專利名稱：鋁、鎂合金及其復(fù)合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料加工的裝置，特別涉及一種用于AI、 Mg合金及其復(fù)合材料連續(xù)凝固 與成形一體化的裝置。
技術(shù)背景Al、 Mg合金是汽車、航空、軍工和民用的重要材料，在未來(lái)的工業(yè)發(fā)展中，具有廣泛的 應(yīng)用前景，Al、 Mg基復(fù)合材料綜合了增強(qiáng)相高硬度、高彈性模量、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和基體高 韌性、塑性、良好的導(dǎo)熱性與導(dǎo)電性，是一種非常重要的工程結(jié)構(gòu)材料。目前，Al、 Mg合金及其復(fù)合材料加工成形的傳統(tǒng)工藝方案是金屬熔煉—鑄造—塑性成 形(鍛造、擠壓、軋制、拉拔等)。因其熔煉、制坯、加熱及塑性成形四個(gè)工序是獨(dú)立分開的， 具有工藝路線長(zhǎng)，制品成材率低，能耗高，污染環(huán)境的缺點(diǎn)；對(duì)于復(fù)合材料，由于增強(qiáng)相密 度一般比A1、 Mg的大，其尺寸細(xì)小具有較大的比表面能，以及普遍存在的增強(qiáng)相與A1、 Mg 熔體的潤(rùn)濕性與相容性問題，易發(fā)生沉降和聚集現(xiàn)象，因而弱化了增強(qiáng)相的強(qiáng)化效應(yīng)；同時(shí)， Al、 Mg基復(fù)合材料的塑性較差，加工制造成本高。因此，Al、 Mg合金及其復(fù)合材料的加工 成形存在制造成本高、制品質(zhì)量差，能耗高的等突出問題。近年來(lái)，環(huán)境污染、能源與資源短缺已成為人類所共同面臨的重大問題，在金屬加工領(lǐng) 域，正朝著保護(hù)環(huán)境、提高產(chǎn)品質(zhì)量、擴(kuò)大產(chǎn)品品種、提高產(chǎn)品成材率、縮短工藝流程、節(jié) 能、節(jié)材的方向發(fā)展，新型的短流程金屬成型技術(shù)受到廣泛重視，成為新材料科學(xué)領(lǐng)域中的 前沿技術(shù)。從液態(tài)成形方面，出現(xiàn)連續(xù)鑄軋、液態(tài)擠壓、液態(tài)模鍛等技術(shù)。從固態(tài)成形方面， 出現(xiàn)了連軋、連續(xù)擠壓、無(wú)頭軋制等技術(shù)。然而，這些技術(shù)都沒能從根本上兼顧縮短工藝流 程，節(jié)約能源，提升制品質(zhì)量的要求。就目前為止，尚未發(fā)現(xiàn)有一種用于鋁鎂合金及其復(fù)合 材料凝固與成形一體化的裝置的報(bào)導(dǎo)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，為實(shí)現(xiàn)鋁、鎂合金及其復(fù)合材料熔體直接凝固， 一步成形，達(dá)到縮短流程和節(jié)約能源，提升制品質(zhì)量，提供一種用于鋁、鎂合金及其復(fù)合材 料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置。本發(fā)明的裝置，包括有電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、彈性連軸器、機(jī)架，要點(diǎn)是電機(jī)通過(guò)彈性連軸 器與減速機(jī)軸一端相連，減速機(jī)軸另一端，通過(guò)彈性連軸器與由水冷輪系，固定靴座及裝配 在固定靴座型腔內(nèi)的模具構(gòu)成的主機(jī)相連。在主機(jī)的軸頭設(shè)置有一個(gè)速度和扭矩傳感器。上述的水冷輪系，主要由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輥，裝配在空心軸上，通過(guò)壓在轉(zhuǎn)動(dòng)輥軸向一側(cè)的邊 輥，推動(dòng)件，再經(jīng)液壓螺母壓緊固定而組成。在轉(zhuǎn)動(dòng)輥的輥面上有一個(gè)溝槽，轉(zhuǎn)動(dòng)輥輥面內(nèi) 側(cè)有輻射式環(huán)形孔，空心軸內(nèi)有一個(gè)分水套；用于固定轉(zhuǎn)動(dòng)輥的液壓螺母是由環(huán)形缸套、密 封墊和環(huán)形柱塞組成。轉(zhuǎn)動(dòng)輥輥面上的溝槽尺寸為10mmX 10mm至40mmX40mm。