CN113118408B - 一种半固态成形过程中铝合金浆料制备的控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于半固态浆料制备的控制装置和方案，该控制装置由加热控制器、PLC总控制器、搅拌控制器、舀料控制器、介质流量控制器、升降控制器、压铸成形控制器和温度位移等传感器组成；该方案通过测温仪检测合金液温度，执行半固态浆料制备程序，并进行第一双重判定，当为温度条件时执行第一修正措施，温度条件不修正；半固态浆料送入压铸或成形料室内，通过第二测温仪测定半固态浆料温度，执行第二双重判定，当为温度条件时执行第二修正措施，温度条件不修正，判定结束压铸控制器控制进行压铸；根据第一和第二双重判定和修正措施对半固态浆料制备过程中的温度和时间的精确控制和修正，实现半固态浆料的稳定制备。

Description

一种半固态成形过程中铝合金浆料制备的控制装置和方法

技术领域

本发明属于轻合金半固态成形技术领域，具体涉及一种轻合金半固态浆料制备过程中所涉及到的程序控制所用装置和方法。

背景技术

半固态成形技术是一种先进的金属加工技术，半固态成形包括流变成形和触变成形。近年来半固态流变成形技术研究取得一定成果，包括半固态压铸、半固态模锻、半固态挤压等成形工艺。尤其在半固态流变压铸领域已得到了一定应用。半固态流变压铸技术相比于传统压铸技术能够明显提高铸件的致密度，改善晶粒组织，使铸件的综合性能得到提高。

目前用于半固态产业化压铸生产的制浆方法主要是依靠机械搅拌法，机械搅拌法制浆工艺优点是制浆效率高，制浆设备可以和压铸机联动运行，可以满足连续的压铸循环生产。半固态压铸过程中铝合金液所经历的过程主要包括浇勺舀取合金液—搅拌制浆—浆料转移—半固态浆料压铸几个过程，制浆过程中采用常规接触式热电偶测量合金液温度，需要一定的热传导时间，在小于10s的短时间内很难准确测定出轻合金液的温度，而且存在热电偶经常被侵蚀坏的情况。工艺过程中温度是影响半固态固相率分数的主要因素，压铸过程中半固态浆料固相率的不稳定会对半固态产品组织质量造成影响。同时半固态工艺中如果只对温度进行检测并不保险，把舀料、搅拌、浆料转移、压铸成形等程序都取决于测温仪的某一温度，这并不稳定或风险较高。而且对半固态浆料的温度及浆料的稳定性缺乏相应的工艺调整措施。

发明内容

本发明旨在解决上面描述的问题。本发明的目的是提供一种半固态合金制浆过程中的控制装置和方法。将加热控制器、PLC总控制器、搅拌控制器、舀料控制器、介质流量控制器、升降控制器、压铸控制器和温度、位移传感器联合，对半固态制浆设备、舀料结构、保温炉和压射结构，利用位置和温度等传感器进行关键节点和参数的联合控制，通过设置安装非接触式激光温度测温仪，对制浆前浇勺内的合金液、制浆过程半固态浆料、半固态浆料充型温度进行测量记录；实时监测整个工艺过程的合金液温度，并根据合金液温度和工艺时间参数进行判定和修正，通过压铸机和制浆机联动的控制程序控制保温炉加热装置和制浆机参数，把制备的半固态浆料温度精确控制在一定范围，使半固态浆料压铸充型温度稳定。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种半固态成形过程中铝合金浆料制备的控制装置和方法，该控制装置由加热控制器、PLC总控制器、舀料控制器、半固态搅拌控制器、介质流量控制器、升降控制器、压铸成形控制器和温度、位移传感器组成。所述PLC总控制器的接收端连接温度、位移传感器，接收发送来的信号，控制端连接加热炉控制器、舀料控制器、半固态搅拌控制器、介质流量控制器、升降控制器和压铸控制器。所述舀料控制器将盛有合金液的浇包转移至搅拌结构下方，搅拌控制器开启搅拌程序，升降控制器将搅拌器下降至熔体内，PLC总控制器执行温度和时间的第一双重判定，根据判定通过加热炉控制器进行参数修正；将浆料转移至压铸或模锻成形料室内，执行第二双重判定，判定结束进行压铸或模锻成形，同时根据判定调整搅拌时间和介质流量通入速度及搅拌速度等，从而稳定制备半固态浆料。

