CN112404371A - 铝合金轮毂半固态流变成形浆料制备及转运装置 - Google Patents

铝合金轮毂半固态流变成形浆料制备及转运装置 Download PDF

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Abstract

一种铝合金轮毂半固态流变成形浆料制备及转运装置，包括主体框架及其上安装的浆料存储及制备系统、浆料搬运装置、控制及附件装置；所述的主体框架包括车身主体，车身主体的底部连接有运动装置，运动装置分为脚轮式或轨道式；所述的浆料存储及制备系统包括车身主体上方放置的样杯，样杯的外侧设置有电磁搅拌器和测温保温装置，样杯的下方设有间接超声振动装置；所述的控制及附件装置包括安装车身主体上的控制台，以及混动电池或动力源，以及和样杯配合的高温流量传感器系统；本发明复合运用了间接超声振动和电磁搅拌两种制浆方式，再与运动装置相结合，实现一定距离上的半固态浆料制备、保存与运输。

Description

铝合金轮毂半固态流变成形浆料制备及转运装置
技术领域
本发明属于半固态金属加工技术领域，具体涉及一种铝合金轮毂半固态流变成形浆料制备及转运装置。
背景技术
自从20世纪70年代半固态成形技术由美国麻省理工学院Flemmings教授提出以来，因为其综合了固态热锻和液态铸造的优点，加工过程中具有很好的流动性，成形力低，容易凝固，形成的组织致密性高，均匀性好，可实现近净成形，一直以来是国内外研究人员关注的重点。
由于金属半固态浆料具有流变性与触变性，因此目前半固态加工的成形工艺路线主要有两种：流变成形(Rheoforming)和触变成形(Thixoforming)。
在早些时期，由于坯料输送方便，易于实现机械化和自动化，因此触变成形成为应用最广泛的金属半固态成形方法。但是随着半固态技术的发展，大家发现，由于金属坯料需二次加热，能耗较高，坯料表面氧化较严重，坯料损耗过多，坯料重熔时固相率难以精确控制，流失的金属、浇注系统以及废品不能马上回收利用，并且生产路线加长，导致总的生产成本非常大，经济效益转化比较低。
相对于触变成形工艺,半固态流变成形因为其是将浆料直接成形，所以具有材料利用率高，流程短,生产成本低,生产效率高,设备简单,适用半固态加工的合金范围大等优点。但是同时流变成形的浆液的保存困难和输送过程所需条件苛刻,给其实际生产应用带来了一定的困难,也使得流变成形技术是未来半固态加工工艺的重要研究方向。
电磁搅拌是一种无接触式搅拌法，有效克服了类似于机械搅拌的搅拌叶片腐蚀污染金属半固态浆料的问题，并且电磁搅拌的参数控制灵活方便，便于控制金属半固态浆料的生产，在目前的金属半固态浆料制备技术中占据了主导地位。但是由于趋肤效应，导致半固态浆料组织在制浆室径向上各处组织有差别，难以均匀，且对设备要求严格。
超声振动作为外场作用于金属液，不仅能细化晶粒、均化组织，对金属熔体还具有除气作用，能有效提高铸件的力学性能。但是超声声压随距超声头端面的距离呈现急剧衰减的趋势，当熔体体积较大时，由于晶核难以分布到整个熔体，最终使得离超声较远处的组织难以得到细化。对液态金属材料进行超声处理时，可将变幅杆插入液面以下来直接作用于金属熔体，但插入熔体的变幅杆容易被金属液腐蚀，并对金属液产生污染；也可通过作用于金属容器壁以间接的方式处理容器内的金属熔体，虽避免了腐蚀和污染，但是若变幅杆与容器结合的不紧密则降低了声能的利用率。
综上，目前关于流变成形半固态浆料转运过程中存在一些缺点：浆料缺少控温保温措施导致其固相率不稳定；浆料组织缺少类似电磁搅拌、振荡等措施导致形核数量减少，性能得不到维持；装置密封不足容易卷入空气与杂质等，这些问题在一定程度上都影响浆料的品质和后续零件的生产加工。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种铝合金轮毂半固态流变成形浆料制备及转运装置，其复合运用了间接超声振动和电磁搅拌两种制浆方式，再与运动装置相结合，实现一定距离上的半固态浆料制备、保存与运输。
为了达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种铝合金轮毂半固态流变成形浆料制备及转运装置，包括主体框架及其上安装的浆料存储及制备系统、浆料搬运装置8、控制及附件装置；
