CN110216272A - 一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置及方法 - Google Patents

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王海鹏
蔡晓
魏炳波
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Abstract

本发明公开了一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置及方法，涉及液态金属凝固成型技术领域，通过电磁悬浮技术、压力凝固成型技术、光电检测技术结合控制系统，实现熔体位置精确定位及模具运动及时响应，实现优异性能合金铸件的压力凝固成型。本发明的熔体位置探测系统可精确地捕捉熔体位置和速度，根据熔体位置信息，利用控制器对模具运动进行调节，有利于高速下落熔体的精确成型，通过压力凝固成型装置，实现大体积金属熔体的直接凝固成型，使得原材料的精炼制备、凝固过程的主动控制和材料的直接成型等加工流程一体化。

Description

一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置及方法
技术领域
本发明涉及液态金属凝固成型技术领域，特别涉及一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置及方法。
背景技术
目前，电磁悬浮无容器处理技术广泛应用于新材料制备、高纯金属熔炼和材料凝固等领域，具有稳定性好、悬浮力强和悬浮与加热同时进行的特点。制备熔体避免与坩埚接触而污染很小，结合多种冷却手段，可获得超常凝固条件下的微观组织。同时，电磁悬浮液滴本身处于线圈产生的高频磁场之中，所获得的洛伦兹力产生剧烈的电磁搅拌作用足以使熔体成分均匀。
材料凝固成型技术被广泛地应用于工业生产之中，以满足不同的应用需求。工业生产时，当原料是液态时，人们通过熔模铸造、压力铸造及离心铸造等方式制造铸件。人们针对成型过程中金属“易氧化”提出多种不同的设计方案：例如：把熔炼装置与模具装置均置于真空环境；增加搅拌强度，使熔体中的杂质上浮。液态金属多为坩埚盛装，通过电阻丝或者感应加热进行。在凝固过程需要长时间的持续搅拌，以避免合金中轻质合金成分的分层进一步影响铸件质量。
但是，这些典型的浇铸手段中存在较低的温度梯度，由此导致长时间的凝固过程，进而影响材料凝固组织特征，表现为低劣的服役性能。所以，就需要一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置及方法，能够制备具备优良服役性能的材料。
发明内容
本发明实施例提供了一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置及方法，用以解决现有技术中存在的问题。
一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置及方法，包括模具固定支架，所述模具固定支架两端分别固定右侧模具驱动单元和左侧模具驱动单元，所述右侧模具驱动单元靠近所述左侧模具驱动单元一侧设有右侧推拉杆，所述左侧模具驱动单元靠近所述右侧模具驱动单元一侧设有左侧推拉杆；
所述右侧模具驱动单元和所述左侧模具驱动单元之间设有真空室腔体，所述真空室腔体内部底面设有滑轨，所述右侧推拉杆水平穿过所述真空室腔体侧面并在末端设有右侧模具，所述左侧推拉杆水平穿过所述真空室腔体侧面并在末端设有左侧模具，所述右侧模具和所述左侧模具均在所述滑轨内滑动；
所述真空室腔体内设有电磁悬浮线圈，所述电磁悬浮线圈上方悬浮有熔体，所述真空室腔体侧面设有上下观察窗口，上下所述观察窗口外侧分别对应设置第一探测器和第二探测器，所述第一探测器、所述第二探测器、所述右侧模具驱动单元以及所述左侧模具驱动单元均与控制器电连接。
优选地，上下所述观察窗口均与所述熔体的下降轨迹平行。
优选地，所述模具固定支架为“U”字型。
优选地，所述第一探测器和所述第二探测器由摄像机、激光单元或者光电二极管构成。
优选地，所述右侧模具驱动单元和所述左侧模具驱动单元均为电磁驱动、高压气体驱动或者液压驱动。
优选地，所述右侧模具和所述左侧模具均为前段平面向内凹陷的铸型，所述右侧模具和所述左侧模具内部均设有冷却水循环回路。
优选地，所述熔体的轴心高度与所述第一探测器的轴心高度一致。
一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置的方法，包括：
S1、根据实验需求选择模具类型及模具驱动方式；
S2、监测熔体下落过程，推算熔体下落到模具轴心位置所需时间；
S3、根据熔体下落到模具轴心位置所需时间推算模具触发时刻，并在触发时刻触发模具。
