CN110280703B - 一种旋转锻造应变诱发式半固态流变成形生产线 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属半固态流变成形技术领域，涉及一种旋转锻造应变诱发式半固态流变成形工业生产线，包括多机头旋转锻造机组、下料机构、送料装置、旋转接触式加热炉、加料机器人及成形设备；多机头旋转锻造机组可以一次性实现多道次棒料的高效率旋转锻造变形，下料机构将变形棒料按照成形零件所需的体积进行下料，送料装置将下料所得坯料转移至旋转接触式加热炉进行等温热处理，加料机器人将该半固态坯料转移至成形设备中成型。本发明可以提高SIMA法的制坯工艺的效率和自动化程度，解决现有流变成形材料保存和输送困难、工艺不稳定以及制坯效率低等问题，非常适合小质量零件的半固态成形生产。

Description

一种旋转锻造应变诱发式半固态流变成形生产线

技术领域

本发明属于金属半固态流变成形技术领域，涉及一种旋转锻造应变诱发式(StrainInducedMetalActivation，简称SIMA)半固态金属零件流变成形工业生产线。

背景技术

半固态金属成形技术是一种综合了液态铸造流动性强和固态锻造力学性能高的金属零件先进成形方法，被誉为21世纪最具发展潜力的绿色制造工艺。该技术已逐步实现产业化，其关键在于半固态球状晶粒材料的制备和零件的成形工艺。

应变诱发(SIMA)法是众多半固态材料制备方法中较为简单的一种，它利用金属变形过程中产生的畸变能，促使树枝晶组织在半固态温度区间进行等温热处理进而转变为球状晶粒组织，该方法从固态转变为固-液两相混合浆料，制备温度相对电磁搅拌、机械搅拌等工艺较低，可降低生产能耗，获得的材料纯净。然而现有SIMA半固态球状晶粒制备方法的工艺效率较低，究其原因在于预成形效率低(如墩粗、等径角挤压等)。

半固态成形技术包括流变成形和触变成形两条工艺路线。触变成形是将半固态浆料凝固成铸坯，按成形零件的质量对铸坯进行分割，再重新将每块坯料加热至半固态温度区间，进行铸造、锻造、轧制或挤压成形。其优点是方便输送和加热，易于实现机械化和自动化生产，因此，触变成形在金属半固态成形技术工业应用中占主导地位，如铝合金的触变锻造、触变压铸和镁合金的触变注射成形工艺。目前SIMA法制备得到半固态金属坯料后，利用触变成形路线进行零件的制备。

然而，随着触变成形工艺的推广和应用，其缺点逐渐被显现出来。最突出的就是：二次加热增加了工艺流程和生产周期长，进而使设备投资和维护成本提高，易使半固态坯料表面氧化。半固态坯料表面氧化严重造成部分合金流失，对零件的加工性能和使用性能直接造成不利影响。流变成形将半固态金属坯料直接加工成形，由于半固态基金属坯料的保存和输送需要在半固态温度区间进行，增加了保存和输送的难度，限制了其在工业中的应用。但半固态金属的流变成形技术具有流程短、成本及能耗相对触变成形较低的优点，因此半固态金属流变成形技术的工业化是半固态金属成形领域未来的发展方向。

因此，发明一种针对SIMA半固态材料制备工艺的短流程、低能耗、高效率的流变工艺生产线十分有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋转锻造应变诱发式半固态流变成形生产线，其可以提高SIMA法的制坯工艺的效率和自动化程度，解决现有流变成形材料保存和输送困难、工艺不稳定以及现有SIMA法制坯效率低等问题，将进一步促进SIMA法在工业中的应用；同时，解决了流变成形工艺中高固相率半固态浆料加工困难的问题，非常适合小质量零件的半固态成形生产。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种旋转锻造应变诱发式半固态流变成形生产线，其特殊之处在于：

包括多机头旋转锻造机组、下料机构、送料装置、旋转接触式加热炉、加料机器人及成形设备；

多机头旋转锻造机组包括旋转锻造机头和基座，可以一次性实现多道次棒料的高效率旋转锻造变形，达到工艺所需的变形应变量要求，通常合金棒料通过多机头旋转锻造机组的旋转锻造棒料径向变形应变量大于0.2；然后下料机构将变形棒料按照成形零件所需的体积进行下料，下料机构包括电动下料机；送料装置将下料所得坯料转移至旋转接触式加热炉，进行等温热处理后形成半固态坯料；加料机器人将该半固态坯料转移至成形设备中成型。

进一步地，上述旋转接触式加热炉包括转动机构及加热系统；所述转动机构包括炉腔、卡爪、支架、连杆、滑块和电动缸；

所述炉腔设置在支架上，所述炉腔可以相对支架进行转动，所述炉腔外侧设有多个卡槽；所述卡爪设置在支架上，所述卡爪与炉腔外侧的卡槽配合可阻止炉腔转动；所述连杆的一端与炉腔销接，另一端与滑块销接；所述滑块14在预定滑道内滑动，所述滑块由电动缸进行驱动；

