基硅酸钠、硫酸钠、六偏磷酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、椰油酸二乙醇酰胺、水。

基于低熔点合金的半固态流变内高压集约式成形方法，包括以下步骤：

步骤1：预备待加工管坯，以及选取环保型且呈半固态的低熔点合金浆料作为胀形介质；

步骤2：将步骤1中预备的管坯置入灌浆载体的管腔中，并将步骤1中选取的胀形介质灌入管坯内腔；

步骤3：将管腔密封，在灌浆载体的第一加热模块、第一降温模块分别注入热水、冷水；

步骤4：等待预定时间后，从灌浆载体的管腔中取出管坯；

步骤5：将步骤4取出的管坯放入滑台进行喷淋；

步骤6：将步骤5喷淋过的管坯置入模具本体内的主管腔道；

步骤7：将主管腔道上的推料杆作用于管坯端部上，推料杆向管坯中部持续推进；

步骤8：管坯中部向支管腔道拱起，形成支管；

步骤9：将支管腔道上的推料杆作用于支管端部，向管坯施加径向力，最终形成异形管件；

步骤10：将步骤9成形的异形管件置入沉浆池中进行水浴加热，使异形管件的管口朝下插入在支架的管孔中，等待异形管件内的胀形介质全部流出；

步骤11：将流出胀形介质的异形管件放入清洗池进行清洗。

在步骤6与步骤7之间可增加步骤12；

步骤12：在模具本体的第二加热模块、第二降温模块分别注入热水、冷水。

与现有技术相比，本发明的优点在于各个装置结构简单、设计巧妙，有很好的市场推广和应用价值。

制坯装置：灌浆载体通过设置的第一加热模块与第一降温模块，来实现管坯内胀形介质(半固态合金浆料)固液相转化，使管坯内的胀形介质呈现“端部高固相，中部低固相”的状态；

阀岛式供热集成系统：滑台、沉浆池与清洗池采用层叠结构，集供热、回收、清洗于一体，大幅较少了占地资源，缩短制管生产线，降低生产成本；

异形管件在沉浆池中，通过水浴加热的方式，来使异形管件内的胀形介质(熔点低于100摄氏度的合金浆料)熔化，胀形介质沉淀在沉浆池底部，且设置的取浆口便于胀形介质的取用，达到循环利用的目的，节约资源、降低成本，具有可持续发展性；

将管坯放入滑台的波形台面上进行淋浴，管坯沿着波形台面自动滚落过程中，受到喷淋管组的冲淋，管坯内腔中的胀形介质进行冷热交替，从而获得球状或近球状初生相颗粒的半固态胀形介质，使胀形介质具有更好的流动性；

成形模具：模具本体中的主管腔道用于放置待加工的管坯，支管腔道作为支管成形区域，而在主管腔道设置的推料杆，以及支管腔道设置的推料杆是为了分别向管坯中部施加轴向力和径向力；

通过主管腔道上的推料杆向管坯中部施加轴向力，胀形介质(半固态合金浆料)被压缩，胀形介质呈现固液相分离，即在管坯的端部内的胀形介质高固相，管坯中部内的胀形介质低固相；

管坯中部的胀形介质向支管腔道方向流动，同时管坯端部的胀形介质受到轴向作用力向管坯中部移动，由于管坯端部的胀形介质高固相，与管坯内壁的摩擦力大于管坯外壁与模具的摩擦力，拉动管坯端部材料向支管腔道进行“补料”，有效提高了支管腔道中支管的成形高度。

附图说明

图1为管坯与异形管件结构示意图；

图2为制坯装置结构示意图；

图3为阀岛式供热集成系统结构示意图；

图4为成形装置结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图4所示：基于低熔点合金的半固态流变内高压成形装置，包括制坯装置、阀岛式供热集成系统和成形模具；

制坯装置包括灌浆载体1，灌浆载体1内设有管腔12，灌浆载体1上且围绕管腔12中部设有第一加热模块13，灌浆载体1上且围绕管腔12端部设有第一降温模块14；

灌浆载体1通过设置的第一加热模块13与第一降温模块14，来实现管坯111内胀形介质113(半固态合金浆料)固液相转化，使管坯111内的胀形介质113呈现“端部高固相，中部低固相”的状态；

阀岛式供热集成系统包括制浆装置和收浆装置，制浆装置包括滑台2和位于滑台2上方的喷淋管组3，收浆装置包括沉浆池4和清洗池5，沉浆池4设于清洗池5内，滑台2设于沉浆池4顶部；