上述的固定靴座，有一個(gè)靴座體，靴座體內(nèi)側(cè)面為弧形面，在弧形面上裝配有一個(gè)槽封 塊，靴座體內(nèi)側(cè)面里有冷卻水通道和測(cè)溫孔；靴座體中部有一個(gè)用于安裝模具的型腔，型腔 口下方，面向轉(zhuǎn)動(dòng)輥輥面處裝有一個(gè)檔料塊；靴座體下部有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，靴座體與液壓缸保 壓裝置相連，靴座體的制品出口處安裝有冷卻水槽。擋料塊與轉(zhuǎn)動(dòng)輥面上的溝槽采用間隙配合D4/d4。上述的液壓缸保壓裝置是由一個(gè)液壓缸與液控單向閥相連，液控單向閥與電磁閥相連組成。上述的封槽塊與轉(zhuǎn)動(dòng)輥輥面的接觸弧角是75 90?；?0 140° 。本發(fā)明可選用的模具主要有空心型材模，實(shí)心型材模，包復(fù)材?；驍U(kuò)展成形模；模具的 材質(zhì)選用熱作模具鋼。選用H13或3Cr2W8等。所說(shuō)的擴(kuò)展成形模由擴(kuò)展體，分流體和成形體組成。 本發(fā)明與已有技術(shù)相比較，顯著的特點(diǎn)(1) 應(yīng)用液壓螺母，提供給水冷輪系大于1000KN的裝配預(yù)緊力，依靠橡膠密封技術(shù)， 解決水冷輪系在強(qiáng)扭矩工況條件下的穩(wěn)定性和密封問題，水冷輪系中液壓螺母的結(jié)構(gòu)如圖7所示由環(huán)形缸套、密封墊和環(huán)形柱塞組成，密封墊使環(huán)形缸套和環(huán)形柱塞密封，通過(guò)高壓泵，向環(huán)形缸套內(nèi)注入壓力約40Mpa的液壓油，驅(qū)動(dòng)環(huán)形柱塞移動(dòng)，推動(dòng)零件使水冷輪系壓 緊，便可以實(shí)現(xiàn)水冷輪系的永久壓緊和密封。(2) Al、 Mg合金及其復(fù)合材料的連續(xù)凝固與成形過(guò)程的溫度控制連續(xù)凝固/成形一體 化的水冷輪系輥表面采用輻射式冷卻方式(圖7中箭頭部分)，以提高對(duì)金屬熔體的冷卻強(qiáng)度， 冷卻水的循環(huán)由分水套實(shí)現(xiàn)，其外層為進(jìn)水通道，內(nèi)層為出水通道。同時(shí)，連續(xù)凝固與成形 冷卻強(qiáng)度過(guò)程變量(溫度、壓力和流量)控制，依靠變頻泵和比例減壓閥，流量與壓力變送 器集中控制。(3) 從澆注口到出口的固定靴座內(nèi)安裝有熱電偶，多點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)量連續(xù)凝固與成形過(guò)程的 各點(diǎn)溫度。主機(jī)的輸入端設(shè)置扭矩測(cè)試裝置和霍爾開關(guān)式測(cè)速裝置，并由碳刷將測(cè)試的電信 號(hào)從轉(zhuǎn)動(dòng)的主軸傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，熔體流量、冷卻強(qiáng)度、水冷輪系轉(zhuǎn)速和制品在線冷卻控制。(4)在模具中，通過(guò)增加變斷面型腔，實(shí)現(xiàn)金屬熔體的擴(kuò)展成形，從而突破傳統(tǒng)擠壓技 術(shù)只能制備比坯料尺寸小制品的限制，通過(guò)優(yōu)化連續(xù)凝固與成形條件，便可以生產(chǎn)大斷面高 性能A1、 Mg合金及其復(fù)合材料制品。產(chǎn)生的積極效果是通過(guò)本發(fā)明裝置，不僅能實(shí)施將鋁鎂合金及其復(fù)合材料熔體直接凝 固，實(shí)現(xiàn)一步成形，還可以實(shí)現(xiàn)Al、 Mg材料的動(dòng)態(tài)結(jié)晶與流變成形；連續(xù)凝固與成形一體 化過(guò)程對(duì)熔體的強(qiáng)烈剪切與熱擾動(dòng)效應(yīng)，可影響增強(qiáng)相的遷移與界面擴(kuò)散行為，同時(shí)增強(qiáng)相 粒子獲得一定的外來(lái)能量，具有從團(tuán)簇中分散的作用，使其呈彌散分布，增加粒子相的表面 能，利于增強(qiáng)粒子相與A1、 Mg熔體的潤(rùn)濕，改善界面相容性，從而提高粒子相的強(qiáng)化效應(yīng)； 強(qiáng)烈的剪切冷卻效應(yīng)使凝固過(guò)程中的金屬基體相組織發(fā)生細(xì)化，可提高Al、 Mg基體相的強(qiáng) 度、斷裂韌性和塑性；將Al、 Mg基材料凝固與擴(kuò)展成形有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)低應(yīng)力狀態(tài)下的一 步成形，從而可以連續(xù)生產(chǎn)無(wú)限長(zhǎng)的高性能Al、 Mg基材料大尺寸管材、線材和型材制品。 并達(dá)到節(jié)能、節(jié)材和提高制品使用價(jià)值，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。


