CN117862431B - 一种在线真空机械搅拌调压挤压铸造设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铸造设备技术领域，尤其是涉及一种在线真空机械搅拌调压挤压铸造设备，包括坩埚炉、模具、真空调压系统、顶出组件、封堵组件、挤压组件、在线机械搅拌系统和大口径升液管组件；在线机械搅拌系统包括主轴承室，主轴承室内设有过渡轴，主轴承室上方设有电机，电机通过V型带连接过渡轴并能够带动过渡轴旋转，过渡轴下方连接有石墨转轴，石墨转轴下方连接石墨转子，石墨转子伸入坩埚炉的金属熔体内，在完成每个铸件生产循环后，设备自动启动对坩埚炉中带有颗粒增强体粉末的金属熔体进行在线机械搅拌，该设备显著提高了颗粒增强铝基复合材料及近液相线低温浇注铝合金复杂薄壁铸件的本体力学性能。

Description

一种在线真空机械搅拌调压挤压铸造设备

技术领域

本发明涉及铸造设备技术领域，尤其是涉及一种在线真空机械搅拌调压挤压铸造设备，上述铸造机可实现铝基复合材料及近液相线低温浇注铝合金汽车零部件的反重力铸造成型。

背景技术

铝基复合材料由纯铝或铝合金基体与增强体如碳化硅、氧化铝等增强颗粒、晶须、连续长/短纤维通过特定的工艺复合而成。铝基复合材料结合了基体和增强体材料的优点，具有轻量化、高强度、耐腐蚀性、导热性良好、设计灵活等优点，在航空航天、国防、交通运输、电子设备等领域得到广泛应用，如在汽车工业领域，铝基复合材料可以用于制造刹车盘、托架、缸体、驱动杆等关键零部件。

制备颗粒增强铝基复合材料零部件的主要工艺有搅拌铸造、粉末冶金、喷射沉积、熔融浸渍和原位合成法等，其中搅拌铸造法所需设备及工艺简单、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。但现有搅拌铸造工艺存在颗粒增强沉降无法实现增强相均匀分散、有害相以及凝固过程中缩孔缩松气孔等铸造缺陷难以控制的问题。

目前为了克服上述问题，常采用增强相预处理、搅拌方式设计、调整搅拌工艺参数和加压铸造等方式，但是复杂的程序使生产周期和成本变高，得到的复合材料性能也有待优化。例如，公开号为CN212585512U的中国实用新型专利公开了一种铝合金熔体搅拌桨，能够帮助均匀混合复合材料，但是该种搅拌桨在加入增强相颗粒时，坩埚内壁容易出现熔体黏附和增强相的吸附，对均匀搅拌和成分充分混合造成影响。再如专利号为US6547850B1的美国专利，公开了一种通过喷吹头和旋转头的互相配合来制备颗粒增强复合材料的装置和方法，但是该种装置由于通过喷吹头与底部旋转头之间的间隙进行增强相添加，容易造成增强相颗粒在间隙位置形成团聚，混合不均匀，并且在制备过程中该间隙容易造成堵塞，难以在制备过程中及时进行疏通，影响生产效率和材料性能。

因此，迫切需要开发可实现增强相均匀分散、铸造缺陷和有害相有效控制的铝基复合材料搅拌铸造设备以及制备方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种在线真空机械搅拌调压挤压铸造设备。

一种在线真空机械搅拌调压挤压铸造设备，包括坩埚炉、模具、真空调压系统、顶出组件、封堵组件、挤压组件、在线机械搅拌系统和升液管组件；

所述真空调压系统用以将调压挤压铸造设备抽至目标真空值；所述坩埚炉内存有颗粒增强的金属熔体，所述升液管组件用以将金属熔体输送至模具，所述模具具有使铸件凝固成型的型腔，所述顶出组件用以将成型后的铸件顶出，所述封堵组件用于在铸件成型时封堵升液管，所述挤压组件用于对成型中的铸件进行挤压；

