專(zhuān)利名稱(chēng)：一種金屬零件半固態(tài)流變成形的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種金屬零件半固態(tài)流變成形的裝置。
背景技術(shù)：
半固態(tài)金屬加工方法由于具有優(yōu)質(zhì)、高效及近凈成形等特點(diǎn)，因而成為最具發(fā)展前景 的近凈成形技術(shù)之一。半固態(tài)成形方式包括流變成形和觸變成形兩種，目前應(yīng)用較成功的 是觸變成形技術(shù)，但是與流變成形相比，觸變成形工藝存在以下明顯的缺陷1)觸變成 形流程較長(zhǎng)，因而生產(chǎn)成本高、能耗高、效率低；2) 二次加熱對(duì)設(shè)備要求較高；且坯料 表面氧化嚴(yán)重；3) 二次加熱后坯料中固相成分不能太低，否則無(wú)法搬運(yùn)，這對(duì)成型復(fù)雜 零件帶來(lái)困難；4)觸變工藝不僅要求嚴(yán)格控制半固態(tài)制漿過(guò)程，確保坯料質(zhì)量良好，還 要在二次加熱過(guò)程中嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，得到固相分?jǐn)?shù)穩(wěn)定、組織形貌良好的半固態(tài)組織， 這使得成型過(guò)程中的不確定因素增多，控制成本增加。相比之下，半固態(tài)流變成形具有流 程更短、節(jié)能低耗、廢料及時(shí)回收、更容易被中小企業(yè)所接受等優(yōu)勢(shì)，因而成為半固態(tài)成 形領(lǐng)域頗具發(fā)展前景的技術(shù)之一。
近年來(lái)，世界各國(guó)學(xué)者對(duì)流變成形進(jìn)行了大量研究，推出了一系列流變成形裝置。這 些發(fā)明可以分為以下幾類(lèi)1)機(jī)械攪拌制漿式流變成形技術(shù)，包括最早的機(jī)械攪拌制漿 的方法和近期發(fā)明的單螺旋、雙螺旋流變射鑄技術(shù)，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，唯有最早的機(jī)械 攪拌裝置得到一定應(yīng)用，流變射鑄技術(shù)由于螺桿工況差，消耗大，壽命短等原因還處于設(shè) 備開(kāi)發(fā)階段。2)電磁攪拌制漿式流變成形技術(shù)，此類(lèi)裝置的最大特點(diǎn)是用電磁力取代機(jī) 械力作為攪拌的動(dòng)力，沒(méi)有攪拌棒與金屬液的直接接觸，因而對(duì)合金的污染減少，但是存 在設(shè)備復(fù)雜，剪切力小等缺點(diǎn)。3)近液相線澆注式流變成形工藝，此法是近年發(fā)展的一 種新的流變成形技術(shù)，其工藝路線是低過(guò)熱澆注，在對(duì)流和激冷的作用下，促進(jìn)合金熔體 形核，并嚴(yán)格的控制溫度,提高晶核的存活率，然后使合金液迅速冷卻到兩相區(qū)，獲得大量 的自由晶粒，這一類(lèi)方法工藝簡(jiǎn)單、成本低，但是對(duì)溫度控制的精度和均勻性要求非常高， 因而實(shí)際應(yīng)用困難。4)超聲振動(dòng)制漿式流變成形技術(shù)，其原理是利用超聲波擾動(dòng)金屬的凝 固過(guò)程，細(xì)化晶粒，從而獲得非枝晶金屬漿料，此類(lèi)方法工藝簡(jiǎn)單，對(duì)熔體和環(huán)境的污染 小，是一種頗有前景的半固態(tài)制漿方式，但是由于設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)條件不成熟等原因，在實(shí)際生產(chǎn)中還沒(méi)得到應(yīng)用。5)冷卻體法制漿流變技術(shù)，此類(lèi)方法設(shè)備簡(jiǎn)單，流程短，成本 低，特別是適合于高溫合金的半固態(tài)制漿技術(shù)，但是在輕合金中存在氧化、吸氣嚴(yán)重等問(wèn) 題。
