CN110672651B

CN110672651B - 一种压铸模具材料试件热疲劳试验装置

Info

Publication number: CN110672651B
Application number: CN201910934650.6A
Authority: CN
Inventors: 许忠斌; 梁啟森; 薛斌; 周文狄; 张小岩; 周翔宇
Original assignee: Ningbo Daxie Development Zone Tianzheng Mould Co ltd; Zhejiang University ZJU
Current assignee: Ningbo Daxie Development Zone Tianzheng Mould Co ltd; Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-09-29
Filing date: 2019-09-29
Publication date: 2020-09-25
Anticipated expiration: 2039-09-29
Also published as: CN110672651A

Abstract

本发明提供了一种压铸模具材料试件热疲劳试验装置，该装置包括上活塞、缸体、缸体支管、弹簧封盖、下活塞、轴套、金属液回收管、夹件转动系统、试件冷却水管道、试件夹紧装置、试件、脱模剂喷头、脱模剂管道、金属液收集壳体、保温材料外壳、闸门顶杆、闸门、金属液熔炉、侧杆、开口槽及控制系统。该装置能更加真实地逼近实际压铸过程中压铸模具型腔表面材料的热疲劳失效形式；模拟真实压铸过程中压铸模的温度场变化，实现试验材料在熔融铝液中的冲击溶蚀和热疲劳的测试试验；该设备能耗低，通用性高，且本试验装置能长时间在高温工况下试验，适合于高次数的热疲劳试验。

Description

一种压铸模具材料试件热疲劳试验装置

技术领域

本发明属于疲劳性能试验装置技术领域，尤其涉及一种压铸模具材料热疲劳试验装置。

背景技术

压力铸造(简称压铸)工艺是一种高效益、高效率的少、无切削的金属成型工艺，其特点是在极短的时间内使金属液在高速高压的情况下压入模具型腔。基于上述特点，在高温金属液的传热和冲蚀下，压铸模型腔表面会产生很大的温度梯度，进而导致型腔表面应力大于模具材料的疲劳强度极限，最终产生裂纹，导致压铸模热疲劳失效。据统计，铝合金压铸模热疲劳失效占总失效的70％左右，铜合金压铸模热疲劳失效占总失效的80％-90％。

目前市场上并没有针对压铸模具试件的热疲劳试验的设备，相关专利和产品也仅是针对相应金属材料的热疲劳试验装备，即针对模具钢做相应的热疲劳试验。如中华人民共和国航空航天工业部于1992年发布的HB 6660-2011《金属板材热疲劳试验方法》，其中规定了金属板材的形状尺寸和试验装置，大部分金属热疲劳试验机都是依照该规定设计的。此类试验机多采用电感线圈加热、冷却水降温，对于普通金属材料热疲劳性能测定虽能表征其温度场变化，但对于压铸模型腔表面的温度场变化的表征却很不准确。现有的专利号为CN2859528Y名称为“压铸模具材料在熔融铝液中的热熔损与热疲劳实验装置”的中国实用新型专利提供了一种在熔融铝液中加热、空气中冷却的试验设备。该设备将夹具安装在电机上，将试件装夹好后，伸入铝液旋转，从而实现试件与铝液间较高的相对速度，但这种高速转动造成的试件的热熔损与实际压铸生产中金属液高速高压的冲击的情形存在一定的差距，而且该设备对于试件的冷却只是简单的置于空气中冷却，无脱模剂喷涂，难以清洁试件表面，容易造成金属液残留，试验与实际压铸生产情形不甚贴合，有待改进。

压铸模型腔表面所受热负荷主要是压铸时高温合金液高速高压冲击下的热传导和冷却时脱模剂和空气的对流激冷，它主要影响压铸模表面10mm左右的区域。此外，压铸模型腔表面产生裂纹时，并不只是受热应力导致，还包括高速高压的金属液的冲击应力、金属液腐蚀等联合作用。而现有的热疲劳试验机只考虑了整体温度场的变化，大多采用自约束热疲劳试验法，只是选择模具服役过程中的上、下限温度进行热循环，忽略了模具工作时表面受到的机械应力，虽在一定程度上能反映热疲劳失效机理，但不是很接近真实的服役状况。

热作模具钢中的合金元素较多，容易与碳元素形成第二相碳化物，第二相碳化物在模具表面聚集成核，粗化后即形成裂纹源。热疲劳裂纹与第二相碳化物的大小、分布有关，因此在较少的试验次数下，可通过检测模具表面晶相组织内的碳化物分布，判断出材料的热疲劳寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种压铸模具材料试件热疲劳试验装置。

