CN115722667B - 一种型材的卧式连续增材螺旋挤压装备及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于粉末冶金技术领域，并具体公开了一种型材的卧式连续增材螺旋挤压装备及制备方法，包括主轴旋转电机、十字形主轴、前端模具、后端模具、送粉组件和机架框架，十字形主轴前端为实心棒，中部有轴肩，轴肩紧靠在固定于机架框架前端竖梁后侧的重载平面轴承组件上；后端为实心棒，其上加工有螺旋槽；前端模具中心有水平通孔，螺旋槽的部分位于该水平通孔内；前端模具上部有竖直孔，竖直孔下端对准螺旋槽，上端与送粉组件连接；前端模具水平通孔后部的内表面开有环形槽，环形槽内布置有加热装置；后端模具位于前端模具后侧，中心开有面积逐渐缩减的水平通孔。本发明可实现高度连续化作业，使粉末冶金制备型材长度不再受限于装备规模。

Description

一种型材的卧式连续增材螺旋挤压装备及制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，更具体地，涉及一种型材的卧式连续增材螺旋挤压装备及制备方法。

背景技术

粉末冶金是制取金属(或合金)粉末作为原料，经过压制成形和烧结工序，制取金属材料的工业技术，具有节能、省材、高均质、高纯净、高同一以及成分无限可调的巨大优势，所制备金属构件性能优异、稳定性好，现已被广泛应用于交通、机械、电子、航空航天、兵器、生物、新能源、信息和核工业等领域，成为新材料科学中最具发展活力的分支之一。

但是传统的粉末冶金工艺流程，需要先在压力机或等静压装备上将粉末压制成型，而后放入加热炉中烧结成形，工艺流程连续性差。不仅在制备超大尺寸型材过程中，成形件尺寸受到了装备力能参数的极大局限，同时成形效率较低，对于敏感物料而言多段工序的转运过程还极易造成破空氧化的风险。迄今为止，都尚无针对超大尺寸型材制备的连续化高效粉末冶金装备及技术问世，极大地限制了粉末冶金方法的诸多优势发挥在更广泛的型材制备领域。因此，亟需一种装备与方法，将填粉-压制-烧结等多段工序相结合，在型材制备方面形成类似于连铸连轧这种高度连续化作业，且型材长度不再受限于装备规模的新型粉末冶金制备技术，大幅提升生产效率使粉末冶金方法在超长型材制备方面取得产业化应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种型材的卧式连续增材螺旋挤压装备及制备方法，其目的在于，降低压制工艺对装备力能参数的要求，同时实现高度连续化作业，使粉末冶金法制备型材时长度不再受限于装备规模。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种型材的卧式连续增材螺旋挤压装备，包括主轴旋转电机、十字形主轴、前端模具、后端模具、送粉组件和机架框架，其中：

所述十字形主轴、前端模具、后端模具从前至后依次安装在所述机架框架上；

所述十字形主轴由所述主轴旋转电机带动旋转，且分为前、中、后三部分，其中，前端为实心棒，活动安装于所述机架框架前端竖梁的中心通孔内；中部加工有轴肩，该轴肩紧靠在固定于机架框架前端竖梁后侧的重载平面轴承组件上；后端为实心棒，其上加工有螺旋槽，用于推送金属粉末连续进入前端模具中；

所述前端模具中心开有水平通孔，该水平通孔直径与所述十字形主轴后端实心棒直径相同，所述螺旋槽的部分位于所述前端模具的水平通孔内；

所述前端模具上部开有竖直孔，该竖直孔下端对准所述螺旋槽，竖直孔上端与所述送粉组件连接；所述前端模具水平通孔后部的内表面开有环形槽，该环形槽内布置有加热装置；

所述后端模具位于所述前端模具后侧，中心开有水平通孔，该水平通孔面积由前至后逐渐缩减，且其前端孔型与上模具水平通孔孔型一致，后端孔型为待制备型材的截面形状。

作为进一步优选的，所述送粉组件包括依次连接的储粉罐、真空阀和送粉管道，所述储粉罐中的金属粉末在重力作用下，经由送粉管道导入所述前端模具的水平通孔内。

作为进一步优选的，所述储粉罐上加装有加热器，加热器用于提前预热粉末，预热温度可调节；加热器的预热方式为射频等离子加热、等离子电弧喷枪加热、高中频感应加热、钼带热场加热、电阻丝加热、硅钼棒加热或硅碳棒加热。

