基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理方法及裝置，其方法是功率超聲發(fā)生器和沖頭對金屬熔體同時施加功率超聲波和壓力，通過壓力和功率超聲的協(xié)同耦合作用改變金屬熔體的物理結構；其裝置包括模具型腔、保溫加熱器、沖頭和功率超聲發(fā)生器，金屬熔體置于模具型腔中，模具型腔的腔壁內設有保溫加熱器，沖頭設于模具型腔上方，功率超聲發(fā)生器穿過模具型腔的腔壁后，從模具型腔的側面插入金屬熔體中。本發(fā)明原理簡單，但可提高金屬熔體處理的效率和速率，有效改善金屬熔體的組織形態(tài)和性能，解決了單一物理場下處理金屬熔體效率不明顯的問題，是一種適合工業(yè)化的規(guī)模處理方法，具有積極的技術推廣與應用價值。
【專利說明】基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理方法及裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬材料加工【技術領域】，特別涉及一種基于功率超聲與壓力耦合的金 屬熔體處理方法及裝置。

【背景技術】
[0002] 國內外研究表明，在凝固過程中對待處理金屬熔體施加物理場的處理方法，已逐 漸成為提高材料性能的重要工藝手段之一；施加物理場技術是指在金屬熔體凝固前或凝固 過程中對金屬熔體施加一個或多個復合的物理場，利用金屬和物理場的相互作用，從而改 善其凝固過程和組織性能的一種技術；該技術操作簡便且不會對金屬熔體及環(huán)境產(chǎn)生污 染。
[0003] 目前對待處理金屬熔體施加物理場的方法主要有以下幾種：（1)在金屬熔體的凝 固過程進行功率超聲處理；（2)讓金屬熔體在磁場環(huán)境下凝固，即進行磁場處理；（3)對金 屬熔體導電，即進行電流處理。在上述施加物理場的【技術領域】中，大功率超聲波由于其獨特 的聲學效應，對金屬凝固過程及材料的組織和性能具有較明顯的影響，因此成為當前的研 究熱點和主要的研究方向。
[0004] 而研究表明，壓力對材料的作用機理、組織和性能也有一定的影響，壓力會引起合 金的熱物性參數(shù)（如凝固溫度、熱導率、密度、比熱容和結晶潛熱）的變化；同時，金屬熔體 在壓力下的凝固會導致晶粒細化，隨著壓力數(shù)值的變化，合金的力學性能也隨之變化。
[0005] 然而，在目前的金屬鑄造工藝中，對金屬熔體的處理方法只能采用上述方法中的 其中一種，無法通過多種方法之間產(chǎn)生的作用互補和耦合來實現(xiàn)更好的改善效果。同時，在 功率超聲處理方法中，常常會由于功率超聲發(fā)生機構與模具型腔之間的密封不夠合理，影 響金屬熔體的處理效果，也容易產(chǎn)生金屬熔體噴濺的現(xiàn)象。


【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于功率超聲與壓力耦合的金 屬熔體處理方法，該方法原理簡單，但可有效改善金屬熔體的組織和性能，解決了單一物理 場下處理金屬熔體效率不明顯的問題。
[0007] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于實現(xiàn)上述方法的基于功率超聲與壓力耦合 的金屬熔體處理裝置。
[0008] 本發(fā)明的技術方案為：一種基于功率超聲與壓力稱合的金屬烙體處理方法，包括 以下步驟：
[0009] (1)預熱模具型腔；
[0010] (2)將金屬熔體加熱至預設溫度后，澆入模具型腔中，同時開啟保溫加熱器，對模 具型腔進行保溫；
[0011] (3)液壓機的沖頭向金屬熔體施加壓力，同時，功率超聲發(fā)生器對金屬熔體進行功 率超聲振動；通過壓力和功率超聲的協(xié)同耦合作用，從而在冷卻金屬熔體的過程改變金屬 熔體的物理結構。
[0012] 所述步驟（1)中，模具型腔的預熱溫度為250°C。
[0013] 所述步驟⑵中，金屬熔體的預設溫度為液相線以上10?l〇〇°C的溫度范圍；保 溫加熱器對模具型腔進行保溫時，模具型腔內側面的溫度保持在500?550°C。
[0014] 所述步驟（3)中，液壓機的沖頭由上至下向金屬熔體施加壓力，沖頭直接與金屬 熔體相接觸，擠壓比壓為〇?75MPa，擠壓速度為0. 03?0. 06m/s，保壓時間為30s。