所述加热系统设置在转动机构上，用于对坯料进行加热。

进一步地，上述加热系统包括两个移动夹头、电阻加热块、热电偶、温度反馈控制系统、驱动器、加热变压器、固态接触、炉腔和电动传动装置；

所述炉腔上设有多个工位，每个工位内设有两个移动夹头，用于夹持旋转锻造坯料；电阻加热块设置在移动夹头内，用于对坯料进行加热；所述热电偶用于测量坯料的温度，并将测得的温度反馈到温度反馈控制系统，温度反馈控制系统根据得到的温度控制通过驱动器控制加热变压器和固态接触，进而调整加热回路中的电流强度；所述电动传动装置可驱动两个移动夹头移动。

进一步地，上述热电偶的数量为三个，三个热电偶分别测量坯料上段、中段和下段的温度。

进一步地，上述成形设备包括模具型腔，所述模具型腔的预热温度通常为250℃～400℃。

进一步地，上述模具型腔包括上模具和下模具，所述下模具表面设置桥口结构，以存储多余的材料、同时排除气体和杂质。

本发明的优点：

1)与传统流变成形技术相比，本发明不存在半固态金属坯料的输送和保存问题，只需要在常温下输送和保存变形坯料即可；

2)与传统流变成形生产线相比，本发明工艺简单且稳定，只需要控制变形坯料的下料尺寸、多工位感应加热设备的稳定性及保温时间，就可获得尺寸和形态均一性良好的近球状微观组织的零件；

3.与半固态触变成形技术相比，本发明的生产线没有二次加热的过程，既节约了能耗、降低了生产周期，又降低了二次加热设备的购置费用，且避免了材料因多次加热氧化而成分流失的问题；

4.本发明采用多机头旋锻锻造机组实现棒料多道次变形，自动化程度高，半固态坯料制备效率高，适用于小型零件的生产。

附图说明

图1为半固态流变成形生产线的工艺流程图；

图2为旋转接触式加热炉转动机构的结构图；

图3为旋转接触式加热炉加热系统的示意图。

其中：1-移动夹头；2-电阻加热块；3-坯料；4-热电偶；5-温度反馈控制系统；6-驱动器；7-加热变压器；8-固态接触；9-炉腔；10-电动传动装置；11-卡爪；12-支架；13-连杆；14-滑块；15-电动缸。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

参见图1，一种旋转锻造应变诱发式半固态流变成形生产线，包括多机头旋转锻造机组、下料机构、送料装置、旋转接触式加热炉、加料机器人及成形设备。

多机头旋转锻造机组包括旋转锻造机头和基座，可以一次性实现多道次棒料的高效率旋转锻造变形达到工艺所需的变形应变量要求，通常合金棒料通过多机头旋转锻造机组的旋转锻造变形应变量大于0.2；然后下料机构将变形棒料按照成形零件所需的体积进行下料，下料机构包括电动下料机；送料装置将下料所得坯料转移至旋转接触式加热炉，进行等温热处理后形成半固态坯料；加料机器人将该半固态坯料转移至成形设备中成型。

参见图2，旋转接触式加热炉包括转动机构及加热系统；所述转动机构包括炉腔9、卡爪11、支架12、连杆13、滑块14和电动缸15。

所述炉腔9设置在支架12上，所述炉腔9可以相对支架12进行转动，所述炉腔9外侧设有多个卡槽；所述卡爪11设置在支架12上，所述卡爪11与炉腔9外侧的卡槽配合可阻止炉腔9转动；所述连杆13的一端与炉腔9销接，另一端与滑块14销接；所述滑块14在预定滑道内滑动，所述滑块14由电动缸15进行驱动；所述加热系统设置在转动机构上，用于对坯料3进行加热。

参见图3，所述加热系统包括两个移动夹头1、电阻加热块2、热电偶4、温度反馈控制系统5、驱动器6、加热变压器7、固态接触8、炉腔9和电动传动装置10；

所述炉腔9上设有多个工位，每个工位内设有两个移动夹头1，用于夹持旋转锻造坯料3；电阻加热块2设置在移动夹头1内，用于对坯料3进行加热；所述热电偶4用于测量坯料3的温度，并将测得的温度反馈到温度反馈控制系统5，温度反馈控制系统5根据得到的温度控制通过驱动器6控制加热变压器7和固态接触8，进而调整加热回路中的电流强度；所述电动传动装置10可驱动两个移动夹头1移动。其中，所述热电偶4的数量为三个，三个热电偶4分别测量坯料3上段、中段和下段的温度。

