CN117840406A - 一种颗粒增强复合材料全自动铸造生产线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属铸造设备技术领域，尤其是涉及一种颗粒增强复合材料全自动铸造生产线，包括熔铝精炼区、真空混炼区、在线搅拌铸造成型区、自动换炉小车、坩埚保温炉，所有工位间的转移通过自动换炉小车实现；所述的熔铝精炼区包括倾转熔炼炉和精炼除气机，对铝合金熔化并除气精炼，所述的真空混炼区包括真空腔室，实现在真空环境下的加粉和搅拌，所述的在线搅拌铸造成型区包括低压铸造机及在线搅拌装置，每件铝基复材刹车盘完成铸造后，通过在线搅拌装置进行铝液搅拌，可使易沉淀的碳化硅颗粒分散均匀；本发明尤其适用于轨道交通高铁、汽车用碳化硅增强铝基复材刹车盘的铸造生产。
Description
技术领域
本发明属于金属铸造设备技术领域，尤其是涉及一种颗粒增强复合材料全自动铸造生产线。
背景技术
以铝代钢是交通运输领域实现轻量化的主要途径。我国及世界各国高速列车时速设计已接近400 km/h，列车基础制动装置为高速列车安全运行提供了必要的保障，刹车盘是基础制动装置中的核心组件并发挥着重要作用，刹车盘材料不仅需要重量轻，还要具有摩擦因数稳定、密度低、比热容高、导热系数高、热膨胀系数小、硬度高、疲劳性能优良等特点。随着技术的发展，高速列车刹车盘材料由传统黑色金属材料向轻质复合材料发展，铝基复合材料因其高比强度、比刚度、耐磨性、低热膨胀系数以及良好的导热和尺寸稳定性等优异的性能，有望在刹车盘产品中获得广泛应用。
目前制备颗粒增强的铝基复合材料刹车盘的主要工艺为搅拌铸造，即将基体铝合金熔化后，通过机械或者电磁搅拌形成涡流，同时加入的增强相颗粒通过涡流的作用下被卷入熔融铝中，得到均匀分散的熔体，在一定条件下浇铸得到复合材料铸件。该方法所需的设备及工艺简单、生产效率高、成本低且能大批量生产形状复杂的构件，是实现工业大规模生产最有潜力的工艺之一。但现有搅拌铸造刹车盘的问题在于无法实现增强相的均匀分散（颗粒增强沉降等问题）、以及无法控制凝固过程中铸造缺陷的产生，且无批量生产铝基复合材料刹车盘的铸造自动化生产线。因此，迫切需要开发可实现增强相均匀分散、铸造缺陷有效控制的、可连续批量生产铝基复合材料刹车盘用铸造设备生产线。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种安全、高效、低耗、可智能量产碳化硅颗粒增强的铝基复合材料高铁刹车盘铸造生产线。
本发明完整的技术方案包括：
一种颗粒增强复合材料全自动铸造生产线，包括熔铝精炼区、真空混炼区、在线搅拌铸造成型区、自动换炉小车和保温炉；
所述的熔铝精炼区设有倾转熔炼炉和精炼除气机，倾转熔炼炉对铝合金锭熔化后转移到保温炉并通过精炼除气机除气精炼；
所述的真空混炼区包括真空腔室，真空腔室顶部设有能够升降的搅拌转子、螺杆推进加粉装置及冷却装置；保温炉进入真空腔室后，搅拌转子旋转并下降至保温炉内的预设位置；螺杆推进加粉装置通过预设好的速度将已加热好的碳化硅粉末送至保温炉内的铝合金液上方；搅拌转子通过升降耦合旋转的方式进行复合搅拌，使碳化硅粉末溶入铝合金液中，形成铝基复合材料合金液；
所述的在线搅拌铸造成型区包括低压铸造机及在线搅拌装置；保温炉进入低压铸造机下方并完成铸造生产，每个铸件完成铸造后，通过在线搅拌装置对铝基复合材料合金液进行搅拌。