所述的在线机械搅拌系统在完成每个铸件的铸造后，在真空环境下，对坩埚炉中带有颗粒增强体粉末的金属熔体进行机械搅拌；

所述在线机械搅拌系统包括主轴承室，所述主轴承室内设有过渡轴，主轴承室上方设有电机，所述电机通过V型带连接过渡轴并能够带动过渡轴旋转，所述过渡轴下方连接有石墨转轴，所述石墨转轴下方连接石墨转子，所述石墨转子伸入坩埚炉的金属熔体内，用以对坩埚炉中的金属熔体进行在线机械搅拌。

进一步的，所述封堵组件包括封堵油缸，封堵油缸连接活塞杆，活塞杆下方设有封堵分流锥，封堵组件上方设有冷却水管。

进一步的，所述挤压组件包括挤压缸，挤压缸连接挤压板，挤压缸上带有挤压杆。

进一步的，所述挤压杆根据铸件选择挤压位置。

进一步的，所述的升液管组件包括升液管，升液管穿过炉盖上的喉管并连接保温杯，升液管和喉管之间留有一定空隙，形成熔体热辐射区。

进一步的，升液管和喉管之间间隙的距离根据辐射换热量和铸造设备的实际情况确定。具体包括：

将与保温杯连接处下方10cm长度的升液管区域作为辐射换热区，采用以下方式计算熔体液面对辐射换热区传来的热量：

（1）

式中，为升液管与喉管之间的距离，/>为金属熔体表面的绝对温度，/>为辐射换热区的绝对温度，/>为辐射换热区中间位置处高度，/>为熔体表面高度；/>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，耦合公式（1）得到辐射换热区的温度变化，选择能够使辐射换热区的温度不低于610℃的升液管与喉管之间的距离。

进一步的，所述真空调压系统将真空的压力釜及坩埚炉抽至所需真空。

进一步的，所述颗粒增强体粉末为碳化硅粉末。

进一步的，所述金属熔体为铝熔体。

进一步的，所述的在线机械搅拌系统根据铝熔体质量与碳化硅粉末加入量确定机械搅拌的转速。

进一步的，还包括卸压气控装置，包括角座阀，节流孔以及消音器，可以通过节流孔实现卸压过程中铝熔体缓慢下降，有效防止铝熔体回落导致的卷气。

进一步的，所述的铸造机特别适合粉末难溶解、粉末易沉淀、铝熔体粘稠易堵升液管的铝基复材、近液相线低温浇注铝合金汽车零部件的铸造成型。

本发明相对于现有技术的优点在于：

1．本发明的铸造设备具有在线机械搅拌装置，铸件每一个铸造循环完成后，无需吊出升液管，也无需移出坩埚炉，设备即可自动启动在线机械搅拌功能，搅拌转子推动铝熔体三维方向运动使铝熔体中的碳化硅颗粒分布均匀，消除了碳化硅增强颗粒在铝熔体中的沉降，减少了升液管铝熔体回流卷气，又缩短了搅拌作业节拍，提高了生产效率。

2．本发明的铸造设备具有升液管防堵特殊结构，确保了铸造过程中升液管口处保持足够的温度，当铝熔体通过时不会凝固堵塞升液管。

3．本发明的铸造设备具有中心封堵局部挤压系统，可实施对复杂铸件易产生缩孔缩松气孔热节部位的加压挤压，实现了对热节处的强制补缩，有效控制了缩孔缩松及气孔等铸造缺陷，孔隙率降低50%以上。

