CN112387954A - 一种镁合金连续铸挤过程封闭式浇注装置 - Google Patents

Abstract

一种镁合金连续铸挤过程封闭式浇注装置，包括陶瓷管、圆柱斜管、浇注块体、铸挤靴体及铸挤轮；陶瓷管上端为漏斗形且下端为圆柱形；浇注块体固连在铸挤靴体顶部，浇注块体上竖直设有陶瓷管插槽，陶瓷管及陶瓷管插槽底部设有圆柱斜管插装孔；陶瓷管插装在插槽内，铸挤轮与浇注块体及铸挤靴体密封滑动接触配合，铸挤轮内部设有熔体冷却水道，铸挤轮外表面周向设有铸挤轮槽；圆柱斜管穿装在圆柱斜管插装孔内，陶瓷管通过圆柱斜管与铸挤轮槽相连通；浇注块体底部设有第一封槽块且与铸挤轮槽滑动接触配合；铸挤靴体底部固装有密封块体，密封块体中部设有第二封槽块且与铸挤轮槽滑动接触配合；密封块体顶部设有成形模孔，孔后方铸挤靴体内设有成形模具。

Description

一种镁合金连续铸挤过程封闭式浇注装置

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，特别是涉及一种镁合金连续铸挤过程封闭式浇注装置。

背景技术

镁及镁合金具有密度小、比强度和比刚度高的特性，同时具有良好的铸造、减震、切削加工和电磁屏蔽性能，以及具有资源丰富、容易回收等一系列优点。镁合金不但是常用金属中最轻的金属，也是使用量最广的金属，已经广泛应用于航空、航天、运输、化工等领域。镁为密排六方晶格结构，其存在滑移系少、塑性差、变形抗力大及对应变速率敏感的问题，同时还存在镁合金的第二相与基体相的界面相容性和变形协调性问题，导致常规的成形方法不能有效地实现镁的工业化生产。

根据加工方式的不同，主要分为铸造镁合金和变形镁合金，铸造镁合金存在脆性、晶粒粗大、易成分偏析、耐腐蚀性差等问题，因此难以制备高性能的镁合金制品。而变形镁合金则可以消除微观空洞、偏析等铸造缺陷，其具有优良的综合性能，塑性成形工艺也是镁合金成形的发展方向。

为此，在连续挤压技术基础上逐渐发展出了一种全新的金属加工技术，即连续铸挤技术，其是铸造与挤压为一体的金属凝固成形技术，能连续完成动态凝固→半固态形变→塑性成形的过程，属于典型的短流程工艺。在连续铸挤工艺中，金属液是直接浇入铸挤轮与固定靴块之间形成的挤压型腔内，液态金属则在挤压型腔内进行结晶与变形，然后通过摩擦力积累产生三向压力使金属被挤出模孔成材。连续铸挤技术与常规生产同类产品的塑性加工技术相比具有如下优点：①、可提高产品的生产效率，并可连续生产长度很长的产品，同时可以节约能源30％左右，成品率高达90％以上，可降低成本30％以上；②、具有产品精度高、表面光洁平整、设备结构紧凑、投资小、环境污染小的特点；③、连续铸挤过程是在高压下的结晶凝固和塑性变形，也是强制补缩和致密化两种过程的复合，可一次大变形量加工形状复杂的制件，外加压力提供的膨胀能又增加了形核率，有利于提高材料的综合力学性能，且理论上零件长度可以无限。因此，连续铸挤技术可以解决镁合金及其复合材料成形性能差、大断面棒型材与大口径管材生产设备庞大、能耗高的技术问题，而且易于实现工业化。

