基于功率超声与压力耦合的挤压铸造设备制造技术

本实用新型专利技术公开一种基于功率超声与压力耦合的挤压铸造设备，包括模具型腔、保温加热器、冲头、功率超声发生器、模具冷却系统和数据采集器，模具型腔的腔壁中设有保温加热器，冲头设于模具型腔上方，功率超声发生器设于从具型腔的侧面，模具型腔外周设有模具冷却系统，数据采集器与模具型腔的腔壁外侧连接。本实用新型专利技术原理简单，可提高挤压铸造的效率和速率，有效改善金属熔体的组织形态和性能，也为后续的实验搭建了平台，实时测量的数据可以帮助深入实验分析。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本技术公开一种基于功率超声与压力耦合的挤压铸造设备，包括模具型腔、保温加热器、冲头、功率超声发生器、模具冷却系统和数据采集器，模具型腔的腔壁中设有保温加热器，冲头设于模具型腔上方，功率超声发生器设于从具型腔的侧面，模具型腔外周设有模具冷却系统，数据采集器与模具型腔的腔壁外侧连接。本技术原理简单，可提高挤压铸造的效率和速率，有效改善金属熔体的组织形态和性能，也为后续的实验搭建了平台，实时测量的数据可以帮助深入实验分析。【专利说明】基于功率超声与压力耦合的挤压铸造设备
本技术涉及金属材料加工
，特别涉及一种基于功率超声与压力耦合的挤压铸造设备。
技术介绍
金属制品(如铸锭、铸件等产品)的质量直接取决于金属熔体的质量，因此在金属材料的加工过程中，金属熔体的成形工艺以及处理方法就显得尤为重要。挤压铸造成形工艺与其他铸造成形方法相比，所得到的铸件组织具有均匀致密、力学性能优良、表面光洁度和尺寸精度高等优点，因此被广泛应用于机械、汽车、家电、航空、航天、国防等领域。 超声波通常是指频率高于2X 14Hz的声波，按其用途可分为检测超声、功率超声和医学超声。超声波在媒质中的传播效应主要可以归结为:空化效应、声流效应、热效应和衰减效应，其中空化效应和声流效应占据主导作用。研究表明，使用功率超声处理金属熔体，可以细化晶粒，促进金属熔体中的气体形成气泡并长大上浮，可以促进夹杂物的团聚从而上浮，也有研究认为可以将夹杂物进行破碎实现弥散分布，以上原理都有助于提高金属熔体的质量。 目前已有的研究方法都集中于将超声波工具杆浸入待处理的金属熔体进行超声处理，采用该方法可以从一定程度上改善金属熔体的质量，但这种方法仅仅是对金属熔体进行单一物理场作用，并没有结合挤压铸造的加工工艺展开研究，因此金属熔体的质量尚有提升的空间。 功率超声导入金属熔体的方式也分为直接导入和间接导入两种，直接导入的方式受制于空间尺寸、可能会带来污染等因素制约；间接导入超声是将功率超声施加于固定介质，再通过介质作用于金属熔体，这样导入，可能会引起超声能量的损耗。目前有研究是将电流通过线圈产生电磁力，通过电磁力使得超声波工具杆吸附在盛有金属熔体的坩埚表面，采用该方法可以将功率超声间接导入金属熔体，但超声的衰减规律比较复杂，无法进行定量分析。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于功率超声与压力耦合的挤压铸造设备，该设备为后续的实验搭建了平台，实时测量的数据可以帮助深入实验分析，得到更为准确的结论。 本技术的技术方案为:一种基于功率超声与压力耦合的挤压铸造设备，包括模具型腔、保温加热器、冲头、功率超声发生器、模具冷却系统和数据采集器，金属熔体置于模具型腔中，模具型腔的腔壁中设有保温加热器，冲头设于模具型腔上方，功率超声发生器穿过模具型腔的腔壁后，从模具型腔的侧面插入金属熔体中，模具型腔外周设有模具冷却系统，数据采集器与模具型腔的腔壁外侧连接。 所述功率超声发生器包括依次连接的超声波换能器、超声波变幅杆和超声波导入杆，超声波导入杆的末端带有杆尖，杆尖穿过模具型腔的腔壁后，从模具型腔的侧面插入金属熔体中。 所述超声波导入杆与模具型腔腔壁的相接处设有密封机构，通过端盖固定于模具型腔的腔壁上，密封机构包括模具侧静环、模具侧动环组件、大气侧静环、大气侧动环组件、动环座和密封盖，模具侧静环和大气侧静环分别位于密封设备的两端，模具侧静环的外端面与端盖相连接，模具侧静环的外圆柱面和大气侧静环的外圆柱面分别与密封盖相连接，模具侧静环、大气侧静环和密封盖之间形成密封空间，密封空间内设有模具侧动环组件、大气侧动环组件和动环座，模具侧动环组件和大气侧动环组件分别设于动环座两端。 