所述的主体框架包括车身主体，车身主体的底部连接有运动装置，运动装置分为脚轮式或轨道式；
所述的浆料存储及制备系统包括车身主体上方放置的样杯10，样杯10的外侧设置有电磁搅拌器11和测温保温装置，样杯10的下方设有间接超声振动装置14；
所述的控制及附件装置包括安装车身主体上的控制台7，以及混动电池5或动力源16，以及和样杯10配合的高温流量传感器系统9。
所述的主体框架包括车身主体，车身主体的下方连接有底板2，底板2上方的车身主体左右两侧连接有固定横梁3，固定横梁3上安装有装置固定台4，装置固定台4上安装有间接超声振动装置14；车身主体顶部前后两侧连接有固定纵梁13，固定纵梁13上安装有装置集成台12，装置集成台12上连接有样杯10、电磁搅拌器11、混动电池5或动力源16、浆料搬运装置8以及控制台7。
所述的车身主体的一侧连接有把手6，方便操作人员推动。
所述的间接超声振动装置14包括超声发生控制器14-1，超声发生控制器14-1固定安装于装置固定台4的凹槽中，超声发生控制器14-1上方连接有换能器14-2，换能器14-2上方连接有变幅杆14-3；变幅杆14-3分为两级，换能器14-2使一级变幅杆产生振动，将超声能量聚集起来传递到二级变幅杆，二级变幅杆再把振幅放大，将振动传递给样杯10内的浆料11-4。
变幅杆14-3形状为阶梯式，下端部连接换能器14-2，上端部与样杯10杯底紧密接触；样杯10整体呈现圆筒状，杯口处开设有圆弧槽；在样杯10的底面上加工了圆槽，用于卡住变幅杆14-3的上端部。
所述的电磁搅拌器11包括电阻丝11-2，外侧设有的电磁搅拌线圈11-1，电磁搅拌线圈11-1的外侧设有保温层11-3，电阻丝11-2、电磁搅拌线圈11-1、保温层11-3均采用环绕式设置。
所述的浆料搬运装置8包括机械手躯干8-1，机械手躯干8-1通过圆台基座固定于上装置集成台12上，机械手躯干8-1的顶部和手臂8-2下端连接，手臂8-2上端和机械手手部8-3一端连接，机械手手部8-3的外侧连接有机械爪8-4，机械手手部8-3端部安装有杯盖8-5，杯盖8-5处于机械爪8-4的正中间，用于给样杯10加力密封；杯盖8-5上连接有热电偶8-6，用以测量转运中浆料的温度。
所述的高温流量传感器系统9包括金属液入口管道9-1和金属液入口管道9-1上连接的高温液体流量计9-2，作用为测量金属液的流量，保证制备和转运的浆料实现定量。
所述的控制台7作用为对电磁搅拌器11、间接超声振动装置14和浆料搬运装置8进行参数调控，参数包括电磁搅拌频率f、搅拌功率W、搅拌电流I、超声数值A、振动时间t等。
所述的混动电池5固定安装于装置集成台12的下方，动力源16连接于装置集成台12上，向电磁搅拌器11、间接超声振动装置14和浆料搬运装置8三者提供动力与能源，混动电池5用于脚轮式的运动装置，动力源16用于轨道式的运动装置。
本发明的有益效果为：
本发明将超声场与电磁场结合起来，克服了各自单一的缺陷，提高了金属液的物理性能。铝合金熔体在转运的途中同时受到电磁搅拌作用和超声振动作用，浆料在超声振动和电磁搅拌的作用下形成大量形核，在二者的对流交换分散作用下，最终使得浆料整体均形成和保持大量的形核。通过高温液体流量计能够实现制备和转运的浆料定量。转运可采用轨道式或脚轮式，以适配于不同的工作场合。本发明实现了制浆工艺与转运设备的有效结合，一定程度上解决了浆料制备、存储和转运的难题。
附图说明
图1为本发明脚轮式转运装置的结构示意图。
图2为本发明轨道式转运装置的结构示意图。
图3为本发明间接超声振动装置的结构示意图。
图4为本发明电磁搅拌器的剖面图。
图5为本发明浆料搬运装置的结构示意图。
图6为本发明高温液体流量传感器系统的剖面图。
图7为本发明控制台的示意图。
图8为汽车轮毂的示意图。
图9为本发明的工作原理图。
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描述。
参照图1和图2，一种铝合金轮毂半固态流变成形浆料制备及转运装置，包括主体框架及其上安装的浆料存储及制备系统、浆料搬运装置8、控制及附件装置；