近年，南昌大學(xué)楊湘杰等人開(kāi)發(fā)了低轉(zhuǎn)速輸送管制漿工藝，達(dá)到了良好的的效果，其 工藝原理是在液相線附近對(duì)合金液施加局部激冷+攪拌混合，形成大量游離晶核，后期通過(guò) 保溫，降低合金液的冷卻速率，防止晶粒長(zhǎng)大成樹(shù)枝，從而獲得初生相晶粒細(xì)小、球形或 近球形的半固態(tài)組織。其工藝的關(guān)鍵技術(shù)是前期在熔體中要獲得足夠多的自由晶核，后期 通過(guò)溫度控制，防止初生晶核長(zhǎng)大。此法具有良好的應(yīng)用前景，但是由于轉(zhuǎn)動(dòng)管的存在， 使得設(shè)備相對(duì)復(fù)雜。因此，本發(fā)明設(shè)計(jì)出一套簡(jiǎn)單的制漿設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種金屬零件半固態(tài)流變成形的裝置，將其與現(xiàn)有的壓鑄設(shè)備結(jié) 合，生產(chǎn)出性能優(yōu)良的半固態(tài)流變壓鑄件。
本發(fā)明的金屬零件半固態(tài)流變成形的裝置的構(gòu)成是由澆注系統(tǒng)、熔體冷卻系統(tǒng)、冷 卻板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、漿料保溫系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)支撐密封系統(tǒng)、多通道溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、惰性氣體保護(hù) 系統(tǒng)、壓鑄系統(tǒng)組成；澆注系統(tǒng)由澆杯和置于杯內(nèi)的石墨柱塞、熱電偶構(gòu)成；熔體冷卻系 統(tǒng)由多個(gè)冷卻板、以及冷卻板中的冷卻水出水口和進(jìn)水口構(gòu)成；冷卻板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)動(dòng)軸 承、錐形齒輪組和控制搖柄連接構(gòu)成；漿料保溫系統(tǒng)由保溫坩堝和塒堝外的加熱線圈、柑 堝保護(hù)箱構(gòu)成；結(jié)構(gòu)支撐密封系統(tǒng)由箱體、箱體底部的活動(dòng)擋板和箱蓋構(gòu)成；多通道溫度 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由分別置于澆杯、冷卻板、坩堝內(nèi)的熱電偶和溫度采集及顯示儀表構(gòu)成；惰性氣 體保護(hù)系統(tǒng)為箱體上和箱蓋上的進(jìn)氣管和出氣管；壓鑄系統(tǒng)由零件成型模具、壓鑄機(jī)料筒 和其內(nèi)的壓鑄機(jī)錘頭構(gòu)成；熔體冷卻機(jī)構(gòu)、漿料保溫系統(tǒng)設(shè)置在結(jié)構(gòu)支撐密閉系統(tǒng)內(nèi)，并 與箱體外部的溫度采集及顯示儀表連接，澆注系統(tǒng)設(shè)置在箱蓋上，漿料的保溫系統(tǒng)置于箱
體的底部并與壓鑄系統(tǒng)連接。
結(jié)構(gòu)支撐密閉系統(tǒng)可以是空心的圓柱或方柱結(jié)構(gòu)，材質(zhì)可以是各種金屬。 熔體的冷卻系統(tǒng)中的冷卻板長(zhǎng)度在30mm 200mm，界面形狀可以是平板型、S型、U
型、V型、波浪形等；材凍可以是導(dǎo)熱性好的各種金屬；板與水平方向的角度在5 80°
范圍內(nèi)可調(diào)；冷卻板的數(shù)量在2~15個(gè)；板的冷卻介質(zhì)可以是水、油等流動(dòng)性好、冷卻效
果好、廉價(jià)、無(wú)污染的各種介質(zhì)。
惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)所提供的氣體可以是各種不會(huì)降低合金熔體質(zhì)量的、廉價(jià)的、無(wú)污染的氣體。
工作過(guò)程如下
1、 合金熔體以一定溫度從冷卻箱上端流入，在重力的作用下依次通過(guò)箱中的冷卻 系統(tǒng)，在激冷和流體剪切的雙重作用下，在熔體內(nèi)形成大量自由晶核；
2、 包含大量自由晶核的熔體，從冷卻系統(tǒng)流入箱底的保溫容器內(nèi)，在半固態(tài)溫度 區(qū)間內(nèi)保溫一定時(shí)間后，即可獲得初生相圓整的半固態(tài)組織；
3、 當(dāng)溫度降到預(yù)定溫度后，打開(kāi)箱底的閘板，制備好的半固態(tài)漿料流入壓鑄機(jī)料 筒，壓制成零件。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下明顯優(yōu)勢(shì)