进一步的，自动换炉小车用以完成保温炉在熔铝精炼区、真空混炼区和在线搅拌铸造成型区间的转移。
进一步的，所述的倾转熔炼炉为碳化硅黏土坩埚炉，可大大延长铝基复合材料刹车盘铸造用坩埚的使用寿命。
进一步的，保温炉进入真空混炼区的真空腔室后，通过两组真空泵组将真空腔室抽成真空。
进一步的，保温炉进入低压铸造机下方后，通过丝杠升降装置将保温炉炉口与模具升液口对接。
进一步的，所述自动换炉小车配有伺服动力和激光测距系统，能够实现坩埚保温炉精确地转运至熔炼精炼区进行熔炼加铝、真空混炼区进行真空混炼、在线搅拌成型区进行铸造，实现了全自动铸造生产。
进一步的，所述的保温炉设有快插系统，能够实现保温炉的气路、电路自动快插，显著提高了生产效率和使用安全性。
进一步的，所述的在线搅拌装置根据铝基复合材料合金液质量与碳化硅粉末百分含量确定搅拌参数。
进一步的，所述的在线搅拌装置为电磁搅拌装置或机械搅拌装置。
进一步的，所述低压铸造机设有防堵塞的升液管组件。
所述的全自动铸造生产线特别适合添加有难溶解、易沉淀的颗粒增强铝基复合材料铸件以及铝合金液粘稠易堵升液管的近液相线低温浇注铝合金铸件的铸造，尤其是特别适用于轨道交通高铁、汽车用碳化硅增强铝基复合材料刹车盘的铸造。
本发明相对于现有技术的优点在于：
1.通过设置熔铝精炼区、真空混炼区、在线搅拌铸造成型区，自动换炉小车用以完成保温炉在熔铝精炼区、真空混炼区和在线搅拌铸造成型区间的转移，实现了颗粒增强复合材料全自动铸造生产。
2.合理的各部件设计，包括采用碳化硅黏土坩埚进行熔铝并除气精炼过程，可大大延长铝基复合材料刹车盘铸造用坩埚的使用寿命；坩埚保温炉为高纯石墨坩埚炉，可以只设计成保温炉，不必具备熔炼功能，加热功率大大降低，且一直在真空状态下混炼、搅拌，高温剧烈氧化时间大大减少；坩埚保温炉设计有快插系统，可以实现坩埚保温炉的气路、电路自动快插，显著提高了生产效率和使用安全性，提高了坩埚保温炉的使用寿命，降低了生产成本。
3. 真空混炼区搅拌转子通过升降加旋转的复合搅拌，使碳化硅粉末均匀溶入铝合金液中，形成均匀的铝基复合材料合金液。每件铝基复合材料刹车盘完成铸造后，通过在线搅拌装置进行铝合金液搅拌，可使易沉淀的碳化硅颗粒分散均匀，消除了沉降问题。
4.设计在坩埚保温炉盖上的升液管防堵特殊结构确保了在铸造过程中升液管口处保持足够的温度，铝合金液通过时不会凝固堵塞升液管。
5．采用下台板可升降式低压铸造机，换炉时间仅3-5分钟，无需增加升液管烘烤作业，炉盖安装在低压机下台板上，一个炉盖可配三台坩埚保温炉；炉盖集成在线搅拌控制线缆布局、操作更加便捷。
附图说明
图1为本发明的铝基复合材料刹车盘铸造生产线的布局俯视图。
图2为自动换炉小车正视图。
图3为自动换炉小车俯视图。
图4为升液管防堵塞结构。
图5为带有本发明的在线搅拌装置的保温炉示意图。
图中：1-倾转熔炼炉，2-精炼除气机，3-真空腔室，4-低压铸造机，5-自动换炉小车，6-自动挂炉装置，7-行走机构，8-激光测距仪，9-升液管，10-保温杯，11-炉盖，12-铝合金液热辐射区，13-保温棉。
具体实施方式
下面结合本发明的附图及实施例，对本发明的技术方案进行进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅作为例示，并非用于限制本次申请。
