一種實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件移動(dòng)微壓鑄成型的精鑄爐的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)微壓鑄熔體直接成型金屬構(gòu)件的精鑄爐，包括熔煉爐體，進(jìn)料口和出料口，壓鑄頭，以及控制壓鑄頭開合狀態(tài)的電磁開關(guān)等。本發(fā)明所述的精鑄爐結(jié)構(gòu)緊湊，能夠在加工過程中根據(jù)液位嚴(yán)格控制液面上方內(nèi)壓力使得金屬熔體恒速流出，嚴(yán)格控制熔體流出時(shí)的溫度，并根據(jù)需要控制精鑄爐上壓鑄頭的開閉。因此，本發(fā)明所述的裝置可以通過調(diào)整熔體的流量、壓力、壓鑄層厚度、熔體的凝固速度以及壓鑄頭的移動(dòng)軌跡，逐點(diǎn)逐層調(diào)控構(gòu)件材料的組織形態(tài)(包括晶粒尺寸、相成分和界面結(jié)構(gòu)等)、殘余應(yīng)力狀態(tài)(包括大小與分布)和表面質(zhì)量。本發(fā)明不僅可以按設(shè)定的形狀和尺寸成型金屬構(gòu)件，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)能對(duì)其機(jī)械性能進(jìn)行有效調(diào)控。
【專利說明】一種實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件移動(dòng)微壓鑄成型的精鑄爐

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料加工設(shè)備領(lǐng)域，具體的說，涉及一種實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件移動(dòng)微壓鑄成型的裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，在大尺寸薄壁鈦合金構(gòu)件的直接制造和工程應(yīng)用方面，激光立體成型技術(shù)已取得了重要進(jìn)展。然而，該技術(shù)也存在明顯的局限性:首先，與常規(guī)制造方法相比，其制造成本高昂、加工效率較低，因而只能用于制造難以采用常規(guī)方法而又不惜工本的那類金屬構(gòu)件；其次，它必須以金屬粉末為原料，并且對(duì)粉末的粒度有嚴(yán)格要求。過細(xì)，顆粒易于燒損，會(huì)降低粉末的利用率。過大，顆粒又可能熔化不充分不均勻，因而影響成型構(gòu)件的性能。
[0003]另外，電子束立體成型技術(shù)，也存在上述同樣的局限性，而且電子束加工需要真空環(huán)境，這進(jìn)一步限制了其應(yīng)用范圍。
[0004]精密壓鑄技術(shù)也可以近凈成型或直接制造金屬結(jié)構(gòu)，但對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件，特別是大而薄的薄壁構(gòu)件，其成型能力有限。
[0005]噴射成型技術(shù)可成型大尺寸金屬構(gòu)件，其成型效率也較高，但難以成型形狀復(fù)雜或尺寸精度要求高的金屬構(gòu)件。因其總有一定的孔隙率，對(duì)于致密度和機(jī)械性能要求高的金屬構(gòu)件，噴射成型后還須對(duì)其進(jìn)行熱靜壓加工。