本发明采用如下技术方案：一种压铸模具材料试件热疲劳试验装置，包括上活塞、缸体、缸体支管、弹簧封盖、下活塞、轴套、金属液回收管、夹件转动系统、试件冷却水管道、试件夹紧装置、试件、脱模剂喷头、脱模剂管道、金属液收集壳体、保温材料外壳、闸门顶杆、闸门、金属液熔炉、侧杆、开口槽。所述缸体置于保温材料外壳中并受其固定；所述闸门设置于缸体上部，所述上活塞和下活塞设置于所述缸体内腔，所述缸体支管设置于所述缸体两侧，伸入至所述金属液收集壳体内。所述弹簧封盖设置于缸体支管前端。所述试件夹紧装置设置于金属液收集壳体内部。所述夹件传动系统置于试件夹紧装置下方，所述脱模剂喷头，设置于试件夹紧装置上方，所述试件冷却水管道设置于所述金属液收集壳体外侧。

进一步地，所述上活塞拉出缸体，带动缸体上方闸门的开启；上活塞冲入缸体时，闸门立即关闭，上活塞的工作行程与闸门关闭紧密配合；所述下活塞始终于缸体内部运动，其缸体外的轴末端套有轴套，与夹件传动系统的横向侧杆焊接在一起。

进一步地，所述缸体支管在距缸体顶端三分之二缸体长度处设置，所述缸体支管轴向截面为凸曲线状。

进一步地，所述弹簧封盖设置于缸体支管前端法兰上，所述弹簧封盖为上下对称的半圆形，各自通过弹簧连接于法兰上下两端。

进一步地，所述金属液收集壳体内侧边接入缸体支管，其上部分呈圆柱状，下部分呈圆锥状，上部分伸入脱模剂喷头，下部分置于保温材料外壳中，其底端外接金属液回收管；所述旁路支管外侧开有开口槽，冷却水管可从此处伸入，连接至试样背面冷却水管道口处。

进一步地，所述脱模剂喷头设置成3×3呈阵列状分布，通过涂料管道连接至气动泵。

进一步地，所述试件夹紧装置焊接于夹件转动系统上，所述夹件转动系统包括：转动轴，升降杆，连杆，转动杆及轴承；所述转动轴通过轴承与金属液收集壳体连接，其一侧焊接一转动杆，通过连杆与上下移动的升降杆连接。

进一步地，所述下活塞中心部位嵌入耐高温的SiC压阻式压力传感器，外接线至控制系统。

由于上述技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明的热疲劳试验机，能够更加真实地逼近实际压铸过程中压铸模具型腔表面的热疲劳失效形式。高温金属液经由上下活塞打入，高速高压冲击压铸模试件表面，模拟了真实压铸时金属液充入型腔内传热的过程。下活塞上升，试件转至水平状态，再受到高压脱模剂喷雾的激冷作用，从而形成冷热交替的循环工况，以接近实际工况的冷热循环去测试压铸模试件的热疲劳耐久性。

(2)金属液收集壳体两侧开有冷却水通道，可向试件内通入冷却水，从而更加真实地模拟了真实压铸过程中压铸模的温度场变化，能够实现试验材料在熔融铝液中的冲击溶蚀和热疲劳的测试试验。左右两侧可同时试验，各个工况都保持一致，对比实验，从而获得较低的试验误差。

(3)本发明的所有运动副的执行环节都集中在上下两个活塞的往复运动上，控制器只需控制两个活塞的运动行程，即可控制疲劳试验过程中各个阶段的时长参数。设备能耗低，通用性高，夹入试样后即可反复多次试验，本试验装置能长时间在高温工况下试验，适合于高次数的热疲劳试验。

(4)控制系统采用可编程的智能控制系统，上下活塞运动的驱动器、脱模剂喷涂的气动泵开关均连接至工控机集中控制，在工控机操作面板上输入疲劳试验各阶段的工作时长、金属液喷射压力等参数，试验机即可自动完成热疲劳试验。