圖l是本發(fā)明裝置視圖；圖2是本發(fā)明連續(xù)凝與成形基本原理圖；圖3是主機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖；圖4是固定靴座結(jié)構(gòu)與水冷輪系的裝配關(guān)系圖； 圖5液壓缸保壓狀態(tài)液壓控制圖； 圖6管材和空心型材制品擴(kuò)展成形模結(jié)構(gòu)圖； 圖7水冷輪系及液壓螺母結(jié)構(gòu)圖；上述圖中1電機(jī)，2彈性連軸器I， 3減速機(jī)，4彈性連軸器n， 5速度和扭矩傳感器，6 主機(jī)，7轉(zhuǎn)動(dòng)輥，8溝槽，9固定靴座，IO槽封塊，ll模具，lla微擠壓筒，12環(huán)形孔，13 機(jī)架，14冷卻水通道，15水冷槽，16澆注系統(tǒng)，17液壓螺母，17a環(huán)形柱塞，17b密封墊， 17c環(huán)形缸套，18空心軸，19密封檔板，20測(cè)溫孔，21靴座體，22擋料塊，23液壓缸，24 轉(zhuǎn)動(dòng)軸，25液控單向閥，26電磁閥，27擴(kuò)展體，28分流體，29成形體，30擴(kuò)展腔體，31 分流孔，32焊合室，33滾珠軸承，34密封件，35推動(dòng)件，36分水套，37邊輥。
具體實(shí)施方式
例1從圖1所示，本發(fā)明裝置由電機(jī)1選用直流電機(jī)，通過(guò)彈性連軸I2與減速機(jī)3軸的一 端相連，減速機(jī)3的另一端軸與彈性連軸器II 4相連，彈性連軸器II 4與主機(jī)的空心軸18相連，在主機(jī)軸頭部位設(shè)置有一個(gè)速度和扭矩傳感器5，進(jìn)行力能及速度參數(shù)監(jiān)測(cè)。從圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示，主機(jī)6主要有一個(gè)水冷輪系，由一個(gè)空心 軸18，通過(guò)裝配在空心軸18左、右兩邊的滾珠軸承33及其兩側(cè)的密封擋板19通過(guò)機(jī)架13 底板上的立板固定在機(jī)架13上，滾珠軸承33由密封擋板19固定和密封，空心軸18的中部 位置，裝配一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輥7，轉(zhuǎn)動(dòng)輥7通過(guò)壓在轉(zhuǎn)動(dòng)軸軸向一側(cè)的邊輥37和由推動(dòng)件35，環(huán)形 缸套17c、密封墊17b、環(huán)形柱塞17a組成的液壓螺母及密封件34壓緊固定和密封。上述的轉(zhuǎn)動(dòng)輥7的輥面上有一個(gè)溝槽8,轉(zhuǎn)動(dòng)輥7的輥面溝槽的尺寸為10mmX 10mm。 轉(zhuǎn)動(dòng)輥7的輥面內(nèi)側(cè)開有輻射式環(huán)形孔12?？招妮S18內(nèi)裝配有一個(gè)分水套36。主機(jī)6中的固定靴座9有一個(gè)靴座體21，其內(nèi)側(cè)面為弧形面，在弧形面上裝配有一個(gè)槽 封塊IO，槽封塊10與轉(zhuǎn)動(dòng)輥7的輥面接觸弧角，根據(jù)合金種類不同而不同。對(duì)于A1合金， 弧角選取75~90° ，對(duì)鎂合金弧角選取90~140° 。在靴座體21弧形面內(nèi)側(cè)開有冷卻水通道 14和測(cè)溫孔20，靴座體21中部位置有一個(gè)裝配模具ll的型腔，在型腔口的下方，面向轉(zhuǎn)動(dòng) 輥7輥面處，裝有一個(gè)擋料塊22，在型腔品的出料口處裝配有水冷槽15;靴座體21下部端 頭安裝有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸24，靴座體21背向轉(zhuǎn)動(dòng)輥7 —側(cè)與液壓缸23相連，液壓缸23與液控 單向閥25連接，液控單向閥25與電磁闊26相連《且成液壓驅(qū)動(dòng)保壓裝置。上述靴座體21上的擋料塊與轉(zhuǎn)動(dòng)輥7輥面上的溝槽8，采用間隙配合D4/d4，其作用是 將溝槽8內(nèi)的金屬料擋住，使其進(jìn)入微擠壓筒lla (擠壓模前的空腔)。