优选地，在所述S2中，
假设速度计算点与悬浮点距离为h，所述第一探测器与模具的轴心垂直距离为h1，第二探测器与模具的轴心垂直距离为h2，g为重力加速度，熔体开始下落时间为t0＝0s，根据自由落体公式得到掉落至距离为h处时的瞬时速度v(h)与所需时间t(h)：
熔体经过所述第二探测器位置的时间为：
熔体下落至模具中心的时间为：
更优选地，在所述S3中，
为了使模具闭合后所述熔体完全包裹于模具腔体之中，假设熔体为球形，半径为r，则从距离悬浮点(h-r)处自由落体运动到距离悬浮点h处所需时间为：
在时刻，即所述熔体运动至距离悬浮点(h-r)处时，存在以下两种情况运动模式：
若一侧模具固定，一侧模具运动，则该时刻运动模具到终点的距离应该大于熔体直径2r，可知模具的运动末速度至少为：
若双侧模具运动。该时刻运动模具距离终点距离应该大于熔体半径r，可知模具的运动末速度至少为：
在真空条件下，用所述电磁悬浮线圈悬浮所述熔体，当断开所述电磁悬浮线圈的激励电流后，所述熔体开始下落；
假设模具运动所需总时间为t4，所述第一探测器检测到熔体的运动，当(t2-t4)时刻，由所述控制器发出指令控制所述右侧模具模具驱动单元和所述左侧模具驱动单元，在所述右侧推拉杆和所述左侧推拉杆的作用下，使所述右侧模具和所述左侧模具向腔体中心运动，最终所述右侧模具和所述左侧模具前端平面重合，所述熔体嵌入铸模当中形成铸件。
本发明有益效果：
(1)熔体位置探测系统可精确地捕捉熔体位置和速度，有利于对模具运动实施主动控制；
(2)采用控制系统获取熔体位置信息和对模具运动进行控制，有利于实现高速下落熔体的精确铸模；
(3)得益于熔体的无容器悬浮熔炼、自由下落和模具快速接触熔体，可获得快速凝固条件下的微观结构，助力探索新型材料的服役性能与微观组织之间的内在关系；
(4)借助与真空室相互独立的模具支架，避免模具与真空室之间产生内部应力，有利于真空腔体的保护；
(5)通过压力凝固成型装置，实现大体积金属熔体的直接凝固成型，使得原材料的精炼制备、凝固过程的主动控制和材料的直接成型等加工流程一体化，从而制备具备优良服役性能的材料。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置的压力凝固成型实验的初始结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置的压力凝固成型实验的末程结构示意图。
附图标记说明：
1-真空室腔体，2-熔体，3-电磁悬浮线圈，4-观察窗口，5-第一探测器，6-第二探测器，7-右侧模具驱动单元，8-右侧推拉杆，9-右侧模具，10-滑轨，11-左侧模具驱动单元，12-左侧推拉杆，13-左侧模具，14-控制器，15-模具固定支架。
具体实施方式
下面结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
根据现有技术分析，外界污染的有效抑制、成分的偏析控制及凝固过程的合理控制成为制备具备优良服役性能材料的前提条件。但是，在工业中进行优异合金制备时，一般均需要繁多的加工工序才能获得最终的零件结构，在满足性能要求的前提下，优化工艺步骤不仅可以避免人力、物力与财力的浪费，也可以提高产能。电磁悬浮无容器处理技术所提供的快速凝固条件，可使熔体的组织均匀细化，是制备服役性能优异的材料的可行技术方案。目前人们基于此技术多用于材料的凝固原理研究，但尚未发现从电磁悬浮金属材料、材料凝固控制和基于电磁悬浮技术直接凝固成型为一体的相关报道。
参照图1-2，本发明提供了一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置及方法，包括模具固定支架15，所述模具固定支架15为“U”字型，所述模具固定支架15两端分别固定右侧模具驱动单元7和左侧模具驱动单元11，所述右侧模具驱动单元7和所述左侧模具驱动单元11均为电磁驱动的电磁铁、高压气体驱动的气缸或者液压驱动的油缸。
所述右侧模具驱动单元7靠近所述左侧模具驱动单元11一侧设有右侧推拉杆8，所述左侧模具驱动单元11靠近所述右侧模具驱动单元7一侧设有左侧推拉杆12；
所述右侧模具驱动单元7和所述左侧模具驱动单元11之间设有真空室腔体1，所述真空室腔体1内部底面设有滑轨10，所述右侧推拉杆8水平穿过所述真空室腔体1侧面并在末端设有右侧模具9，所述左侧推拉杆12水平穿过所述真空室腔体1侧面并在末端设有左侧模具13，所述右侧模具9和所述左侧模具13均在所述滑轨10内滑动，模具包括右侧模具9和左侧模块13，同时右侧模具9和左侧模具13可单独运作。所述右侧模具9和所述左侧模具13均为前段平面向内凹陷的铸型，所述右侧模具9和所述左侧模具13内部均设有冷却水循环回路，以满足高温熔体快速凝固时模具低温的需求，冷却水水循环回路在模具内部为S形通道，通道内径d>3mm，冷却介质为水，工作压力P>0.4MPa，工作温度T<20℃，通过管道连接模具与腔体外部高压水源。
