伺服控制半固態鎂合金高速注射成型機的製作方法
2023-10-29 13:29:47
專利名稱：伺服控制半固態鎂合金高速注射成型機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種注射成型機，特別是一種伺服控制半固態鎂合金高 速注射成型機，屬於金屬合金材料熱成型加工技術及設備領域。
背景技術：
在鎂合金材料生產應用中，技術成熟度髙的熱室和冷室壓鑄在各種 鎂合金成型技術中所佔比例最大。鎂合金壓鑄需要極高的壓射速度，因 而在模具內不可避免地會有金屬液紊流及巻氣現象發生，造成工件內部 和表面產生孔洞缺陷，致使產品強度低、無法熱處理、氣密性差，另外
還導致模具設計困難、良品率難以控制；其次，熔化鎂合金還涉及到安 全和環保等一系列問題。因此，壓鑄鎂合金產品雖然具有尺寸穩定性好、 生產率高、壓鑄型和工具壽命長等優點，但也存在夾雜多、氣孔多、成 型後難熱處理、尺寸近淨成型差等制約鎂合金產品進一步擴大應用的問 題。因此對於表面質量及機械性能要求高的鑄件，採用壓鑄法生產的鎂 合金產品無法滿足工業要求。
觸變注射成型技術(Thixomolding)是目前唯一用於鎂合金工業生 產的半固態成型技術。該技術於1992年開始商業應用，專利權由美國 Thixomat公司持有，截至目前，該公司僅授權日本的JSW公司和加拿大 的HUSKY公司生產鎂合金觸變注射成型設備。由於設備的整體價格較高， 加之高昂的專利許可費用，故與壓鑄產品相比，生產成本要高出幾倍甚 至十幾倍，雖然觸變注射成型產品的表面質量及機械性能較高，產品的 整體竟爭能力仍然較弱。
我國尚無生產鎂合金半固態注射成型設備的廠家。近些年，我國在 半固態鑄造領域雖然也開展了較為廣泛的研究，但在半固態成型技術產 業化應用領域仍是空白，研究工作也剛剛起步。
中國專利文獻號CN1817512於2006年8月16日公開了一種金屬成 型技術中金屬半固態漿料製備方法和裝置。其目的在於提供一種可以降 低原材料成本，提高成品率及產品質量的鎂合金半固態注射成型方法和 裝置。注射成型的方法包括金屬粉末進行混合；氣體保護；定量供給；在集注射、攪拌、輸送功能為一體的金屬套簡裝置內將金屬粉末轉變為
固液混合狀態；半固態注射成型。注射成型裝置由金屬粉末混合裝置和 注射機兩部分組成，金屬粉末混合裝置由金屬粉末攪拌容器和金屬粉末 存儲容器組成；注射機包括一集注射、攪拌、輸送功能為一體的金屬套 簡裝置，它由套簡和內部的螺旋輸送杆組成，套簡的外圍裝有可對套簡 的不同部位進行溫度控制的冷卻器和加熱器。但它存在以下不足
1、 沒有高速注射的機構和控制系統。實施鎂合金半固態注射成型加 工的注射機構和注射速度控制系統應滿足半固態材料注射充型的要求， 具備相應的結構和高速注射控制系統。
2、 注射機構未設止逆閥。實施鎂合金半固態注射成型加工的注射機 構應具有封閉良好的止逆閥，才能保證製品的尺寸穩定性和精度要求。
因此，有必要進一步改進和完善。
發明內容
本發明的目的旨在提供一種結構合理緊湊、製造成本低、體積小能 耗低、控制精度高、調試容易、可高速注射，並且能夠對注射速度、保 壓壓力以及塑化背壓進行閉環控制的伺服控制半固態鎂合金注射成型 機，以填補國內半固態鎂合金注射成型機的空白。