[0015] 所述步驟（3)中，功率超聲發(fā)生器從模具型腔的側面插入金屬熔體中，對金屬熔 體進行功率超聲振動，超聲波頻率為20KHz，超聲波功率為0?2200W。
[0016] 所述功率超聲發(fā)生器中，通過超聲波導入桿的桿尖插入金屬熔體中，插入的深度 為2?5mm ;功率超聲發(fā)生器使用前，超聲波導入桿的桿尖處涂抹脫模劑。
[0017] 本發(fā)明一種用于上述方法的基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理裝置，包括 模具型腔、保溫加熱器、沖頭和功率超聲發(fā)生器，金屬熔體置于模具型腔中，模具型腔的腔 壁內設有保溫加熱器，沖頭設于模具型腔上方，功率超聲發(fā)生器穿過模具型腔的腔壁后，從 模具型腔的側面插入金屬熔體中。
[0018] 所述功率超聲發(fā)生器包括依次連接的超聲波換能器、超聲波變幅桿和超聲波導入 桿，超聲波導入桿的末端帶有桿尖，桿尖穿過模具型腔的腔壁后，從模具型腔的側面插入金 屬熔體中。
[0019] 所述超聲波導入桿與模具型腔腔壁的相接處設有密封機構，通過端蓋固定于模具 型腔的腔壁上，密封機構包括模具側靜環(huán)、模具側動環(huán)組件、大氣側靜環(huán)、大氣側動環(huán)組件、 動環(huán)座和密封蓋，模具側靜環(huán)和大氣側靜環(huán)分別位于密封裝置的兩端，模具側靜環(huán)的外端 面與端蓋相連接，模具側靜環(huán)的外圓柱面和大氣側靜環(huán)的外圓柱面分別與密封蓋相連接， 模具側靜環(huán)、大氣側靜環(huán)和密封蓋之間形成密封空間，密封空間內設有模具側動環(huán)組件、大 氣側動環(huán)組件和動環(huán)座，模具側動環(huán)組件和大氣側動環(huán)組件分別設于動環(huán)座兩端。
[0020] 所述動環(huán)座通過銷釘固定于超聲波導入桿上，模具側靜環(huán)的內側面和大氣側靜環(huán) 的內側面分別通過靜環(huán)〇型圈與超聲波導入桿相連接，模具側靜環(huán)的外端面通過防轉銷與 端蓋固定連接；
[0021] 密封蓋包括固定連接的左蓋和右蓋，左蓋壓緊于大氣側靜環(huán)的外周，右蓋壓緊于 模具側靜環(huán)的外周，右蓋的外端面與端蓋相接，右蓋上設有泄壓孔；
[0022] 模具側動環(huán)組件包括動環(huán)、軸套和彈簧，動環(huán)一端與模具側靜環(huán)的內端面相接觸， 動環(huán)另一端通過彈簧與動環(huán)座相連接，超聲波導入桿外周與彈簧的相接面上設有軸套，動 環(huán)內側面通過動環(huán)〇型圈與超聲波導入桿相連接；
[0023] 大氣側動環(huán)組件的結構與模具側動環(huán)組件的結構對稱。
[0024] 上述基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理方法及裝置中，通過對金屬熔體同 時施加功率超聲波和壓力，利用二者對金屬熔體凝固組織的作用是互補和耦合增強的關 系，從而改善金屬材料的組織形態(tài)和性能。
[0025] 本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術，具有以下有益效果：
[0026] 本基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理方法原理簡單，但可提高金屬熔體處 理的效率和速率，有效改善金屬熔體的組織形態(tài)和性能，解決了單一物理場下處理金屬熔 體效率不明顯的問題。在金屬熔體處理工藝中開辟了新思路，尤其是復合場的處理技術在 金屬熔體處理技術上具有潛在的廣闊前景，通過該方法，可以同時處理大量金屬熔體，是一 種適合工業(yè)化的規(guī)模處理方法，具有積極的技術推廣與應用價值。
[0027] 本基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理裝置結構簡單，成本較低，且組裝和 拆卸方便，可應用于多種類的金屬熔體處理，應用范圍較廣。