附图说明

图1为本发明热疲劳试验机的结构示意图；

图2为本发明热疲劳试验机中的收集金属液的壳体的结构示意图；

图3为本发明热疲劳试验机中试件夹紧装置中的机械连杆传动系统一侧的简易示意图；

图4为本发明热疲劳试验机中缸体支管前端的弹簧封盖的示意图；

图5为本发明热疲劳试验机中金属液闸门的大致示意图；

图6为本发明热疲劳试验机中下活塞中心部位横截面的示意图；

图7为本发明热疲劳试验机的控制流程示意图。

图中：1、上活塞；2、缸体；3、金属液；4、缸体支管；5、弹簧封盖；6、下活塞；7、轴套；8、金属液回收管；9、夹具转动系统；10、转动轴；11、试件冷却水管道；12、试件夹紧装置；13、试件；14、脱模剂喷头；15、脱模剂管道；16、金属液收集壳体；17、保温材料外壳；18、闸门顶杆；19、闸门；20金属液熔炉；61、SiC压阻式压力传感器；91、侧杆；92、升降杆；93、连杆；94、转动杆；161、开口槽；162、轴承

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

如附图1-5所示，本发明的针对压铸模具试件的热疲劳试验机包括缸体2、设置于缸体2上部用于控制金属液流入的闸门19、设置于所述缸体2内腔用于压射金属液的上活塞1和下活塞6、设置于所述缸体两侧的缸体支管4、设置于支管前端的弹簧封盖5、支管伸入的用于收集金属液的金属液收集壳体16、设置于所述壳体内部的试件夹紧装置12、用于驱动所述夹紧装置转动的机械连杆传动系统9、设置于试件上方用于喷涂脱模剂的脱模剂喷头14、设置于所述壳体外侧用于给试件内部通冷却水的试件冷却水管道11、控制整个热疲劳试验机工作的控制系统。

如附图1、5所示，金属液熔炉20置于本装置上方一定高度处，闸门顶杆18在上活塞1轴上固定位置须与闸门开合相配合，顶杆18通过横置的圆柱杆焊接于固定在上活塞1轴上的轴套7上。

如附图1-3所示，下活塞6的尾端固定有轴套7，其上焊接有两根横置的侧杆91，侧杆91与对和金属液收集壳体16成一定角度，角度大小只需错开金属液收集壳体16下端金属液回收管8，能自由上下运动即可。其中连杆93与转动杆94的长度之和应与下活塞6的行程长度相等，从而保证试件表面每次从水平位置转到竖直位置。

如附图2所示，收集金属液的金属液收集壳体16上部分为圆柱形，下部分为圆锥形，其底部接有金属液回收管8，底部圆锥面一侧开孔接入升降杆92，即传动系统9，顶端接入喷头阵列15，试件夹紧装置12固定于转动轴10上，转动轴10穿过固定于壳体16上的轴承162，从而实现转动。壳体外侧开有导入冷却水的槽口162，其大小只需能通过2-6根冷却水管即可。

如附图6所示，下活塞6中心部位嵌入耐高温的SiC压阻式压力传感器，外接线至控制系统，实时反映下活塞6表面的压力值。

本发明采用板状试样法，将试件13制成长方体状，内部开有冷却水通道，距试样表面3-5mm的中心部位，焊接直径为0.1-0.3mm的热电偶，实时监测表面温度变化。

整个装置里，凡是有金属液流过的部位，均需裹有充足的保温材料，防止金属液在流动过程中凝固，影响设备内的正常运转。

竖直方向的脱模剂喷头14采用3×3的喷头阵列，目的是能够一次性完整喷涂试件表面，具体喷头数量可根据实际试件大小自行调整，只需完成上述目的即可。

实施例

如图7所示，为本发明热疲劳试验机的控制流程示意图，在进行热疲劳试验时，首先打开收集金属液壳体顶盖，装入压铸模试件，底部接入冷却水管。机构启动后，上活塞上升，下活塞向上移动至支管上方，其底部轴套带动焊接于其上的侧杆上升，升降杆上升，连杆转动，推动转动杆转动，转轴转动，夹紧装置转至水平方向，试件表面正对竖直方向的3×3喷头阵列。此时阀门被伸出缸体的上活塞上的顶杆顶起后，金属液利用自身重力，自管道处流入缸体。脱模剂气动泵开启，向试件表面喷涂脱模剂，时长为设定的冷却时长。下活塞表面压力传感器实时监测金属液压力，经帕斯卡定律转化为对应的液位，待缸体内金属液量达到设定值时，上活塞下降，关闭金属液阀门。下活塞随之下降，金属液逐渐填充至两侧支管内，下活塞降至支管下方时锁死，待金属液将要压开支管前端的弹簧封盖前，上活塞迅速下压，将金属液从支管口喷射出去，高速高压冲击在试件表面，冲击后的金属液自圆锥壳体进行回收，再放置到熔炉内熔化循环。加热时间，即热冲击时长可通过调整金属液的注入量来实现。加热结束后，上活塞上升，下活塞向上移动至支管上方，其底部轴套带动焊接于其上的侧杆上升，夹紧装置转至水平方向，试件表面正对竖直方向的3×3喷头阵列，气动泵开启，向试件表面喷涂脱模剂冷却。之后重复上述动作，进行热疲劳试验，待达到800-1000次时，卸下试件，用缓释液清洗，去掉试样表面水垢，选择试样中心位置，在80倍读数显微镜下观察裂纹分布，与GB/T15824-1995中的标准疲劳图谱对比，或检测试件表面晶相组织内的第二相碳化物分布，鉴定其疲劳等级。