但是，镁金属与其它有色金属相比，其熔体状态时易于吸气，而现有的镁合金连续铸挤过程中又普遍采用开放式浇注，由于浇注时与镁合金熔体与空气直接接触，导致镁合金熔体容易产生吸气、氧化、夹杂等缺陷，进而影响镁合金熔体的纯净度，同时在变形中容易形成应力集中，从而降低了变形协调性，不但会导致产品的力学性能下降，而且也不利于产品表面的光洁平整。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种镁合金连续铸挤过程封闭式浇注装置，浇注时可以使镁合金熔体与空气隔绝，避免了镁合金熔体中产生吸气、氧化、夹杂等缺陷，进而对镁合金熔体的净化和细化起到一定的保护作用，也避免了在变形中镁合金与外部环境物质产生交换，有效提高了产品的力学性能和产品精度，有利于产品表面的光洁平整。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种镁合金连续铸挤过程封闭式浇注装置，包括陶瓷管、圆柱斜管、浇注块体、铸挤靴体及铸挤轮；所述陶瓷管采用两级阶梯式结构，陶瓷管的第一级阶梯段为漏斗形，陶瓷管的第二级阶梯段为圆柱形；在所述陶瓷管的第二级阶梯段底部开设有圆柱斜管插装孔；所述浇注块体通过螺栓固连在铸挤靴体顶部，在浇注块体上竖直开设有陶瓷管插槽，在陶瓷管插槽底部也开设有圆柱斜管插装孔；所述陶瓷管通过圆柱形的第二级阶梯段插装在浇注块体的陶瓷管插槽内，陶瓷管插槽底部的圆柱斜管插装孔与陶瓷管第二级阶梯段底部管壁的圆柱斜管插装孔对齐连通；所述铸挤轮与浇注块体及铸挤靴体密封滑动接触配合，在铸挤轮内部设置有熔体冷却水道，在铸挤轮的外表面周向开设有铸挤轮槽；所述圆柱斜管穿装在圆柱斜管插装孔内，圆柱斜管一端管口与陶瓷管相连通，圆柱斜管另一端与铸挤轮槽相连通；在所述浇注块体底部设置有第一封槽块，第一封槽块位于铸挤轮槽内，第一封槽块与铸挤轮槽滑动接触配合；在所述铸挤靴体底部通过螺栓固装有密封块体，在密封块体中部设置有第二封槽块，第二封槽块位于铸挤轮槽内，第二封槽块与铸挤轮槽滑动接触配合；在所述密封块体顶部开设有成形模孔，在成形模孔后方的铸挤靴体内设置有成形模具。

在所述铸挤靴体内部开设有模具冷却水道，在模具冷却水道中段设有冷却水腔，冷却水腔采用开放式腔体结构，在冷却水腔的敞口处安装有可拆卸式密封盖板。

在所述陶瓷管外部配置有可拆卸式电阻加热保温罩。

所述陶瓷管的第一级阶梯段与第二级阶梯段的外部阶梯面为平直面，陶瓷管的第一级阶梯段与第二级阶梯段的内部阶梯面为倒圆角面。

所述铸挤轮槽、第一封槽块及第二封槽块的截面形状均为矩形。

本发明的有益效果：

本发明的镁合金连续铸挤过程封闭式浇注装置，浇注时可以使镁合金熔体与空气隔绝，避免了镁合金熔体中产生吸气、氧化、夹杂等缺陷，进而对镁合金熔体的净化和细化起到一定的保护作用，也避免了在变形中镁合金与外部环境物质产生交换，有效提高了产品的力学性能和产品精度，有利于产品表面的光洁平整。