所述真空室腔体1内设有电磁悬浮线圈3，所述电磁悬浮线圈3上方悬浮有熔体2，所述熔体2的轴心高度与所述第一探测器5的轴心高度一致，所述真空室腔体1侧面设有上下观察窗口4，上下所述观察窗口4外侧分别对应设置第一探测器5和第二探测器6，上下所述观察窗口4均与所述熔体2的下降轨迹平行，上下所述观察窗口4设有相互对应的两对，便于人眼观察和用于所述第一探测器5和所述第二探测器6监测所述熔体2下降轨迹，所述第一探测器5和所述第二探测器6由摄像机、激光单元或者光电二极管构成，由于检测熔体2下落时刻，所述第一探测器5、所述第二探测器6、所述右侧模具驱动单元7以及所述左侧模具驱动单元11均与控制器14电连接。
一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置的方法，包括：
S1、根据实验需求选择模具类型及模具驱动方式；
S2、监测熔体下落过程，推算熔体下落到模具轴心位置所需时间；
假设速度计算点与悬浮点距离为h，所述第一探测器5与模具的轴心垂直距离为h1，第二探测器6与模具的轴心垂直距离为h2，g为重力加速度，熔体开始下落时间为t0＝0s，根据自由落体公式得到掉落至距离为h处时的瞬时速度v(h)与所需时间t(h)：
熔体经过所述第二探测器6位置的时间为：
熔体下落至模具中心的时间为：
S3、根据熔体下落到模具轴心位置所需时间推算模具触发时刻，并在触发时刻触发模具。
为了使模具闭合后所述熔体2完全包裹于模具腔体之中，假设熔体为球形，半径为r，则从距离悬浮点(h-r)处自由落体运动到距离悬浮点h处所需时间为：
在时刻，即所述熔体2运动至距离悬浮点(h-r)处时，存在以下两种情况运动模式：
(1)、若一侧模具固定，一侧模具运动，则该时刻运动模具到终点的距离应该大于熔体直径2r，可知模具的运动末速度至少为：
(2)、若双侧模具运动。该时刻运动模具距离终点距离应该大于熔体半径r，可知模具的运动末速度至少为：
在真空条件下，用所述电磁悬浮线圈3悬浮所述熔体2，当断开所述电磁悬浮线圈3的激励电流后，所述熔体2开始下落；
假设模具运动所需总时间为t4，所述第一探测器5检测到熔体的运动，当(t2-t4)时刻，由所述控制器14发出指令控制所述右侧模具模具驱动单元7和所述左侧模具驱动单元11，在所述右侧推拉杆8和所述左侧推拉杆12的作用下，使所述右侧模具9和所述左侧模具13向腔体中心运动，最终所述右侧模具9和所述左侧模具13前端平面重合，所述熔体2嵌入铸模当中形成铸件。
实施例：
利用本发明提供的一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置及方法，可获得电磁悬浮条件下Al液滴的球形铸型。
(1)模具及模具运动模式的选择：实验需求为设计r＝20mm的球形铸件，设计了可压铸球形的模具，选择单侧模具固定，
(2)下落时间的计算：在一个具体的装置中，熔体半径0.023m，第一探测器5与模具的轴心垂直距离为h1＝0.5m，第二探测器6与模具的轴心垂直距离为h2＝0.35m，则经过第二探测器的时间约为t1＝0.173s，下落至模具中心所需时间为0.316s。
(3)确定触发模具运动的时刻：单侧模具运动，由公式7可知模具运动末速度至少6.230m/s，由实际测量获得该模具的总运动时间为0.254s，则从第一探测器5检测到熔体2下落开始，经过t＝0.062s后，控制器14触发模具(右侧模具9或左侧模具13)运动，在熔体下落h1时，熔体2刚好达到模具中心位置同时模具闭合。
综上所述，本发明的熔体位置探测系统可精确地捕捉熔体位置和速度，有利于对模具运动实施主动控制采用控制系统获取熔体位置信息和对模具运动进行控制，有利于实现高速下落熔体的精确铸模；得益于熔体的无容器悬浮熔炼、自由下落和模具快速接触熔体，可获得快速凝固条件下的微观结构，助力探索新型材料的服役性能与微观组织之间的内在关系；借助与真空室相互独立的模具支架，避免模具与真空室之间产生内部应力，有利于真空腔体的保护；通过压力凝固成型装置，实现大体积金属熔体的直接凝固成型，使得原材料的精炼制备、凝固过程的主动控制和材料的直接成型等加工流程一体化，从而制备具备优良服役性能的材料。
以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置，其特征在于，包括模具固定支架(15)，所述模具固定支架(15)两端分别固定右侧模具驱动单元(7)和左侧模具驱动单元(11)，所述右侧模具驱动单元(7)靠近所述左侧模具驱动单元(11)一侧设有右侧推拉杆(8)，所述左侧模具驱动单元(11)靠近所述右侧模具驱动单元(7)一侧设有左侧推拉杆(12)；
