一種合金半固態旋壓增材製備裝置的製作方法

2023-06-02 00:50:21

本實用新型涉及一種合金半固態旋壓增材製造裝置，屬於材料加工技術領域。

背景技術：

金屬半固態成形技術在上世紀70年代由美國麻省理工學院學者提出之後，在國內外學者的研究之下得到迅速發展。半固態加工是利用金屬從液態向固態轉變或從固態向液態轉變（即固液共存）過程中所具有的特性進行成形的方法。這一成形加工方法綜合了凝固加工和塑性加工的長處，即加工溫度低變形抗力小，可一次大變形量加工成形形狀複雜和性能質量要求較高的零件。但半固態成形技術對工藝及其模具設計要求較高，當零件結構較複雜時，成形件缺陷較多，工藝周期長。

為了解決上述問題，本實用新型提供了一種合金半固態旋壓增材製備裝置，該方法將製漿過程與成型過程連接起來，製造速度快，節省材料，成型件結構緻密，成本低，能夠大幅縮短製造時間，顯著提高製造效率。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種合金半固態旋壓增材製備裝置，該裝置將製漿過程與成型過程組合在一起，省去漿料轉移，克服半固態鑄造技術工藝繁瑣，費時較長的缺點，無需或者只需簡單模具，操作過程簡單方便；所述合金半固態旋壓增材製備裝置，包括控制器1、伺服電機2、同步齒形皮帶輪Ⅰ3、皮帶4、製漿裝置5、進料口6、成形裝置8，其中製漿裝置5包括進水口9、出水口10、傳動軸13、鍵14、同步齒形皮帶輪Ⅱ15、軸承Ⅰ16、冷卻水管17、軸承Ⅱ18、旋壓管20、承壓筒21、陶瓷加熱圈22、出料口轉換器23；控制器1與伺服電機2連接，伺服電機2與同步齒形皮帶輪Ⅰ3連接，同步齒形皮帶輪Ⅰ3通過皮帶4與同步齒形皮帶輪Ⅱ15連接，同步齒形皮帶輪Ⅱ15通過鍵14與傳動軸13連接；傳動軸13上依次設有軸承Ⅰ16、軸承Ⅱ18，傳動軸13與旋壓管20連接；旋壓管20位於承壓筒21的內部，承壓筒21的外面設有陶瓷加熱圈22，在旋壓管20旋轉過程中對金屬液進行保溫防止其在旋壓管20激冷作用下凝固，承壓筒21的筒底中心為出料口，出料口外卡有轉換器23，轉換器23的正下方設有成形裝置8；旋壓管20的外壁上半部分光滑，下半部分設有旋向向下的螺紋，進料口6與承壓筒21的上端正對；傳動軸13與旋壓管20的內部中空並設有冷卻水管17，冷卻水管17分別與進水口9、出水口10連通，冷卻循環水由進水口流入水管，由出水口流出；控制器1分別和陶瓷加熱圈22、成形裝置8、伺服電機2連接。

優選的，本實用新型所述伺服電機2、製漿裝置5、進料口6均固定在支架7上。

優選的，本實用新型所述成形裝置8包括液壓工作檯、液壓柱、底座組成，液壓工作檯可實現前後、左右、上下三個方向自由度的運動，成形裝置8與控制器1連接；這些信號通過傳感器採集輸入控制器1連接進行控制。

優選的，本實用新型所述旋壓管與承壓筒之間間隙距離不大於0.5cm。

優選的，本實用新型所述傳動軸13與旋壓管20通過銷釘19連接。

優選的，本實用新型所述冷卻水導流塊11通過橡膠水封12與傳動軸13連接，防止冷卻循環水流出。

優選的，本實用新型所述轉換器23可更換為不同截面的轉換器23；可以通過更換轉換器來改變出料口內徑，還可以根據需要成形零件特點，選擇帶有不同出料結構的轉換器。

承壓筒底21垂直方向斜度為30°，呈漏鬥形，筒底中心為出料口。

旋壓管20外壁光滑部分給金屬液激冷作用使其強制形核，獲得細小顆粒狀初生相均勻分布的半固態漿料。旋壓管20外壁螺紋部分為旋向向下的螺紋，在旋轉時給漿料向下的旋壓動力及出料口轉換器23給漿料橫向擠壓力，兩種力疊加能夠提高堆積漿料的緻密性，降低孔隙率。