作为进一步优选的，还包括真空系统，该真空系统包括依次连接的真空腔、真空管道和真空泵组，由真空泵组将真空腔内抽至真空状态，真空腔用于保护未经烧结合金化的金属粉末。

作为进一步优选的，所述真空腔室由封闭的机架框架与前端模具及后端模具围成，所述后端模具出口处的密封由被挤压出的型材实现。

作为进一步优选的，所述主轴旋转电机通过所述联轴器与所述十字形主轴轴头相连接；所述主轴旋转电机与所述联轴器之间设有减速机，以增加十字形主轴旋转的扭矩。

作为进一步优选的，所述十字形主轴前端的实心棒通过圆周轴承组件安装于所述机架框架前端竖梁的中心通孔内。

作为进一步优选的，所述加热装置的加热方式为射频等离子加热、等离子电弧喷枪加热、高中频感应加热、钼带热场加热、电阻丝加热、硅钼棒加热或硅碳棒加热，且加热功率可调节。

作为进一步优选的，所述加热装置上设有测温机构，该测温机构用于监测锭坯温度，从而闭环反馈调节所述加热装置的加热功率。

按照本发明的另一方面，提供了一种型材的制备方法，采用上述卧式连续增材螺旋挤压装备进行制备，具体包括如下步骤：

S1：将引锭坯放置于前端模具与后端模具构成的组合模具中；

S2：开启加热装置，将处于加热装置环绕中的引锭坯加热至指定温度；

S3：开启主轴旋转电机，使其带动十字形主轴旋转；通过送粉组件使金属粉末经由前端模具的竖直孔落入前端模具中心水平通孔中的螺旋槽内；

S4：金属粉末在十字形主轴旋转作用带动下，由螺旋槽向前端模具的中心水平通孔后端推送；

S5：金属粉末挤满十字形主轴与引锭坯之间的空间后，推动引锭坯沿前端模具中心水平通孔向后端移动，进入后端模具的变截面通孔，挤压变形成为型材；其间金属粉末持续进入前端模具中心水平通孔内，由引锭坯挤压变形产生的反作用力与金属粉末持续补充造成的压力双重作用下，压实为粉坯；

S6：在持续推送进入前端模具中心水平通孔内的金属粉末的推动下，压实之后的粉坯持续向后端移动，在经过加热装置环绕位置区域时，经加热装置对粉坯行加热逐步烧结成为合金；

S7：烧结为合金的坯料继续向后端移动，进入后端模具的变截面通孔，挤压变形为型材；

S8：重复步骤S4～S7，实现型材连续挤压成型。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明利用十字形主轴旋转推送形成压制压力，同步完成送粉与压制工序，并通过粉末的不断注入带动粉坯连续化压制并后移烧结-挤压为型材，不仅彻底革新了压制形式，通过减小接触面积，降低了压制工艺对装备力能参数的要求，同时极大地精简了装备机构，在一台装备上连续化完成全部工序，能够显著降低装备投入与产线占地面积。

2.利用增材成形原理，逐层实现填粉-压制-烧结的连续化作业，突破了装备体量对于成形件尺寸的局限，同时借助于卧式改型设计，彻底实现了在小装备上实现无限长型材的制备。

3.本发明在保持了粉末冶金高均质、高同一、成分无限可调优势的同时，实现了类似于连铸连轧一般的超高的产业效率。且相比于传统连铸连轧，本发明避免了铸锭长时缓慢凝固造成的偏析缺陷，高稳定性地实现连续化制备，不仅大幅降低了材料损耗与废品率，实现了“尽净成形”，同时还能够有效提升产品材料性能。

4.本发明促使粉末在压力条件下实现烧结，并随之发生挤压变形，不仅能够显著提升烧结效率，同时也能够促使所制备型材的致密化与晶粒细化，大幅提升产品质量。

5.本发明能够有效避免粉坯与粉料在多道工序之间转运过程中的氧化问题，确保使用该设备及方法所生产型材保持低氧含量水平。

6.真正实现了型材制备的“一火成形”，借助烧结余热完成型材挤压，大幅降低了能源损耗。

附图说明

图1为本发明实施例型材的卧式连续增材螺旋挤压装备结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-主轴旋转电机，2-减速机，3-联轴器，4-十字形主轴，5-磁流体密封装置，6-圆周轴承组件，7-重载平面轴承组件，8-轴肩，9-螺旋槽，10-储粉腔，11-前端模具，12-加热装置，13-后端模具，14-机架座，15-储粉罐，16-真空阀，17-机架框架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种型材的卧式连续增材螺旋挤压装备，如图1所示，包括主轴旋转电机1、十字形主轴4、前端模具11、加热装置12、后端模具13、送粉组件和机架框架17，其中：