[0006]近期提出的金屬構(gòu)件移動(dòng)微壓鑄成型方法，已經(jīng)在中國專利申請(qǐng)201310139419.0公開，是利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)或?qū)嵨飹呙璧姆椒ń?gòu)件的3D圖形數(shù)據(jù)庫，并依據(jù)構(gòu)件性能與精度的設(shè)計(jì)要求，選擇圖形的切片方向與分切厚度以及與之相應(yīng)的熔體壓鑄程序和運(yùn)動(dòng)軌跡，在惰性氣體(如氮?dú)?、氬氣?保護(hù)環(huán)境下，當(dāng)結(jié)晶器(壓鑄基板)的指定部位，對(duì)準(zhǔn)壓鑄頭出口、且二者之間距達(dá)到指定層片厚度(以微米尺度為宜)時(shí)，壓鑄頭以預(yù)定的流速和壓力，將熔體填充到其出口端部與結(jié)晶平臺(tái)之間的空間。與此同時(shí)，壓鑄頭以指定速度和軌跡在結(jié)晶器上移動(dòng)(也可以是壓鑄器不動(dòng)而結(jié)晶器相對(duì)其移動(dòng))，移出壓鑄頭內(nèi)的熔體迅速凝固，壓鑄頭向其下方不斷產(chǎn)生的新的空間繼續(xù)填充并壓鑄熔體。當(dāng)壓鑄頭的移動(dòng)軌跡填滿設(shè)定形狀時(shí)，一個(gè)厚度可達(dá)微米尺度的金屬層片便成型完成。然后，結(jié)晶器沿Z軸方向上移動(dòng)一個(gè)層片厚度，壓鑄頭開始執(zhí)行下一層片的熔體壓鑄作業(yè)。如此往復(fù)，直至整個(gè)金屬構(gòu)件成型完成。
[0007]但目前還沒有能夠?qū)崿F(xiàn)金屬構(gòu)件移動(dòng)微壓鑄成型方法的精鑄爐，因此，本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)金屬構(gòu)件移動(dòng)微壓鑄成型方法的精鑄爐。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)移動(dòng)微壓鑄熔體直接成型金屬構(gòu)件的精鑄爐。
[0009]所述微壓鑄，是指壓鑄層的厚度以限制在微米尺度為宜，因此能夠?qū)崿F(xiàn)微壓鑄的設(shè)備也必須能夠在微米級(jí)自動(dòng)控制。
[0010]精鑄爐是以一種能夠?qū)⑷廴诘慕饘僖后w直接進(jìn)行鑄造成型的裝置。
[0011]本發(fā)明所述的能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)微壓鑄熔體直接成型金屬構(gòu)件的精鑄爐包括熔煉爐體，進(jìn)料口和出料口，壓鑄頭，以及控制壓鑄頭開合狀態(tài)的電磁開關(guān)；所述熔煉爐體為中空的圓柱體，其上設(shè)置熔煉爐體法蘭蓋，所述爐體法蘭蓋上設(shè)置進(jìn)料口，熔煉爐體下方設(shè)置出料口，出料口處設(shè)置有壓鑄頭，熔融的金屬液體從進(jìn)料口進(jìn)入后，在熔煉爐內(nèi)保持一定的液面高度，然后根據(jù)需要控制壓鑄頭開合狀態(tài)的電磁開關(guān)從出料口流出，并經(jīng)過壓鑄頭進(jìn)行微壓鑄。
[0012]為保證金屬液體不被氧化，熔煉爐體內(nèi)需要保護(hù)氣體保護(hù)，因此本發(fā)明所述的精鑄爐還包括保護(hù)氣體進(jìn)氣口和排氣口，所述進(jìn)氣口設(shè)置有氣體進(jìn)氣口電磁閥，所述排氣口設(shè)置有排氣閥；所述保護(hù)氣體進(jìn)氣口電磁閥和排氣閥均設(shè)置在熔煉爐體上，通過其開合為熔煉爐體內(nèi)的金屬液體提供保護(hù)氣體氣氛以及提供壓力；
[0013]為保證安全，本發(fā)明所述的精鑄爐還包括安全閥，所述安全閥設(shè)置在熔煉爐體上，用于在保護(hù)氣體進(jìn)氣口電磁閥和/或排氣閥損壞后的排氣或減壓；
[0014]進(jìn)一步的，為保證金屬液體的一致性，本發(fā)明所述的精鑄爐還包括電磁攪拌裝置；所述電磁攪拌裝置為環(huán)形，設(shè)置在熔煉爐體的外圍，利用電磁力對(duì)熔煉爐體內(nèi)的金屬液體進(jìn)行攪拌；
