CN114619012B - 一种直接流变挤压铸造成形的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种直接流变挤压铸造成形的方法及其装置，包括以下步骤：预热模具；准备半固态浆料，将所述半固态浆料浇注到浇口套中，所述半固态浆料通过进料口进入所述型腔内，所述进料口设置在所述模具的型腔侧壁上；待所述半固态浆料完全流入后，凸模型芯下移进行加压，同时逐渐封闭所述进料口，并继续下移至合模；保压一段时间，所述半固态浆料凝固成形后得到成品铸件；所述凸模型芯上移，进行泄压；顶出所述下模内的所述成品铸件。本发明通过将半固态浆料由浇口套注入型腔内，在凸模型芯的下压作用下实现挤压成形，并在挤压的同时或之前封闭进料口，能够实现利用半固态浆料直接流变挤压铸造成形，避免了半固态浆料转移所带来的成形缺陷。

Description

一种直接流变挤压铸造成形的方法及其装置

技术领域

本发明涉及流变压铸技术领域，特别是涉及一种直接流变挤压铸造成形的方法及其装置。

背景技术

自20世纪70年代发展起来的半固态成形技术，使传统成形方式发生了深刻变化。半固态成形是指将非全液态(利用混合浆料直接进行成形加工)，半固态成形分为流变成形和触变成形。流变成形是一种在冷却过程中，对金属熔体进行强烈的电磁、机械搅拌、压铸或者其它处理，以获得具有一定比例固相或晶胚的半固态浆料，并迫使浆料中的初生固相呈近球形；然后直接将该半固态金属浆液通过压铸、挤压、轧制成形。随着工业应用日渐成熟，流变成形技术因其流程短、节能低耗等优势，近年来成为研究的重点方向，备受关注。目前，已经应用于各种材料，在航空航天、汽车制造、模具工业等领域得到广泛的应用。

半固态成形技术可以细分为流变压铸、流变锻造、流变轧制、流变挤压等。流变压铸是流变成形的主要形式。现有技术中存在采用流变压铸的方案，例如，申请公布号为CN108247002 A的中国专利公开了一种半固态立式压铸机，下模设有浇口套组件，浇口套组件连通搅拌模块和型腔，溶汤模块内的浆料通过浆料流道进入浇口套组件内，并流入搅拌模块内，浆料在搅拌模块内搅拌后，通过压铸模块将浆料自浇口套组件射出至型腔内成形，完成浆料注射成形，也就是说，该方案是由下模设置的浇口套组件由下向上进行浆料注射的，需要采用压铸模块，而且，在合模后进行注射，再挤压成形，工序复杂。申请公布号为CN109332634 A的中国专利公开了一种半固态立式压铸机，该方案与上述专利采用了类似的结构，下模下部的压铸机构将浆料自浇口管射出至型腔内成形，完成浆料注射成形。另外，南昌大学博士研究生学位论文《铝合金流变挤压铸造成形技术基础研究》公开了一种流变挤压铸造成形的方案，流变挤压铸造成形包括以下工序：合模、注浆、料筒回位并与模具对接、挤压压射、保压及二次挤压、开模顶出，可见该方案同样采用了右下向上注射的方式，上述方式均采用了压铸模块，而压铸模块的设置，需要将半固态原料先转移到压铸模块的料筒内，再进行压射，这无疑增加了工艺步骤，并且在原料转移的过程中可能会造成浆料氧化的危害，生产工艺复杂，易产生湍流和飞溅，铸件制品组织结构的致密性难以提高，稳定性差，易于出废料废品，出现含气、冷隔、欠铸缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种直接流变挤压铸造成形的方法及其装置，以解决上述现有技术存在的问题，通过将半固态浆料由浇口套注入型腔内，在凸模型芯的下压作用下实现挤压成形，并在挤压的同时或之前封闭进料口，能够实现利用半固态浆料直接流变挤压铸造成形，避免了半固态浆料转移所带来的成形缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种直接流变挤压铸造成形的方法，包括以下步骤：

