CN203972827U - 基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理装置，包括模具型腔、保温加热器、冲头和功率超声发生器，金属熔体置于模具型腔中，模具型腔的腔壁内设有保温加热器，冲头设于模具型腔上方，功率超声发生器穿过模具型腔的腔壁后，从模具型腔的侧面插入金属熔体中。本实用新型原理简单，但可提高金属熔体处理的效率和速率，有效改善金属熔体的组织形态和性能，解决了单一物理场下处理金属熔体效率不明显的问题，是一种适合工业化的规模处理方法，具有积极的技术推广与应用价值。

Description

基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理装置

技术领域

本实用新型涉及金属材料加工技术领域，特别涉及一种基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理装置。 

背景技术

国内外研究表明，在凝固过程中对待处理金属熔体施加物理场的处理方法，已逐渐成为提高材料性能的重要工艺手段之一；施加物理场技术是指在金属熔体凝固前或凝固过程中对金属熔体施加一个或多个复合的物理场，利用金属和物理场的相互作用，从而改善其凝固过程和组织性能的一种技术；该技术操作简便且不会对金属熔体及环境产生污染。 

目前对待处理金属熔体施加物理场的方法主要有以下几种：(1)在金属熔体的凝固过程进行功率超声处理；(2)让金属熔体在磁场环境下凝固，即进行磁场处理；(3)对金属熔体导电，即进行电流处理。在上述施加物理场的技术领域中，大功率超声波由于其独特的声学效应，对金属凝固过程及材料的组织和性能具有较明显的影响，因此成为当前的研究热点和主要的研究方向。 

而研究表明，压力对材料的作用机理、组织和性能也有一定的影响，压力会引起合金的热物性参数(如凝固温度、热导率、密度、比热容和结晶潜热)的变化；同时，金属熔体在压力下的凝固会导致晶粒细化，随着压力数值的变化，合金的力学性能也随之变化。 

然而，在目前的金属铸造工艺中，对金属熔体的处理方法只能采用上述方法中的其中一种，无法通过多种方法之间产生的作用互补和耦合来实现更好的改善效果。同时，在功率超声处理方法中，常常会由于功率超声发生机构与模具型腔之间的密封不够合理，影响金属熔体的处理效果，也容易产生金属熔体喷溅的现象。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理装置，该装置原理简单，但可有效改善金属熔体的组织和性能，解决了单一物理场下处理金属熔体效率不明显的问题。 

本实用新型的技术方案为：一种基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理装置，包括模具型腔、保温加热器、冲头和功率超声发生器，金属熔体置于模具型腔中，模具型腔的腔壁内设有保温加热器，冲头设于模具型腔上方，功率超声发生器穿过模具型腔的腔壁后，从模具型腔的侧面插入金属熔体中。 

所述功率超声发生器包括依次连接的超声波换能器、超声波变幅杆和超声波导入杆，超声波导入杆的末端带有杆尖，杆尖穿过模具型腔的腔壁后，从模具型腔的侧面插入金属熔体中。 

所述超声波导入杆与模具型腔腔壁的相接处设有密封机构，通过端盖固定于模具型腔的腔壁上，密封机构包括模具侧静环、模具侧动环组件、大气侧静环、大气侧动环组件、动环座和密封盖，模具侧静环和大气侧静环分别位于密封装置的两端，模具侧静环的外端面与端盖相连接，模具侧静环的外圆柱面和大气侧静环的外圆柱面分别与密封盖相连接，模具侧静环、大气侧静环和密封盖之间形成密封空间，密封空间内设有模具侧动环组件、大气侧动环组件和动环座，模具侧动环组件和大气侧动环组件分别设于动环座两端。 

所述动环座通过销钉固定于超声波导入杆上，模具侧静环的内侧面和大气侧静环的内侧面分别通过静环O型圈与超声波导入杆相连接，模具侧静环的外端面通过防转销与端盖固定连接； 

密封盖包括固定连接的左盖和右盖，左盖压紧于大气侧静环的外周，右盖压紧于模具侧静环的外周，右盖的外端面与端盖相接，右盖上设有泄压孔； 

模具侧动环组件包括动环、轴套和弹簧，动环一端与模具侧静环的内端面相接触，动环另一端通过弹簧与动环座相连接，超声波导入杆外周与弹簧的相接面上设有轴套，动环内侧面通过动环O型圈与超声波导入杆相连接； 

大气侧动环组件的结构与模具侧动环组件的结构对称。 

上述基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理方法及装置中，通过对金属熔体同时施加功率超声波和压力，利用二者对金属熔体凝固组织的作用是互补和耦合增强的关系，从而改善金属材料的组织形态和性能。 

通过上述装置可实现一种基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理方法，包括以下步骤： 

(1)预热模具型腔； 

(2)将金属熔体加热至预设温度后，浇入模具型腔中，同时开启保温加热器，对模具型腔进行保温； 

(3)液压机的冲头向金属熔体施加压力，同时，功率超声发生器对金属熔体进行功率超声振动；通过压力和功率超声的协同耦合作用，从而在冷却金属熔体的过程改变金属熔体的物理结构。 