[0015]其中，所述壓鑄頭包括壓鑄頭外殼，壓鑄頭絕緣材料、壓鑄頭加熱源以及壓鑄口 ；所述壓鑄口位于壓鑄頭的中心，與熔煉爐體內(nèi)的金屬液體連通；壓鑄口周圍設(shè)置壓鑄頭加熱源，以保證其中金屬液體的流動(dòng)性；壓鑄頭加熱源外圍設(shè)置壓鑄頭絕緣材料；
[0016]壓鑄口的內(nèi)徑依據(jù)毛細(xì)原理設(shè)計(jì)，可確保僅有重力作用時(shí)熔體不會(huì)自然流出，但在有外加壓力作用的情況下，熔體能夠順暢穩(wěn)定地輸出；所述壓鑄頭加熱源可為感應(yīng)加熱器，感應(yīng)加熱器可在壓鑄口內(nèi)壁出現(xiàn)熔體凝固和熔體流動(dòng)受阻時(shí)發(fā)揮作用。
[0017]所述控制壓鑄頭開合狀態(tài)的電磁開關(guān)包括電磁開關(guān)鐵芯，塞棒、復(fù)位彈簧和插銷；所述電磁開關(guān)鐵芯通過復(fù)位彈簧與塞棒連接，所述塞棒在電磁力和復(fù)位彈簧的作用下關(guān)閉或開啟壓鑄口 ；所述插銷用來定位并限位塞棒；通電時(shí)，產(chǎn)生磁力，吸上塞棒，塞棒由插銷定位并限位，壓鑄口開啟；斷電時(shí)，塞棒在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位，壓鑄口關(guān)閉。
[0018]熔煉爐體包括從外到內(nèi)依次包括爐體外殼，絕熱材料,熔煉爐加熱源和爐體內(nèi)殼。
[0019]進(jìn)一步的，為控制方便，本發(fā)明所述的精鑄爐還包括壓力傳感器，所述壓力傳感器設(shè)置在熔煉爐體內(nèi)部，用于感應(yīng)熔煉爐體內(nèi)的金屬液體的壓力；
[0020]熔體的溫度以及對(duì)熔體所施加的壓力均采取閉環(huán)控制，精鑄爐與可調(diào)壓力容器連接，所述可調(diào)壓力容器能夠?yàn)榫T爐提供保護(hù)氣氛，還能夠通過調(diào)節(jié)壓力，來調(diào)節(jié)精鑄爐內(nèi)的液面高度。
[0021]本發(fā)明所述的裝置結(jié)構(gòu)緊湊，能夠精確實(shí)現(xiàn)熔體直接成型金屬構(gòu)件的移動(dòng)微壓鑄，采用本發(fā)明所述的精鑄爐，能夠在加工過程中根據(jù)液位嚴(yán)格控制液面上方內(nèi)壓力使得金屬熔體恒速流出；在加工過程中嚴(yán)格控制熔體流出時(shí)的溫度；在加工過程中根據(jù)需要控制精鑄爐上壓鑄頭的開閉。因此，本發(fā)明所述的裝置可以通過調(diào)整熔體的流量、壓力、壓鑄層厚度、熔體的凝固速度以及壓鑄頭的移動(dòng)軌跡，逐點(diǎn)逐層調(diào)控構(gòu)件材料的組織形態(tài)(包括晶粒尺寸、相成分和界面結(jié)構(gòu)等)、殘余應(yīng)力狀態(tài)(包括大小與分布)和表面質(zhì)量。本發(fā)明不僅可以按設(shè)定的形狀和尺寸成型金屬構(gòu)件，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)能對(duì)其機(jī)械性能進(jìn)行有效調(diào)控。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明所述的能夠?qū)崿F(xiàn)金屬構(gòu)件移動(dòng)微壓鑄成型的精鑄爐的示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明所述的能夠?qū)崿F(xiàn)金屬構(gòu)件移動(dòng)微壓鑄成型的精鑄爐的仰視圖；