[0028] 本基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理裝置中，在超聲波導入桿和模具型腔 的連接處設置專用的密封機構，可有效提高密封效果，特別是在高溫高壓的工作環(huán)境下，可 有效保證模具型腔的密封性，防止金屬熔體發(fā)生噴濺和泄漏的現(xiàn)象，大大提高設備的安全 性和穩(wěn)定性；同時，密封蓋上所設的泄壓孔可外接廢氣排放管道，避免實驗對環(huán)境造成的污 染。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1為本基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理裝置的結構示意圖。
[0030] 圖2為超聲波導入桿和模具型腔之間的密封機構的半剖結構示意圖。

【具體實施方式】
[0031] 下面結合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不 限于此。
[0032] 實施例1
[0033] 本實施例一種基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理方法，包括以下步驟：
[0034] (1)預熱模具型腔，直至模具型腔腔壁的內側面溫度達到250°C ;模具型腔的材料 為H13鋼，采用石墨機油潤滑；
[0035] (2)將金屬熔體加熱至預設溫度后，澆入模具型腔中，同時開啟保溫加熱器，對模 具型腔進行保溫；
[0036] 其中，金屬熔體的預設溫度為液相線以上10?KKTC的溫度范圍；保溫加熱器對 模具型腔進行保溫時，模具型腔內側面的溫度保持在500?550°C ;
[0037] (3)液壓機的沖頭向金屬熔體施加壓力，同時，功率超聲發(fā)生器對金屬熔體進行功 率超聲振動；通過壓力和功率超聲的協(xié)同耦合作用，從而在冷卻金屬熔體的過程改變金屬 熔體的物理結構；
[0038] 其中，液壓機的沖頭由上至下向金屬熔體施加壓力，沖頭的壓力由1000kN四柱液 壓機提供，沖頭直接與金屬熔體相接觸，擠壓比壓為75MPa，擠壓速度為0. 06m/s，保壓時間 為 30s ;
[0039] 功率超聲發(fā)生器從模具型腔的側面插入金屬熔體中，對金屬熔體進行功率超聲振 動，超聲波頻率為20KHz，超聲波功率為0?2200W ;功率超聲發(fā)生器中，通過超聲波導入桿 的桿尖插入金屬烙體中，插入的深度為2?5mm ;功率超聲發(fā)生器使用前，超聲波導入桿的 桿尖處涂抹脫模劑。超聲波變幅桿的長度是超聲波在金屬熔體內傳播的縱波的半波長的整 數(shù)倍，超聲波變幅桿由鈦合金材料制得，其長度為127mm ;超聲波變幅桿在使用前需要預熱 一段時間，超聲波換能器在使用的過程中可外接超聲波空氣冷卻系統(tǒng)（如圖1中的標號18) 進行冷卻，防止超聲波換能器過熱。
[0040] 實施例2
[0041] 本實施例一種用于實施例1所述方法的基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處 理裝置，如圖1所示，包括模具型腔1、保溫加熱器2、沖頭3和功率超聲發(fā)生器，金屬熔體4 置于模具型腔中，模具型腔的腔壁內設有保溫加熱器，沖頭設于模具型腔上方，功率超聲發(fā) 生器穿過模具型腔的腔壁后，從模具型腔的側面插入金屬熔體中。
[0042] 功率超聲發(fā)生器包括依次連接的超聲波換能器5、超聲波變幅桿6和超聲波導入 桿7,超聲波導入桿的末端帶有桿尖，桿尖穿過模具型腔的腔壁后，從模具型腔的側面插入 金屬熔體中。
[0043] 超聲波導入桿與模具型腔腔壁的相接處設有密封機構8,通過端蓋19固定于模具 型腔的腔壁上，如圖2所示，密封機構包括模具側靜環(huán)9、模具側動環(huán)組件10、大氣側靜環(huán) 11、大氣側動環(huán)組件12、動環(huán)座13和密封蓋14,模具側靜環(huán)和大氣側靜環(huán)分別位于密封裝 置的兩端，模具側靜環(huán)的外端面與端蓋（圖2中未示出）相連接，模具側靜環(huán)的外圓柱面和 大氣側靜環(huán)的外圓柱面分別與密封蓋相連接，模具側靜環(huán)、大氣側靜環(huán)和密封蓋之間形成 密封空間，密封空間內設有模具側動環(huán)組件、大氣側動環(huán)組件和動環(huán)座，模具側動環(huán)組件和 大氣側動環(huán)組件分別設于動環(huán)座兩端。