模具根據(jù)成品要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用管材和空心型材制品擴(kuò)展成形模，材質(zhì)選3Cr2W8等， 其構(gòu)成由擴(kuò)展體27，分流體28，成形體29構(gòu)成。機(jī)架13由底板和兩個(gè)立板組成，底板固定在地面基礎(chǔ)上，立板用于固定和安裝輪軸承 33及其兩側(cè)的密封擋板19，同時(shí)底板用于固定靴座9的轉(zhuǎn)動(dòng)軸24及液壓缸23。本發(fā)明裝置，應(yīng)用直流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速方式，電機(jī)輸出的扭矩通過(guò)彈性連軸器，將動(dòng)力傳 至減速機(jī)進(jìn)行扭矩放大，再通過(guò)彈性連軸器傳至主機(jī)，驅(qū)動(dòng)主機(jī)的水冷輪系工作。工作主機(jī)的基本原理如圖2所示；水冷輪系的轉(zhuǎn)動(dòng)輥面上有溝槽，固定靴座體內(nèi)裝有弧 形的槽封塊，轉(zhuǎn)動(dòng)輥面與槽封塊接合形成弧形型腔，合金熔體注入弧形型腔中，轉(zhuǎn)動(dòng)輥面對(duì) 合金強(qiáng)烈的剪切/冷卻作用，使A1、 Mg合金熔體經(jīng)歷液相凝固，半固態(tài)形變和擠壓成形過(guò)程， 并在模具中塑性成形，形成制品。上述固定靴座體，是在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下，繞其下部的轉(zhuǎn)動(dòng)輥24轉(zhuǎn)動(dòng)，使槽封塊與轉(zhuǎn)動(dòng) 輥輥面結(jié)合與分離，接合時(shí)是裝置的工作狀態(tài)，分離時(shí)用于更換模具。為保證接合狀態(tài)穩(wěn)定， 液壓缸采用液控單向閥進(jìn)行保壓，當(dāng)1DT有電時(shí)，電磁閥26左位接通，液控單向閥25打開，液壓缸處于分離狀態(tài)；當(dāng)2DT有電時(shí)，電磁閥26右位接通，液控單向閥25打開，液壓缸處 于加壓接合狀態(tài)，此時(shí)當(dāng)2DT斷電時(shí)，電磁閥26處于中位，液控單向閥關(guān)閉，則液壓缸處 于保壓接合狀態(tài)。上述轉(zhuǎn)動(dòng)輥壓緊與密封是應(yīng)用液壓螺母，提供給轉(zhuǎn)動(dòng)輥大于1000KN的裝配預(yù)緊力，依 靠橡膠密封。具體是通過(guò)高壓泵，向環(huán)形套內(nèi)注入壓力40MPa的液壓油，驅(qū)動(dòng)環(huán)形柱塞移動(dòng)， 推動(dòng)零件，使轉(zhuǎn)動(dòng)輥壓緊，便可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)輥永久壓緊和密封。例2具體結(jié)構(gòu)同例1，不同之處電機(jī)選用變頻電機(jī)，溝槽8尺寸為40mmX40mm;模具 選用實(shí)型模，模具鋼材為H13。
權(quán)利要求
1、鋁、鎂合金及其復(fù)合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置，包括有電機(jī)、減速機(jī)、彈性連軸器、機(jī)架，其特征在于電機(jī)通過(guò)彈性連軸器與減速機(jī)軸一端相連，減速機(jī)軸另一端通過(guò)彈性連軸器與由水冷輪系，固定靴座及裝配在固定靴座型腔內(nèi)的模具構(gòu)成的主機(jī)相連，在主機(jī)軸頭設(shè)置有一個(gè)速度和扭矩傳感器。
2、 按照權(quán)利要求1所述的鋁、鎂合金及其復(fù)合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置，其特 征在于水冷輪系主要由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輥，裝配在空心軸上，通過(guò)壓在轉(zhuǎn)動(dòng)輥軸向一側(cè)的邊輥，推 動(dòng)件，再經(jīng)液壓螺母壓緊固定而組成。
3、 按照權(quán)利要求2所述的鋁、鎂合金及其復(fù)合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置，其特 征在于轉(zhuǎn)動(dòng)輥的輥面上有一個(gè)溝槽，轉(zhuǎn)動(dòng)輥輥面內(nèi)側(cè)有輻射式環(huán)形孔，空心軸內(nèi)有一個(gè)分水 套；液壓螺母由環(huán)形缸套，密封墊和環(huán)形柱塞組成。