旋壓管20材料為不鏽鋼或與金屬熔體有較好潤溼性的材料。

伺服電機2、成形裝置8、陶瓷加熱圈22由控制器1控制。

本實用新型所述裝置的工作過程：伺服電機2由控制器1控制轉速，同步齒形皮帶輪3與伺服電機2轉速相同；金屬液由進料口6倒入製漿裝置5，旋壓管20的光滑部分給金屬液一個激冷作用使其強制形核，獲得由細小顆粒狀初生相均勻分布的半固態漿料，製備成功的半固態漿料通過旋壓管20螺紋向下旋壓將漿料擠至出料口，出料口通過更換不同截面的出料口轉換器23圓形、方形等，改變出料口結構，控制擠出漿料的截面大小與形狀，半固態漿料並由出料口擠出後在成形裝置8進行增材製造；成形裝置8由液壓工作檯、液壓柱、底座組成，液壓工作檯可實現前後、左右、上下三個方向的自由度運動，這些信號通過傳感器採集輸入控制器進行控制，此控制過程為常規控制過程。

本實用新型的優勢：

（1）本實用新型的裝置將半固態漿料的製備與零件成型組合起來，可製備結構複雜的零件，彌補了鑄造成型的不足，裝置結構簡單、效率高。

（2）本實用新型不需模具，或只需簡易模具。

（3）旋壓管與出料口分別給漿料一定的縱向與橫向壓力，促使漿料在堆積過程中更加緻密，降低孔隙率。

（4）可以根據需要成形零件特點，選擇不同出料口轉換器，改變出料口結構，控制所出漿料截面大小及形狀。

本實用新型的部分特徵和優點將在隨後的說明書中予以闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本實用新型而了解。本實用新型的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構或流程來實現和獲得。

附圖說明

圖1是本實用新型的半固態旋壓增材製備裝置結構示意圖。

圖2是本實用新型的半固態漿料製備系統的剖面圖。

圖3是本實用新型的一種出料口轉換器的主視圖。

圖4是本實用新型的一種出料口轉換器的俯視圖。

圖中：1-控制器，2-伺服電機，3-同步齒形皮帶輪Ⅰ，4-皮帶，5-製漿裝置，6-進料口，7-支架，8-成形裝置，9-進水口，10-出水口，11-冷卻水導流塊，12-橡膠水封，13-傳動軸，14-鍵，15-同步齒形皮帶輪Ⅱ，16-軸承Ⅰ，17-水管，18-軸承Ⅱ，19-銷釘，20--旋壓管，21-承壓筒，22-陶瓷加熱圈，23-出料口轉換器。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明，但本實用新型的保護範圍並不限於所述內容。