本发明的工作原理为：

棒料或者管料被送入多机头旋转锻造机组实现连续多道次旋转锻造成形，旋转锻造后的材料的径向变形应变大于0.2，接着将变形棒料送入下料机，并按照体积或重量下料；下料机由电动机驱动；经过下料的旋转锻造坯料由送料装置夹持送入旋转接触式加热炉内特制的夹具内，并在设定的温度下进行半固态等温热处理，保温0.5分钟-5分钟后，加料机器人机械手通过特制的夹具立即将该半固态坯料转移至预热好的成形设备的模具型腔中。闭合模具进行流变成形，保压几秒后(根据具体成形零件需求设定)，开启模具，零件脱模并清理模具。

其中，进行半固态等温热处理时，首先设定半固态等温热处理温度和保温时间，其中保温温度处于金属材料的固相线和液相线之间，保温时间为0.5分钟-5分钟。然后将旋转接触式加热炉的底部移动夹头1固定不动，将旋转锻造后的坯料和特制夹具放入炉腔9内，移动另一个移动夹头1，使镶嵌在移动夹头1内的电阻加热块2与坯料3和特制夹具接触，启动加热程序。通过热电偶4测量坯料不同部位的温度，当热电偶4测得的三组数据输送到反馈控制系统5，通过驱动器6控制加热变压器7和固态接触8，进而调整加热回路中的电流强度，使坯料3三个位置的温度尽快趋于一致(相差在±2℃)，当热电偶4测得的三组数据一致时，保温0.5分钟-5分钟。此时，将获得具有球状晶粒的半固态坯料。电动传动装置10控制两个移动夹头1将坯料和特制夹具顶出型腔，通过机械手转移至成成形设备。

本发明所述旋转锻造坯料的半固态等温热处理工艺节拍要与成形工艺节拍一致，半固态等温热处理工艺节拍通过多工位接触式电阻加热炉的旋转结构控制。参照图2，当电动缸15拖动滑块14向左做滑移运动时，滑块14将通过连杆13穿过支架12上的窗口带动炉腔9逆时针转动，卡爪11与炉腔9上一个卡槽分离并与下一个卡槽接触；当电动缸15拖动滑块14向右做滑移运动时，滑块14将通过连杆13带动炉腔9顺时针转动，但此时卡爪11与炉腔9的卡槽接触并受到电动缸施加的作用力使炉腔静止不动，此时将迅速完成坯料3由多工位接触式电阻加热炉转移到模具中的工序。即完成了一个工序节拍的控制。

所述成形设备的模具型腔和冲头应保持尽可能高的预热温度，通常为250℃-400℃之间，以保证零件微观组织的均一性。模具型腔包括上模具和下模具，所述下模具表面设置桥口结构，以存储多余的材料、同时排除气体和杂质。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种旋转锻造应变诱发式半固态流变成形生产线，其特征在于：包括多机头旋转锻造机组、下料机构、送料装置、旋转接触式加热炉、加料机器人及成形设备；

多机头旋转锻造机组实现多道次棒料的高效率旋转锻造变形；然后下料机构将变形棒料按照成形零件所需的体积进行下料，下料机构包括电动下料机；送料装置将下料所得坯料转移至旋转接触式加热炉，进行等温热处理后形成半固态坯料；加料机器人将所述半固态坯料转移至成形设备中成型；

所述旋转接触式加热炉包括转动机构及加热系统；所述转动机构包括炉腔（9）、卡爪（11）、支架（12）、连杆（13）、滑块（14）和电动缸（15）；

所述炉腔（9）设置在支架（12）上，所述炉腔（9）能相对支架（12）进行转动，所述炉腔（9）外侧设有多个卡槽；所述卡爪（11）设置在支架（12）上，所述卡爪（11）与炉腔（9）外侧的卡槽配合阻止炉腔（9）转动；所述连杆（13）的一端与炉腔（9）销接，另一端与滑块（14）销接；所述滑块（14）在预定滑道内滑动，所述滑块（14）由电动缸（15）进行驱动；

所述加热系统设置在转动机构上，用于对坯料（3）进行加热；

所述加热系统包括移动夹头（1）、电阻加热块（2）、热电偶（4）、温度反馈控制系统（5）、驱动器（6）、加热变压器（7）、固态接触（8）和电动传动装置（10）；

所述炉腔（9）上设有多个工位，每个工位内设有两个移动夹头（1），用于夹持旋转锻造坯料（3）；电阻加热块（2）设置在移动夹头（1）内，用于对坯料（3）进行加热；所述热电偶（4）用于测量坯料（3）的温度，并将测得的温度反馈到温度反馈控制系统（5），温度反馈控制系统（5）根据得到的温度通过驱动器（6）控制加热变压器（7）和固态接触（8），进而调整加热回路中的电流强度；所述电动传动装置（10）能驱动两个移动夹头（1）移动。

2.根据权利要求1所述的一种旋转锻造应变诱发式半固态流变成形生产线，其特征在于：

所述热电偶（4）的数量为三个，三个热电偶（4）分别测量坯料（3）上段、中段和下段的温度。

3.根据权利要求1或2所述的一种旋转锻造应变诱发式半固态流变成形生产线，其特征在于：

所述成形设备包括模具型腔，所述模具型腔的预热温度为250℃~400℃。

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