滑台2设有具有预定斜度的波形台面21，喷淋管组3设于波形台面21上方，喷淋管组3包括若干热水管31与若干冷水管32；

其中，若干热水管31和若干冷水管32在滑台2水平方向上并排交替设置，若干热水管31、若干冷水管32可分别向波形台面21喷洒热水、冷水；

沉浆池4内设有高温水和支架41，支架41设有若干管孔，沉浆池4设有取浆口；清洗池5内设有清洗溶剂；

成形模具包括模具本体6，模具本体6内设有一个主管腔道61和至少一个支管腔道62，主管腔道61与支管腔道62相连通，主管腔道61和支管腔道62内均设有可活动的推料杆63；

模具本体6中的主管腔道61用于放置待加工的管坯111，支管腔道62作为支管成形区域，而在主管腔道61设置的推料杆63，以及支管腔道62设置的推料杆63是为了分别向管坯111中部施加轴向力和径向力。

其中，主管腔道61设置了两个推料杆63，分别作用于管坯111的两个端部，并且，两个推料杆63的向管坯111中部进给的速度和作用在管坯111端部上的力是一致的；支管腔道62设置的推料杆63作用于成形支管的端部，向管坯111中部径向力，使支管拱起的端部能更好的贴向模具。

通过主管腔道61上的推料杆63向管坯111中部施加轴向力，胀形介质113(半固态合金浆料)被压缩，胀形介质113呈现固液相分离，即在管坯111的端部内的胀形介质113高固相，管坯111中部内的胀形介质113低固相；

管坯111中部的胀形介质113向支管腔道62方向流动，同时管坯111端部的胀形介质113因高固相，与管坯111端部的内壁的粘的更牢，管坯111端部的胀形介质113受到轴向作用力向管坯111中部移动，并拉动管坯111端部内壁上的材料向支管腔道62进行“补料”，有效提高了支管腔道62中支管的成形高度。

主管腔道61包括左端部区段、右端部区段和中部区段，支管腔道62连接于主管腔道61的中部区段，模具本体6内且围绕于支管腔道62，以及围绕于中部区段设有温度可控的第二加热模块64，模具本体6内且围绕于左端部区段、右端部区段设有温度可控的第二降温模块65；

通过设置第二加热模块和第二降温模块，来实现胀形介质113(半固态合金浆料)的固液相转化，使管坯111内的胀形介质113呈现“端部高固相，中部低固相”的状态；

“端部高固相”能够增加黏度，提高胀形介质113与管坯111内壁的摩擦力，实现拉动补料；“中部低固相”增加管坯111所要变形处(管坯111中部)的液相分数，提高管坯111所要变形处(管坯111中部)的内部压力，实现等压整形；

并且选用的第二加热模块和第二降温模块温度是可控的，进而来达到胀形介质113半固态合金浆料)固相率控制的目的；

另外，可选择在第二加热模块、第二降温模块分别注入热水、冷水的方法来达到加热/降温的目的，进而能够减少加热成本，降低能耗。

第二加热模块64且贴近支管腔道62，以及贴近主管腔道61中部区段的表面呈波纹状。

制坯装置还包括用于封住管腔12端口的密封块15。

清洗池5内还设有超声波振荡器。

清洗溶剂成分包括烷基硅酸钠、硫酸钠、六偏磷酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、椰油酸二乙醇酰胺、水。

基于低熔点合金的半固态流变内高压集约式成形方法，包括以下步骤：

步骤1：预备待加工管坯111，以及选取环保型且呈半固态的低熔点合金浆料作为胀形介质113；

其中，胀形介质113的熔点(低于100℃)低于管坯111的熔点，胀形介质113可选无Pb无Cd环保型低熔点合金，例如30.1Bi-22.0Sn-47.9In合金。选用环保、低熔点(熔点低于100℃)的半固态合金浆料作为胀形介质113，融合了液固两种介质的成形优势，既无毒无害，又具备了超大变形量的性能。

步骤2：将步骤1中预备的管坯111置入灌浆载体1的管腔12中，并将步骤1中选取的胀形介质113灌入管坯111内腔；

步骤3：将管腔12密封，在灌浆载体1的第一加热模块13、第一降温模块14分别注入热水、冷水；

步骤4：等待预定时间后，从灌浆载体1的管腔12中取出管坯111；

步骤5：将步骤4取出的管坯111放入滑台2进行喷淋；

步骤6：将步骤5喷淋过的管坯111置入模具本体6内的主管腔道61；

步骤7：将主管腔道61上的推料杆63作用于管坯111端部上，推料杆63向管坯111中部持续推进；

步骤8：管坯111中部向支管腔道62拱起，形成支管；

步骤9：将支管腔道62上的推料杆63作用于支管端部，向管坯111施加径向力，最终形成异形管件112；

步骤10：将步骤9成形的异形管件112置入沉浆池4中进行水浴加热，使异形管件112的管口朝下插入在支架41的管孔中，等待异形管件112内的胀形介质113全部流出；