所述十字形主轴4前端为实心棒，通过圆周轴承组件6安装于所述机架框架17前端竖梁的中心通孔内，中部加工有轴肩8紧靠在固定于所述机架框架17前端竖梁后侧的重载平面轴承组件7上，用于承受螺旋推送金属(或合金)粉末产生的轴向反作用力，后端实心棒加工有螺旋槽9用于推送金属(或合金)粉末连续进入所述前端模具11中，使金属(或合金)粉末在所述前端模具11与后端模具13中承受挤压作用，压实为粉坯；

所述主轴旋转电机1通过联轴器3与所述十字形主轴4轴头相连接，用于带动所述十字形主轴4旋转；

所述前端模具11安装于所述机架框架17中部，中心开有水平通孔，通孔直径与所述十字形主轴4后端实心棒直径相同；所述十字形主轴4后端实心棒加工有螺旋槽9的部分位于所述前端模具11的中心水平通孔内；

所述前端模具11水平通孔后部的内表面开有环形槽，将所述加热装置12布局于环形槽中，所述加热装置12的内表面不突出于所述前端模具11中心通孔的内表面；所述加热装置12用于对经挤压作用形成粉坯的金属(或合金)粉末进行加热，使其烧结为预合金或混合锭坯；

所述后端模具13位于所述前端模具11后侧，中心同样开有水平通孔，通孔面积由前侧至后侧逐渐缩减，用于产生挤压比，对前端由所述十字形主轴4螺旋槽9推送过来的金属(或合金)提供反向作用力，使金属(或合金)粉末在双向作用下压制成坯；后端模具13水平通孔最前侧的孔型与所述前端模具11保持一致，并对准所述前端模具11中心通孔，最后侧的孔型为所制备型材截面形状；

所述前端模具11上部开有竖直孔，竖直孔下端对准位于中心水平通孔内的螺旋槽9，上端与所述送粉组件连接；所述送粉组件依次连接的储粉罐15、真空阀16和送粉管道，则竖直孔上端通过送粉管道及真空阀16与储粉罐15相连接，用于将所述储粉罐15中的金属(或合金)粉末在重力作用下，导入所述前端模具11中心水平通孔内，在所述十字形主轴4螺旋槽9旋转运动的带动下向后端推送。

优选地，所述加热装置12加热方式为射频等离子加热、等离子电弧喷枪加热、高中频感应加热、钼带热场加热、电阻丝加热、硅钼棒加热或硅碳棒加热，且加热功率可调节。

优选地，所述加热装置12还包括测温机构，用于监测锭坯温度，从而闭环反馈调节加热装置12的加热功率。

优选地，所述储粉罐15上加装有加热器，用于提前预热粉末，预热温度可调节；预热方式为射频等离子加热、等离子电弧喷枪加热、高中频感应加热、钼带热场加热、电阻丝加热、硅钼棒加热或硅碳棒加热。

优选地，还包括真空系统，该真空系统包括依次连接的真空腔、真空管道和真空泵组，由真空泵组将真空腔内抽至真空状态，用于对未经烧结合金化的金属(或合金)粉末起到保护作用，避免金属(或合金)粉末氧化。进一步优选地，所述真空腔室可以由封闭的机架框架17与前端模具11及后端模具13围成，所述后端模具13出口处的密封由被挤压出的型材实现。

优选地，所述机架框架17下方设有机架座14，所述前端模具11可以固定于机架座14或机架框架17上，也可同时固定于两者。所述后端模具13可固定于所述前端模具11、机架座14或机架框架17上，也可同时固定于三者或任意两者。