Claims

1.一种压铸模具材料试件热疲劳试验装置，其特征在于，所述装置包括上活塞（1）、缸体（2）、缸体支管（4）、弹簧封盖（5）、下活塞（6）、轴套（7）、金属液回收管（8）、夹件转动系统（9）、试件冷却水管道（11）、试件夹紧装置（12）、试件（13）、脱模剂喷头（14）、脱模剂管道（15）、金属液收集壳体（16）、保温材料外壳（17）、闸门顶杆（18）、闸门（19）、金属液熔炉（20）、侧杆（91）、开口槽（161）；所述缸体（2）置于保温材料外壳（17）中并受其固定；所述闸门（19）设置于缸体（2）上部，所述上活塞（1）和下活塞（6）设置于所述缸体（2）内腔，闸门顶杆（18）在上活塞（1）轴上与闸门（19）开合相配合，下活塞（6）的尾端固定有轴套（7），其上焊接有两根横置的侧杆（91），所述缸体支管（4）设置于所述缸体（2）两侧，伸入至所述金属液收集壳体（16）内，所述金属液收集壳体（16）底端外接金属液回收管（8）；所述弹簧封盖（5）设置于缸体支管（4）前端；所述试件夹紧装置（12）设置于金属液收集壳体（16）内部；所述夹件转动系统（9）置于试件夹紧装置（12）下方，所述脱模剂喷头（14）设置于试件夹紧装置（12）上方，所述试件冷却水管道（11）设置于所述金属液收集壳体（16）外侧，金属液熔炉（20）置于该压铸模具材料试件热疲劳试验装置上方，旁路支管外侧开有开口槽（161）。

2.根据权利要求1所述的一种压铸模具材料试件热疲劳试验装置，其特征在于，所述上活塞（1）拉出缸体（2），带动缸体（2）上方闸门（19）的开启；上活塞（1）冲入缸体时，闸门（19）立即关闭，上活塞（1）的工作行程与闸门（19）关闭紧密配合；所述下活塞（6）始终于缸体（2）内部运动，其缸体（2）外的轴末端套有轴套（7），与夹件转动系统（9）的横向侧杆（91）焊接在一起。

3.根据权利要求1所述的一种压铸模具材料试件热疲劳试验装置，其特征在于，所述缸体支管（4）在距缸体（2）顶端三分之二缸体长度处设置，所述缸体支管（4）轴向截面为凸曲线状。

4.根据权利要求1所述的一种压铸模具材料试件热疲劳试验装置，其特征在于，所述弹簧封盖（5）设置于缸体支管（4）前端法兰上，所述弹簧封盖（5）为上下对称的半圆形，各自通过弹簧连接于法兰上下两端。

5.根据权利要求1所述的一种压铸模具材料试件热疲劳试验装置，其特征在于，所述金属液收集壳体（16）内侧边接入缸体支管（4），其上部分呈圆柱状，下部分呈圆锥状，上部分伸入脱模剂喷头（14），下部分置于保温材料外壳（17）中，其底端外接金属液回收管（8）；所述旁路支管外侧开有开口槽（161），冷却水管可从此处伸入，连接至试样背面冷却水管道口处。

6.根据权利要求5所述的一种压铸模具材料试件热疲劳试验装置，其特征在于，所述脱模剂喷头（14）设置成3×3呈阵列状分布，通过涂料管道连接至气动泵。

7.根据权利要求1所述的一种压铸模具材料试件热疲劳试验装置，其特征在于，所述试件夹紧装置（12）焊接于夹件转动系统（9）上，所述夹件转动系统（9）包括：转动轴（10），升降杆（92），连杆（93），转动杆（94）及轴承（162）；所述转动轴（10）通过轴承（162）与金属液收集壳体（16）连接，其一侧焊接一转动杆（94），通过连杆（93）与上下移动的升降杆（92）连接。

8.根据权利要求1所述的一种压铸模具材料试件热疲劳试验装置，其特征在于，所述下活塞（6）中心部位嵌入耐高温的SiC压阻式压力传感器，外接线至控制系统。