[0044] 動環(huán)座通過銷釘15固定于超聲波導入桿7上，模具側靜環(huán)的內側面和大氣側靜環(huán) 的內側面分別通過靜環(huán)〇型圈16與超聲波導入桿相連接，模具側靜環(huán)的外端面通過防轉 銷17與端蓋固定連接；其中，防轉銷可防止模具側靜環(huán)隨著超聲波導入桿的桿尖振動而轉 動；
[0045] 密封蓋包括固定連接的左蓋14-1和右蓋14-2,左蓋壓緊于大氣側靜環(huán)的外周，右 蓋壓緊于模具側靜環(huán)的外周，右蓋的外端面與端蓋相接，右蓋上設有泄壓孔14-3 ;
[0046] 模具側動環(huán)組件包括動環(huán)10-1、軸套10-2和彈簧10-3,動環(huán)一端與模具側靜環(huán)的 內端面相接觸，動環(huán)另一端通過彈簧與動環(huán)座相連接，超聲波導入桿外周與彈簧的相接面 上設有軸套，動環(huán)內側面通過動環(huán)〇型圈10-4與超聲波導入桿7相連接；
[0047] 大氣側動環(huán)組件的結構與模具側動環(huán)組件的結構對稱，即大氣側動環(huán)組件的各組 成部件與模具側動環(huán)組件的各組成部件相同（包括尺寸大小、材質等參數(shù)），大氣側動環(huán)組 件各組成部件之間的連接關系與模具側動環(huán)組件相比，呈對稱設置。
[0048] 上述結構的密封機構中，模具側動環(huán)組件中的動環(huán)和大氣側動環(huán)組件中的動環(huán)均 采用WC硬質合金，模具側靜環(huán)和大氣側靜環(huán)均采用石墨環(huán)材質，各動環(huán)、模具側靜環(huán)和大 氣側靜環(huán)的平面度均控制在0?0. 〇〇3mm，不允許有崩邊和劃傷的現(xiàn)象。密封蓋中，左蓋與 大氣側靜環(huán)相接觸的一面設有石墨層，右蓋與模具側靜環(huán)相接觸的一面設有石墨層。超聲 波導入桿和軸套之間設有〇. 03?0. 05mm的過盈距離。其中，動環(huán)0型圈可采用耐高溫的 有機硅樹脂材料制得，〇. 03?0. 05mm的過盈距離可保證超聲波導入桿和軸套之間力矩的 可靠傳遞和良好的追隨性。
[0049] 上述基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理裝置中，通過功率超聲發(fā)生器和沖 頭對金屬熔體同時施加功率超聲波和壓力（壓力如圖1中的箭頭所示），利用二者對金屬熔 體凝固組織的作用是互補和耦合增強的關系，從而改善金屬材料的組織形態(tài)和性能。
[0050] 如上所述，便可較好地實現(xiàn)本發(fā)明，上述實施例僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用 來限定本發(fā)明的實施范圍；即凡依本
【發(fā)明內容】
所作的均等變化與修飾，都為本發(fā)明權利要 求所要求保護的范圍所涵蓋。
【權利要求】
1. 基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 預熱模具型腔； (2) 將金屬熔體加熱至預設溫度后，澆入模具型腔中，同時開啟保溫加熱器，對模具型 腔進行保溫； (3) 液壓機的沖頭向金屬熔體施加壓力，同時，功率超聲發(fā)生器對金屬熔體進行功率超 聲振動；通過壓力和功率超聲的協(xié)同耦合作用，從而在冷卻金屬熔體的過程改變金屬熔體 的物理結構。
2. 根據(jù)權利要求1所述基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理方法，其特征在于， 所述步驟（1)中，模具型腔的預熱溫度為250°C。
3. 根據(jù)權利要求1所述基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理方法，其特征在于， 所述步驟（2)中，金屬熔體的預設溫度為液相線以上10?100°C的溫度范圍；保溫加熱器 對模具型腔進行保溫時，模具型腔內側面的溫度保持在500?550°C。