如图1所示，本发明公开的一种颗粒增强复合材料全自动铸造生产线，包括熔铝精炼区、真空混炼区、在线搅拌铸造成型区和坩埚保温炉。
所述的熔铝精炼区包括倾转熔炼炉1和精炼除气机2，倾转熔炼炉采用碳化硅黏土坩埚进行熔铝并除气精炼，可大大延长铝基复合材料刹车盘铸造用坩埚的使用寿命。
坩埚保温炉位于自动换炉小车5上方，坩埚保温炉在所有工位区域间的自动转移均通过双工位自动换炉小车实现。
所述的真空混炼区包括真空腔室3，真空腔室顶部设有可升降的搅拌转子、螺杆推进的加粉装置及冷却装置；坩埚保温炉通过自动换炉小车5进入真空腔室，通过两组真空泵组将腔室抽成真空；真空腔室顶部的搅拌转子低速旋转并下降至坩埚保温炉内的预设位置；螺杆推进加粉装置通过预设好的速度将已加热好的碳化硅粉末均匀的送至铝合金液上方；搅拌转子通过升降加旋转的复合搅拌，使碳化硅粉末均匀溶入铝合金液中，形成均匀的铝基复合材料合金液。
所述的在线搅拌铸造成型区包括低压铸造机4及在线搅拌装置；坩埚保温炉通过自动换炉小车进入低压铸造机下方，再通过丝杠升降装置将坩埚保温炉炉口与模具升液口对接；每件铸件完成铸造后，通过在线搅拌装置进行铝合金液搅拌，可使易沉淀的碳化硅颗粒分布均匀。
如图2-3所示，所述自动换炉小车5配有自动挂炉装置6、行走机构7和激光测距仪8，该行走机构由伺服电机和减速机构成，能够实现坩埚保温炉精确地转运至熔炼精炼区进行熔炼加铝、真空混炼区进行真空混炼、在线搅拌成型区进行铸造，实现了全自动铸造生产。
所述的坩埚保温炉为高纯石墨坩埚炉，一直在真空状态下混炼、搅拌，高温剧烈氧化时间大大减少，且坩埚保温炉设计有快插系统，可以实现坩埚保温炉的气路、电路自动快插，显著提高了生产效率和使用安全性，提高了坩埚保温炉的使用寿命，降低了生产成本。
坩埚保温炉通过自动换炉小车进入熔炼精炼区，用普通倾转炉熔铝，将铝合金液加入高纯石墨坩埚保温炉进行除气精炼（精炼工序有氮气通入，减缓了坩埚氧化，对纯石墨坩埚寿命影响不大）。合格后可以直接转入真空混炼机进行加粉混炼。这样，高纯石墨坩埚保温炉就可以只设计成保温炉，不必具备熔炼功能，加热功率大大降低，由90KW减少到60KW；高纯石墨坩埚一直在真空状态下混炼、搅拌，高温剧烈氧化时间大大减少（缩短2小时），使用寿命进一步提高。
以铝基复材刹车盘为例，采用本铸造自动化生产线进行铸造生产的过程为：首先在熔铝精炼区内，在倾转熔炼炉内将铝合金锭熔化成铝合金液，熔化后的铝合金液转入坩埚保温炉中，通过自动换炉小车转至精炼除气机中进行除气精炼，铝合金液精炼完成后通过自动换炉小车转运至真空混炼区，自动换炉小车将坩埚保温炉推至空混炼区的真空腔室内密封后，通过两组真空泵将真空炉内抽成真空，腔室顶部搅拌转子低速运转并下降至预设位置，螺杆推进加粉装置通过预设速度将已加热好的碳化硅粉末均匀地送至铝合金液上方，启动搅拌转子搅拌，将碳化硅粉末加入铝合金液中进行混炼；混炼完成后，坩埚保温炉通过自动换炉小车进入在线搅拌铸造成型区，坩埚保温炉推入设备下方预设位置后，通过丝杠升降装置将坩埚保温炉炉口与模具升液口对接挤实密封，进入刹车盘铸造阶段；在每个刹车盘铸件铸造间隙过程中，启动在线搅拌装置进行在线搅拌，以防止坩埚保温炉内碳化硅颗粒的沉降。
