一种自动化合金流变浆料制备及流变成型的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种自动化合金流变浆料制备及流变成型的装置和方法，属于金属材料及加工成形领域。该装置主要由合金熔炼装置、熔体输送装置、熔体处理装置、自动化控制装置及成型装置组成；合金熔炼装置为电阻熔炼炉；熔体输送装置包括坩埚和机械手；熔体处理装置包括熔体处理腔体、电磁搅拌装置和芯棒；自动化控制装置包括搅拌控制装置和机械手控制装置；成型装置为挤压铸造机、压铸机及其他成型设备；合金熔体通过机械手从电阻熔炼炉中装取到坩埚中，定向移动至熔体处理装置进行搅拌处理后，再定向移动并倒入成型装置进行成型处理。通过本发明专利技术处理得金属熔体成型零件组织细小均匀、铸造缺陷减少，性能提高，产品生产效率提高，产品成本大幅降低。

【技术实现步骤摘要】
一种自动化合金流变浆料制备及流变成型的装置和方法
本专利技术涉及一种自动化新型电磁搅拌流变浆料制备及流变成型的装置和方法，属于金属材料及其加工成形

技术介绍
凝固组织的细化、均匀化是提高金属材料性能和品质的关键环节，是实现金属材料短流程近终形成形加工的技术基础。但是受金属材料固有的凝固特性限制，组织通常呈现“三晶带”的分布特点，存在晶粒粗大、成分偏析、组织不均匀等问题，对大体积合金熔体凝固而言尤为明显。因此，如何获得细小、圆整、均匀分布的凝固组织一直是材料学者们研究的热点问题。针对这个科学问题，国内外均尝试采用施加外场（电磁搅拌、机械搅拌、超声震动、气流搅拌等）干预合金熔体的凝固过程，通过施加外场使合金熔体产生强烈扰动，促使合金熔体的温度场、成分场更加均匀，进而使合金熔体在整个熔体范围内同时大量形核，从而实现对合金熔体凝固组织的精确控制，获得细小均匀的凝固组织，最终细化晶粒组织。电磁搅拌法具有能量的高密度性和清洁性、优越的响应性和可控性、易于自动化、能量利用率高等优点，所以率先实现产业化并获得较为广泛的商业应用。美国专利4434837和4229210及中国专利200420112702.0、200510086377.4和201220715064.6都公开了几种制备合金浆料或坯料的电磁搅拌方法，其主要原理是利用强烈的电磁搅拌使合金熔体产生流动，获得相对均匀的温度场和成分场，最终细化合金的晶粒组织。但是由于电磁感应的集肤效应的存在导致搅拌作用仅仅集中在表面的一个很小的薄层，而使中心大面积的金属液搅拌效果很差，从而使得金属液无法获得均匀的搅拌，从心部到边部的合金熔体的温度场和成分场分布不均匀，频率越高，集肤效应越明显，距离断面外表层的距离越大，则感应电流的衰减越剧烈。因此大部分电磁搅拌装置和方法均是采取降低频率的方法减弱集肤效应，但是低的频率不仅减弱了搅拌强度，同时需增设变频装置，会增加设备投资成本，增加合金浆料的制备成本。中国专利200810116181提出了一种环缝式电磁搅拌装置和方法，该装置在熔体心部放置一个芯棒，形成熔体缝隙，在搅拌缝隙宽度可调的环缝式制浆系统内实现浆料的搅拌。环缝不仅避开了磁感应强度较低的部分，可有效避免电磁感应趋肤效应导致的搅拌力的不均匀性，将交变电磁场趋肤效应劣势转变为优势，充分利用趋肤效应层磁感应强度高的优点，同时增加了熔体心部的散热面积，使浆料获得的更加均匀的温度场和成分场，使用工频电流便可以实现均匀的搅拌，因此减少了变频设备，减少成本。但由于缝隙的宽度有限，只能处理小体积熔体，熔体处理量有限，同时电磁搅拌的固有特性，电磁力在熔体中是按周向分布的，熔体的流动也是沿周向运动，以层流为主，这就不可避免的产生了沿径向和轴向分布的温度梯度和成分梯度。