1、 解決了半固態(tài)流變成形過(guò)程中漿料保存、運(yùn)輸難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了半固態(tài)流變制漿 與成形一體化；
2、 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊促，節(jié)省空間，且不用對(duì)原有壓鑄設(shè)備進(jìn)行任何改動(dòng)；
3、 制漿工藝簡(jiǎn)單，流程短，便于監(jiān)控；特別適合于中小企業(yè)；
4、 制漿在一個(gè)密閉環(huán)境內(nèi)進(jìn)行,可以有效地進(jìn)行氣體保護(hù)，防止氧化，提高熔體質(zhì)量；
5、 制漿在一個(gè)密閉的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行，因而影響系統(tǒng)熱交換的因素減少，有利于系統(tǒng)熱 平衡的控制，有利于提高溫度控制的精度和穩(wěn)定性；且減少了熱損，有利于節(jié)能降耗；
6、 應(yīng)用前景廣泛，包括鋁合金、鎂合金、錫合金半固態(tài)制坯及流變壓鑄。


圖l為本發(fā)明的金屬零件半固態(tài)流變成形的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明加上微振裝置后的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中
澆注系統(tǒng)1_澆杯、24—石墨柱塞、25—熱電偶；
熔體冷卻系統(tǒng)3—傾斜板(冷卻板)、6~傾斜板、8—冷卻水出水口、 9—冷卻水進(jìn)
水口、 11—傾斜板、12—傾斜板；
冷卻板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)5—轉(zhuǎn)動(dòng)軸承、7—錐形齒輪組、IO—控制搖柄； 漿料保溫系統(tǒng)14—保溫坩堝、15—坩堝保護(hù)箱、20—加熱線圈；
結(jié)構(gòu)支撐密封系統(tǒng)4一箱體、21一活動(dòng)擋板、22—轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、26~箱蓋； 多通道溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)13—熱電偶、25—熱電偶、27—點(diǎn)焊式熱電偶、28—點(diǎn)焊式熱 電偶、29—點(diǎn)焊式熱電偶、30—點(diǎn)焊式熱電偶、31—溫度采集及顯示儀表；惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)16—進(jìn)氣管、23—出氣管；壓鑄系統(tǒng)17—壓鑄機(jī)錘頭、18—模 具型腔、19一壓鑄機(jī)料筒。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明為一個(gè)具有空間箱式結(jié)構(gòu)的半固態(tài)制漿裝置。箱體4由具有一定壁
厚的金屬制成，其形狀可以為長(zhǎng)方體、立方體或者圓柱體，其上端由箱蓋26蓋住，箱蓋通 過(guò)鉸鏈22與箱體4連接，并可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟與關(guān)閉操作；箱體下端通過(guò)活動(dòng)擋板21的位置實(shí) 現(xiàn)與壓鑄機(jī)料筒19的進(jìn)料口的定位，整個(gè)箱體置于壓鑄機(jī)料筒上方。箱蓋26上靠近箱壁的 一側(cè)開(kāi)有預(yù)留通孔，大小與澆杯l的底部外徑相當(dāng)，澆杯1工作時(shí)置于箱蓋26的這個(gè)預(yù)留孔 內(nèi)。澆杯l底部開(kāi)有小孔，柱塞24與該小孔緊密配合。傾斜冷卻板3、 6、 11、 12分別置于 箱壁上不同方向和高度的地方，使這幾塊板成空間搭橋型但并不相互接觸，傾斜板的具體 材質(zhì)和空間位置關(guān)系根據(jù)合金液性質(zhì)及所需冷卻效果而定。每塊傾斜板均通過(guò)置于箱體壁 內(nèi)的滾動(dòng)軸承5與箱體相連，通過(guò)錐形齒輪組7與搖桿10相連，轉(zhuǎn)動(dòng)搖桿10可以控制傾斜板 的傾斜角度。