密封机构中，动环座通过销钉固定于超声波导入杆上，模具侧静环的内侧面和大气侧静环的内侧面分别通过静环O型圈与超声波导入杆相连接，模具侧静环的外端面通过防转销与端盖固定连接； 密封盖包括固定连接的左盖和右盖，左盖压紧于大气侧静环的外周，右盖压紧于模具侧静环的外周，右盖的外端面与端盖相接，右盖上设有泄压孔； 模具侧动环组件包括动环、轴套和弹簧，动环一端与模具侧静环的内端面相接触，动环另一端通过弹簧与动环座相连接，超声波导入杆外周与弹簧的相接面上设有轴套，动环内侧面通过动环O型圈与超声波导入杆相连接； 大气侧动环组件的结构与模具侧动环组件的结构对称。 所述模具冷却系统为水冷系统，包括冷却水循环通道和板式水冷换热器，模具型腔的腔壁外周设有冷却水循环通道，冷却水循环通道的进水口和出水口分别与板式水冷换热器连接。 所述数据采集器包括压力传感器、温度传感器、数据采集卡和单片机，模具型腔的腔壁外侧开有多个数据采集通道，压力传感器和温度传感器分别设于数据采集通道内，压力传感器通过数据采集卡与单片机连接，温度传感器通过数据采集卡与单片机连接；单片机上设有串行通讯接口。其中，单片机可通过串行通讯接口扩展程序存储器和数据存储器；多个数据采集通道在模具型腔的腔壁外侧呈圆周分布，各数据采集通道位于超声波导入杆杆尖所在水平面上。 上述基于功率超声与压力耦合的挤压铸造设备中，通过对金属熔体同时施加功率超声波和压力，利用二者对金属熔体凝固组织的作用是互补和耦合增强的关系，从而改善金属材料的组织形态和性能；同时，在金属熔体冷却后，通过数据采集器采集其温度参数、压力参数并进行数据处理，为后续的实验搭建了平台，奠定基础。 通过上述设备可实现一种基于功率超声与压力耦合的挤压铸造方法，包括以下步骤: (I)预热挤压铸造设备的模具型腔； (2)将金属熔体加热至预设温度后，浇入模具型腔中，同时开启保温加热器，对模具型腔进行保温； (3)开启功率超声发生器，产生的超声波对金属熔体进行功率超声振动，同时，液压机的冲头向金属熔体施加压力，功率超声和压力协同耦合作用，直至金属熔体完全凝固，形成金属固体； (4)开启模具冷却系统和数据采集器，通过模具冷却系统对模具型腔进行冷却，同时，数据采集器在模具型腔腔壁的外侧面上采集相应的实验数据并处理。 所述步骤(I)中，模具型腔的预热温度为250°C ； 所述步骤⑵中，金属熔体的预设温度为液相线以上10?100°C的温度范围；保温加热器对模具型腔进行保温时，模具型腔内侧面的温度保持在500?550°C。 所述步骤(3)中，功率超声发生器从模具型腔的侧面插入金属熔体中，对金属熔体进行功率超声振动，超声波频率为20KHz，超声波功率为O?2200W ； 液压机的冲头由上至下向金属熔体施加压力，冲头直接与金属熔体相接触，挤压比压为O?75MPa，挤压速度为0.03?0.06m/s，保压时间为30s。 所述功率超声发生器中，通过超声波导入杆的杆尖插入金属熔体中，插入的深度为2?5mm ;功率超声发生器使用前，超声波导入杆的杆尖处涂抹脱模剂。 所述数据采集器中采集并处理实验数据时，先通过压力传感器和温度传感器采集相应的压力值和温度值，然后通过数据采集卡将各压力值和温度值送至主控单元进行数据处理，得到压力与时间的关系曲线和温度与时间的关系曲线。 本技术相对于现有技术，具有以下有益效果本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于功率超声与压力耦合的挤压铸造设备，其特征在于，包括模具型腔、保温加热器、冲头、功率超声发生器、模具冷却系统和数据采集器，金属熔体置于模具型腔中，模具型腔的腔壁中设有保温加热器，冲头设于模具型腔上方，功率超声发生器穿过模具型腔的腔壁后，从模具型腔的侧面插入金属熔体中，模具型腔外周设有模具冷却系统，数据采集器与模具型腔的腔壁外侧连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张杨，张卫文，张大童，罗宗强，罗执，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东;44