按此目的設計的一種伺服控制半固態鎂合金注射成型機，包括鎖模 機構、注射機構、液壓機構、電氣機構和機架，其結構特徵是注射機構 中的注射油缸設置有空心浮動活塞，加料系統中配置有能夠形成半固態 鎂合金組織形態的送料螺杆組件；液壓機構包括插裝閥和高響應蓄能器, 高速注射速度控制系統在注射油缸出油側設置高頻響伺服閥，注射油缸 進油側和出油側設置二個壓力傳感器PS1和PS2，實時檢測系統壓力；電 氣機構中設置有高速CPU模塊控制高速注射速度，實時閉環控制。
所述的注射油缸內一端設置有空心浮動活塞，另一端固定有定位套 簡，空心浮動活塞的開口端插入定位套筒外壁和缸體內壁之間密封配合; 空心浮動活塞內外壁設置有低摩擦組合油封。所述的空心浮動活塞為輕 質薄壁活塞，空心浮動活塞的中段與注射油缸內壁之間設置有低摩擦組 合油封，空心浮動活塞的開口端與定位套簡之間設置有低摩擦組合油封; 空心浮動活塞通過推力軸承與連接座相連接。
所述注射油缸的進油腔和出油腔與注射油控制板直接連接，釆用等 截面流道；注射油缸的進油腔和出油腔面積比為2.2: 1。注射機構還設 置有自動調節的雙階注射位置和旋轉部件，能夠根據工藝和模具的不同 要求調節兩種不同的注射機構位置；旋轉部件配置有液壓油缸驅動，方便快速更換螺杆。
所述的送料螺杆設置在料簡之中，送料螺杆與注射組件之間設置止 逆閥，止逆閥一端與注射組件相通，另一端與送料螺杆相連，通過原料
介質的壓力傳遞來實現密封；止逆閥中段設置有止逆套，止逆套內壁設 置有軸向通道，軸向通道一端與注射組件相通，另一端與送料螺杆末端 外徑連通；止逆套壁上還設置有一個以上的徑向通孔，徑向通孔內側與 軸向通道相通，外側設置有周向槽，槽中設置有活塞環；活塞環為便於 拆換的開口環或分段環。送料螺杆的長徑比為24: 1;壓縮比值為1.45; 且為兩段式設計，通過螺紋或插銷連為一體；料簡為不同材質的內套外 套複合而成，且內套的耐溫為570—650'C。
所述液壓機構的高響應蓄能器的高壓氮氣側連接有氮氣儲氣瓶，高 響應蓄能器的出油側和注射油缸進油側之間設置有插裝閥，在注射油缸 出油側設置有高頻響伺服閥進行出油伺服控制，兩個壓力傳感器PS1和 PS2分別連接注射油缸的進油側和出油側，實時檢測系統壓力，最高注射 速度達到3.8m/s。高響應蓄能器和氮氣儲氣瓶組合控制的輸出液壓油壓 力在120-130Bar之間；高頻響伺服閥的主閥芯位移僅為6mm，階躍響應 0-100%小於15ms;進油控制迴路和回油控制迴路流道設計集成於油路 板內，無外接液壓管路。
所述的電氣機構中設置有獨立高速CPU模塊實施高速注射速度控 制，並採用實時閉環控制算法。
本發明結構緊湊、製造成本低、體積小能耗低、控制精度高、調試容 易、可高速注射，並且能夠對注射速度、保壓壓力以及塑化背壓進行閉環 控制。
圖1為本發明一注射機構的結構示意圖。 圖2為圖1中的局部放大結構示意圖。
圖3為本發明一螺杆組件的結構示意圖。
圖4為圖3中止逆閥的放大結構示意圖。
圖5本發明液壓機構高速注射速度控制液壓原理圖。
圖6為本發明電氣部分原理框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及實施方式對本發明進一步描述。參見圖1-圖4，本伺服控制半固態鎂合金注射成型機，注射油缸1 中設置有空心浮動活塞3,空心浮動活塞3與缸體內壁之間設置有低摩 擦組合油封2，空心浮動活塞3與定位套簡6之間設置有低摩擦組合油 封5。注射油缸1的進油腔和出油腔與注射油控制板4直接連接。機器 工作時，空心浮動活塞3可通過連接座7帶動送料螺杆8做往復直線運 動。