该半固态成形过程中铝合金浆料制备的控制装置和方法包括以下步骤：

舀料控制器控制机械舀料浇勺舀取保温炉中的合金液并转移至半固态搅拌结构下，通过第一测温仪对汤勺内的熔体温度进行判定，大于某一基本温度时，执行半固态浆料搅拌程序；否则停机报警。

半固态浆料搅拌程序中，通过第一测温仪监测合金液温度，并执行时间条件和温度条件的第一双重判定,判定结束则半固态浆料制备过程结束；当以温度判定条件作为搅拌结束判定时，执行第一修正措施；或当以时间条件作为搅拌结束判定时，不采取修正措施；

将所述半固态浆料送入成形料室，通过第二测温仪监测转移至成形料室内半固态浆料的温度，执行温度条件和时间条件的第二双重判定；两条件满足其一则执行压铸或模锻成形过程；当选择执行温度条件判定时，执行第二修正措施；或当执行时间条件判定时，不采取修正措施。第二双重判定结束后执行半固态浆料的后续成形过程，如半固态压铸、半固态模锻、半固态挤压等。

其中，所述第一测温仪分别与保温炉、制浆机、压铸或其他成形设备的控制程序相连；所述第一双重判定的温度条件具体为：所述制浆机的控制程序判定浇勺内的熔体温度要低于设定的制浆结束温度；所述第一双重判定的时间条件具体为：所述制浆机的控制程序判定执行制浆的时间是否达到设定时间。

其中，所述第二双重判定的温度条件具体为：当成形料室内的熔体温度要低于设定的最终成形温度；所述第二双重判定的时间条件具体为:所述半固态浆料送入成形料室后进行计时是否达到设定时间。

其中，所述第一修正措施具体为：所述保温炉的控制程序控制所述的保温炉的保温温度设定提高5-15度，计时10-30min，计时结束保温温度重置。

其中所述第二修正措施具体为：所述制浆机的控制程序控制制浆机的搅拌时间减少3-15s，并控制水、气或其他冷却介质的通入量减少1-15L/min。

其中，所述的第一双重、第二双重判定的温度条件并不仅限于低于某一设定温度值，该设定温度值实际可在某一区间内设定。

其中，所述第一双重、第二双重判定的温度条件并不仅限于低于某一设定温度（如X<A），该温度判定条件亦可为处于某一设定温度区间（如A<X<B）, X为实际温度。

其中，所述半固态处理前铝液的基本温度为630-650℃；所述第一双重判定的温度条件的温度范围为605-620℃；所述第二双重判定的温度条件的温度范围为590-605℃；根据制备半固态浆料的体积需要，所述第一双重判定的时间范围为10-60s，所述第二双重判定的时间范围为2-10s。

其中，所述设定的制浆结束温度为610℃；所述设定的最终成形温度为598℃；所述半固态浆料制备判定的时间条件为20s，所述半固态浆料转移入成形料室约3-7秒。

其中，保温炉的温度测定由传统热电偶或激光测温仪，所述第一和第二测温仪为激光测温仪，所述第一测温仪由半固态搅拌结构的平台固定，所述第二测温仪位于成形料室上方，固定在压铸机上，或可由第一测温仪兼任第二测温仪的作用，所述测温仪与合金熔体或半固态浆料的距离为200-300mm。

其中，所述成形过程包括压铸、液态模锻、挤压等成形过程；所述成形料室包括压射室、模具内腔、挤压料室，所述的半固态成形包括半固态压铸、半固态模锻、半固态挤压等成形过程。