所述的主体框架包括车身主体，车身主体的底部连接有运动装置，运动装置分为脚轮式或轨道式；采用脚轮式，车身主体的底部连接有脚轮1；采用轨道式，车身主体的底部连接有轨道17；本实施例采取轨道式。
所述的浆料存储及制备系统包括车身主体上方放置的样杯10，样杯10的外侧设置有电磁搅拌器11和测温保温装置，样杯10的下方设有间接超声振动装置14；
所述的控制及附件装置包括安装车身主体上的控制台7，以及混动电池5，以及和样杯10配合的高温流量传感器系统9。
所述的主体框架包括由角钢15连接成的车身主体，车身主体的下方连接有底板2，底板2上方的车身主体左右两侧连接有固定横梁3，固定横梁3上安装有装置固定台4，装置固定台4上安装有间接超声振动装置14；车身主体顶部前后两侧连接有固定纵梁13，固定纵梁13上安装有装置集成台12，装置集成台12上连接有样杯10、电磁搅拌器11、混动电池5或动力源16、浆料搬运装置8以及控制台7；车身主体的一侧连接有把手6，方便操作人员推动；装置固定台4上设置了凹槽，用于放置间接超声振动装置14，防止其在传递声波的同时产生偏移；固定横梁3和固定纵梁13焊接在车身主体上，用于加强整体的强度。
参照图3，所述的间接超声振动装置14包括超声发生控制器14-1，超声发生控制器14-1固定安装于装置固定台4的凹槽中，防止超声发生控制器14-1在传递声波的同时产生偏移运动，提高装置的稳定性；超声发生控制器14-1产生超声频电信号，作为功率源提供给换能器14-2工作所需的超声频电功率；超声发生控制器14-1上方连接有换能器14-2，换能器14-2采用纵向夹心式压电振子将电能转换为声能；换能器14-2上方连接有变幅杆14-3，声能使变幅杆14-3产生振动；变幅杆14-3分为两级，换能器14-2使一级变幅杆产生振动，将超声能量聚集起来传递到二级变幅杆，二级变幅杆再把振幅放大，将振动传递给样杯10内的浆料11-4；变幅杆14-3形状为阶梯式，下端部连接换能器14-2，上端部与样杯10杯底紧密接触；样杯10整体呈现圆筒状，方便固定和拆卸，杯口处开设有圆弧槽，方便机械爪8-4的抓取；为了方便样杯10的固定，在样杯10的底面上加工了圆槽，用于卡住变幅杆14-3的上端部；由于超声功率的大小会随着纵向传播距离的增大而衰减，特别是声波传播时经过多个介质界面折射损失更为严重，因此变幅杆14-3与杯底直接紧密接触，能大幅度地降低声波的损耗，提高能量利用率；同时间接超声振动能够使样杯10内的浆料11-4实现上下部分的分散交换对流运动。
参照图4，所述的电磁搅拌器11包括电阻丝11-2，外侧设有的电磁搅拌线圈11-1，电磁搅拌线圈11-1的外侧设有保温层11-3，电阻丝11-2、电磁搅拌线圈11-1、保温层11-3均采用环绕式设置；电阻丝11-2是对样杯10预热，其环绕式包围使得能源利用率更高，热损失更小，节约能源与成本；电磁搅拌线圈11-1通过变频磁场实现对浆料11-4的搅拌作用，其同样采用环绕式，能够充分发挥搅拌作用；保温层11-3包围着电磁搅拌器11，维持了浆料11-4运输过程中的温度恒定；电磁搅拌的第一个作用使促进浆料11-4的流动，使得边缘和中间的的合金浆料时刻处于对流交换分散状态，保证浆料11-4在水平和圆周方向上整体均布产生大量形核；电磁搅拌的第二个作用是在一定程度上弥补超声能量的衰减。
参照图5，所述的浆料搬运装置8包括机械手躯干8-1，机械手躯干8-1通过圆台基座固定于上装置集成台12上，机械手躯干8-1的顶部和手臂8-2下端连接，手臂8-2上端和机械手手部8-3一端连接，机械手手部8-3的外侧连接有机械爪8-4，机械手手部8-3端部安装有杯盖8-5，杯盖8-5处于机械爪8-4的正中间，可更换拆卸，其主要用于给样杯10加力密封，密闭保温，减少浆料飞溅、卷入空气和杂质；杯盖8-5上连接有热电偶8-6，用以测量转运中浆料的温度；
机械手由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成；由机械手手部8-3、机械手手臂8-2、机械手躯干8-1组成的执行机构，能够在空间上实现全方位、全自由度的运动；驱动机构采用电气驱动的方式，其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案；控制系统通过控制台7实现，其控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度、加减速度等，此处可采取连续轨迹控制。
