CN113198983A - 一种介质冷却行星搅拌半固态浆料的制备方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了了一种介质冷却行星搅拌半固态浆料的制备方法和装置。将合金熔体在旋转搅拌轴自转以及周向旋转运动的行星旋转搅拌作用下，其温度场得到搅拌均匀，同时冷却介质流入旋转搅拌轴内的冷却通道内对搅拌轴进行冷却，熔体在行星旋转搅拌和冷却的作用下凝固形核制备半固态浆料。本发明既能够单次制备大体积半固态浆料，又可以持续不断的批量制备半固态浆料，并结合压铸、轧制、模锻等常规成形设备制备半固态成形件。

Description

一种介质冷却行星搅拌半固态浆料的制备方法和装置

技术领域

本发明涉及一种介质冷却行星搅拌半固态浆料的制备方法和装置，属于半固态金属加工技术领域。

背景技术

自从20世纪70年代初期，美国麻省理工学院M C Flemings等研究人员创立了金属半固态成形的概念，半固态金属浆料的制备和成形技术作为一种新型的技术引起了世界各国的广泛关注。半固态加工是利用金属从液态向固态转变或从固态向液态转变(即液固共存)过程中所具有的特性进行成形的方法，这一新的成形方法综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比液态低，充型平稳，对模具热冲击小；变形抗力比固态小，从而有利于成形较复杂的零件并减少功耗，提高生产效率。

流变成形工艺由制备的半固态浆料进行流变成形加工，具有生产流程短、相对成本低、设备简单等特点，半固态浆料的制备是金属半固态技术的基础与关键。目前制备半固态浆料的方法有很多，可以分为搅拌法、超声振动法、通道或板浇注法、熔体分散混合法、应变诱发熔体激活法等几大类。这些方法基本都是依靠扰动和降温的基本原理来制备，它们都有自己的优缺点和适用范围。其中，机械搅拌法以其简单灵活、效率高、成本低廉，是制造企业最愿意接受的制备方法。半固态浆料的快速、均匀连续制备，尤其是大体积半固态浆料的制备一直是一个难点和重点。专利(201610208466.X)开发了一种基于介质冷却的搅拌半固态浆料制备技术，该技术虽然提高了搅拌轴与半固态浆料的换热效率，但在熔体中搅拌轴只能搅拌固定位置，对固定位置的合金熔体进行换热，而半固态浆料的制备过程通常换热时间较短，对熔体中心固定位置进行搅拌很难在短时间内与整个合金熔体换热，反而导致中间一直换热的位置被过分冷却，引起合金熔体过分冷凝在搅拌轴上导致挂料凝料严重，而周边的熔体却对流换热能力不够制备半固态浆料能力不强，而缩短搅拌时间将引起周边熔体降温能力不够引起半固态浆料制备质量的问题，而这种问题的根源就在于该专利只能在合金熔体中的固定的位置进行换热，这种矛盾尤其在制备大体积半固态浆料时更为显著。而对这种问题进行改善的一种方式就是在搅拌轴上配置搅拌叶片，搅拌叶片可以有效提高搅拌效率，但是随之而来的问题是搅拌叶片一旦挂料就难以清理，现有的针对光滑搅拌轴的简单清理挂料的方式就不再管用，只能停机更换和清理，采用搅拌叶片的形式不适用于工业大生产，在现有公开资料中还没有查阅到有技术能解决此问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有机械搅拌半固态技术无法对整个熔体进行有效搅拌和换热而只能局部搅拌和换热的问题；固定搅拌轴类出现的局部过度冷却造成冷凝挂料以及周边熔体冷却能力不够的问题；大体积半固态浆料的均匀制备问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种介质冷却行星搅拌半固态浆料的制备方法，将合金熔体在旋转搅拌轴自转以及周向旋转运动的行星旋转搅拌作用下，其温度场得到搅拌均匀，同时冷却介质流入旋转搅拌轴内的冷却通道内对搅拌轴进行冷却，熔体在行星旋转搅拌和冷却的作用下凝固形核制备半固态浆料。

优选地，所述的合金熔体为铝合金，行星旋转搅拌前合金熔体的温度为 630-700℃，搅拌时间为10s-90s，设定搅拌终止时合金熔体的温度为合金的液相线以下0-40℃。