附图说明

图1为本发明的一种镁合金连续铸挤过程封闭式浇注装置的结构示意图；

图2为图1中A-A剖视图；

图中，1—陶瓷管，2—圆柱斜管，3—浇注块体，4—铸挤靴体，5—铸挤轮，6—熔体冷却水道，7—铸挤轮槽，8—第一封槽块，9—密封块体，10—第二封槽块，11—成形模孔，12—成形模具，13—模具冷却水道，14—冷却水腔，15—可拆卸式密封盖板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2所示，一种镁合金连续铸挤过程封闭式浇注装置，包括陶瓷管1、圆柱斜管2、浇注块体3、铸挤靴体4及铸挤轮5；所述陶瓷管1采用两级阶梯式结构，陶瓷管1的第一级阶梯段为漏斗形，陶瓷管1的第二级阶梯段为圆柱形；在所述陶瓷管1的第二级阶梯段底部开设有圆柱斜管插装孔；所述浇注块体3通过螺栓固连在铸挤靴体4顶部，在浇注块体3上竖直开设有陶瓷管插槽，在陶瓷管插槽底部也开设有圆柱斜管插装孔；所述陶瓷管1通过圆柱形的第二级阶梯段插装在浇注块体3的陶瓷管插槽内，陶瓷管插槽底部的圆柱斜管插装孔与陶瓷管1第二级阶梯段底部管壁的圆柱斜管插装孔对齐连通；所述铸挤轮5与浇注块体3及铸挤靴体4密封滑动接触配合，在铸挤轮5内部设置有熔体冷却水道6，在铸挤轮5的外表面周向开设有铸挤轮槽7；所述圆柱斜管2穿装在圆柱斜管插装孔内，圆柱斜管2一端管口与陶瓷管1相连通，圆柱斜管2另一端与铸挤轮槽7相连通；在所述浇注块体3底部设置有第一封槽块8，第一封槽块8位于铸挤轮槽7内，第一封槽块8与铸挤轮槽7滑动接触配合；在所述铸挤靴体4底部通过螺栓固装有密封块体9，在密封块体9中部设置有第二封槽块10，第二封槽块10位于铸挤轮槽7内，第二封槽块10与铸挤轮槽7滑动接触配合；在所述密封块体9顶部开设有成形模孔11，在成形模孔11后方的铸挤靴体4内设置有成形模具12。

本实施例中，陶瓷管1的材质为三氧化二铝，可耐受2000℃的高温，具有保温与耐磨特性好的优点，且使用寿命更长。陶瓷管1因材质特性，与镁合金熔体并不润湿，从而降低了镁合金熔体对陶瓷管1的浸腐性，也进一步提高了镁合金熔体的流动性。圆柱斜管2的倾斜角度设置为50°，圆柱斜管2的上下两端均由耐火胶泥进行固定。浇注块体3、铸挤靴体4及密封块体9的材质均为45#钢，其具有强度高、耐高温、抗变形能力强的特点。铸挤靴体4的包角为90°。

在所述铸挤靴体4内部开设有模具冷却水道13，在模具冷却水道13中段设有冷却水腔14，冷却水腔14采用开放式腔体结构，在冷却水腔14的敞口处安装有可拆卸式密封盖板15。

当镁合金在成形模具12进行挤压成型时，会导致成形模具12所在的铸挤靴体4内部产生大量的热量堆积，而通过模具冷却水道13就可以顺利带走这些热量，有效提高了冷却效果。另外，只需将可拆卸式密封盖板15拆下即可，就可以更加方便的完成铸挤靴体4内部的清洁，清洁完成后重新装回可拆卸式密封盖板15就可以恢复模具冷却水道13的密封流动状态。

在所述陶瓷管1外部配置有可拆卸式电阻加热保温罩。

在浇注时，由于可拆卸式电阻加热保温罩的存在，可以为镁合金熔体提供稳定的温度条件。

所述陶瓷管1的第一级阶梯段与第二级阶梯段的外部阶梯面为平直面，陶瓷管1的第一级阶梯段与第二级阶梯段的内部阶梯面为倒圆角面。

本实施例中，倒圆角面的圆角尺寸为R10。由于圆角过渡设计更符合层流流动特性，可以有效提高镁合金熔体的流动性能，以避免镁合金熔体发生湍流流动，同时避免发生湍流流动界面裹杂气体的现象。