预热模具；

准备半固态浆料，将所述半固态浆料浇注到浇口套中，所述半固态浆料通过进料口进入所述型腔内，所述进料口设置在所述模具的型腔侧壁上；

待所述半固态浆料完全流入后，凸模型芯下移进行加压，同时逐渐封闭所述进料口，并继续下移至合模；

保压一段时间，所述半固态浆料凝固成形后得到成品铸件；

所述凸模型芯上移，进行泄压；

顶出所述下模内的所述成品铸件。

优选地，在预热所述模具之前，清洁所述型腔，并在所述型腔表面使用热障涂层；所述上模的预热温度为250-310℃，所述下模的预热温度为320-380℃。

优选地，所述半固态浆料采用剪切低温浇注式半固态浆料制备法，制浆机具有加热及保温功能，在所述半固态浆料的制备过程中，加入晶粒细化剂，且制浆过程中对温度进行在线实时监测。

本发明还提供一种直接流变挤压铸造成形的装置，包括能够相互扣合形成型腔的上模和下模，所述型腔包括相互连通的上模型腔和下模型腔，所述上模型腔的侧壁上设置有进料口，所述进料口连接有浇口套；所述上模包括能够沿所述上模型腔上下移动的凸模型芯，所述凸模型芯顶部连接有挤压成形冲头，所述下模中部设置有顶料杆。

优选地，所述上模为凸模，所述下模为凹模；所述凸模包括凸模底座和固定连接在所述凸模底座下方的凸模固定板，所述凸模固定板固定连接有凸模型腔板，所述凸模型腔板内设置有所述上模型腔。

优选地，所述凸模型芯包括用于连接所述挤压成形冲头的抵接部和用于深入所述上模型腔的深入部，所述抵接部径向凸出所述深入部，所述凸模型腔板的顶面与所述抵接部凸出部分的底面之间设置有脱模弹簧。

优选地，所述凹模包括凹模底座和固定在所述凹模底座上的凹模型芯，所述凹模型芯上开设有所述下模型腔，所述凹模型芯中部开设有与所述下模型腔连通的通道，所述通道内设置有所述顶料杆，所述顶料杆的顶面围成所述下模型腔的一部分。

优选地，所述凹模型芯上设置有冷却及测温孔。

优选地，所述凹模型芯的顶部开设有溢料槽，所述溢料槽与所述下模型腔连通。

优选地，所述浇口套穿过所述凸模固定板的位置设置有轴承，所述浇口套连接有转动驱动装置。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明通过将半固态浆料由浇口套注入型腔内，在凸模型芯的下压作用下实现挤压成形，并在挤压的同时或之前封闭进料口，能够实现利用半固态浆料直接流变挤压铸造成形，避免了半固态浆料转移所带来的成形缺陷；

(2)本发明结合了传统挤压铸造和半固态流变成形的优势，避免了二次转运半固态浆料造成的浆料氧化的危害，生产过程充型稳定，不易发生湍流和飞溅，可以有效地减少铸件内的气孔，提高零件的致密性，具有液态金属利用率高、工序简化和质量稳定等优点，拥有广大的应用前景；

(3)本发明在凸模型芯的抵接部凸出部分与凸模型腔板的顶面之间设置有脱模弹簧，在凸模型芯下移之前，在脱模弹簧的作用下，能够将凸模型芯抬起，进料口处于打开状态，在铸造完成之后，在脱模弹簧的作用下，能够将凸模型芯离开成品铸件，实现成品铸件与凸模型芯的脱离，随后在顶料杆的作用下将成品铸件逐渐顶出，完成铸造过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明合模前状态结构示意图；