传统结构中，由于金属升液管导热较快，每铸造完一个铝基复合材料刹车盘铸件后，升液管都会有不同程度的堵塞。本发明在低压铸造机中设计了防堵塞的升液管组件结构，如图4所示，包括升液管9和保温杯10，通过增大炉盖11上的喉管直径来形成铝合金液热辐射区12，以实现坩埚保温炉对升液管区域的辐射加热，同时为了减少喉管外部热量的散失，喉管外壁包裹一层保温棉13。
其中，关于喉管与升液管之间的空间距离设计，需要综合考虑热辐射的效果以及铸造设备工装的实际情况需求，本发明的设计过程如下：
首先考虑升液管口区域的换热模型，由于升液管口处的温度，是一个涉及到多物理量的复杂传热系统，为方便计算，对换热模型进行适当的简化，首先确定计算区域，将升液管与保温杯连接处下方10cm长度的升液管作为辐射换热区，该区域的净换热量可以表示为：
其中，为从升液管下部传导到辐射换热区的热量；/>为铝液液面对辐射换热区通过辐射传来的热量；/>为辐射换热区对外辐射所散失的热量。
由于铸件为周期性生产的，每个生产周期完成一个铸件，结合该周期性生产特点，并出于简化计算考虑，将和/>都设定为常数，其数值可以通过实测结合仿真得到的温度场通过换算得到。对于铝液液面对辐射换热区辐射的热量/>，经分析，影响/>的设计变量包括喉管下端距离炉盖的距离（因炉盖通常为标准部件，此处取常数）、升液管与喉管之间的距离、液面高度、铝液表面温度和辐射换热区的温度。因而根据以下公式进行传热计算：
式中，为升液管与喉管之间的距离，/>为合金液表面的绝对温度，/>为辐射换热区的绝对温度，/>为辐射换热区中间位置处高度，/>为合金液表面高度；/>为/>的指数，/>为系数，/>和/>的数值通过实测结合仿真得到的温度场并进行拟合得到。
建立有限元模型，并进行多个铸造周期的仿真，耦合上述公式得到辐射换热区的温度变化。结果表明，随着的增加，辐射换热区的温度也随之升高，但喉管直径受到了设备下模板中心孔的限制。因而选择/>，首先保证其可使辐射换热区的温度不低于610℃，并结合铸造设备工装的实际情况需求：下模板中心孔尺寸（Φ460mm），喉管直径（不大于Φ420，单面20mm间隙，留出炉盖喉管的加工装配误差），同时为了避免热量散失，在喉管外筒壁包裹一层30mm的保温棉，使炉内热量只能通过喉管顶部的升液管口处散出。最终选择使喉管与升液管之间的距离/>为70mm，确保铝液通过时不会凝固堵塞升液管。
铸造完成后卸压阶段铝液快速下降易出现卷气问题，气体进入铝基复合材料合金液后很难排出，严重影响了铝合金液净化质量。本发明设计了气压卸压控制程序，在排气管路中设计了节流装置，并制作了对应刹车盘特征的排气节流孔，可以使炉内气压缓慢降低，升液管内部的铝合金液缓慢平稳下降，铝合金液回流不卷气，确保了较高纯度的铝合金液质量。
每一个铝基复合材料刹车盘铸造结束后，启动在线搅拌装置对铝合金液进行在线搅拌，搅拌机构推动铝合金液三维方向运动，使铝合金液中的碳化硅颗粒分布均匀，相比于采用传统搅拌工艺制备铝基复合材料铸件时将升液管吊出坩埚保温炉，并将盛有铝合金液的坩埚保温炉从铸造机下方移至固定搅拌工位处才能进行搅拌的工艺，保证了模具温度场的均匀性，显著提高了铝基复合材料刹车盘铸件的生产效率。
本发明的在线搅拌装置可以为电磁式或机械式，本实施方式以机械式为例，其结构如图5所示，通过电机带动V型带并带动过渡轴旋转，过渡轴带动下方转轴和石墨转子旋转，石墨转子伸入坩埚保温炉的铝合金液内对其进行在线机械搅拌。