所述铸挤轮槽7、第一封槽块8及第二封槽块10的截面形状均为矩形。

本实施例中，铸挤轮槽7、第一封槽块8及第二封槽块10的截面尺寸均为10mm×10mm。由第一封槽块8、第二封槽块10、浇注块体3及铸挤靴体4配合，可使镁合金熔体被完全封闭在铸挤轮槽7中，保证镁合金熔体与空气的可靠隔离。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

将现有连续铸挤机组中的镁合金连续铸挤过程开放式浇注装置替换成本发明，保留原有的熔体制备系统、强制循环水冷系统、收线系统和控制系统。

熔体制备系统由自动加料装置、加热炉、液位控制装置、气体保护装置和注液管组成，自动加料装置具有自动上料、预热、自动加料的功能，加热炉用于镁合金的熔化，液位控制装置用于保持加热炉中镁合金熔体液位基本稳定，气体保护装置用于保护加热炉中镁合金熔体免于氧化造渣，注液管作为镁合金熔体的流出通道。

本发明的镁合金连续铸挤过程封闭式浇注装置中的铸挤轮5采用电机驱动方式，并且采用变频交流调速以及双出线结构，铸挤轮5内部的熔体冷却水道6以及铸挤靴体4内部的模具冷却水道13均接入强制循环水冷系统，冷却水温控制在50℃～60℃。

收线系统中应用了变频电机且采用无极调速方式，同时通过PLC控制以保持芯线出线速度与收线速度的同步，可建立20kgf的牵引张力。

控制系统中采用了PLC可编程逻辑控制器，并包括热电偶、扭矩测试装置及霍尔开关式测速装置，热电偶用于多点实时测量镁合金熔体在连续凝固与成形过程的各点温度，扭矩测试装置及霍尔开关式测速装置用于测量铸挤轮5轮轴处的扭矩和转速，并可在线监测熔体流量、冷却强度、铸挤轮转速、在线冷却温度、熔体浇注液面高度等参数。

在熔体制备时，先向熔体炉中加入镁合金及辅助材料等原料，直到在熔体炉中形成镁合金熔体，之后需要对熔体炉中的镁合金熔体进行取样并进行化学分析，只有成分合格并达到浇注温度后，才能通过注液管流入本发明的陶瓷管1内，在此过程中需要实时监控镁合金熔体的流量。

进行模具装配时，需要对铸挤靴体4内部的模具安装腔室进行清理，保证所有配合面平整光滑，之后才能选定好的成形模具12安装到位。

在进行PLC控制参数设定时，需要根据镁合金制品的质量要求对熔体流量、冷却强度、铸挤轮转速在线冷却温度、熔体浇注液面高度等参数进行设定，进而才能有效的进行PLC过程控制。

在正式向陶瓷管1内注入镁合金熔体前，应该对成形模具12和密封块体9进行预热，并且预热到350℃～400℃，之后再将成形模具12和密封块体9装入铸挤靴体4上；当铸挤轮5的驱动电机启动后，铸挤轮5需要先空转2～4分钟，以使铸挤轮5与铸挤靴体之前进行磨合预热。

正式浇注前，先要调整第二封槽块10与铸挤轮5之间的间隙，通常设为0.8mm～1.2mm，且挤压比越大，则间隙要求越小，最后完成背压加载，如果出现电流异常高或是明显的摩擦声，则重新调整间隙，直至异常情况消失。

正式浇注时，镁合金熔体先由注液管流入本发明的陶瓷管1内，再由陶瓷管1流经圆柱斜管2后进入铸挤轮槽7中，随着铸挤轮5的旋转，镁合金熔体也被逐渐冷却，通过旋转的铸挤轮5对逐渐凝固的镁合金熔体施加摩擦力，并将镁合金熔体拖入铸挤轮槽7的深处，同时通过铸挤轮5对镁合金熔体施加剪切搅拌作用，使镁合金的组织细化，最后在第二封槽块10的阻挡作用下，镁合金熔体被挤压通过成形模孔11并进入成形模具12内，同时镁合金熔体会经历依次液相凝固、半固态形变和挤压成形的过程，直到在成形模具12中塑性成形，最终形成镁合金制品。随着镁合金制品不断的移出，由收线系统完成镁合金制品的卷取。