一种半固态成形过程中铝合金浆料制备的控制装置和方法，该控制装置由加热控制器、PLC总控制器、搅拌控制器、舀料控制器、介质流量控制器、升降控制器、压铸控制器和测温仪、位移传感器组成；第一测温仪分别与保温炉加热控制器、制浆机的PLC总控制程序相连；PLC总控制器与搅拌器（及搅拌结构）、介质流量控制器（流量控制结构）、升降控制器（升降控制结构）相连，第二测温仪与制浆机和压射室的控制程序连接；通过在舀料结构上设置激光测温仪监测制浆前的合金熔体温度、制浆过程中的熔体温度、成形过程前的半固态浆料温度，根据程序自动进行第一个双重判定来结束半固态浆料制备过程，并根据判定结果修正加热炉设定参数，并针对转移至成形料室内的半固态浆料温度进行温度监测，进行第二个双重判定来执行压铸过程，并根据判定结果修改制浆机的搅拌速度、搅拌时间、冷却介质通入量等参数来精确控制半固态浆料的制备结束时的温度和固相率。

具体的，在半固态搅拌设备平台上设置激光测温仪，激光测温仪分别与保温炉、制浆机、成形机构的控制程序连接。激光测温仪的测量温度范围为0-1000℃，激光测温仪与合金液距离220-280mm，在以上距离设置下，具有良好的测量精度，测温仪有隔热外壳。

半固态合金浆料制备过程中的温度控制方法，具体包括以下步骤：

通过设置在机械舀料结构上的激光测温仪监测合金液温度，当大于某基本温度时执行半固态浆料制备过程，基本温度范围为630-650℃，否则停机报警。

通过测温仪监测半固态浆料制备过程中合金液变化的温度，进行第一双重判定：当合金液温度随制备过程降低到设定的制浆结束温度或搅拌时间达到制浆设定时间时，半固态浆料制备过程结束。根据不同合金的物性参数不同，所述设定制浆结束温度范围为605-620℃，根据需要制备半固态浆料体积的不同，所述制浆设定时间范围为10-60s。当第一双重判定执行的是温度条件时，表明半固态浆料制备时先于设定时间达到了预定温度，执行第一修正措施：将铝合金熔炼炉或保温炉的温度提高5-15℃，并计时10-30min，计时结束修正温度。当第一双重判定执行时间条件判定时，不执行修正措施。

由于本专利采用的是一种通有冷却介质（水或气）的搅拌轴对合金液进行处理，对半固态浆料制备时的温度控制要求较高，多重判定与修正措施的目的就是保证各阶段熔体的温度的稳定性，其第一修正措施的目的是在现有加热炉控制程序的基础上提高保温温度或加热温度，给熔体加热，避免在现有半固态制浆参数下熔体温度降低过快。本参数中具体设定的时间条件根据实际情况在开始时需要设定和调整，但稳定生产时就不再对程序进行时间的修正，保证判定程序的简单性和稳定性。

将半固态浆料送入成形料室，通过测温仪监测成形料室内半固态浆料的温度，执行温度条件和时间条件的第二双重判定：当成形料室内的半固态浆料温度降低到设定的最终成形温度或达到设定时间时，执行压铸或其他成形过程。通过激光测温仪监测成形料室内半固态浆料的温度低于预定温度590-605℃，或在成形料室内计时超过2-10s，执行压铸或挤压、液态模锻等成形，可保证半固态浆料进行压铸充满模具型腔，从而生产出固相率在10%-40%的半固态压铸件。