4. 根據(jù)權利要求1所述基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理方法，其特征在于， 所述步驟（3)中，液壓機的沖頭由上至下向金屬熔體施加壓力，沖頭直接與金屬熔體相接 觸，擠壓比壓為0?75MPa，擠壓速度為0. 03?0. 06m/s，保壓時間為30s。
5. 根據(jù)權利要求1所述基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理方法，其特征在于， 所述步驟（3)中，功率超聲發(fā)生器從模具型腔的側面插入金屬熔體中，對金屬熔體進行功 率超聲振動，超聲波頻率為20KHz，超聲波功率為0?2200W。
6. 根據(jù)權利要求5所述基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理方法，其特征在于， 所述功率超聲發(fā)生器中，通過超聲波導入桿的桿尖插入金屬熔體中，插入的深度為2? 5mm ;功率超聲發(fā)生器使用前，超聲波導入桿的桿尖處涂抹脫模劑。
7. 用于權利要求1?6任一項所述方法的基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理裝 置，其特征在于，包括模具型腔、保溫加熱器、沖頭和功率超聲發(fā)生器，金屬熔體置于模具型 腔中，模具型腔的腔壁內設有保溫加熱器，沖頭設于模具型腔上方，功率超聲發(fā)生器穿過模 具型腔的腔壁后，從模具型腔的側面插入金屬熔體中。
8. 根據(jù)權利要求7所述基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理裝置，其特征在于， 所述功率超聲發(fā)生器包括依次連接的超聲波換能器、超聲波變幅桿和超聲波導入桿，超聲 波導入桿的末端帶有桿尖，桿尖穿過模具型腔的腔壁后，從模具型腔的側面插入金屬熔體 中。
9. 根據(jù)權利要求8所述基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理裝置，其特征在于， 所述超聲波導入桿與模具型腔腔壁的相接處設有密封機構，通過端蓋固定于模具型腔的腔 壁上，密封機構包括模具側靜環(huán)、模具側動環(huán)組件、大氣側靜環(huán)、大氣側動環(huán)組件、動環(huán)座和 密封蓋，模具側靜環(huán)和大氣側靜環(huán)分別位于密封裝置的兩端，模具側靜環(huán)的外端面與端蓋 相連接，模具側靜環(huán)的外圓柱面和大氣側靜環(huán)的外圓柱面分別與密封蓋相連接，模具側靜 環(huán)、大氣側靜環(huán)和密封蓋之間形成密封空間，密封空間內設有模具側動環(huán)組件、大氣側動環(huán) 組件和動環(huán)座，模具側動環(huán)組件和大氣側動環(huán)組件分別設于動環(huán)座兩端。
10. 根據(jù)權利要求9所述基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理裝置，其特征在于， 所述動環(huán)座通過銷釘固定于超聲波導入桿上，模具側靜環(huán)的內側面和大氣側靜環(huán)的內側面 分別通過靜環(huán)0型圈與超聲波導入桿相連接，模具側靜環(huán)的外端面通過防轉銷與端蓋固定 連接； 密封蓋包括固定連接的左蓋和右蓋，左蓋壓緊于大氣側靜環(huán)的外周，右蓋壓緊于模具 側靜環(huán)的外周，右蓋的外端面與端蓋相接，右蓋上設有泄壓孔； 模具側動環(huán)組件包括動環(huán)、軸套和彈簧，動環(huán)一端與模具側靜環(huán)的內端面相接觸，動環(huán) 另一端通過彈簧與動環(huán)座相連接，超聲波導入桿外周與彈簧的相接面上設有軸套，動環(huán)內 側面通過動環(huán)0型圈與超聲波導入桿相連接； 大氣側動環(huán)組件的結構與模具側動環(huán)組件的結構對稱。
【文檔編號】B22D27/20GK104084567SQ201410306701
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權日:2014年6月30日
【發(fā)明者】張衛(wèi)文, 張楊, 邱誠, 羅宗強, 羅執(zhí) 申請人:華南理工大學