加料系統中配置有能夠形成半固態鎂合金組織形態的送料螺杆8組 件。根據鎂合金固態呈屑狀原料與半固態形態體積變化特性及鎂合金螺 旋輸送特性，結合鎂合金加熱熔融特性而專門設計的送料螺杆8，其長 徑比為24: 1，壓縮比為1.45,釆用兩段式設計。注射組件10與送料螺 杆8之間設置有止逆閥11,止逆閥中段設置有止逆套ll.l，止逆套內壁 設置有軸向通道11.2，軸向通道一端與注射組件10相通，另一端與送 料螺杆8末端外徑連通;止逆套壁上還設置有一個以上的徑向通孔11. 3, 徑向通孔內側與軸向通道相通，外側設置有周向槽，槽中設置有活塞環 12。機器注射時，鎂合金組織的壓力通過軸向通道11. 2和徑向通孔11. 3 傳到活塞環12上，使活塞環向外膨脹更好的貼緊料簡從而實現更好的密 封作用。同時活塞環釆用專用合金製造，活塞環12釆用開口設計，便於 更換。
參見圖5，液壓機構包括高頻響伺服閥16和高響應蓄能器13組成，高 響應蓄能器13高壓氮氣一側連接有氮氣儲氣罐14，提供注射所需的壓力穩 定的壓力油；高響應蓄能器13的出油側和注射油缸1進油側之間設置有插 裝閥15，高頻響伺服閥16設置在注射油缸1出油側，在電氣指令控制下實 施注射過程中的注射速度閉環控制，可實現注射速度的高速精確控制。本發 明的注射速度響應時間在15ms以內，即15ms內注射速度可以從0上升到 3. 8m/s，也可以從3.8m/s下降到0。
參見圖6，為本發明電氣部分原理框圖。注射控制部分主要由主控制 器，伺服控制卡，壓力傳感器和位置傳感器組成。其工作原理是電腦給 定的壓力和速度信號，輸入到伺服控制卡以後，經過壓力補償和限制以後， 再經PID調整，輸出到伺服閩放大電路，通過推動先導閥芯，控制主閥芯 移動。當油缸移動以後，位置和壓力傳感器信號，及時反饋到伺服控制卡 的信號輸入端，與設定的速度和壓力信號進行比較，經過比較後的信號， 再經伺服控制卡內專門的算法電路進行處理，推動伺服閥芯，及時地跟蹤 和修正油缸運動的狀態，以達到精、準控制的目的。由於伺服控制卡的主 頻是50MHz，輸入和輸出的解析度都是16Bit，這就保證了運動控制過程反
饋的高精確度和靈敏性，響應的快速和高時效性。
權利要求
1、一種伺服控制半固態鎂合金高速注射成型機，包括鎖模機構、注射機構、液壓機構、電氣機構和機架，其特徵是注射機構中的注射油缸(1)設置有空心浮動活塞(3)，加料系統中配置有能夠形成半固態鎂合金組織形態的送料螺杆(8)組件；液壓機構包括插裝閥(15)和高響應蓄能器(13)，高速注射速度控制系統在注射油缸出油側設置高頻響伺服閥(16)，注射油缸進油側和出油側設置二個壓力傳感器PS1和PS2，實時檢測系統壓力；電氣機構中設置有高速CPU模塊控制高速注射速度，實時閉環控制。
2、 根據權利要求l所述伺服控制半固態鎂合金高速注射成型機，其 特徵是所述的注射油缸(l)內一端設置有空心浮動活塞(3),另一端固 定有定位套簡(6),空心浮動活塞的開口端插入定位套簡外壁和缸體內 壁之間密封配合；空心浮動活塞內外壁設置有低摩擦組合油封(2)、 (5)。
3、 根據權利要求1或2所述伺服控制半固態鎂合金高速注射成型機， 其特徵是所述的空心浮動活塞(3)為輕質薄壁活塞，空心浮動活塞的中 段與注射油缸(l)內壁之間設置有低摩擦組合油封(2)，空心浮動活塞 的開口端與定位套簡(6)之間設置有低摩擦組合油封(5);空心浮動活 塞(3)通過推力軸承與連接座(7)相連接；注射油缸的進油腔和出油 腔與注射油控制板(4)直接連接，採用等截面流道；注射油缸的進油腔 和出油腔面積比為2.2: 1。