半固态浆料的温度和固相率控制要求比较严格，尤其在低固相向高固相转变的温度区间很小，所以要求更高。第二修正措施的目的是根据实际浆料转移入成形料室后的温度和时间条件判定，在现有半固态制浆参数的基础上进行参数调整，包括搅拌时间、通入介质流速、搅拌速度减少或增加等措施，从而更稳定的制备半固态浆料。但第二双重判定的条件为温度条件时，表明半固态浆料温度先于时间触发了压射或其他成形条件，执行第二修正措施：所述制浆机的控制程序控制制浆机的搅拌时间减少3-15s，并控制水、气或其他冷却介质的通入量减少1-15L/min。

其中，制浆机的搅拌速度为300-1500r/min,冷却介质为压缩气体或水，当介质为水时，制浆时间要相应减少10-30s。

或者，所述第一双重、第二双重判定的温度条件并不仅限于低于某一设定温度（如X<A），该温度判定条件亦可为处于某一设定温度区间（如A<X<B）, X为实际温度。即：将第一双重判定的温度条件亦可设定为激光测温仪温度处于605-620℃区间，所述第二双重判定的温度条件的温度条件亦可设定为激光测温仪温度处于范围为590-605℃区间。

本发明的半固态浆料制浆过程中的温度控制方法相较于现有技术，具备以下优点：

1）将激光测温仪、温度与位移传感器、保温炉、舀料机构、制浆机以及压铸或其他成形控制装置和程序进行对接，激光测温仪实时全程检测和控制半固态浆料在整个工艺过程中的温度变化，并将检测结果显示在控制程序面板上，将保温炉加热升温、制浆参数调整以及压铸过程相互进行联动，可以根据检测的温度至进行实时修正制浆参数。温度监控和制浆参数修正均在控制成形下自动运行。

2）该程序主要针对的是半固态浆料制备温度控制要求高的问题，采用温度条件和时间条件的第一双重判定作为半固态浆料制备的结束条件，采用温度和时间条件的第二双重判定作为压铸过程的判定条件，两个双重判定相比于单纯的时间条件或温度条件作为判定条件，具有温度和工艺控制精度更高、更稳妥的优点。

3）本方法中两个双重判定实际是作为所要求判定的下限，目的是防止温度继续降低导致粘料挂料问题，影响连续制备的工艺稳定性，所以做出了修正措施，第一修正措施的目的是将测温仪的温度判定条件作为加热炉的保温温度提高的判定条件，而不是直接参与控制加热炉的温度PID控制，既能有效提高加热炉的熔体温度，又避免测温仪的温度处于不停的半固态浆料温度变化过程中而可能导致的加热炉温度控制紊乱问题。

4）半固态浆料制备好后从浇勺内转移入压射桶内或成形料室内，需要3-5s的时间，即存在散热降温，也存在压铸料室内的激冷作用，所以实际上压射前真正的温度和固相率已经与搅拌结束时的温度和固相率不同了，但是浆料在转移和压射室内的激冷作用是很难主观控制的，因此本发明方法对真正的对压射前的浆料温度和时间进行双重判定，并对判定结果采取修正，修正措施由半固态浆料的工艺参数来进行实施，这也是本发明的优点。

5）采用本发明发发制备的半固态浆料温度控制精度为设定温度的±3℃，半固态浆料的固相率可以根据要求控制在10-40%，半固态产品的晶粒尺寸<60μm，半固态产品合格率达到98%以上。

参照附图阅读对于实施例的以下描述，本发明的其他特性特征和优点将变得清晰。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述仪器用于揭示本发明的原理，在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的半固态合金制浆过程中的控制装置包含的内容示意图。

图2示出了根据本发明的半固态合金制浆过程中控制方法的示意图。

1加热控制器，2 PLC总控制器，3热电偶，4保温炉，5激光测温仪，6升降机构与控制器，7介质搅拌机构及控制器，8浇包，9压射冲头，10压射室，11压铸成型控制器。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本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，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