步骤11：将流出胀形介质113的异形管件112放入清洗池5进行清洗。

在步骤6与步骤7之间可增加步骤12；

步骤12：在模具本体6的第二加热模块64、第二降温模块65分别注入热水、冷水。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于低熔点合金的半固态流变内高压成形装置，其特征在于包括制坯装置、阀岛式供热集成系统和成形模具；

所述的制坯装置包括灌浆载体，所述的灌浆载体内设有管腔，所述的灌浆载体上且围绕管腔中部设有第一加热模块，所述的灌浆载体上且围绕管腔端部设有第一降温模块；

所述的阀岛式供热集成系统包括制浆装置和收浆装置，所述的制浆装置包括滑台和位于滑台上方的喷淋管组，所述的收浆装置包括沉浆池和清洗池，所述的沉浆池设于清洗池内，所述的滑台设于沉浆池顶部；

所述的滑台设有具有预定斜度的波形台面，所述的喷淋管组设于波形台面上方，所述的喷淋管组包括若干热水管与若干冷水管；

其中，所述的若干热水管和若干冷水管在所述的滑台水平方向上并排交替设置，所述的若干热水管、若干冷水管可分别向波形台面喷洒热水、冷水；

所述的沉浆池内设有高温水和支架，所述的支架设有若干管孔，所述的沉浆池设有取浆口；所述的清洗池内设有清洗溶剂；

所述的成形模具包括模具本体，所述的模具本体内设有一个主管腔道和至少一个支管腔道，所述的主管腔道与支管腔道相连通，所述的主管腔道和支管腔道内均设有可活动的推料杆。

2.根据权利要求1所述的基于低熔点合金的半固态流变内高压成形装置，其特征在于所述的主管腔道包括左端部区段、右端部区段和中部区段，所述的支管腔道连接于主管腔道的中部区段，所述的模具本体内且围绕于支管腔道，以及围绕于中部区段设有温度可控的第二加热模块，所述的模具本体内且围绕于左端部区段、右端部区段设有温度可控的第二降温模块。

3.根据权利要求2所述的基于低熔点合金的半固态流变内高压成形装置，其特征在于所述的第二加热模块且贴近支管腔道，以及贴近主管腔道中部区段的表面呈波纹状。

4.根据权利要求1所述的基于低熔点合金的半固态流变内高压成形装置，其特征在于所述的制坯装置还包括用于封住管腔端口的密封块。

5.根据权利要求1所述的基于低熔点合金的半固态流变内高压成形装置，其特征在于所述的清洗池内还设有超声波振荡器。

6.根据权利要求5所述的基于低熔点合金的半固态流变内高压成形装置，其特征在于所述的清洗溶剂成分包括烷基硅酸钠、硫酸钠、六偏磷酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、椰油酸二乙醇酰胺、水。

7.根据权利要求1所述的基于低熔点合金的半固态流变内高压成形装置的成形方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：预备待加工管坯，以及选取环保型且呈半固态的低熔点合金浆料作为胀形介质；

步骤2：将步骤1中预备的管坯置入灌浆载体的管腔中，并将步骤1中选取的胀形介质灌入管坯内腔；

步骤3：将管腔密封，在灌浆载体的第一加热模块、第一降温模块分别注入热水、冷水；

步骤4：等待预定时间后，从灌浆载体的管腔中取出管坯；

步骤5：将步骤4取出的管坯放入滑台进行喷淋；

步骤6：将步骤5喷淋过的管坯置入模具本体内的主管腔道；

步骤7：将主管腔道上的推料杆作用于管坯端部上，推料杆向管坯中部持续推进；

步骤8：管坯中部向支管腔道拱起，形成支管；

步骤9：将支管腔道上的推料杆作用于支管端部，向管坯施加径向力，最终形成异形管件；

步骤10：将步骤9成形的异形管件置入沉浆池中进行水浴加热，使异形管件的管口朝下插入在支架的管孔中，等待异形管件内的胀形介质全部流出；

步骤11：将流出胀形介质的异形管件放入清洗池进行清洗。

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