本发明还提供了一种介质冷却行星搅拌半固态浆料的制备装置，其包括固定于基座上的升降装置，升降装置的输出端与基座连接，基座通过至少两个偏心结构与其上方的摇板连接，摇板上穿设有旋转搅拌轴，旋转搅拌轴通过轴承座与摇板固定，旋转搅拌轴的下端设于坩埚内，旋转搅拌轴上套有传动结构，传动结构由电机一驱动；其中一个偏心结构由电机二驱动；旋转搅拌轴内设有冷却内管，冷却内管的两端通过旋转接头分别连接冷却介质出管、冷却介质出管。冷却介质从冷却介质进管流入旋转接头，流入旋转搅拌轴内部，最终从冷却介质出管流出形成熔体-搅拌轴-冷却介质的高效换热结构，随后冷却介质再通过旋转搅拌轴和出水管流出。

优选地，所述偏心结构包括一对偏心复合连接的圆盘，其中，位于下侧的圆盘的下表面中心通过固定轴与基座上的轴承座固定连接，位于上侧的圆盘的上表面中心通过固定轴与摇板上的轴承座固定连接；与电机二相连的为主偏心结构，偏心结构的芯轴通过齿轮与电机二的输出端连接。

更优选地，所述主偏心结构/支撑偏心结构中，位于上侧的圆盘上设有圆孔及腰孔，该圆盘通过穿过圆孔的固定螺栓以及穿过腰孔的预紧调整螺栓与另一圆盘固定连接。

优选地，所述摇板在主偏心轴结构以及支撑偏心轴结构的运动下作周向旋转，旋转搅拌轴在摇板带动下做周向旋转运动，旋转搅拌轴在电机的传动作用下进行自转，旋转搅拌轴同时具有自转以及周向旋转运动形成行星旋转搅拌运动。旋转搅拌轴在自转以及周向旋转运动的双重的行星旋转搅拌作用下对熔体进行搅拌，避免了单纯搅拌轴只能自转对中心部分熔体局部冷却的缺点；将过热的合金熔体置于坩埚或浇勺中，基板在升降装置的作用下带动摇板和旋转搅拌轴降至坩埚内的合金熔体中，合金熔体在旋转搅拌轴的介质冷却高效换热以及行星搅拌双重旋转作用下更均匀的降温形核，在搅拌一定时间或达到设定熔体温度后制备出半固态浆料；升高旋转搅拌轴，将含有半固态浆料的坩埚或浇勺靠近成形设备或铸模，并将半固态浆料倒入型腔或料室进行成形。

优选地，所述的旋转搅拌轴为分体结构，其下段为可更换的不同直径、形状的搅拌部件。

更优选地，所述搅拌部件的形状为桨叶、螺旋叶片或枝杈结构。

优选地，所述冷却内管、冷却介质出管、冷却介质出管内的介质为气体、水、油或其它冷却介质。

优选地，所述的旋转搅拌轴的表面涂覆有耐火材料涂层，并配有清料刮料装置，用于在旋转搅拌轴升降时其进行清理，防止粘料挂料。

所述介质冷却行星搅拌半固态装置方便与压铸、轧制、模锻等成形设备制备成型件。所述介质冷却行星搅拌半固态装置方便与结晶器结合，对结晶器内中间位置的合金熔体降温可实现整体均匀降温，进行批量持续不断的制备细晶半连续铸锭。

合金熔体在旋转搅拌轴自转以及周向旋转运动的行星旋转搅拌作用下温度场得到搅拌均匀，同时冷却介质流入旋转搅拌轴内的冷却通道内对搅拌轴进行冷却，熔体在行星旋转搅拌和冷却的作用下凝固形核制备半固态浆料。摇板在主偏心轴结构的带动以及支撑偏心轴结构的作用下做周向旋转，摇板上固定有旋转搅拌轴以及电机传动结构，旋转搅拌轴在摇板带动下做周向旋转运动，旋转搅拌轴在电机的传动作用下进行自转，旋转搅拌轴同时具有自转以及周向旋转运动形成行星旋转搅拌运动；同时旋转搅拌轴与旋转接头、进水管、出水管、内管相连形成密封的冷却介质循环通道；一方面，冷却介质从进水管流入旋转接头并通过内管送至旋转搅拌轴内部对搅拌轴冷却，形成熔体-搅拌轴-冷却介质的高效换热结构，随后冷却介质再通过旋转搅拌轴和出水管流出；另一方面，旋转搅拌轴在自转以及周向旋转运动的双重的行星旋转搅拌作用下对熔体进行搅拌，避免了单纯搅拌轴只能自转对中心部分熔体局部冷却的缺点；将过热的合金熔体置于坩埚或浇勺中，主偏心轴结构与支撑偏心轴结构通过轴承、轴承座与基板平台相连，基板平台在升降装置的作用下带动摇板和旋转搅拌轴降至坩埚内的合金熔体中，合金熔体在旋转搅拌轴的介质冷却高效换热以及行星搅拌双重旋转作用下更均匀的降温形核，在搅拌一定时间或达到设定熔体温度后制备出半固态浆料；升高旋转搅拌轴，将含有半固态浆料的坩埚或浇勺靠近成形设备或铸模，并将半固态浆料倒入型腔或料室进行成形；取出制备好的成型件或铸锭并将坩埚或浇勺移回原位置并盛取过热合金熔体进行下次半固态浆料制备。