[0024]圖3為本發(fā)明所述的能夠?qū)崿F(xiàn)金屬構(gòu)件移動(dòng)微壓鑄成型的精鑄爐的剖視圖；
[0025]其中:1為熔煉爐法蘭蓋；2為熔煉爐體；3為電磁攪拌裝置；4為進(jìn)料口 ；5為保護(hù)氣體進(jìn)氣口處電磁閥；6為排氣閥；7為安全閥；8為控制壓鑄頭開合狀態(tài)的電磁開關(guān)；9為壓鑄頭；10為壓鑄口 ；11為電磁開關(guān)鐵心；12為復(fù)位彈簧；13為插銷；14為熔煉爐加熱源；15為絕熱材料；16為爐體外殼；17為爐體內(nèi)殼；18為壓鑄頭外殼，19為壓鑄頭絕熱材料，20為壓鑄頭加熱源；21為壓力傳感器；22為塞棒。

【具體實(shí)施方式】
[0026]以下實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的發(fā)明范圍。該領(lǐng)域的技術(shù)工程師可根據(jù)上述發(fā)明的內(nèi)容對(duì)本發(fā)明作出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。如無特別說明，所采用的方法是本領(lǐng)域常用的方法和設(shè)備。
[0027]實(shí)施例1
[0028]本發(fā)明具體的裝置的外形見圖1所示:熔煉爐體2為中空的圓柱體，其上設(shè)置熔煉爐體法蘭蓋1，熔煉爐體法蘭蓋I上設(shè)置有進(jìn)料口 4，保護(hù)氣體進(jìn)氣口處電磁閥5以及排氣閥6，還設(shè)置有控制壓鑄頭開合狀態(tài)的電磁開關(guān)8。
[0029]另外熔煉爐體法蘭蓋I上還設(shè)置有安全閥7 ；
[0030]所述熔煉爐體2外環(huán)設(shè)置有電磁攪拌裝置3 ；
[0031]熔煉爐體2下方有出料口，出料口處設(shè)置有壓鑄頭9，壓鑄頭9中心有壓鑄口10 (見圖2)，熔融的金屬液體從進(jìn)料口 4進(jìn)入后，在熔煉爐內(nèi)保持一定的液面高度，然后根據(jù)需要控制壓鑄頭開合狀態(tài)的電磁開關(guān)8從出料口流出，并經(jīng)過壓鑄頭9進(jìn)行微壓鑄。
[0032]圖3表明了所述精鑄爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu):所述壓鑄頭9包括壓鑄頭外殼18，壓鑄頭絕緣材料19、壓鑄頭加熱源20以及壓鑄口 10 ;所述壓鑄口 10位于壓鑄頭9的中心，與熔煉爐體2內(nèi)的金屬液體連通；壓鑄口 10周圍設(shè)置壓鑄頭加熱源20，以保證其中金屬液體的流動(dòng)性；壓鑄頭加熱源20外圍設(shè)置壓鑄頭絕緣材料19 ；
[0033]所述控制壓鑄頭開合狀態(tài)的電磁開關(guān)8包括電磁開關(guān)鐵芯11，復(fù)位彈簧12和插銷13 ;所述塞棒22可在電磁力和復(fù)位彈簧12的聯(lián)合作用下關(guān)閉或開啟壓鑄口 10 ；
[0034]熔煉爐體2包括從外到內(nèi)依次包括爐體外殼16，絕熱材料15，熔煉爐加熱源14和爐體內(nèi)殼17。
[0035]另外，熔煉爐體2底部還設(shè)置有壓力傳感器21，熔體的溫度以及對(duì)熔體所施加的壓力均采取閉環(huán)控制，精鑄爐與可調(diào)壓力容器連接，所述可調(diào)壓力容器能夠?yàn)榫T爐提供保護(hù)氣氛，還能夠通過調(diào)節(jié)壓力，來調(diào)節(jié)精鑄爐內(nèi)的液面高度。
[0036]具體的說:
[0037]I為熔煉爐法蘭蓋，置于熔煉爐體2上，兩者之間密封連接。
[0038]3為電磁攪拌裝置，采用交變電流驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生變化的周期性磁場，對(duì)爐內(nèi)液態(tài)金屬實(shí)施攪拌。