图2为图1中A处放大结构示意图；

图3为本发明合模后浇注时结构示意图；

其中，1、凹模底座；2、凹模型芯；3、溢料槽；4、凸模型腔板；5、凸模型芯；6、脱模弹簧；7、凸模固定板；8、凸模底座；9、挤压成形冲头；10、成品铸件；11、浇口套；12、转动驱动装置；13、轴承；14、型腔；15、冷却及测温孔；16、顶料杆；17、进料口。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

本发明的目的是提供一种直接流变挤压铸造成形的方法及其装置，以解决现有技术存在的问题，通过将半固态浆料由浇口套注入型腔内，在凸模型芯的下压作用下实现挤压成形，并在挤压的同时或之前封闭进料口，能够实现利用半固态浆料直接流变挤压铸造成形，避免了半固态浆料转移所带来的成形缺陷。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

结合图1～3所示，本发明提供一种直接流变挤压铸造成形的方法，包括以下步骤：

对模具进行预热，加热后的模具能够在注入半固态浆料的时候保持其具有较好的流动性，能够顺利填充型腔14，避免局部冷却凝固导致成形不均匀、流动不顺畅而影响充型进而影响产品质量的问题；加热温度根据所采用的半固态浆料的熔点和浇注温度进行设置和选择。

准备半固态浆料，将半固态浆料浇注到浇口套11中，浇口套11的出口一直延伸到进料口17，半固态浆料通过进料口17进入型腔14内，进料口17设置在模具内型腔14的侧壁上。型腔14包括有用于成形工件且与工件的大小匹配的下模型腔，还包括用于凸模型芯5上下移动的上模型腔，上模型腔与下模型腔相互连通，进料口17开设在上模型腔的侧壁上。进料口17的开设及其浇口套11的设置，能够将半固态浆料顺利向下注入下模型腔内，而且不影响成品铸件10成形的过程和成形后的形状和尺寸。

半固态浆料可以选择为6061铝合金，其化学成分如表1所示：

表1 6061铝合金的化学成分(wt.％)

待半固态浆料完全流入后(此处所说的完全流入指的是下模型腔被半固态浆料完全填充，半固态浆料的液面高度可能高于下模型腔的高度。可通过计算所需求的注入量，按照计算结果进行注入，但最终注入后的半固态浆料的液面会低于进料口17)，凸模型芯5下移进行加压，此时，如果凸模型芯5的底端设置有用于成形的凸起，在封闭进料口17之前，凸起就可能已经与半固态浆料接触并施压，此时，半固态浆料的液面会上浮，但由于进料口17与下模型腔之间具有一定高度差，此过程中半固态浆料不会进入进料口17反流；如果凸模型芯5的底端是平面结构，在封闭进料口17之后凸模型芯5才能够与半固态浆料接触，此过程中由于进料口17已被封闭，则不存在半固态浆料由进料口17反流的可能。在凸模型芯5封闭进料口17后，凸模型芯5继续下移直至上模和下模合模，合模后进入锁模保压状态。

在保压一段时间后(具体的保压时间根据不同的半固态浆料和加热温度等因素进行验证和设计，例如可以选择保压时间为10s)，半固态浆料受挤压并冷却，凝固成形后得到成品铸件10。

凸模型芯5上移，在上移凸模型芯5时，可以通过采用挤压成形冲头9带动其上移的方式，也可以采用其他开模结构例如脱模弹簧6进行。凸模型芯5上移后，实现对于成品铸件10的泄压。

通过顶料杆16等结构由下模向上顶出下模内的成品铸件10，完成整个铸造过程。

本发明通过将半固态浆料由浇口套11注入型腔14内，在凸模型芯5的下压作用下实现挤压成形，并在挤压的同时或之前封闭进料口17，能够实现利用半固态浆料直接流变挤压铸造成形，避免了半固态浆料转移所带来的成形缺陷；具体的，本发明结合了传统挤压铸造和半固态流变成形的优势，避免了二次转运半固态浆料造成的浆料氧化的危害，生产过程充型稳定，不易发生湍流和飞溅，可以有效地减少铸件内的气孔，提高零件的致密性，具有液态金属利用率高、工序简化和质量稳定等优点，拥有广大的应用前景。