傾斜板中空且有一定厚度，在其中空的內(nèi)腔置有兩根水管，伸入距離較大的 為進(jìn)水管9，只伸入端部的為出水管8，通過(guò)控制循環(huán)水量來(lái)調(diào)整傾斜板的冷卻能力；在冷 卻水與外表面之間的壁厚部分內(nèi)裝有點(diǎn)焊式熱電偶27、 28、 29、 30，通過(guò)溫度收集與顯示 機(jī)31來(lái)監(jiān)測(cè)合金液在板面上流動(dòng)時(shí)的溫度變化情況。保溫坩堝14置于活動(dòng)擋板21上方的坩 堝保護(hù)箱15內(nèi)，坩堝中合金液的溫度由熱電偶13監(jiān)測(cè)。保護(hù)氣體從箱體4底部的進(jìn)氣管16 壓入，充滿(mǎn)整個(gè)箱體后從位于箱蓋26上出氣口23逸出。
在圖2中，每個(gè)冷卻系統(tǒng)中均增加了微振動(dòng)裝置31、 32、 33、 34，該裝置位于傾斜板上 不能與合金液接觸的部位，微振動(dòng)裝置由微型電機(jī)控制(圖中未畫(huà)出)。
該裝置的使用方法以及各部件實(shí)現(xiàn)的功能如下.-
合金精煉處理后澆入可定量的澆杯l中，澆杯中熔體溫度由熱電偶25監(jiān)測(cè)，待溫度達(dá) 到預(yù)定值時(shí)，提起柱塞24，熔體在重力作用下從澆杯下端出口流出并依次通過(guò)冷卻斜板3、 6、 11、 12，通過(guò)控制搖柄10使傾斜板的角度固定在某一定值從而控制合金液與板的熱交 換作用，使得熔體在到達(dá)最后一塊斜板12末端時(shí)，溫度控制在合金液相線下1(TC以?xún)?nèi)，溫 度由鑲嵌在板壁內(nèi)的點(diǎn)式熱電偶27、 28、 29、 30監(jiān)測(cè)；熔體流入箱底由感應(yīng)線圈20加熱的 保溫容器14內(nèi)，并通過(guò)熱電偶13測(cè)溫，嚴(yán)格控制冷卻速率，防止自由晶核長(zhǎng)大成樹(shù)枝晶， 確保晶核細(xì)小，圓整；待保溫容器中漿料溫度到達(dá)預(yù)定值后，打開(kāi)容器底部的閘板21，合 金半固態(tài)漿料進(jìn)入壓鑄機(jī)料筒19，在壓鑄機(jī)綞頭17的推進(jìn)下，快速填充模腔，形成結(jié)構(gòu)致密的流變壓鑄零件；熔體的激冷和保溫是在密閉的冷卻箱4內(nèi)進(jìn)行，箱內(nèi)通過(guò)輸氣管16、 23填充氬氣或氮?dú)猓M(jìn)行氣體保護(hù)，防止熔體氧化；冷卻箱上端的蓋板26通過(guò)鉸鏈22與箱
體4連接，關(guān)閉時(shí)能與箱體緊密閉合，也可以打開(kāi)，清理多次生產(chǎn)后的箱內(nèi)的金屬屑；
圖2為加上微振裝置后本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，與圖1相比，該裝置在每塊冷卻板3、 6、 11、 12上都安裝了微振動(dòng)裝置31、 32、 33、 34，其使方法與圖1相似，不同之處在于， 合金熔體將在重力作用下依次通過(guò)四塊帶有微振動(dòng)裝置31、 32、 33、 34的冷卻斜板3、 6、 11、 12，通過(guò)振動(dòng)加劇形核與破碎枝晶作用。
圖中的冷卻斜板3、 6、 11、 12可根據(jù)不同的合金熔體及零件需要，對(duì)熔體流經(jīng)長(zhǎng)度， 溫度，角度，板的形狀、材質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，更換；由圖中以下機(jī)構(gòu)控制滾軸5、錐形齒輪 7、搖把IO、進(jìn)水管9、出水管IO、熱電偶26、 27、 28、 29以及外圍的溫度監(jiān)控設(shè)備31 。
權(quán)利要求
1、一種金屬零件的半固態(tài)流變成形裝置，其特征是由澆注系統(tǒng)、熔體冷卻系統(tǒng)、冷卻板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、漿料保溫系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)支撐密封系統(tǒng)、多通道溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)、壓鑄系統(tǒng)組成；澆注系統(tǒng)由澆杯和置于杯內(nèi)的石墨柱塞、熱電偶構(gòu)成；熔體冷卻系統(tǒng)由多個(gè)冷卻板、以及冷