4、 根據權利要求1或2所述的伺服控制半固態鎂合金高速注射成型 機，其特徵是所述的注射機構設置有自動調節的雙階注射位置和旋轉部 件，能夠根據工藝和模具的不同要求調節兩種不同的注射機構位置；旋轉 部件配置有液壓油缸驅動。
5、 根據權利要求3所述的伺服控制半固態鎂合金高速注射成型機， 其特徵是所述的送料螺杆(8)設置在料簡(9)之中，送料螺杆與注射 組件(10)之間設置止逆閥(11),止逆閥一端與注射組件相通，另一端與送料螺杆相連，通過原料介質的壓力傳遞來實現密封。
6、 根據權利要求5所述的伺服控制半固態鎂合金高速注射成型機， 其特徵是所述止逆閥(11)中段設置有止逆套(11. 1 )，止逆套內壁設置 有軸向通道(11.2)，軸向通道一端與注射組件(10)相通，另一端與送 料螺杆(8)末端外徑連通；止逆套壁上還設置有一個以上的徑向通孔(11.3)，徑向通孔內側與軸向通道相通，外側設置有周向槽，槽中設置 有活塞環(12);活塞環為便於拆換的開口環或分段環。
7、 根據權利要求5所述的伺服控制半固態鎂合金高速注射成型機， 其特徵是所述送料螺杆(8)的長徑比為24: 1;壓縮比值為1.45;且為 兩段式設計，通過螺紋或插銷連為一體；料簡(9)為不同材質的內套外 套複合而成，且內套的耐溫為570—65(TC。
8、 根據權利要求1或2所述的伺服控制半固態鎂合金高速注射成型 機，其特徵是所述液壓機構的高響應蓄能器(13)的高壓氮氣側連接有 氮氣儲氣瓶(14)，高響應蓄能器的出油側和注射油缸(1)進油側之間 設置有插裝閥(15),在注射油缸出油側設置有高頻響伺服閥(16)進行 出油伺服控制，兩個壓力傳感器PS1和PS2分別連接注射油缸的進油側 和出油側，實時檢測系統壓力，最高注射速度達到3.8m/s。
9、 根據權利要求8所述的伺服控制半固態鎂合金高速注射成型機， 其特徵是所述高響應蓄能器(13 )和氮氣儲氣瓶(14 )組合控制的輸出液 壓油壓力在120-130Bar之間；高頻響伺服閥(16 )的主閥芯位移僅為6mm, 階躍響應0-100%小於15ms;進油控制迴路和回油控制迴路流道設計集成 於油路板內，無外接液壓管路。
10、 根據權利要求1或2所述的伺服控制半固態鎂合金高速注射成型機， 其特徵是所述的電氣機構中設置有獨立高速CPU模塊實施高速注射速度控 制，並釆用實時閉環控制算法。
全文摘要
一種伺服控制半固態鎂合金高速注射成型機，包括鎖模機構、注射機構、液壓機構、電氣機構和機架，其注射機構中的注射油缸設置有空心浮動活塞，加料系統中配置有能夠形成半固態鎂合金組織形態的送料螺杆組件；液壓機構包括插裝閥和高響應蓄能器，高速注射速度控制系統在注射油缸出油側設置高頻響伺服閥，注射油缸進油側和出油側設置二個壓力傳感器PS1和PS2，實時檢測系統壓力；電氣機構中設置有高速CPU模塊控制高速注射速度，實時閉環控制。本發明結構緊湊、製造成本低、體積小能耗低、控制精度高、調試容易、可高速注射，並且能夠對注射速度、保壓壓力以及塑化背壓進行閉環控制。
文檔編號C22C1/00GK101524747SQ20091013101
公開日2009年9月9日 申請日期2009年4月20日 優先權日2009年4月20日
發明者劉勇兵, 崔曉鵬, 濤 張, 李斌禮, 沈鋒利, 隋鐵軍 申請人:廣東伊之密精密機械有限公司