优选地，在所述主轴旋转电机1与所述联轴器3之间可增加减速机2，以增加十字形主轴4旋转的扭矩。

本发明装备所制备型材种类可以为圆管、方矩形管、异型管、H型材、T型材、L型材、U型材、异型材。

利用本发明所述的装备进行卧式连续增材螺旋挤压型材的方法，包括如下步骤：

S1：将引锭坯放置于前端模具11与后端模具13构成的组合模具中；

S2：开启加热装置12，将处于加热装置12环绕中的引锭坯加热至指定温度；

S3：开启主轴旋转电机1，通过联轴器3带动十字形主轴4旋转；开启真空泵组将真空腔内抽至真空状态；

S4：将填充有金属(或合金)粉末的储粉罐15安装于真空阀16接口上；

S5：开启真空阀16，使金属(或合金)粉末经由送粉管道与前端模具11的竖直孔落入前端模具11中心水平通孔中的十字形主轴4螺旋槽9内；

S6：金属(或合金)粉末在十字形主轴4旋转作用带动下，由螺旋槽9不断向前端模具11的中心水平通孔后端推送；

S7：金属(或合金)粉末挤满十字形主轴4与引锭坯之间的空间后，推动引锭坯沿前端模具11中心水平通孔向后端移动，进入后端模具13的变截面通孔，挤压变形成为型材，其间金属(或合金)粉末持续进入前端模具11中心水平通孔内，由引锭坯挤压变形产生的反作用力与金属(或合金)粉末持续补充造成的压力双重作用下，压实为粉坯；

S8：在持续推送进入前端模具11中心水平通孔内的金属(或合金)粉末的推动下，压实之后的粉坯持续向后端移动，在经过加热装置12环绕位置区域的过程中，经加热装置12对粉坯行加热逐步烧结成为合金；

S9：烧结为合金的坯料继续向后端移动，进入后端模具13的变截面通孔，挤压变形成为型材；

S10：循环步骤S6～S9，连续化实现型材不断挤压成型。

以下为具体实施例：

采用TC4钛合金粉末，该实施例中，加热装置12加热方式为中频感应加热；旋转电机1与联轴器3间加装减速比为1:72的减速机2，以增加十字形主轴4旋转的扭矩；前端模具11的中心通孔直径500mm的圆孔，后端模具13下方孔型为T型；储粉罐3上加装有电阻丝加热装置。

将引锭坯放置于前端模具11与后端模具13构成的组合模具中。开启加热装置12，将处于加热装置12电磁感应线圈环绕中的引锭坯加热至1200℃。开启主轴旋转电机1，主轴旋转电机1频率30Hz，通过减速机2增加扭矩，通过联轴器3带动十字形主轴4旋转。开启真空泵组将真空腔内抽至1×10^-3Pa的真空度。将已抽至真空状态并填充有纯钛粉与铝钒合金混合粉的储粉罐15安装于真空阀16接口上。开启储粉罐15的加热装置，将储粉罐15中的混合粉末加热至300℃。开启真空阀16，使纯钛粉与铝钒合金混合粉经由送粉管道与前端模具11的竖直孔落入前端模具11中心水平通孔中的十字形主轴4螺旋槽9内。纯钛粉与铝钒合金混合粉在十字形主轴4旋转作用带动下，由螺旋槽9不断向前端模具11的中心水平通孔后端推送。纯钛粉与铝钒合金混合粉挤满十字形主轴4与引锭坯之间的空间后，推动引锭坯沿前端模具11中心水平通孔向后端移动，进入后端模具13的变截面通孔，挤压变形成为T型材，其间纯钛粉与铝钒合金混合粉持续进入前端模具11中心水平通孔内，由引锭坯挤压变形产生的反作用力与纯钛粉与铝钒合金混合粉持续补充造成的压力双重作用下，压实为粉坯。在持续推送进入前端模具11中心水平通孔内的纯钛粉与铝钒合金混合粉的推动下，压实之后的粉坯持续向后端移动，在经过加热装置12电磁感应线圈环绕位置区域的过程中，经加热装置12对粉坯行加热逐步烧结成为TC4合金。烧结为TC4合金的坯料继续向后端移动，进入后端模具13的变截面通孔，挤压变形成为T型材。不断循环上述填粉-压制-烧结-挤压过程，连续化实现型材不断挤压成型。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种型材的卧式连续增材螺旋挤压装备，其特征在于，包括主轴旋转电机(1)、十字形主轴(4)、前端模具(11)、后端模具(13)、送粉组件和机架框架(17)，其中：

所述十字形主轴(4)、前端模具(11)、后端模具(13)从前至后依次安装在所述机架框架(17)上；

所述十字形主轴(4)由所述主轴旋转电机(1)带动旋转，且分为前、中、后三部分，其中，前端为实心棒，活动安装于所述机架框架(17)前端竖梁的中心通孔内；中部加工有轴肩(8)，该轴肩(8)紧靠在固定于机架框架(17)前端竖梁后侧的重载平面轴承组件(7)上；后端为实心棒，其上加工有螺旋槽(9)，用于推送金属粉末连续进入前端模具(11)中；