所述右侧模具驱动单元(7)和所述左侧模具驱动单元(11)之间设有真空室腔体(1)，所述真空室腔体(1)内部底面设有滑轨(10)，所述右侧推拉杆(8)水平穿过所述真空室腔体(1)侧面并在末端设有右侧模具(9)，所述左侧推拉杆(12)水平穿过所述真空室腔体(1)侧面并在末端设有左侧模具(13)，所述右侧模具(9)和所述左侧模具(13)均在所述滑轨(10)内滑动；
所述真空室腔体(1)内设有电磁悬浮线圈(3)，所述电磁悬浮线圈(3)上方悬浮有熔体(2)，所述真空室腔体(1)侧面设有上下观察窗口(4)，上下所述观察窗口(4)外侧分别对应设置第一探测器(5)和第二探测器(6)，所述第一探测器(5)、所述第二探测器(6)、所述右侧模具驱动单元(7)以及所述左侧模具驱动单元(11)均与控制器(14)电连接。
2.如权利要求1所述的一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置，其特征在于，上下所述观察窗口(4)均与所述熔体(2)的下降轨迹平行。
3.如权利要求1所述的一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置，其特征在于，所述模具固定支架(15)为“U”字型。
4.如权利要求1所述的一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置，其特征在于，所述第一探测器(5)和所述第二探测器(6)由摄像机、激光单元或者光电二极管构成。
5.如权利要求1所述的一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置，其特征在于，所述右侧模具驱动单元(7)和所述左侧模具驱动单元(11)均为电磁驱动、高压气体驱动或者液压驱动。
6.如权利要求1所述的一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置，其特征在于，所述右侧模具(9)和所述左侧模具(13)均为前段平面向内凹陷的铸型，所述右侧模具(9)和所述左侧模具(13)内部均设有冷却水循环回路。
7.如权利要求1所述的一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置，其特征在于，所述熔体(2)的轴心高度与所述第一探测器(5)的轴心高度一致。
8.一种基于权利要求1所述的一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置的方法，其特征在于，包括：
S1、根据实验需求选择模具类型及模具驱动方式；
S2、监测熔体下落过程，推算熔体下落到模具轴心位置所需时间；
S3、根据熔体下落到模具轴心位置所需时间推算模具触发时刻，并在触发时刻触发模具。
9.如权利要求8所述的一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置的方法，其特征在于，在所述S2中，
假设速度计算点与悬浮点距离为h，所述第一探测器(5)与模具的轴心垂直距离为h1，第二探测器(6)与模具的轴心垂直距离为h2，g为重力加速度，熔体开始下落时间为t0＝0s，根据自由落体公式得到掉落至距离为h处时的瞬时速度v(h)与所需时间t(h)：
熔体经过所述第二探测器(6)位置的时间为：
熔体下落至模具中心的时间为：
10.如权利要求9所述的一种用于悬浮制造的压力凝固成型装置的方法，其特征在于，在所述S3中，
为了使模具闭合后所述熔体(2)完全包裹于模具腔体之中，假设熔体为球形，半径为r，则从距离悬浮点(h-r)处自由落体运动到距离悬浮点h处所需时间为：
在时刻，即所述熔体(2)运动至距离悬浮点(h-r)处时，存在以下两种情况运动模式：
若一侧模具固定，一侧模具运动，则该时刻运动模具到终点的距离应该大于熔体直径2r，可知模具的运动末速度至少为：
若双侧模具运动，该时刻运动模具距离终点距离应该大于熔体半径r，可知模具的运动末速度至少为：
在真空条件下，用所述电磁悬浮线圈(3)悬浮所述熔体(2)，当断开所述电磁悬浮线圈(3)的激励电流后，所述熔体(2)开始下落；
假设模具运动所需总时间为t4，所述第一探测器(5)检测到熔体的运动，当(t2-t4)时刻，由所述控制器(14)发出指令控制所述右侧模具模具驱动单元(7)和所述左侧模具驱动单元(11)，在所述右侧推拉杆(8)和所述左侧推拉杆(12)的作用下，使所述右侧模具(9)和所述左侧模具(13)向腔体中心运动，最终所述右侧模具(9)和所述左侧模具(13)前端平面重合，所述熔体(2)嵌入铸模当中形成铸件。
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