本发明将旋转搅拌轴与摇板相连，通过摇板带动旋转搅拌轴做圆周振荡运动，旋转搅拌轴对熔体的搅拌作用同时具有自转以及周向旋转运动形成行星旋转搅拌运动；同时旋转搅拌轴与旋转接头、进出水管等结合形成密封循环通道，具有高效的熔体-搅拌轴-冷却介质的高效换热结构；两类作用结合的条件下使具有高效换热能力的搅拌轴在自转与周向旋转的作用下对整个合金熔体进行搅拌冷却换热作用，既不会对中心的熔体过分冷却造成过分凝固引起挂料凝料问题，也照顾到周边合金熔体的冷却能力不够的问题，能够真正的在短时间内对整个熔体的温度实现均匀的降温，使整个熔体的温度、过冷度以及成分更加有效的均匀，从而均匀形核，增加形核率，尤其在制备大体积半固态浆料时效果更为明显。将冷却介质在搅拌轴内部循环冷却与多轴行星搅拌方式结合起来，既能够单次制备大体积半固态浆料，能够有效的结合压铸、模锻、轧制等常规设备进行半固态特种成形，又可以结合结晶器后续有效的对大体积合金熔体进行降温，进行批量持续不断的制备细晶半连续铸锭。

上述介质冷却行星搅拌半固态装置方便与结晶器结合，对结晶器内中间位置的合金熔体降温可实现整体均匀降温，进行批量持续不断的制备细晶半连续铸锭。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明的旋转搅拌轴同时具有自转以及周向旋转运动形成行星旋转搅拌运动，改变传统搅拌轴只能搅拌熔体的固定位置。

2.普通搅拌轴搅拌时，与搅拌轴较近的熔体换热充分，离搅拌轴较远的位置换热不充分，行星旋转搅拌时，可改变这一现状，搅拌轴可对整个熔体搅拌，换热非常充分。

3.普通搅拌轴搅拌时，与搅拌轴较近的熔体换热充分，当合金熔体舀取及搅拌时存在温度波动的时，尤其是搅拌轴内的介质为水介质等强冷却时，该位置会被过分冷却，而远离搅拌轴的熔体冷却不够，引起合金熔体冷凝在搅拌轴上导致挂料凝料严重，通过缩短搅拌时间也无法保证半固态浆料制备质量稳定的问题；而采用本发明的介质冷却行星搅拌制备半固态浆料装置和技术，能够改变这种现状，将介质冷却与搅拌轴行星搅拌相结合，能够对整个合金熔体进行搅拌冷却换热作用，既不会对中心的熔体过分冷却造成过分凝固引起挂料凝料问题，也照顾到周边合金熔体的冷却能力不够的问题，即便搅拌轴附近的熔体有短暂的温度波动，也会随着行星搅拌不停的接触其他位置过热的熔体，避免挂料冷凝的出现，能够真正的在短时间内对整个熔体的温度实现均匀的降温，使整个熔体的温度、过冷度以及成分更加有效的均匀，更加稳定的制备半固态浆料。

4.采用行星式搅拌方式可以用光滑的搅拌杆就可以增加熔体的搅拌能力，相比于采用旋转搅拌轴上添加叶片的方式，能够有效的采用简单清料的方式对挂料进行清理。

5.行星搅拌制备装置可以通过调节偏心程度，实现不同振幅的行星式搅拌，通过配上清料装置，可以方便的清理可能存在的少量挂料问题。

6.旋转搅拌轴上引入内部冷却循环通道，增大旋转搅拌轴的换热效率并使温度保持在相对低位，引入行星搅拌后，旋转搅拌轴随着行星搅拌不停的接触其他位置过热的熔体，可以有效减轻挂料凝料问题，同时也有助于提高多次制备半固态浆料效率和单次制备半固态浆料体积。