4. 采用本发明的铸造设备制备的碳化硅增强铝基复材铸件组织均匀，本体性能高，达到300℃时抗拉强度≥180MPa，350℃时抗拉强度≥160MPa。

附图说明

图1为本发明在线机械搅拌装置剖视图。

图2为本发明带机械搅拌真空调压挤压铸造机剖视图。

图3为本发明的升液管防堵塞结构示意图。

图中：1-电机，2-主轴承室，3-过渡轴，4-石墨转轴，5-石墨转子，6-V型带，7-升液管；8-保温杯；9-炉盖；10-熔体热辐射区。

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1-2所示，本发明公开的一种在线真空机械搅拌调压挤压铸造设备，至少包括真空调压系统、顶出组件、封堵组件、挤压组件、在线机械搅拌系统和防铝熔体堵塞的大口径升液管组件、模具。

调压挤压铸造设备上设有模架,模架上方设有模架顶出板。

挤压组件具体包括挤压缸，其连接挤压板，以及可根据产品选择挤压位置的挤压杆。

调压挤压铸造设备中部位置设有模具，模具上方中央位置设有顶出组件，铸造机两侧设有升降油缸，上方设有液压楔紧装置，在线机械搅拌系统伸入坩埚炉中。

在线机械搅拌系统包括主轴承室2，主轴承室内设有过渡轴3，主轴承室上方设有电机1，电机通过V型带6带动过渡轴，过渡轴伸出主轴承室，并且下方连接有石墨转轴4，石墨转轴下方连接石墨转子5，石墨转子用以对坩埚炉中的铝熔体进行在线机械搅拌。

如图3所示，本发明的升液管组件设有防堵塞结构，包括升液管7，升液管穿过炉盖9上的喉管，并且升液管和喉管之间留有一定空隙，形成专门的熔体热辐射区10，升液管7连接保温杯8，喉管外筒壁覆盖有保温棉。

封堵组件包括封堵油缸，其连接活塞杆，活塞杆下方设有封堵分流锥，封堵组件上方设有冷却水管。

在使用时，通过换炉小车将已经精炼好的含有碳化硅粉末铝熔体的坩埚炉移至调压挤压铸造设备内，驱动油缸使下压装置压紧坩埚炉并锁紧，然后抽真空至所需压力值，按照产品需要的工艺进行升液、充型、增压、保压。

由于含有碳化硅粉末的铝熔体粘度大，铸件完成一个铸造循环（浇铸、保压、冷却）后会引起升液管堵塞，清理困难，且不锈钢升液管热传导快，升液管口处的温度很快降到200℃以下，当铝熔体再次充型时，铝熔体遇冷立即结壳，生产完一个铸件后再次堵塞升液管。为解决该问题，本发明增大炉盖上喉管直径，使升液管和喉管之间留有一定空隙，形成专门的熔体热辐射区，通过坩埚中铝熔体的热辐射对升液管进行辐射加热。

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确定，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；/>为铝熔体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。

由于铸件为循环生产的，每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。对于铝熔体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、铝熔体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，/>为金属熔体表面的绝对温度，/>为辐射换热区的绝对温度，/>为辐射换热区中间位置处高度，/>为熔体表面高度；/>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/>时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，确保铝熔体通过时不会凝固堵塞升液管。

对于铸造结构复杂的薄壁碳化硅颗粒增强的铝基复材铸件，铸件局部由于结构原因如壁厚较厚或内浇口部位因热量集中容易在铸造过程中产生热节，这些局部温度过高的热节处凝固时间比周边其他部位长，凝固过程中无法及时得到铝合金液的补缩从而产生缩孔缩松等铸造缺陷，传统往往采用模具结构设计优化如增加点冷或高压点冷却，或调整铸造工艺参数进行优化，但上述措施均无法有效消除缺陷。鉴于此，本发明的铸造设备设计了封堵组件及挤压组件形成的中心封堵局部挤压装置，基于铸件结构特征确定挤压位置和挤压行程，在铝熔体充型完毕后，铸件待挤压区冷却结壳到一定程度时，根据工艺需求通过油缸推动挤压杆，挤压杆对该待挤压区域进行加压挤压，实现对该待挤压区域的强制补缩，有效控制了缩孔缩松等铸造缺陷。