参照图6，所述的高温流量传感器系统9包括金属液入口管道9-1和金属液入口管道9-1上连接的高温液体流量计9-2，作用为测量金属液的流量，保证制备和转运的浆料实现定量；高温液体流量计9-2由靶片9-2-1、靶杆9-2-2、感应元件9-2-3以及计算、显示、输出单元9-2-4组成；金属液流经金属液入口管道9-1时，由于靶片9-2-1与流向有一定的角度，金属液的冲力使靶片9-2-1具有转动力矩，克服摩擦力和金属液阻力之后靶片9-2-1旋转，在力矩平衡后转速稳定，高温液体流量计9-2在一定的条件下，转速与流速成正比，由于靶片9-2-1有导磁性，它处于感应元件9-2-3(由永久磁钢和线圈组成)的磁场中，旋转的靶片9-2-1切割磁力线，周期性地改变着线圈的磁通量，从而使线圈两端感应出电脉冲信号，此信号经过放大整形，形成有一定幅度的连续的矩形冲击波，传送到计算、显示、输出单元9-2-4，显示出金属液的瞬时流量和总量，从而保证每次制备和转运的浆料保持定量；由于制备、转运、制件的过程中浆料均有损耗，故可以将仪表显示值相对于实际值稍许放大。
所述的控制台7作用为对电磁搅拌器11、间接超声振动装置14和浆料搬运装置8进行参数调控，参数包括电磁搅拌频率f、搅拌功率W、搅拌电流I、超声数值A、振动时间t等参数。
所述的混动电池5固定安装于装置集成台12的下方，向电磁搅拌器11、间接超声振动装置14和浆料搬运装置8三者提供动力与能源，混动电池5用于脚轮式的运动装置。
本发明的工作原理为：
参照图9，首先直接用铝合金棒料作为原材料，放在熔化炉中加热到温度T1±5℃，进行熔化和保温，持续为时间t1；测量铝合金熔体在熔化炉中的温度可通过热电偶Ⅰ；在保温均热的同时，向电磁搅拌器11中的电阻丝11-2通电，将样杯10预热到所需的温度T2±10℃，所需时间为t2；然后将电磁搅拌器11和间接超声振动装置14的技术参数设置到一定的大小。具体为：电磁搅拌功率Wd，电磁搅拌频率fd、搅拌电流Id、超声数值Az、振动时间tz等。
当铝合金熔体和样杯10均达到所需的温度后，给电阻丝11-2断电；金属熔体通过金属液入口管道9-1流经高温液体流量计9-2，浇注到已预热好的样杯10中；随后通过操作控制台7，浆料搬运装置8给样杯10加上杯盖8-5，同时通过杯盖8-5给样杯10施加一定大小的预紧力F；在铝合金熔体的冷却与凝固过程，通过控制台7将已设定好的电磁搅拌器11和间接超声振动装置14的参数打开，对在样杯10内的铝合金熔体进行电磁搅拌与超声振动复合制浆。
在半固态浆料制备的同时，转运装置可通过轨道17前往低压铸造设备，在电磁搅拌和超声作用时间达到预先设定的数值t3后，关闭电磁搅拌器11和间接超声振动装置14；其中熔化炉与低压铸造设备之间的大致距离测得为L，通过调节转运设备的速度v，可以得到需要的时间t3；半固态浆料制备完成后，可通过热电偶8-6测得其温度为T3；随后通过控制台7操控浆料搬运装置8的机械爪8-4带动样杯10运往低压铸造设备，卸去样杯10的预紧力F并将其内的浆料11-4注入保温炉中，从而进行后续的低压铸造过程，获得目标件汽车轮毂18。
对于脚轮式铝合金轮毂半固态流变成形浆料制备及转运装置，它能够更好地适应某些中小规模精量的加工条件和灵活的环境，既能够满足集中制浆、分量转运的条件，也能够做到边制浆边转运的特殊要求；各环节均由自身携带的混动电池5提供动力与能源。

Claims (10)

1.一种铝合金轮毂半固态流变成形浆料制备及转运装置，其特征在于：包括主体框架及其上安装的浆料存储及制备系统、浆料搬运装置(8)、控制及附件装置；
所述的主体框架包括车身主体，车身主体的底部连接有运动装置，运动装置分为脚轮式或轨道式；
所述的浆料存储及制备系统包括车身主体上方放置的样杯(10)，样杯(10)的外侧设置有电磁搅拌器(11)和测温保温装置，样杯(10)的下方设有间接超声振动装置(14)；