實施例1

本實施例所述合金半固態旋壓增材製備裝置，包括控制器1、伺服電機2、同步齒形皮帶輪Ⅰ3、皮帶4、製漿裝置5、進料口6、成形裝置8，其中製漿裝置5包括進水口9、出水口10、傳動軸13、鍵14、同步齒形皮帶輪Ⅱ15、軸承Ⅰ16、冷卻水管17、軸承Ⅱ18、旋壓管20、承壓筒21、陶瓷加熱圈22、出料口轉換器23；控制器1與伺服電機2連接，伺服電機2與同步齒形皮帶輪Ⅰ3連接，同步齒形皮帶輪Ⅰ3通過皮帶4與同步齒形皮帶輪Ⅱ15連接，同步齒形皮帶輪Ⅱ15通過鍵14與傳動軸13連接；傳動軸13上依次設有軸承Ⅰ16、軸承Ⅱ18，傳動軸13與旋壓管20連接；旋壓管20位於承壓筒21的內部，承壓筒21的外面設有陶瓷加熱圈22，在旋壓管20旋轉過程中對金屬液進行保溫防止其在旋壓管20激冷作用下凝固，承壓筒21的筒底中心為出料口，出料口外卡有轉換器23，轉換器23的正下方設有成形裝置8；旋壓管20的外壁上半部分光滑，下半部分設有旋向向下的螺紋，進料口6與承壓筒21的上端正對；傳動軸13與旋壓管20的內部中空並設有冷卻水管17，冷卻水管17分別與進水口9、出水口10連通，冷卻循環水由進水口流入水管，由出水口流出；控制器1分別和陶瓷加熱圈22、成形裝置8、伺服電機2連接，伺服電機2、製漿裝置5、進料口6均固定在支架7上。

本實施例所述成形裝置8包括液壓工作檯、液壓柱、底座組成，液壓工作檯可實現前後、左右、上下三個方向自由度的運動，成形裝置8與控制器1連接；這些信號通過傳感器採集輸入控制器1，控制器1將信息反饋給工作檯，在漿料製備之前，先用三維造型軟體建立成形件三維模型，然後將三維模型分層處理以得到多個二維切片，漿料製備成功之後在計算機控制下進行立體成形，如圖1所示。

本實施例所述冷卻水導流塊11通過橡膠水封12與傳動軸13連接，防止冷卻循環水流出；在製漿裝置工作時，冷卻水系統不隨旋壓管旋轉，在開動伺服電機工作時先通入冷卻水，然後將金屬液倒入進料口，金屬液在旋壓管的旋轉引力與螺紋向下旋力的共同作用下沿旋壓管螺紋流動；金屬液在旋壓管激冷作用下快速、大量形核，同時在陶瓷加熱圈保溫作用下使其溫度一直處於固液相之間，使半固態漿料不至因溫度過低凝固。半固態漿料在旋壓管向下旋壓力作用下擠至出料口，出料口加置自製出料口轉換器，改變出料口結構，控制所出漿料截面大小及形狀，如圖2所示。

本實施例所述旋壓管與承壓筒之間間隙距離為0.3cm。

本實施例所述裝置用於製備半固態A356合金深腔殼體，包括如下步驟：

（1）用proe軟體對深腔殼體進行三維實體造型，將建好的三維模型用分層軟體切片，轉化為平面輪廓信息，對成形過程進行編程，輸入控制器1；

（2）將採用中頻爐熔煉製備的A356合金低過熱度熔體混合均勻；

（3）將上述低過熱度熔體正對旋壓管以恆定速度澆注，熔體順著旋壓管向下流動，旋壓管的光滑部分給金屬液一個激冷作用使其強制形核，獲得由細小顆粒狀初生相均勻分布的半固態漿料；

（4）上述漿料在旋壓管螺紋向下的旋向壓力作用下擠出至裝有扁平形轉換器的出料口，受到橫向的約束力，排除漿料中可能存在的氣體；

（4）製備成功的半固態漿料呈長條狀流至基板上，在計算機控制下，沿x軸、y軸、z軸根據模型形狀分層成型，對結構複雜的鑄件用一些簡易模具對其邊界進行約束，直到整體構造結束。