4、 按照權(quán)利要求3所述的鋁、鎂合金及其復(fù)合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置，其特 征在于轉(zhuǎn)動(dòng)輥輥面上的溝槽尺寸為10mmX 10mm至40mmX40mm。
5、 按照權(quán)利要求1所述的鋁、鎂合金及其復(fù)合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置，其特 征在于固定靴座由一個(gè)靴座體，靴座體內(nèi)側(cè)面為弧形面，在弧形面上裝配有一個(gè)槽封塊，靴 座體弧形面的內(nèi)側(cè)有冷卻水通道和測(cè)溫孔，靴座體中部有一個(gè)用于安裝模具的型腔，在型腔 口下方，面向轉(zhuǎn)動(dòng)輥輥面處裝有一個(gè)擋料塊，靴座體下部有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，靴座體與液壓驅(qū)動(dòng) 保壓裝置相連，在靴座體的制品出口處安裝有冷卻水槽。
6、 按照權(quán)利要求5所述的鋁、鎂合金及其復(fù)合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置，其特 征在于所述的擋料塊與轉(zhuǎn)動(dòng)輥面上的溝槽采用間隙配合D4/d4。 .
7、 按照權(quán)利要求5所述的鋁、鎂合金及其復(fù)合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置，其特 征在于所述的液壓驅(qū)動(dòng)保壓裝置由一個(gè)液壓缸與液控單向閥相連，液控單向閥與電磁閥相連 組成。
8、 按照權(quán)利要求5所述的鋁、鎂合金及其復(fù)合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置，其特 征在于所述的槽封塊與轉(zhuǎn)動(dòng)輥輥面的接觸弧角是75 90?；?0 140° 。
9、 按照權(quán)利要求l所述的鋁、鎂合金及其復(fù)合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置，其特 征在于所述的模具主要有空心型材模，實(shí)心型材模，包復(fù)材?；驍U(kuò)展成形模；模具的材質(zhì)選 用熱作模具鋼。
10、 按照權(quán)利要求9所述的鋁、鎂合金及其復(fù)合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置，其 特征在于擴(kuò)展成形模由擴(kuò)展體、分流體和成形體組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及鋁、鎂合金及其復(fù)合材料連續(xù)凝固與成形一體化的裝置，由電機(jī)、減速機(jī)、彈性連軸器、主機(jī)、機(jī)架構(gòu)成，特征是主機(jī)主要由水冷輪系，固定靴座，裝配在型腔中的模具，液壓驅(qū)動(dòng)保壓裝置及設(shè)置在主機(jī)軸頭上的速度和扭矩傳感器構(gòu)成。水冷輪系有空心軸，其上裝配轉(zhuǎn)動(dòng)輥，通過(guò)液壓螺母壓緊與密封；固定靴座有一個(gè)靴座體，其弧形面內(nèi)側(cè)裝有槽封塊，中間部位有裝配模具的型腔，型腔口下裝一個(gè)擋料塊。應(yīng)用本發(fā)明不僅能實(shí)現(xiàn)鋁、鎂材料的連續(xù)凝固與成形，還能提高鋁、鎂基體相的強(qiáng)度，斷裂韌性和塑性；同時(shí)能實(shí)現(xiàn)凝固與擴(kuò)展成形有機(jī)結(jié)合，連續(xù)生產(chǎn)無(wú)限長(zhǎng)高性能大尺寸管材、線材和型材制品，并達(dá)到節(jié)能，節(jié)材和提高制品使用價(jià)值，并易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
文檔編號(hào)B22D11/14GK101214535SQ200710159220
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者李英龍, 溫景林, 陳彥博 申請(qǐng)人:東北大學(xué)