在搅拌参数方面，通过转速的提高，可以改变机械搅拌的强度，使合金液在模具内更好地流动，但过高的转速也会导致合金液的紊流程度加剧，并造成过大的功耗，不利于节能减排，同时也要考虑到设备的承受能力，因而，本发明综合考虑了合金液的量，以及颗粒增强体粉末的加入量两个参数，选择不同参数，结合水模拟和仿真，分析其在不同情况下的搅拌均匀情况，通过数据进行拟合，最终确定选择如下的转速控制方式：
式中，为石墨转子转速，/>为石墨转子基准转速，取值为400rpm，/>为铝基复合材料合金液质量，/>为铝基复合材料合金液基准质量，取值为500Kg，/>为合金液中颗粒增强体的百分含量，/>为合金液中颗粒增强体的基准百分含量，取值为20%，/>取值范围为0.3~0.6，优选为0.47；/>取值范围为0.3~0.5，优选为0.32，/>取值范围为0.8~1.3，优选为0.92。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种颗粒增强复合材料全自动铸造生产线，其特征在于，包括熔铝精炼区、真空混炼区、在线搅拌铸造成型区、自动换炉小车和保温炉；
所述的熔铝精炼区设有倾转熔炼炉和精炼除气机，倾转熔炼炉对铝合金锭熔化后转移到保温炉并通过精炼除气机除气精炼；
所述的真空混炼区包括真空腔室，真空腔室顶部设有能够升降的搅拌转子、螺杆推进加粉装置及冷却装置；保温炉进入真空腔室后，搅拌转子旋转并下降至保温炉内的预设位置；螺杆推进加粉装置通过预设好的速度将已加热好的碳化硅粉末送至保温炉内的铝合金液上方；搅拌转子通过升降耦合旋转的方式进行复合搅拌，使碳化硅粉末溶入铝合金液中，形成铝基复合材料合金液；
所述的在线搅拌铸造成型区包括低压铸造机及在线搅拌装置；保温炉进入低压铸造机下方并完成铸造生产，每件铸件完成铸造后，通过在线搅拌装置对铝基复合材料合金液进行搅拌。
2.根据权利要求1所述的一种颗粒增强复合材料全自动铸造生产线，其特征在于，自动换炉小车用以完成保温炉在熔铝精炼区、真空混炼区和在线搅拌铸造成型区间的转移。
3.根据权利要求1所述的一种颗粒增强复合材料全自动铸造生产线，其特征在于，所述的倾转熔炼炉为碳化硅黏土坩埚炉。
4.根据权利要求1所述的一种颗粒增强复合材料全自动铸造生产线，其特征在于，保温炉进入真空混炼区的真空腔室后，通过两组真空泵组将真空腔室抽成真空。
5.根据权利要求1所述的一种颗粒增强复合材料全自动铸造生产线，其特征在于，保温炉进入低压铸造机下方后，再通过丝杠升降装置将保温炉炉口与模具升液口对接。
6.根据权利要求1所述的一种颗粒增强复合材料全自动铸造生产线，其特征在于，所述自动换炉小车配有伺服动力和激光测距系统。
7.根据权利要求1所述的一种颗粒增强复合材料全自动铸造生产线，其特征在于，所述的保温炉设有快插系统，能够实现保温炉的气路、电路自动快插。
8.根据权利要求1所述的一种颗粒增强复合材料全自动铸造生产线，其特征在于，所述的在线搅拌装置为电磁搅拌装置或机械搅拌装置。
9.根据权利要求8所述的一种颗粒增强复合材料全自动铸造生产线，其特征在于，所述的在线搅拌装置根据铝基复合材料合金液质量与碳化硅粉末百分含量确定搅拌参数。
10.根据权利要求1所述的一种颗粒增强复合材料全自动铸造生产线，其特征在于，所述低压铸造机设有防堵塞的升液管组件。
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