实例1

PLC总控制器(2)连接加热炉控制器(1)、介质搅拌控制器(7)与升降控制器(6)及相关机械结构，通过传感器来进行关键参数和节点控制。通过激光测温仪(5)检测舀料机构浇包(8)内的合金液的温度大于650℃时，执行半固态设备的下降控制，将通有水的搅拌棒插入合金合金液内进行搅拌，持续的对合金液降温进行监测。此时执行第一双重判断：当搅拌时间先达到20s时，半固态浆料制备结束，不执行修正措施一；当熔体温度先降低到610℃时，半固态浆料制备结束，并执行第一修正措施：提高5℃保温炉(4)的保温温度10min，结束后恢复。浆料转移入压射室（10）内后，通过激光测温传感器对半固态浆料继续监测。此时执行第二双重判断：当等待时间达到4s时进行压射，不执行修正措施；当半固态温度降低到600℃时，进行压射，同时执行第二修正措施：将半固态浆料的搅拌时间减少5秒，减少通入介质流量5L/min。压射通过压铸成形控制器（11）来执行压射动作。

实例2

介质搅拌控制器（7）、升降控制器（6）进行程序设计，集成到PLC总控制器（2）程序中，与舀料机构、加热炉（4）和液态模锻成形压下控制程序相连，通过位移和温度传感器进行关键参数和节点控制。通过机械手臂控制浇包（8）进行舀料，激光测温仪（5（1））与浇包的距离为270mm，另一个激光测温仪（5（2））与液态模锻模具内的浆料举例为245mm。通过激光测温仪（5）监测浇勺内的合金液的温度为660℃时，进行半固态浆料搅拌，将通有气体的搅拌棒插入合金合金液内进行搅拌，持续的对合金液降温进行监测。此时执行第一双重判断：当搅拌时间先达到40s时，半固态浆料制备结束，不执行修正措施一；当熔体温度先降低到605-620℃区间时，半固态浆料制备结束，并执行第一修正措施：提高6℃保温炉（4）的保温温度15min，结束后恢复。浆料转移入液态模锻的下模腔内，通过激光测温传感器对半固态浆料继续监测。此时执行第二双重判断：当等待时间达到5s时进行压射，不执行修正措施；当半固态温度降低到590-605℃区间时，进行液态模锻的上模腔压下成形过程，并执行第二修正措施：将半固态浆料的搅拌时间减少10秒，减少通入介质流量10L/min。

综上所述，根据本发明提供一种半固态成形过程中铝合金浆料制备的控制装置和方法，该装置将传感器与保温炉、舀料机构、制浆机以及压铸或其他成形控制程序进行对接，利用短波激光传感仪器实时全程检测和控制半固态浆料在整个工艺过程中的温度变化，根据多重逻辑判定实时修正加热炉、制浆机的工艺参数，将半固态浆料的温度精确控制在稳定的范围，是半固态浆料有稳定的固体含量，从而保证半固态浆料的连续稳定制备。本发明专利的半固态浆料制备的控制装置和方法，为半固态流变压铸、半固态模锻等产品的产业会发展提供了技术支持。

上面描述内容可以单独或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的装置和技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种半固态成形过程中铝合金浆料制备的方法，其特征在于，包括控制装置；所述控制装置由加热炉与控制器、PLC总控制器、半固态搅拌控制器、舀料控制器、介质流量控制器、升降控制器、压铸控制器和测温仪、温度、位移传感器组成；第一测温仪分别与保温炉加热控制器、制浆机的PLC控制程序相连；PLC控制器与搅拌器、介质流量控制器、升降控制器相连，第二测温仪与制浆机和压射室的控制程序连接；所述舀料控制器将盛有合金液的浇包转移至搅拌结构下方，搅拌控制器开启搅拌程序，升降控制器将搅拌器下降至熔体内，PLC控制器执行温度和时间的第一双重判定，根据判定通过加热炉控制器进行参数修正；将浆料转移至压铸或模锻成形料室内，执行第二双重判定，判定结束进行压铸或模锻成形，同时根据判定调整搅拌时间和介质流量通入速度及搅拌速度；