[0039]4為進(jìn)料口，其上可設(shè)置進(jìn)料口法蘭蓋。加工過程中移除法蘭蓋，與進(jìn)料管道連接；如無需進(jìn)料則使用法蘭蓋密封。
[0040]5為惰性氣體進(jìn)氣口出電磁閥，6為排氣閥。通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)嚴(yán)格控制惰性氣體進(jìn)氣口出電磁閥5、排氣閥6的開合狀態(tài)以調(diào)整、穩(wěn)定爐內(nèi)氣壓。
[0041]7為安全閥，以保證控制惰性氣體進(jìn)氣口出電磁閥5、排氣閥6或者計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)損壞后出現(xiàn)安全隱患。
[0042]8為控制壓鑄頭開合狀態(tài)的電磁開關(guān)。
[0043]9為壓鑄頭，液態(tài)金屬由壓鑄口 10引出。
[0044]11為電磁開關(guān)鐵心，通過表面處理或者隔絕方法，使得其與法蘭蓋I不接觸，從而能有效集中磁力線。通電時(shí)，產(chǎn)生磁力，吸上塞棒22，塞棒22由插銷13定位并限位，壓鑄口10開啟；斷電時(shí)，由于復(fù)位彈簧12的復(fù)位作用，塞棒22落下，壓鑄口 10關(guān)閉。
[0045]14為熔煉爐加熱源，使用時(shí)通電發(fā)熱。
[0046]15為絕熱材料，避免由于加熱導(dǎo)致爐體外表面溫度過高。
[0047]16為爐體外殼，17為爐體內(nèi)殼。
[0048]18為壓鑄頭外殼，19為壓鑄頭絕熱材料，20為壓鑄頭加熱源。
[0049]21為壓力傳感器，用于安裝壓力傳感器監(jiān)測總壓力。
[0050]上述精鑄爐的工作過程為:
[0051]1.開啟環(huán)境保護(hù)設(shè)備(未示出)、惰性氣體進(jìn)氣口出電磁閥5，排氣閥6，使精鑄爐中充滿惰性氣體。
[0052]2.開啟熔煉爐加熱源14、壓鑄頭加熱源20，加熱電源，分別加熱至所需溫度并保持。
[0053]3.開啟進(jìn)料口 4,通過液態(tài)金屬輸送管道,輸送部分液態(tài)金屬。
[0054]4.調(diào)節(jié)惰性氣體進(jìn)氣口出電磁閥5，排氣閥6，至所需壓力。
[0055]5.實(shí)施加工，實(shí)現(xiàn)成型。加工過程中根據(jù)液位嚴(yán)格控制液面上方內(nèi)壓力使得金屬熔體恒速流出。加工過程中嚴(yán)格控制熔體流出時(shí)的溫度。加工過程中根據(jù)需要控制控制壓鑄頭開合狀態(tài)的電磁開關(guān)8從而控制壓鑄頭10的開閉。
[0056]6.待加工完成，除渣，清理。
[0057]本發(fā)明所述的裝置結(jié)構(gòu)緊湊，能夠精確實(shí)現(xiàn)熔體直接成型金屬構(gòu)件的移動(dòng)微壓鑄，采用本發(fā)明所述的精鑄爐，能夠在加工過程中根據(jù)液位嚴(yán)格控制液面上方內(nèi)壓力使得金屬熔體恒速流出；在加工過程中嚴(yán)格控制熔體流出時(shí)的溫度；在加工過程中根據(jù)需要控制精鑄爐上壓鑄頭的開閉。因此，本發(fā)明所述的裝置可以通過調(diào)整熔體的流量、壓力、壓鑄層厚度、熔體的凝固速度以及壓鑄頭的移動(dòng)軌跡，逐點(diǎn)逐層調(diào)控構(gòu)件材料的組織形態(tài)(包括晶粒尺寸、相成分和界面結(jié)構(gòu)等)、殘余應(yīng)力狀態(tài)(包括大小與分布)和表面質(zhì)量。本發(fā)明不僅可以按設(shè)定的形狀和尺寸成型金屬構(gòu)件，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)能對(duì)其機(jī)械性能進(jìn)行有效調(diào)控。