美国专利5135564也提出了一种类似的电磁搅拌设备和方法，该设备主要是通过旋转的磁场和可上下移动的芯棒来控制熔体的搅拌，避开熔体受电磁力较小的地方和增加熔体的散热，但是电磁搅拌所产生的熔体搅拌效果都是沿周向运动的，以层流为主，很难产生熔体的径向和轴向流动，也就同样不可避免的产生了沿径向和轴向分布的温度梯度和成分梯度，上下移动的芯棒虽说可以增强熔体上下的流动，但是效果有限，同时该设备相当复杂，操作困难，生产成本较高。机械搅拌的优点是剪切速率高、搅拌强度大、使液态金属产生剧烈的紊流，获得较为均匀的温度场和成分场。美国专利6745818B1及中国专利201310026955.X和201110339603.0都公开了几种机械搅拌熔体处理的设备和方法，基本上都是利用由电机带动搅拌杆来实现熔体的搅动，获得均匀的温度场和成分场，细化组织。但不足之处是机械搅拌杆多为金属材料，容易污染熔体，带入杂质，同时机械搅拌装置容易被腐蚀，消耗高，寿命短，检修率高，不适合大批量零件的生产，同时搅拌设备庞大，成本高。超声震动的优点主要是设备成本低，使金属熔体产生对流，形成均匀的温度场和成分场，细化组织。中国专利200910061766.X、200710168664.9和200710168738.9提出了几种超声震动的设备和方法。但不足之处为声波能量衰减剧烈，超声工具头腐蚀严重。气体搅拌法的优点也是设备较为简单，能产生一定的熔体扰动，获得相对均匀的温度场和成分场，细化组织。美国专利6645323B2和中国专利201310101881.1提出了几种气体搅拌的设备。但是不足之处为气体的搅拌强度相对较低，金属熔体的均匀性难以达到很好，尤其是对于大体积熔体。同时结合两种或多种上述熔体处理方法也可以实现熔体的搅拌处理，增强熔体搅拌的强度，获得更加均匀的温度场和成分场，进而获得更加细小的组织。日本专利2000-190051A、中国专利200910272841.7和200510046936.9提出了几种复合搅拌的装置和方法。但是这些设备和方法只是简单的将两种或多种搅拌方式组合在一起，虽说可以提高搅拌效果，但是每种搅拌方法的固有缺点并没有消除，依然存在。例如日本专利2000-190051A，提出了一种电磁-机械复合搅拌方法，虽说可以增强熔体搅拌的强度，获得更加均匀的温度场和成分场，但是机械搅拌芯棒仍然需要采用金属材料以便于和电动机连接来实现搅拌，容易污染熔体，带入杂质，同时容易被腐蚀，只能处理铝合金等熔点较低的合金熔体，处理金属熔体种类有限，消耗高，寿命短，检修率高，不适合大批量零件的生产，机械搅拌设备复杂庞大，成本高。目前大多数熔体处理及成型过程都处于实验阶段，基本都是由人工完成，这就造成熔体处理精度的不足，零件成品率低，生产效率低下，成产成本大幅提高。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术的目的是提供一种自动化新型电磁搅拌流变浆料制备及流变成型的装置。该装置依靠具有特殊形状、材质的芯棒结构仅利用电磁搅拌装置便可同时实现熔体电磁搅拌和机械搅拌的特征，结合了电磁搅拌能量的高密度性和清洁性、优越的响应性和可控性、易于自动化、能量利用率高和机械搅拌剪切速率高、搅拌强度大、使液态金属产生剧烈的紊流、自清洁的优点，克服了电磁搅拌由于周向运动特性和集肤效应引起的搅拌不均匀和机械搅拌容易污染、易腐蚀和设备检修率高的缺点，使用工频电流便可以实现均匀的搅拌，因此减少了变频设备，减少成本。利用芯棒的除气装置通入惰性气体，解决了搅拌过程熔体易卷气的特点，通入的气体也会对熔体造成一定的搅拌作用并在熔体上层充满惰性气体，防止熔体氧化，而且通入室温的惰性气体不仅可以增强芯棒的散热效果，而且可以把熔体底部较高温度的熔体热量带走并从熔体上部排出，使熔体温度更加均匀，同时实现了从熔体收集、熔体处理到熔体成型的全过程自动化控制，该装置不仅可以处理常用的铝合金、镁合金熔体，还可以处理铜合金、锌合金、钛合金等合金熔体及其颗粒增强的金属基复合材料。