7.介质冷却行星搅拌制备装置结构简单、灵活性高、操作和维修方便、易实现自动控制，该方法具有制备效率高、生产成本低、工艺稳定、通用性强，可以用于各种金属材料的半固态浆料的制备，尤其是铝、镁等轻合金材料的半固态浆料制备，非常适合结合压铸、挤压等成形设备实现流变成形制备半固态成型件。

附图说明

图1为介质冷却行星搅拌半固态浆料制备装置的结构示意图；

图2为主偏心轴结构/支撑偏心轴结构的示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例

如图1、2所示，为本发明提供的介质冷却行星搅拌制备半固态浆料装置，其包括冷却介质进管1、冷却介质出管2、旋转接头3、传动结构4、轴承座5、坩埚6、旋转搅拌轴7、电机一8、13、圆盘9、摇板10、固定螺栓11、预紧调整螺栓12、主偏心轴结构、支撑偏心轴结构、基座14、升降装置15。

所述主偏心轴结构和支撑偏心轴结构都包括一对圆盘9，上方的圆盘9上连接上轴，下方的圆盘9下连接上轴，上方的圆盘9上有圆孔和腰孔，圆孔通过固定螺栓11连接，腰孔通过调整螺栓12连接，偏心轴结构上轴能够绕固定螺栓 11相对于偏心轴结构下轴做一定的转动，可以改变两轴间的偏心距；改变调整螺栓12在腰孔的位置，偏心轴结构上轴绕固定螺栓11相对转动，上下两轴的偏心距可调，支撑偏心轴结构的偏心距随主偏心轴结构的偏心距做适应调整；预紧调整螺栓12，固定圆盘9，实现偏心轴结构的刚性连接；主偏心轴结构下端通过轴承座固定在基座14上，主偏心轴结构中的芯轴通过齿轮与电机二13相连；主偏心轴结构上端通过轴承座与摇板10相连，多个支撑偏心轴结构分布在主偏心轴结构周围，支撑偏心轴结构的上轴分别通过轴承座与摇板10相连，下轴分别通过轴承座与基座14相连，支撑轴系的上、下轴间通过圆盘9和螺栓相连；所述两个电机分别安装在基座14和摇板10上，旋转搅拌轴7通过轴承座5与摇板 10相连，旋转搅拌轴7通过传动结构4(本实施例中采用齿轮)与电机一8相连；摇板10在主偏心轴结构的带动下以及支撑轴系的引导下做圆周振荡旋转运动，旋转搅拌轴7在电机一8的传动作用下进行自转，因此旋转搅拌轴7同时具有自转以及周向旋转运动形成行星旋转搅拌运动，并且通过主偏心轴结构和支撑偏心轴结构上的腰孔可以调整偏心距离，实现圆周震荡的尺寸调整，以适应不同的搅拌情况；所述基座14与升降装置15相连，实现整体设备的升降；所述旋转搅拌轴与旋转接头3、冷却介质进管1、冷却介质出管2、冷却内管相连形成密封的冷却介质水、气循环通道，旋转接头3同时与冷却介质进管1、冷却介质出管2、旋转搅拌轴7和相连；冷却介质从冷却介质进管1流入旋转接头3，流入旋转搅拌轴7内部，随后冷却介质再通过旋转搅拌轴和出水管2流出，最终形成熔体- 搅拌轴-冷却介质的高效换热结构，实现了介质冷却旋转搅拌的结构；两者作用结合下，实现了介质冷却行星搅拌制备半固态浆料装置结构。

所述的主轴系下轴一端通过轴承座固定于基座14上、主轴系上轴一端通过轴承座与摇板10连接，两轴另一端圆盘通过固定螺栓11和调整螺栓12连接，所述固定螺栓11分别穿过主轴系下轴的端圆孔和主轴系上轴的端圆孔，所述调整螺栓12分别穿过主轴系下轴的端圆盘螺栓孔和主轴系上轴的端圆盘腰孔；主轴系上轴能够绕固定螺栓11相对于主轴系下轴做一定的转动，可以改变两轴间的偏心距；改变调整螺栓12在腰孔的位置，主轴系上轴绕固定螺栓11相对转动，上下两轴的偏心距可调；预紧调整螺栓12，端圆盘轴相对固定，实现两轴的刚性连接。支撑轴系的上、下轴间偏心距随主轴偏心距做自适应调整。