【權(quán)利要求】
1.一種能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)微壓鑄熔體直接成型金屬構(gòu)件的精鑄爐，其特征在于，包括熔煉爐體，進(jìn)料口和出料口，壓鑄頭，以及控制壓鑄頭開合狀態(tài)的電磁開關(guān)；所述熔煉爐體為中空的圓柱體，其上設(shè)置熔煉爐體法蘭蓋，所述爐體法蘭蓋上設(shè)置進(jìn)料口，熔煉爐體下方設(shè)置出料口，出料口處設(shè)置有壓鑄頭，熔融的金屬液體從進(jìn)料口進(jìn)入后，在熔煉爐內(nèi)保持一定的液面高度，然后根據(jù)需要控制壓鑄頭開合狀態(tài)的電磁開關(guān)從出料口流出，并經(jīng)過壓鑄頭進(jìn)行微壓鑄。
2.如權(quán)利要求1所述的精鑄爐，其特征在于，所述的精鑄爐還包括保護(hù)氣體進(jìn)氣口和排氣口，所述進(jìn)氣口設(shè)置有氣體進(jìn)氣口電磁閥，所述排氣口設(shè)置有排氣閥；所述保護(hù)氣體進(jìn)氣口電磁閥和排氣閥均設(shè)置在熔煉爐體上，通過其開合為熔煉爐體內(nèi)的金屬液體提供保護(hù)氣體氣氛以及提供壓力。
3.如權(quán)利要求1或2所述的精鑄爐，其特征在于，所述的精鑄爐還包括安全閥，所述安全閥設(shè)置在熔煉爐體上，用于在保護(hù)氣體進(jìn)氣口電磁閥和/或排氣閥損壞后的排氣或減壓。
4.如權(quán)利要求1-3任一所述的精鑄爐，其特征在于，所述精鑄爐還包括電磁攪拌裝置；所述電磁攪拌裝置為環(huán)形，設(shè)置在熔煉爐體的外圍，利用電磁力對(duì)熔煉爐體內(nèi)的金屬液體進(jìn)行攪拌。
5.如權(quán)利要求1所述的精鑄爐，其特征在于，所述壓鑄頭包括壓鑄頭外殼，壓鑄頭絕緣材料、壓鑄頭加熱源以及壓鑄口 ；所述壓鑄口位于壓鑄頭的中心，與熔煉爐體內(nèi)的金屬液體連通；壓鑄口周圍設(shè)置壓鑄頭加熱源，以保證其中金屬液體的流動(dòng)性；壓鑄頭加熱源外圍設(shè)置壓鑄頭絕緣材料。
6.如權(quán)利要求1所述的精鑄爐，其特征在于，本發(fā)明所述的控制壓鑄頭開合狀態(tài)的電磁開關(guān)包括電磁開關(guān)鐵芯，塞棒，復(fù)位彈簧和插銷，所述電磁開關(guān)鐵芯通過復(fù)位彈簧與塞棒連接，所述塞棒在電磁力和復(fù)位彈簧的作用下關(guān)閉或開啟壓鑄口 ；所述插銷用于限位，防止塞棒運(yùn)動(dòng)范圍過大。
7.如權(quán)利要求1所述的精鑄爐，其特征在于，所述熔煉爐體包括從外到內(nèi)依次包括爐體外殼，絕熱材料，熔煉爐加熱源和爐體內(nèi)殼。
8.如權(quán)利要求1-7任一所述的精鑄爐，其特征在于，所述的精鑄爐還包括壓力傳感器，所述壓力傳感器設(shè)置在熔煉爐體內(nèi)部，用于感應(yīng)熔煉爐體內(nèi)的金屬液體的壓力。
9.如權(quán)利要求1-8任一所述的精鑄爐的應(yīng)用，其特征在于，用于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)微壓鑄熔體直接成型金屬構(gòu)件。
【文檔編號(hào)】B22D17/00GK104226955SQ201410426084
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】彭青, 陳光南, 羅耕星, 肖京華, 王紅才, 李正陽, 張坤 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所