进一步的，在预热模具之前，可先清洁型腔14，去除残料和废渣等污染物，并可以在型腔14表面使用热障涂层，通过热障涂层来减轻型腔14的热疲劳裂纹和溶蚀，从而提高模具的使用寿命。完成上述步骤后再对模具进行预热，上模的预热温度为250-310℃，下模的预热温度为320-380℃，其中，优选上模的预热温度为280摄氏度左右，下模的预热温度为350摄氏度左右。

半固态浆料可以采用剪切低温浇注式半固态浆料制备法，在半固态浆料的制备过程中，为防止合金降温过快，制浆机须有加热及保温功能，在半固态浆料的制备过程中，可以加入晶粒细化剂，加入晶粒细化剂可以达到快速制浆的目的，同时晶粒细化剂细化的晶粒多为蔷薇状，加入一定的晶粒细化剂可以获得较为理想的半固态组织，在制浆过程中需要对温度进行在线实时监测，在合适的温度条件下进行制备。

参考图1～3所示，本发明还提供一种直接流变挤压铸造成形的装置，该装置可以应用前文所记载的直接流变挤压铸造成形的方法，包括能够相互扣合形成型腔14的上模和下模，其中，上模并非单独部件，其包括固定部件和能够移动的部件，下模具有盛装半固态浆料的腔体。具体的，上模包括能够沿上模型腔上下移动的凸模型芯5，凸模型芯5下移的过程中能够挤压灌入到下模型腔中的半固态浆料，并在挤压过程中或之前将进料口17封闭。凸模型芯5顶部可以连接有挤压成形冲头9，此处所说的连接可以为接触连接，也就是说，在挤压成形冲头9下移时能够推动凸模型芯5下移，在挤压成形冲头9上移时可以脱离凸模型芯5。挤压铸造机为立式半固态挤压铸造成型机，具体的可以为300吨J15-300型立式挤压铸造成型机，挤压铸造机总体采用立式合模锁模、浇口套11浇注给料和垂直合模油缸挤压成型的体系。下模中部可以设置有顶料杆16，利用顶料杆16可以将完成的成品铸件10由下模型腔中顶出。型腔14包括相互连通的上模型腔和下模型腔，上模型腔的侧壁上设置有进料口17，进料口17连接有浇口套11，进料口17用于将浇口套11灌注的半固态浆料输送到下模型腔内，进料口17设置在上模型腔的目的是不影响下模形成的成形形状，同时，还能保证凸模型芯5下移过程中能够将进料口17封闭。

上模一般选择为凸模，下模选择为凹模；凸模包括凸模底座8和固定连接在凸模底座8下方的凸模固定板7，凸模底座8和凸模固定板7之间通过螺钉紧固连接，在凸模底座8的中部设置有供挤压成形冲头9上下移动的开孔，凸模固定板7具有一定的高度，中部围成一定的区域空间，使得凸模型芯5能够上下移动。凸模固定板7固定连接有凸模型腔板4，凸模型腔板4内设置有上模型腔，凸模型腔板4外径侧与凸模固定板7接触固定，顶部通过螺钉固定在凸模固定板7上。凸模固定板7将凸模型腔板4进行连接并固定在凸模底座8上形成一个可拆卸的整体结构，固定可靠，拆卸方便，便于维修和维护。

凸模型芯5可以包括用于连接挤压成形冲头9的抵接部和用于深入上模型腔的深入部，抵接部和深入部连为一体，其中，抵接部径向凸出深入部，形成凸缘结构，凸模型腔板4的顶面与凸缘结构(抵接部凸出部分)的底面之间设置有脱模弹簧6。在凸模型芯5下移之前，在脱模弹簧6的作用下，能够将凸模型芯5抬起，进料口17处于打开状态；在铸造完成之后，在脱模弹簧6的作用下，能够将凸模型芯5顶离成品铸件10，实现成品铸件10与凸模型芯5的脱离，随后在顶料杆16的作用下将成品铸件10逐渐顶出，完成铸造过程。