打开电机一8、13，调整摇板10到合适振幅，调整旋转搅拌轴7到合适转速，打开循环冷却水，水从冷却介质进管1进入，经过旋转搅拌轴7，最终从冷却介质出管2流出；压铸机机械手臂控制坩埚或浇包6盛取熔炼炉内的铝合金熔体过热度0～100℃，并移动到固定位置；利用升降装置15控制旋转搅拌轴7下降到浇包中合金熔体液面下一定深度并对合金熔体进行搅拌；当搅拌固定时间或熔体达到设定温度液相线以下0～100℃时，制备好半固态熔体；之后升降装置将旋转搅拌轴7升起，压铸机机械手臂将坩埚或浇包6移动到压铸机压射室附近并将半固态浆料倒入其中，压铸机冲头将半固态浆料压射入模具中成形，之后等待合金液凝固降温并取出成型件；同时接卸手臂将料包移动到熔炼炉附近，准备下一次盛取合金熔体。

Claims (10)

1.一种介质冷却行星搅拌半固态浆料的制备方法，其特征在于，将合金熔体在旋转搅拌轴自转以及周向旋转运动的行星旋转搅拌作用下，其温度场得到搅拌均匀，同时冷却介质流入旋转搅拌轴内的冷却通道内对搅拌轴进行冷却，熔体在行星旋转搅拌和冷却的作用下凝固形核制备半固态浆料。

2.如权利要求1所述的介质冷却行星搅拌半固态浆料的制备方法，其特征在于，所述的合金熔体为铝合金，行星旋转搅拌前合金熔体的温度为630-700℃，搅拌时间为10s-90s，设定搅拌终止时合金熔体的温度为合金的液相线以下0-40℃。

3.一种介质冷却行星搅拌半固态浆料的制备装置，其特征在于，包括固定于基座(14)上的升降装置(15)，升降装置(15)的输出端与基座(14)连接，基座(14)通过至少两个偏心结构与其上方的摇板(10)连接，摇板(10)上穿设有旋转搅拌轴(7)，旋转搅拌轴(7)通过轴承座(5)与摇板(10)固定，旋转搅拌轴(7)的下端设于坩埚(6)内，旋转搅拌轴(7)上套有传动结构(4)，传动结构(4)由电机一(8)驱动；其中一个偏心结构由电机二(13)驱动；旋转搅拌轴(7)内设有冷却内管，冷却内管的两端通过旋转接头(3)分别连接冷却介质出管(2)、冷却介质出管(2)。

4.如权利要求3所述的介质冷却行星搅拌半固态浆料的制备装置，其特征在于，所述偏心结构包括一对偏心复合连接的圆盘(9)，其中，位于下侧的圆盘(9)的下表面中心通过固定轴与基座(14)上的轴承座固定连接，位于上侧的圆盘(9)的上表面中心通过固定轴与摇板(10)上的轴承座固定连接；与电机二(13)相连的为主偏心结构，主偏心结构的芯轴通过齿轮与电机二(13)的输出端连接。

5.如权利要求4所述的介质冷却行星搅拌半固态浆料的制备装置，其特征在于，所述主偏心结构/支撑偏心结构中，位于上侧的圆盘(9)上设有圆孔及腰孔，该圆盘(9)通过穿过圆孔的固定螺栓(11)以及穿过腰孔的预紧调整螺栓(12)与另一圆盘(9)固定连接。

6.如权利要求3所述的介质冷却行星搅拌半固态浆料的制备装置，其特征在于，所述摇板(10)在主偏心轴结构以及支撑偏心轴结构的运动下作周向旋转，旋转搅拌轴(7)在摇板(10)带动下做周向旋转运动，旋转搅拌轴(7)在电机(8)的传动作用下进行自转，旋转搅拌轴(7)同时具有自转以及周向旋转运动形成行星旋转搅拌运动。

7.如权利要求3所述的介质冷却行星搅拌半固态浆料的制备装置，其特征在于，所述的旋转搅拌轴(7)为分体结构，其下段为可更换的不同直径、形状的搅拌部件。

8.如权利要求7所述的介质冷却行星搅拌半固态浆料的制备装置，其特征在于，所述搅拌部件的形状为桨叶、螺旋叶片或枝杈结构。

9.如权利要求3所述的介质冷却行星搅拌半固态浆料的制备装置，其特征在于，所述冷却内管、冷却介质出管(2)、冷却介质出管(2)内的介质为气体、水、油或其它冷却介质。

10.如权利要求3所述的介质冷却行星搅拌半固态浆料的制备装置，其特征在于，所述的旋转搅拌轴(7)的表面涂覆有耐火材料涂层，并配有清料刮料装置，用于在旋转搅拌轴(7)升降时其进行清理。

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