所述的控制及附件装置包括安装车身主体上的控制台(7)，以及混动电池(5)或动力源(16)，以及和样杯(10)配合的高温流量传感器系统(9)。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金轮毂半固态流变成形浆料制备及转运装置，其特征在于：所述的主体框架包括车身主体，车身主体的下方连接有底板(2)，底板(2)上方的车身主体左右两侧连接有固定横梁(3)，固定横梁(3)上安装有装置固定台(4)，装置固定台(4)上安装有间接超声振动装置(14)；车身主体顶部前后两侧连接有固定纵梁(13)，固定纵梁(13)上安装有装置集成台(12)，装置集成台(12)上连接有样杯(10)、电磁搅拌器(11)、混动电池(5)或动力源(16)、浆料搬运装置(8)以及控制台(7)。
3.根据权利要求2所述的一种铝合金轮毂半固态流变成形浆料制备及转运装置，其特征在于：所述的车身主体的一侧连接有把手(6)，方便操作人员推动。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金轮毂半固态流变成形浆料制备及转运装置，其特征在于：所述的间接超声振动装置(14)包括超声发生控制器(14-1)，超声发生控制器(14-1)固定安装于装置固定台(4)的凹槽中，超声发生控制器(14-1)上方连接有换能器(14-2)，换能器(14-2)上方连接有变幅杆(14-3)；变幅杆(14-3)分为两级，换能器(14-2)使一级变幅杆产生振动，将超声能量聚集起来传递到二级变幅杆，二级变幅杆再把振幅放大，将振动传递给样杯(10)内的浆料(11-4)。
5.根据权利要求4所述的一种铝合金轮毂半固态流变成形浆料制备及转运装置，其特征在于：变幅杆(14-3)形状为阶梯式，下端部连接换能器(14-2)，上端部与样杯(10)杯底紧密接触；样杯(10)整体呈现圆筒状，杯口处开设有圆弧槽；在样杯(10)的底面上加工了圆槽，用于卡住变幅杆(14-3)的上端部。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金轮毂半固态流变成形浆料制备及转运装置，其特征在于：所述的电磁搅拌器(11)包括电阻丝(11-2)外侧设有的电磁搅拌线圈(11-1)，电磁搅拌线圈(11-1)的外侧设有保温层(11-3)，电阻丝(11-2)、电磁搅拌线圈(11-1)、保温层(11-3)均采用环绕式设置。
7.根据权利要求1所述的一种铝合金轮毂半固态流变成形浆料制备及转运装置，其特征在于：所述的浆料搬运装置(8)包括机械手躯干(8-1)，机械手躯干(8-1)通过圆台基座固定于上装置集成台(12)上，机械手躯干(8-1)的顶部和手臂(8-2)下端连接，手臂(8-2)上端和机械手手部(8-3)一端连接，机械手手部(8-3)的外侧连接有机械爪(8-4)，机械手手部(8-3)端部安装有杯盖(8-5)，杯盖(8-5)处于机械爪(8-4)的正中间，用于给样杯(10)加力密封；杯盖(8-5)上连接有热电偶(8-6)，用以测量转运中浆料的温度。
8.根据权利要求1所述的一种铝合金轮毂半固态流变成形浆料制备及转运装置，其特征在于：所述的高温流量传感器系统(9)包括金属液入口管道(9-1)和金属液入口管道(9-1)上连接的高温液体流量计(9-2)，作用为测量金属液的流量，保证制备和转运的浆料实现定量。
9.根据权利要求1所述的一种铝合金轮毂半固态流变成形浆料制备及转运装置，其特征在于：所述的控制台(7)作用为对电磁搅拌器(11)、间接超声振动装置(14)和浆料搬运装置(8)进行参数调控，参数包括电磁搅拌频率f、搅拌功率W、搅拌电流I、超声数值A、振动时间t参数。
10.根据权利要求1所述的一种铝合金轮毂半固态流变成形浆料制备及转运装置，其特征在于：所述的混动电池(5)固定安装于装置集成台(12)的下方，动力源(16)连接于装置集成台(12)上，向电磁搅拌器(11)、间接超声振动装置(14)和浆料搬运装置(8)三者提供动力与能源，混动电池(5)用于脚轮式的运动装置，动力源(16)用于轨道式的运动装置。
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