凹模可以包括凹模底座1和固定在凹模底座1上的凹模型芯2，凹模型芯2可以嵌入安装在凹模底座1上以实现更好的固定，并且二者之间通过螺钉进行紧固连接。凹模型芯2上开设有下模型腔，凹模型芯2中部开设有与下模型腔连通的通道，通道内设置有顶料杆16，在铸造过程中，顶料杆16的顶面围成下模型腔的一部分，在铸造结束后，顶料杆16向上推动成品铸件10进行脱模。凸模型腔板4、凸模型芯5、凹模型芯2可以采用热作模具钢H13，牌号为4Cr5MoSiV1，其在中温600℃左右综合性能好，淬透性高。凸模固定板7、凸模底座8、凹模底座1以及其他结构均选用45钢。

凸模固定板7与凹模底座1上下之间具有间隙，而凸模型腔板4与凹模型芯2之间除了溢料槽3外没有间隙，这样的设置方式，使得在合模时，凸模底座8和凹模底座1之间相互挤压靠近后，凸模型腔板4与凹模型芯2之间能够紧密贴合，进而能够形成封闭的型腔14。

凹模型芯2上还可以设置有冷却及测温孔15，冷却及测温孔15均匀设置在凹模型芯2下模型腔的周围，可以进行通风、通水冷却，并根据需要设置测温传感器等部件。

在合金熔体(半固态浆料)注入充型时，型腔14内的气体要及时排出，否则将带来气孔和缩孔等缺陷，直接导致产品质量下降，甚至报废。另外，挤压铸造制件在成形过程中可能混有气体、氧化物、涂料等，同时还会夹杂一定的气孔、冷隔等，设计溢料槽3能改善这一状况，还能改善模具的温度分布，改善凝固顺序等。溢料槽3可以设置在凹模型芯2的顶部，沿下模型腔的周边环向设置，并设置有与下模型腔连通的通道，在凸模型芯5下移的过程中，能够把多余的气体或浆料挤压进入到溢料槽3内。

浇口套11穿过凸模固定板7的位置可以设置有轴承13，浇口套11连接有转动驱动装置12，利用转动驱动装置12可以驱动浇口套11所连接的导管进行转动，转动的导管对于半固态浆料的流入会更加流畅。

本发明通过将半固态浆料浇入到敞口浇口套11中然后流入模具的型腔14中，工作时，在挤压铸造机的挤压成形冲头9的作用下带动上下模具合模，完成初次充型，保压一段时间后，卸压，在脱模弹簧6的弹力下将凸模型芯5脱离成品铸件10，完成整个的充型过程，达到制浆、成型与脱模的衔接，充分发挥了半固态浆料的流变特性进行充型，提高了利用半固态浆料铸件的质量。

利用本发明的方法或装置完成的成品铸件10具有如下特点：1)成品铸件10状态良好，表面无流液现象，芯部与表面组织一致性高，晶粒圆整度好。2)半固态6061铝合金流变成型过程中充型能力好，相比液态成型，可以显著的降低铸件的热裂倾向。3)成品铸件10组织致密、晶粒细小，成型的组织由初生球形固相和凝固的液相组成，其中初生球化固相分布均匀，没有发生聚集，表明液相在成型过程中起到有效的润滑作用，此外该铸件力学性能优于常规铸件，接近锻件性能。4)已经凝固的金属熔体在成型时，由于受到比较大的压力，会产生一定的塑性变形，可以让零件表面与模具型腔壁紧密贴合，让零件表面粗糙度会更低。5)脱模弹簧6的设计能实现制浆、成型以及脱模的有效衔接。6)半固态浆料在较大的压力下会进行一定强制性的补缩，能够消除零件制件内部的常规卷气、缩孔、缩松、和气孔等内部缺陷，提高塑性，能够更加有保障地消除内部缺陷，且让制件的组织结构更加地致密。7)直接将半固态浆料直通型腔14内部能避免因浆料氧化造成的缺陷对成品铸件10质量的影响。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种直接流变挤压铸造成形的方法，其特征在于，包括以下步骤：