實施例2

本實施例所述合金半固態旋壓增材製備裝置，包括控制器1、伺服電機2、同步齒形皮帶輪Ⅰ3、皮帶4、製漿裝置5、進料口6、成形裝置8，其中製漿裝置5包括進水口9、出水口10、傳動軸13、鍵14、同步齒形皮帶輪Ⅱ15、軸承Ⅰ16、冷卻水管17、軸承Ⅱ18、旋壓管20、承壓筒21、陶瓷加熱圈22、出料口轉換器23；控制器1與伺服電機2連接，伺服電機2與同步齒形皮帶輪Ⅰ3連接，同步齒形皮帶輪Ⅰ3通過皮帶4與同步齒形皮帶輪Ⅱ15連接，同步齒形皮帶輪Ⅱ15通過鍵14與傳動軸13連接；傳動軸13上依次設有軸承Ⅰ16、軸承Ⅱ18，傳動軸13與旋壓管20連接；旋壓管20位於承壓筒21的內部，承壓筒21的外面設有陶瓷加熱圈22，在旋壓管20旋轉過程中對金屬液進行保溫防止其在旋壓管20激冷作用下凝固，承壓筒21的筒底中心為出料口，出料口外卡有轉換器23，轉換器23的正下方設有成形裝置8；旋壓管20的外壁上半部分光滑，下半部分設有旋向向下的螺紋，進料口6與承壓筒21的上端正對；傳動軸13與旋壓管20的內部中空並設有冷卻水管17，冷卻水管17分別與進水口9、出水口10連通，冷卻循環水由進水口流入水管，由出水口流出；控制器1分別和陶瓷加熱圈22、成形裝置8、伺服電機2連接，伺服電機2、製漿裝置5、進料口6均固定在支架7上。

本實施例所述成形裝置8包括液壓工作檯、液壓柱、底座組成，液壓工作檯可實現前後、左右、上下三個方向自由度的運動，成形裝置8與控制器1連接；這些信號通過傳感器採集輸入控制器1，控制器1將信息反饋給工作檯，在漿料製備之前，先用三維造型軟體建立成形件三維模型，然後將三維模型分層處理以得到多個二維切片，漿料製備成功之後在計算機控制下進行立體成形，如圖1所示。

本實施例所述冷卻水導流塊11通過橡膠水封12與傳動軸13連接，防止冷卻循環水流出；在製漿裝置工作時，冷卻水系統不隨旋壓管旋轉，在開動伺服電機工作時先通入冷卻水，然後將金屬液倒入進料口，金屬液在旋壓管的旋轉引力與螺紋向下旋力的共同作用下沿旋壓管螺紋流動；金屬液在旋壓管激冷作用下快速、大量形核，同時在陶瓷加熱圈保溫作用下使其溫度一直處於固液相之間，使半固態漿料不至因溫度過低凝固。半固態漿料在旋壓管向下旋壓力作用下擠至出料口，出料口加置自製出料口轉換器，改變出料口結構，控制所出漿料截面大小及形狀，如圖2所示。

本實施例所述旋壓管與承壓筒之間間隙距離為0.4cm。

本實施例所述傳動軸13與旋壓管20通過銷釘19連接。

本實施例所述承壓筒底21呈漏鬥形（承壓筒底21垂直方向斜度為30°），筒底中心為出料口。

本實施例所述裝置用於製備過共晶Al-25%Si合金缸套，包括如下步驟：

（1）用proe軟體對缸套進行三維實體造型，將建好的三維模型用分層軟體切片，轉化為平面輪廓信息，對成型過程進行編程，輸入控制器1；

（2）將採用中頻爐熔煉製備的過共晶Al-25Si合金低過熱度熔體混合均勻；

（3）將上述低過熱度熔體正對旋壓管以恆定速度澆注，熔體順著旋壓管螺紋向下流動，旋壓管的光滑部分給金屬液一個激冷作用使其強制形核，獲得由細小顆粒狀初生相均勻分布的半固態漿料；

（4）上述漿料在旋壓管螺紋向下的旋向壓力作用下擠出至裝有方形轉換器的出料口時，受到橫向的約束力，排除漿料中可能存在的氣體；

（5）製備成功的半固態漿料呈方塊狀流至基板上，在計算機控制下，沿x軸、y軸、z軸根據模型形狀分層成型，對結構複雜的鑄件用一些簡易模具對其邊界進行約束，直到整體構造結束。