所述步骤(1)中，模具型腔的预热温度为250℃。 

所述步骤(2)中，金属熔体的预设温度为液相线以上10～100℃的温度范围；保温加热器对模具型腔进行保温时，模具型腔内侧面的温度保持在500～550℃。 

所述步骤(3)中，液压机的冲头由上至下向金属熔体施加压力，冲头直接与金属熔体相接触，挤压比压为0～75MPa，挤压速度为0.03～0.06m/s，保压时间为30s。 

所述步骤(3)中，功率超声发生器从模具型腔的侧面插入金属熔体中，对金属熔体进行功率超声振动，超声波频率为20kHz，超声波功率为0～2200W。 

所述功率超声发生器中，通过超声波导入杆的杆尖插入金属熔体中，插入的深度为2～5mm；功率超声发生器使用前，超声波导入杆的杆尖处涂抹脱模剂。 

本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果： 

本基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理装置原理简单，但可提高金属熔体处理的效率和速率，有效改善金属熔体的组织形态和性能，解决了单一物理场下处理金属熔体效率不明显的问题。在金属熔体处理工艺中开辟了新思 路，尤其是复合场的处理技术在金属熔体处理技术上具有潜在的广阔前景，通过该方法，可以同时处理大量金属熔体，是一种适合工业化的规模处理方法，具有积极的技术推广与应用价值。 

本基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理装置结构简单，成本较低，且组装和拆卸方便，可应用于多种类的金属熔体处理，应用范围较广。 

本基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理装置中，在超声波导入杆和模具型腔的连接处设置专用的密封机构，可有效提高密封效果，特别是在高温高压的工作环境下，可有效保证模具型腔的密封性，防止金属熔体发生喷溅和泄漏的现象，大大提高设备的安全性和稳定性；同时，密封盖上所设的泄压孔可外接废气排放管道，避免实验对环境造成的污染。 

附图说明

图1为本基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理装置的结构示意图。 

图2为超声波导入杆和模具型腔之间的密封机构的半剖结构示意图。 

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。 

实施例1 

本实施例一种基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理装置，如图1所示，包括模具型腔1、保温加热器2、冲头3和功率超声发生器，金属熔体4置于模具型腔中，模具型腔的腔壁内设有保温加热器，冲头设于模具型腔上方，功率超声发生器穿过模具型腔的腔壁后，从模具型腔的侧面插入金属熔体中。 

功率超声发生器包括依次连接的超声波换能器5、超声波变幅杆6和超声波导入杆7，超声波导入杆的末端带有杆尖，杆尖穿过模具型腔的腔壁后，从模具型腔的侧面插入金属熔体中。 

超声波导入杆与模具型腔腔壁的相接处设有密封机构8，通过端盖19固 定于模具型腔的腔壁上，如图2所示，密封机构包括模具侧静环9、模具侧动环组件10、大气侧静环11、大气侧动环组件12、动环座13和密封盖14，模具侧静环和大气侧静环分别位于密封装置的两端，模具侧静环的外端面与端盖(图2中未示出)相连接，模具侧静环的外圆柱面和大气侧静环的外圆柱面分别与密封盖相连接，模具侧静环、大气侧静环和密封盖之间形成密封空间，密封空间内设有模具侧动环组件、大气侧动环组件和动环座，模具侧动环组件和大气侧动环组件分别设于动环座两端。 

动环座通过销钉15固定于超声波导入杆7上，模具侧静环的内侧面和大气侧静环的内侧面分别通过静环O型圈16与超声波导入杆相连接，模具侧静环的外端面通过防转销17与端盖固定连接；其中，防转销可防止模具侧静环随着超声波导入杆的杆尖振动而转动； 

密封盖包括固定连接的左盖14-1和右盖14-2，左盖压紧于大气侧静环的外周，右盖压紧于模具侧静环的外周，右盖的外端面与端盖相接，右盖上设有泄压孔14-3； 

模具侧动环组件包括动环10-1、轴套10-2和弹簧10-3，动环一端与模具侧静环的内端面相接触，动环另一端通过弹簧与动环座相连接，超声波导入杆外周与弹簧的相接面上设有轴套，动环内侧面通过动环O型圈10-4与超声波导入杆7相连接； 

大气侧动环组件的结构与模具侧动环组件的结构对称，即大气侧动环组件的各组成部件与模具侧动环组件的各组成部件相同(包括尺寸大小、材质等参数)，大气侧动环组件各组成部件之间的连接关系与模具侧动环组件相比，呈对称设置。 