当铸件在结束铸造保压阶段开始卸压前，需要确保卸压过程中升液管中的铝熔体缓慢下降、平稳不卷气，避免升液管中铝熔体上部空气被带入的风险，本发明增加了气压卸压气控程序，且在排气管路中设计了一套节流装置，制作了规格为φ5mm节流孔，可使炉内气压缓慢降低，升液管内部的铝熔体缓慢平稳下降，铝熔体回流不卷气，确保了高的铝熔体质量；

铸件卸压后，无需移出坩埚炉，设备立即自动启动在线机械搅拌，推动铝熔体三维方向运动促使铝熔体中的碳化硅颗粒分散均匀，消除了碳化硅增强颗粒的沉降问题，显著缩短了搅拌工序节拍，提高了铝基复材铸件的生产效率。

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，使金属熔体在模具内更好地流动，但过高的转速也会导致熔体的紊流程度加剧，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，本发明综合考虑了金属熔体的量，以及颗粒增强体粉末加入量两个参数，基于不同参数，结合水模拟和仿真结果，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，/>为带有颗粒增强体粉末的金属熔体质量，/>为带有颗粒增强体粉末的金属熔体基准质量，取值为500Kg，为熔体中颗粒增强体的百分含量，/>为金属熔体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 (7)

1.一种在线真空机械搅拌调压挤压铸造设备，其特征在于，包括坩埚炉、模具、真空调压系统、顶出组件、封堵组件、挤压组件、在线机械搅拌系统和升液管组件；

所述真空调压系统用以将调压挤压铸造设备抽至目标真空值；所述坩埚炉内存有颗粒增强的金属熔体，所述升液管组件用以将金属熔体输送至模具，所述模具具有使铸件凝固成型的型腔，所述顶出组件用以将成型后的铸件顶出，所述封堵组件用于在铸件成型时封堵升液管，所述挤压组件用于对成型中的铸件进行挤压；所述的升液管组件包括升液管，升液管穿过炉盖上的喉管并连接保温杯，升液管和喉管之间留有一定空隙，形成熔体热辐射区，升液管和喉管之间间隙的距离根据辐射换热量确定；

在完成每件铸件的铸造过程后，所述的在线机械搅拌系统自动启动并对坩埚炉中带有颗粒增强体粉末的金属熔体进行机械搅拌；

所述在线机械搅拌系统包括主轴承室，所述主轴承室内设有过渡轴，主轴承室上方设有电机，所述电机通过V型带连接过渡轴并能够带动过渡轴旋转，所述过渡轴下方连接有石墨转轴，所述石墨转轴下方连接石墨转子，所述石墨转子伸入坩埚炉的金属熔体内，用以对带有颗粒增强体粉末的金属熔体进行在线机械搅拌。

2.根据权利要求1所述的一种在线真空机械搅拌调压挤压铸造设备，其特征在于，所述封堵组件包括封堵油缸，封堵油缸连接活塞杆，活塞杆下方设有封堵分流锥，封堵组件上方设有冷却水管。

3.根据权利要求1所述的一种在线真空机械搅拌调压挤压铸造设备，其特征在于，所述挤压组件包括挤压缸，挤压缸连接挤压板，挤压缸上带有挤压杆。

4.根据权利要求3所述的一种在线真空机械搅拌调压挤压铸造设备，其特征在于，所述挤压杆根据铸件结构特征选择挤压位置。

5.根据权利要求1所述的一种在线真空机械搅拌调压挤压铸造设备，其特征在于，所述颗粒增强体粉末为碳化硅粉末。

6.根据权利要求5所述的一种在线真空机械搅拌调压挤压铸造设备，其特征在于，所述金属熔体为铝熔体。

7.根据权利要求1所述的一种在线真空机械搅拌调压挤压铸造设备，其特征在于，所述的在线机械搅拌系统根据带有颗粒增强体粉末的金属熔体质量与颗粒增强体粉末加入量确定机械搅拌的转速。