特别注意的是，强制循环水冷系统的启动时间也是有一定要求的，需要在镁合金制品被挤压出2m左右长度后，才可以启动强制循环水冷系统，这是为了平衡凝固热和金属变形热，以保证制备出的镁合金制品不会出现周期裂纹等表面缺陷。

另外，为了在铸挤轮5的表面形成一层镁材料层，铸挤轮5在开始时处于慢转状态，转速控制在7rpm～8rpm，之后开始喂镁合金短料，镁合金短料的长度为30mm～100mm，在喂镁合金短料升温过程中，要注意观察镁材料层的变化，进而判断铸挤轮5与第二封槽块10之间的间隙是否合理，之后方可继续喂镁合金短料，待挤压温度达到200℃～250℃时，且镁合金短料移出成形模孔11后，方可少量浇注镁合金熔体，当达到稳定状态后才可连续浇注。

此外，当临时停产或更换镁合金制品卷盘时，设备不停机，仍需要维持少量镁合金熔体的持续加入，以防止镁材料层被磨掉。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.一种镁合金连续铸挤过程封闭式浇注装置，其特征在于：包括陶瓷管、圆柱斜管、浇注块体、铸挤靴体及铸挤轮；所述陶瓷管采用两级阶梯式结构，陶瓷管的第一级阶梯段为漏斗形，陶瓷管的第二级阶梯段为圆柱形；在所述陶瓷管的第二级阶梯段底部开设有圆柱斜管插装孔；所述浇注块体通过螺栓固连在铸挤靴体顶部，在浇注块体上竖直开设有陶瓷管插槽，在陶瓷管插槽底部也开设有圆柱斜管插装孔；所述陶瓷管通过圆柱形的第二级阶梯段插装在浇注块体的陶瓷管插槽内，陶瓷管插槽底部的圆柱斜管插装孔与陶瓷管第二级阶梯段底部管壁的圆柱斜管插装孔对齐连通；所述铸挤轮与浇注块体及铸挤靴体密封滑动接触配合，在铸挤轮内部设置有熔体冷却水道，在铸挤轮的外表面周向开设有铸挤轮槽；所述圆柱斜管穿装在圆柱斜管插装孔内，圆柱斜管一端管口与陶瓷管相连通，圆柱斜管另一端与铸挤轮槽相连通；在所述浇注块体底部设置有第一封槽块，第一封槽块位于铸挤轮槽内，第一封槽块与铸挤轮槽滑动接触配合；在所述铸挤靴体底部通过螺栓固装有密封块体，在密封块体中部设置有第二封槽块，第二封槽块位于铸挤轮槽内，第二封槽块与铸挤轮槽滑动接触配合；在所述密封块体顶部开设有成形模孔，在成形模孔后方的铸挤靴体内设置有成形模具。

2.根据权利要求1所述的一种镁合金连续铸挤过程封闭式浇注装置，其特征在于：在所述铸挤靴体内部开设有模具冷却水道，在模具冷却水道中段设有冷却水腔，冷却水腔采用开放式腔体结构，在冷却水腔的敞口处安装有可拆卸式密封盖板。

3.根据权利要求1所述的一种镁合金连续铸挤过程封闭式浇注装置，其特征在于：在所述陶瓷管外部配置有可拆卸式电阻加热保温罩。

4.根据权利要求1所述的一种镁合金连续铸挤过程封闭式浇注装置，其特征在于：所述陶瓷管的第一级阶梯段与第二级阶梯段的外部阶梯面为平直面，陶瓷管的第一级阶梯段与第二级阶梯段的内部阶梯面为倒圆角面。

5.根据权利要求1所述的一种镁合金连续铸挤过程封闭式浇注装置，其特征在于：所述铸挤轮槽、第一封槽块及第二封槽块的截面形状均为矩形。

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