一种自动化合金流变浆料制备及流变成型的装置，该装置主要由合金熔炼装置、熔体输送装置、熔体处理装置、自动化控制装置及成型装置组成。所述的合金熔炼装置为电阻熔炼炉；所述的熔体输送装置包括坩埚和机械手，用于合金熔体在熔炼炉与熔体处理装置之间，及在熔体处理装置与流变成型装置之间的移动；所述的熔体处理装置包括熔体处理腔体、电磁搅拌装置和芯棒等，所述的电磁搅拌装置安装在熔体处理腔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自动化合金流变浆料制备及流变成型的装置，其特征在于：主要由合金熔炼装置、熔体输送装置、熔体处理装置、自动化控制装置及成型装置组成；所述的合金熔炼装置为电阻熔炼炉；所述的熔体输送装置包括坩埚和机械手；所述的熔体处理装置包括熔体处理腔体、电磁搅拌装置和芯棒，所述的电磁搅拌装置安装在熔体处理腔体的边缘，所述的芯棒安装在熔体处理腔体的中心，所述的熔体处理腔体的下端设置供坩锅移入或移出的出口；所述的自动化控制装置包括搅拌控制装置和机械手控制装置，所述的搅拌控制装置包括温度感应器和热电偶，两者之间通过传输线路相连；机械手自动控制装置自动控制机械手的定向移动和翻转；所述的成型装置为挤压铸造机、压铸机及其他成型设备；合金熔体通过机械手从电阻熔炼炉中装取到坩埚中，定向移动至熔体处理装置进行搅拌处理后，再定向移动并倒入成型装置进行成型处理。

【技术特征摘要】
1.一种自动化合金流变浆料制备及流变成型的装置，其特征在于：主要由合金熔炼装置、熔体输送装置、熔体处理装置、自动化控制装置及成型装置组成；所述的合金熔炼装置为电阻熔炼炉；所述的熔体输送装置包括坩埚和机械手；所述的熔体处理装置包括熔体处理腔体、电磁搅拌装置和芯棒，所述的芯棒为单螺杆芯棒，单螺杆芯棒由螺杆和多个螺纹构成，所述单螺杆芯棒内部留有气体通道，螺杆半径比坩埚半径小5～50mm，所述的电磁搅拌装置安装在熔体处理腔体的边缘，所述的芯棒安装在熔体处理腔体的中心，所述的熔体处理腔体的下端设置供坩锅移入或移出的出口；所述的自动化控制装置包括搅拌控制装置和机械手控制装置，所述的搅拌控制装置包括温度感应器和热电偶，两者之间通过传输线路相连；机械手自动控制装置自动控制机械手的定向移动和翻转；所述的成型装置为挤压铸造机、压铸机及其他成型设备；合金熔体通过机械手从电阻熔炼炉中装取到坩埚中，定向移动至熔体处理装置进行搅拌处理后，再定向移动并倒入成型装置进行成型处理。2.根据权利要求1所述的自动化合金流变浆料制备及流变成型的装置，其特征在于：所述的电磁搅拌装置为三相三极、三相三对极或三相多对极；搅拌频率为低频、工频、中频或高频。3.根据权利要求1所述的自动化合金流变浆料制备及流变成型的装置，其特征在于：所述的螺纹高度为3～47mm，螺纹螺距为20～100mm，螺纹横截面形状为等腰梯形，等腰梯形锐角度数为45～90°，螺纹为单线螺纹、双线螺纹或多线螺纹。4.根据权利要求3所述的自动化合金流变浆料制备及流变成型的装置，其特征在于：所述的气体通道半径为5～100mm，通道一直到距离单螺杆芯棒底部5～50mm处；并在单螺杆芯棒下部设置多个出气孔，出气孔位于距单螺杆芯棒下表面5～100mm处，出气孔半径为0.5～10mm。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：徐骏，高志华，张志峰，刘国钧，刘建朝，杨玉洁，张少明，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：北京;11