预热模具；

准备半固态浆料，将所述半固态浆料浇注到浇口套中，所述半固态浆料通过进料口进入型腔内，所述进料口设置在所述模具的型腔侧壁上；型腔包括有用于成形工件且与工件的大小匹配的下模型腔，还包括用于凸模型芯上下移动的上模型腔，上模型腔与下模型腔相互连通，进料口开设在上模型腔的侧壁上；

待所述半固态浆料完全流入后，凸模型芯下移进行加压，同时逐渐封闭所述进料口，并继续下移至合模，合模后进入锁模保压状态；凸模底座和凹模底座之间相互挤压靠近后，凸模型腔板与凹模型芯之间能够紧密贴合，进而能够形成封闭的型腔；

保压一段时间，所述半固态浆料凝固成形后得到成品铸件；

所述凸模型芯上移，进行泄压；

通过顶料杆由下模向上顶出下模内的所述成品铸件。

2.根据权利要求1所述的直接流变挤压铸造成形的方法，其特征在于：在预热所述模具之前，清洁所述型腔，并在所述型腔表面使用热障涂层；上模的预热温度为250-310℃，所述下模的预热温度为320-380℃。

3.根据权利要求1或2所述的直接流变挤压铸造成形的方法，其特征在于：所述半固态浆料采用剪切低温浇注式半固态浆料制备法，制浆机具有加热及保温功能，在所述半固态浆料的制备过程中，加入晶粒细化剂，且制浆过程中对温度进行在线实时监测。

4.一种直接流变挤压铸造成形的装置，其特征在于：应用如权利要求1-3任一项所述的直接流变挤压铸造成形的方法，包括能够相互扣合形成型腔的上模和下模，所述型腔包括相互连通的上模型腔和下模型腔，所述上模型腔的侧壁上设置有进料口，所述进料口连接有浇口套；所述上模包括能够沿所述上模型腔上下移动的凸模型芯，所述凸模型芯顶部连接有挤压成形冲头，所述下模中部设置有顶料杆。

5.根据权利要求4所述的直接流变挤压铸造成形的装置，其特征在于：所述上模为凸模，所述下模为凹模；所述凸模包括凸模底座和固定连接在所述凸模底座下方的凸模固定板，所述凸模固定板固定连接有凸模型腔板，所述凸模型腔板内设置有所述上模型腔。

6.根据权利要求5所述的直接流变挤压铸造成形的装置，其特征在于：所述凸模型芯包括用于连接所述挤压成形冲头的抵接部和用于深入所述上模型腔的深入部，所述抵接部径向凸出所述深入部，所述凸模型腔板的顶面与所述抵接部凸出部分的底面之间设置有脱模弹簧。

7.根据权利要求5所述的直接流变挤压铸造成形的装置，其特征在于：所述凹模包括凹模底座和固定在所述凹模底座上的凹模型芯，所述凹模型芯上开设有所述下模型腔，所述凹模型芯中部开设有与所述下模型腔连通的通道，所述通道内设置有所述顶料杆，所述顶料杆的顶面围成所述下模型腔的一部分。

8.根据权利要求7所述的直接流变挤压铸造成形的装置，其特征在于：所述凹模型芯上设置有冷却及测温孔。

9.根据权利要求8所述的直接流变挤压铸造成形的装置，其特征在于：所述凹模型芯的顶部开设有溢料槽，所述溢料槽与所述下模型腔连通。

10.根据权利要求5所述的直接流变挤压铸造成形的装置，其特征在于：所述浇口套穿过所述凸模固定板的位置设置有轴承，所述浇口套连接有转动驱动装置。

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