卻板中的冷卻水出水口和進(jìn)水口構(gòu)成；冷卻板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)動(dòng)軸承、錐形齒輪組和控制搖柄連接構(gòu)成；漿料保溫系統(tǒng)由保溫坩堝和坩堝外的加熱線圈、坩堝保護(hù)箱構(gòu)成；結(jié)構(gòu)支撐密封系統(tǒng)由箱體、箱體底部的活動(dòng)擋板和箱蓋構(gòu)成；多通道溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由分別置于澆杯、冷卻板、坩堝內(nèi)的熱電偶和溫度采集及顯示儀表構(gòu)成；惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)為箱體上和箱蓋上的進(jìn)氣管和出氣管；壓鑄系統(tǒng)由零件成型模具、壓鑄機(jī)料筒和其內(nèi)的壓鑄機(jī)錘頭構(gòu)成；熔體冷卻機(jī)構(gòu)、漿料保溫系統(tǒng)設(shè)置在結(jié)構(gòu)支撐密閉系統(tǒng)內(nèi)，并與箱體外部的溫度采集及顯示儀表連接，澆注系統(tǒng)設(shè)置在箱蓋上，漿料的保溫系統(tǒng)置于箱體的底部并與壓鑄系統(tǒng)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬零件的半固態(tài)流變成形裝置，其特征是結(jié)構(gòu)支撐密 閉系統(tǒng)是空心的圓柱或方柱結(jié)構(gòu)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬零件的半固態(tài)流變成形裝置，其特征是熔體的冷卻系統(tǒng)中的冷卻板長(zhǎng)度在30mm 200mm，界面形狀是平板型、S型、U型、V型、波浪形； 板與水平方向的角度在5 80°范圍內(nèi)可調(diào)；冷卻板的數(shù)量在2~15個(gè)；板的冷卻介質(zhì)是水、油。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬零件的半固態(tài)流變成形裝置，其特征是在每塊冷卻 板上都安裝了微振動(dòng)裝置。
全文摘要
本發(fā)明是一種金屬零件的半固態(tài)流變成形裝置。其特征是由澆注系統(tǒng)、熔體冷卻系統(tǒng)、冷卻板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、漿料保溫系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)支撐密封系統(tǒng)、多通道溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)、壓鑄系統(tǒng)組成。本發(fā)明解決了半固態(tài)流變成形過(guò)程中漿料保存、運(yùn)輸難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了半固態(tài)流變制漿與成形一體化；設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊促，節(jié)省空間，且不用對(duì)原有壓鑄設(shè)備進(jìn)行任何改動(dòng)；制漿工藝簡(jiǎn)單，流程短，便于監(jiān)控，可以有效地進(jìn)行氣體保護(hù)，防止氧化，提高熔體質(zhì)量，并且影響系統(tǒng)熱交換的因素減少，有利于系統(tǒng)熱平衡的控制，有利于提高溫度控制的精度和穩(wěn)定性；且減少了熱損，有利于節(jié)能降耗，特別適合于中小企業(yè)。應(yīng)用前景廣泛，包括鋁合金、鎂合金、錫合金半固態(tài)制坯及流變壓鑄。
文檔編號(hào)B22D17/00GK101602099SQ20091009467
公開(kāi)日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2009年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月30日
發(fā)明者吉建立, 周榮鋒, 楊貴欽, 濤 董 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)