上述结构的密封机构中，模具侧动环组件中的动环和大气侧动环组件中的动环均采用WC硬质合金，模具侧静环和大气侧静环均采用石墨环材质，各动环、模具侧静环和大气侧静环的平面度均控制在0～0.003mm，不允许有崩边和划伤的现象。密封盖中，左盖与大气侧静环相接触的一面设有石墨层，右盖与模具侧静环相接触的一面设有石墨层。超声波导入杆和轴套之间设有0.03～0.05mm的过盈距离。其中，动环O型圈可采用耐高温的有机硅树脂材料 制得，0.03～0.05mm的过盈距离可保证超声波导入杆和轴套之间力矩的可靠传递和良好的追随性。 

上述基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理装置中，通过功率超声发生器和冲头对金属熔体同时施加功率超声波和压力(压力如图1中的箭头所示)，利用二者对金属熔体凝固组织的作用是互补和耦合增强的关系，从而改善金属材料的组织形态和性能。 

实施例2 

本实施例通过实施例1所述的装置实现一种基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理方法，包括以下步骤： 

(1)预热模具型腔，直至模具型腔腔壁的内侧面温度达到250℃；模具型腔的材料为H13钢，采用石墨机油润滑； 

(2)将金属熔体加热至预设温度后，浇入模具型腔中，同时开启保温加热器，对模具型腔进行保温； 

其中，金属熔体的预设温度为液相线以上10～100℃的温度范围；保温加热器对模具型腔进行保温时，模具型腔内侧面的温度保持在500～550℃； 

(3)液压机的冲头向金属熔体施加压力，同时，功率超声发生器对金属熔体进行功率超声振动；通过压力和功率超声的协同耦合作用，从而在冷却金属熔体的过程改变金属熔体的物理结构； 

其中，液压机的冲头由上至下向金属熔体施加压力，冲头的压力由1000kN四柱液压机提供，冲头直接与金属熔体相接触，挤压比压为75MPa，挤压速度为0.06m/s，保压时间为30s； 

功率超声发生器从模具型腔的侧面插入金属熔体中，对金属熔体进行功率超声振动，超声波频率为20kHz，超声波功率为0～2200W；功率超声发生器中，通过超声波导入杆的杆尖插入金属熔体中，插入的深度为2～5mm；功率超声发生器使用前，超声波导入杆的杆尖处涂抹脱模剂。超声波变幅杆的长度是超声波在金属熔体内传播的纵波的半波长的整数倍，超声波变幅杆由钛合金材料制得，其长度为127mm；超声波变幅杆在使用前需要预热一段时间，超 声波换能器在使用的过程中可外接超声波空气冷却系统(如图1中的标号18)进行冷却，防止超声波换能器过热。 

如上所述，便可较好地实现本实用新型，上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围；即凡依本实用新型内容所作的均等变化与修饰，都为本实用新型权利要求所要求保护的范围所涵盖。 

Claims (4)

1.基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理装置，其特征在于，包括模具型腔、保温加热器、冲头和功率超声发生器，金属熔体置于模具型腔中，模具型腔的腔壁内设有保温加热器，冲头设于模具型腔上方，功率超声发生器穿过模具型腔的腔壁后，从模具型腔的侧面插入金属熔体中。

2.根据权利要求1所述基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理装置，其特征在于，所述功率超声发生器包括依次连接的超声波换能器、超声波变幅杆和超声波导入杆，超声波导入杆的末端带有杆尖，杆尖穿过模具型腔的腔壁后，从模具型腔的侧面插入金属熔体中。

3.根据权利要求2所述基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理装置，其特征在于，所述超声波导入杆与模具型腔腔壁的相接处设有密封机构，通过端盖固定于模具型腔的腔壁上，密封机构包括模具侧静环、模具侧动环组件、大气侧静环、大气侧动环组件、动环座和密封盖，模具侧静环和大气侧静环分别位于密封装置的两端，模具侧静环的外端面与端盖相连接，模具侧静环的外圆柱面和大气侧静环的外圆柱面分别与密封盖相连接，模具侧静环、大气侧静环和密封盖之间形成密封空间，密封空间内设有模具侧动环组件、大气侧动环组件和动环座，模具侧动环组件和大气侧动环组件分别设于动环座两端。

4.根据权利要求3所述基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理装置，其特征在于，所述动环座通过销钉固定于超声波导入杆上，模具侧静环的内侧面和大气侧静环的内侧面分别通过静环O型圈与超声波导入杆相连接，模具侧静环的外端面通过防转销与端盖固定连接；

密封盖包括固定连接的左盖和右盖，左盖压紧于大气侧静环的外周，右盖压紧于模具侧静环的外周，右盖的外端面与端盖相接，右盖上设有泄压孔；

模具侧动环组件包括动环、轴套和弹簧，动环一端与模具侧静环的内端面相接触，动环另一端通过弹簧与动环座相连接，超声波导入杆外周与弹簧的相接面上设有轴套，动环内侧面通过动环O型圈与超声波导入杆相连接；

大气侧动环组件的结构与模具侧动环组件的结构对称。