所述前端模具(11)中心开有水平通孔，该水平通孔直径与所述十字形主轴(4)后端实心棒直径相同，所述螺旋槽(9)的部分位于所述前端模具(11)的水平通孔内；

所述前端模具(11)上部开有竖直孔，该竖直孔下端对准所述螺旋槽(9)，竖直孔上端与所述送粉组件连接；所述前端模具(11)水平通孔后部的内表面开有环形槽，该环形槽内布置有加热装置(12)；

所述后端模具(13)位于所述前端模具(11)后侧，中心开有水平通孔，该水平通孔面积由前至后逐渐缩减，且其前端孔型与上模具(11)水平通孔孔型一致，后端孔型为待制备型材的截面形状。

2.如权利要求1所述的型材的卧式连续增材螺旋挤压装备，其特征在于，所述送粉组件包括依次连接的储粉罐(15)、真空阀(16)和送粉管道，所述储粉罐(15)中的金属粉末在重力作用下，经由送粉管道导入所述前端模具(11)的水平通孔内。

3.如权利要求2所述的型材的卧式连续增材螺旋挤压装备，其特征在于，所述储粉罐(15)上加装有加热器，加热器用于提前预热粉末，预热温度可调节；加热器的预热方式为射频等离子加热、等离子电弧喷枪加热、高中频感应加热、钼带热场加热、电阻丝加热、硅钼棒加热或硅碳棒加热。

4.如权利要求1所述的型材的卧式连续增材螺旋挤压装备，其特征在于，还包括真空系统，该真空系统包括依次连接的真空腔、真空管道和真空泵组，由真空泵组将真空腔内抽至真空状态，真空腔用于保护未经烧结合金化的金属粉末。

5.如权利要求4所述的型材的卧式连续增材螺旋挤压装备，其特征在于，所述真空腔室由封闭的机架框架(17)与前端模具(11)及后端模具(13)围成，所述后端模具(13)出口处的密封由被挤压出的型材实现。

6.如权利要求1所述的型材的卧式连续增材螺旋挤压装备，其特征在于，所述主轴旋转电机(1)通过所述联轴器(3)与所述十字形主轴(4)轴头相连接；所述主轴旋转电机(1)与所述联轴器(3)之间设有减速机(2)，以增加十字形主轴(4)旋转的扭矩。

7.如权利要求1所述的型材的卧式连续增材螺旋挤压装备，其特征在于，所述十字形主轴(4)前端的实心棒通过圆周轴承组件(6)安装于所述机架框架(17)前端竖梁的中心通孔内。

8.如权利要求1所述的型材的卧式连续增材螺旋挤压装备，其特征在于，所述加热装置(12)的加热方式为射频等离子加热、等离子电弧喷枪加热、高中频感应加热、钼带热场加热、电阻丝加热、硅钼棒加热或硅碳棒加热，且加热功率可调节。

9.如权利要求1-8任一项所述的型材的卧式连续增材螺旋挤压装备，其特征在于，所述加热装置(12)上设有测温机构，该测温机构用于监测锭坯温度，从而闭环反馈调节所述加热装置(12)的加热功率。

10.一种型材的制备方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的立式连续增材挤压装备进行制备，具体包括如下步骤：

S1：将引锭坯放置于前端模具(11)与后端模具(13)构成的组合模具中；

S2：开启加热装置(12)，将处于加热装置(12)环绕中的引锭坯加热至指定温度；

S3：开启主轴旋转电机(1)，使其带动十字形主轴(4)旋转；通过送粉组件使金属粉末经由前端模具(11)的竖直孔落入前端模具(11)中心水平通孔中的螺旋槽(9)内；

S4：金属粉末在十字形主轴(4)旋转作用带动下，由螺旋槽(9)向前端模具(11)的中心水平通孔后端推送；

S5：金属粉末挤满十字形主轴(4)与引锭坯之间的空间后，推动引锭坯沿前端模具(11)中心水平通孔向后端移动，进入后端模具(13)的变截面通孔，挤压变形成为型材；其间金属粉末持续进入前端模具(11)中心水平通孔内，由引锭坯挤压变形产生的反作用力与金属粉末持续补充造成的压力双重作用下，压实为粉坯；

S6：在持续推送进入前端模具(11)中心水平通孔内的金属粉末的推动下，压实之后的粉坯持续向后端移动，在经过加热装置(12)环绕位置区域时，经加热装置(12)对粉坯行加热逐步烧结成为合金；

S7：烧结为合金的坯料继续向后端移动，进入后端模具(13)的变截面通孔，挤压变形为型材；

S8：重复步骤S4～S7，实现型材连续挤压成型。

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