实施方法包括以下步骤：

舀料控制器控制浇勺舀取保温炉中合金液并转移至半固态搅拌结构下，通过第一测温仪对汤勺内的熔体温度进行判定，大于某一基本温度时，执行半固态浆料搅拌程序，否则停机报警；

半固态浆料搅拌程序中，通过第一测温仪监测合金液温度，并执行时间条件和温度条件的第一双重判定，判定结束则半固态浆料制备过程结束；

当以温度判定条件作为搅拌结束判定时，执行第一修正措施；或当以时间条件作为搅拌结束判定时，不采取修正措施；

将所述半固态浆料送入成形料室，通过第二测温仪监测转移至成形料室内半固态浆料的温度，执行温度条件和时间条件的第二双重判定；

两条件满足其一则执行压铸或模锻成形过程，当选择执行温度条件判定时，执行第二修正措施；或当执行时间条件判定时，不采取修正措施；

第二双重判定结束后执行半固态浆料的成形过程。

2.如权利要求1所述的半固态成形过程中铝合金浆料制备的方法，其特征在于，所述制浆机的控制程序第一双重判定的温度条件具体为：判定浇勺内的熔体温度是否低于设定的制浆结束温度；所述第二双重判定的温度条件具体为：在成形料室内的熔体温度是否低于设定的最终成形温度。

3.如权利要求1所述的半固态成形过程中铝合金浆料制备的方法，其特征在于，所述制浆机的控制程序第一双重判定的时间条件具体为：判定执行制浆的时间是否达到设定时间，所述第二双重判定的时间条件具体为：半固态浆料送入成形料室后进行计时是否达到设定时间。

4.如权利要求1所述的半固态成形过程中铝合金浆料制备的方法，其特征在于，所述制浆机的控制程序第一修正措施具体为：通过保温炉的程序控制所述的保温炉的保温温度设定提高5-10度，计时10-30min，时间结束进行重置。

5.如权利要求1所述的半固态成形过程中铝合金浆料制备的方法，其特征在于，所述制浆机的控制程序第二修正措施具体为：控制制浆机的搅拌时间减少3-15s，通过介质流量控制器控制水、气或其他冷却介质的通入量减少1-15L/min。

6.如权利要求2所述的半固态成形过程中铝合金浆料制备的方法，其特征在于，所述设定的制浆结束温度为610摄氏度；所述设定的最终成形温度为598℃；所述半固态浆料制备判定的时间条件为20s。

7.如权利要求1所述的半固态成形过程中铝合金浆料制备的方法，其特征在于，所述的第一双重、第二双重判定的温度条件并不仅限于低于某一设定温度值，该温度值实际可设置为某一温度区间；所述判定温度的条件亦可为处于某一温度区间时达成判定条件。

8.如权利要求1、2、7中任一项所述的半固态成形过程中铝合金浆料制备的方法，其特征在于，所述半固态处理前铝液的基本温度为630-650℃；所述第一双重判定的温度条件的温度范围为605-620℃；所述第二双重判定的温度条件的温度范围为590-605℃；根据制备半固态浆料的体积需要，所述第一双重判定的时间范围为10-60s，所述第二双重判定的时间范围为2-10s。

9.如权利要求1所述的半固态成形过程中铝合金浆料制备的方法，其特征在于，保温炉的温度测定由传统热电偶或激光测温仪，所述第一和第二测温仪为激光测温仪，所述第一测温仪由半固态搅拌结构的平台固定，所述第二测温仪位于成形料室上方，固定在压铸机上，或直接由第一测温仪兼任第二测温仪的作用，所述测温仪与合金熔体或半固态浆料的距离为200-300mm。

10.如权利要求1所述的半固态成形过程中铝合金浆料制备的方法，其特征在于，所述成形过程包括压铸、液态模锻、挤压的成形过程；所述成形料室包括压射室、模具内腔、挤压料室，所述的半固态成形包括半固态压铸、半固态模锻、半固态挤压的成形过程。

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