一种合金半固态旋压增材制备装置的制作方法

本实用新型涉及一种合金半固态旋压增材制造装置，属于材料加工技术领域。

背景技术：

金属半固态成形技术在上世纪70年代由美国麻省理工学院学者提出之后，在国内外学者的研究之下得到迅速发展。半固态加工是利用金属从液态向固态转变或从固态向液态转变（即固液共存）过程中所具有的特性进行成形的方法。这一成形加工方法综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度低变形抗力小，可一次大变形量加工成形形状复杂和性能质量要求较高的零件。但半固态成形技术对工艺及其模具设计要求较高，当零件结构较复杂时，成形件缺陷较多，工艺周期长。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种合金半固态旋压增材制备装置，该方法将制浆过程与成型过程连接起来，制造速度快，节省材料，成型件结构致密，成本低，能够大幅缩短制造时间，显著提高制造效率。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种合金半固态旋压增材制备装置，该装置将制浆过程与成型过程组合在一起，省去浆料转移，克服半固态铸造技术工艺繁琐，费时较长的缺点，无需或者只需简单模具，操作过程简单方便；所述合金半固态旋压增材制备装置，包括控制器1、伺服电机2、同步齿形皮带轮Ⅰ3、皮带4、制浆装置5、进料口6、成形装置8，其中制浆装置5包括进水口9、出水口10、传动轴13、键14、同步齿形皮带轮Ⅱ15、轴承Ⅰ16、冷却水管17、轴承Ⅱ18、旋压管20、承压筒21、陶瓷加热圈22、出料口转换器23；控制器1与伺服电机2连接，伺服电机2与同步齿形皮带轮Ⅰ3连接，同步齿形皮带轮Ⅰ3通过皮带4与同步齿形皮带轮Ⅱ15连接，同步齿形皮带轮Ⅱ15通过键14与传动轴13连接；传动轴13上依次设有轴承Ⅰ16、轴承Ⅱ18，传动轴13与旋压管20连接；旋压管20位于承压筒21的内部，承压筒21的外面设有陶瓷加热圈22，在旋压管20旋转过程中对金属液进行保温防止其在旋压管20激冷作用下凝固，承压筒21的筒底中心为出料口，出料口外卡有转换器23，转换器23的正下方设有成形装置8；旋压管20的外壁上半部分光滑，下半部分设有旋向向下的螺纹，进料口6与承压筒21的上端正对；传动轴13与旋压管20的内部中空并设有冷却水管17，冷却水管17分别与进水口9、出水口10连通，冷却循环水由进水口流入水管，由出水口流出；控制器1分别和陶瓷加热圈22、成形装置8、伺服电机2连接。

优选的，本实用新型所述伺服电机2、制浆装置5、进料口6均固定在支架7上。

优选的，本实用新型所述成形装置8包括液压工作台、液压柱、底座组成，液压工作台可实现前后、左右、上下三个方向自由度的运动，成形装置8与控制器1连接；这些信号通过传感器采集输入控制器1连接进行控制。

优选的，本实用新型所述旋压管与承压筒之间间隙距离不大于0.5cm。

优选的，本实用新型所述传动轴13与旋压管20通过销钉19连接。

优选的，本实用新型所述冷却水导流块11通过橡胶水封12与传动轴13连接，防止冷却循环水流出。

优选的，本实用新型所述转换器23可更换为不同截面的转换器23；可以通过更换转换器来改变出料口内径，还可以根据需要成形零件特点，选择带有不同出料结构的转换器。

承压筒底21垂直方向斜度为30°，呈漏斗形，筒底中心为出料口。

旋压管20外壁光滑部分给金属液激冷作用使其强制形核，获得细小颗粒状初生相均匀分布的半固态浆料。旋压管20外壁螺纹部分为旋向向下的螺纹，在旋转时给浆料向下的旋压动力及出料口转换器23给浆料横向挤压力，两种力叠加能够提高堆积浆料的致密性，降低孔隙率。

旋压管20材料为不锈钢或与金属熔体有较好润湿性的材料。

伺服电机2、成形装置8、陶瓷加热圈22由控制器1控制。

本实用新型所述装置的工作过程：伺服电机2由控制器1控制转速，同步齿形皮带轮3与伺服电机2转速相同；金属液由进料口6倒入制浆装置5，旋压管20的光滑部分给金属液一个激冷作用使其强制形核，获得由细小颗粒状初生相均匀分布的半固态浆料，制备成功的半固态浆料通过旋压管20螺纹向下旋压将浆料挤至出料口，出料口通过更换不同截面的出料口转换器23圆形、方形等，改变出料口结构，控制挤出浆料的截面大小与形状，半固态浆料并由出料口挤出后在成形装置8进行增材制造；成形装置8由液压工作台、液压柱、底座组成，液压工作台可实现前后、左右、上下三个方向的自由度运动，这些信号通过传感器采集输入控制器进行控制，此控制过程为常规控制过程。

本实用新型的优势：

（1）本实用新型的装置将半固态浆料的制备与零件成型组合起来，可制备结构复杂的零件，弥补了铸造成型的不足，装置结构简单、效率高。

（2）本实用新型不需模具，或只需简易模具。

（3）旋压管与出料口分别给浆料一定的纵向与横向压力，促使浆料在堆积过程中更加致密，降低孔隙率。

（4）可以根据需要成形零件特点，选择不同出料口转换器，改变出料口结构，控制所出浆料截面大小及形状。

本实用新型的部分特征和优点将在随后的说明书中予以阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构或流程来实现和获得。

附图说明

图1是本实用新型的半固态旋压增材制备装置结构示意图。

图2是本实用新型的半固态浆料制备系统的剖面图。

图3是本实用新型的一种出料口转换器的主视图。

图4是本实用新型的一种出料口转换器的俯视图。

图中：1-控制器，2-伺服电机，3-同步齿形皮带轮Ⅰ，4-皮带，5-制浆装置，6-进料口，7-支架，8-成形装置，9-进水口，10-出水口，11-冷却水导流块，12-橡胶水封，13-传动轴，14-键，15-同步齿形皮带轮Ⅱ，16-轴承Ⅰ，17-水管，18-轴承Ⅱ，19-销钉，20--旋压管，21-承压筒，22-陶瓷加热圈，23-出料口转换器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

本实施例所述合金半固态旋压增材制备装置，包括控制器1、伺服电机2、同步齿形皮带轮Ⅰ3、皮带4、制浆装置5、进料口6、成形装置8，其中制浆装置5包括进水口9、出水口10、传动轴13、键14、同步齿形皮带轮Ⅱ15、轴承Ⅰ16、冷却水管17、轴承Ⅱ18、旋压管20、承压筒21、陶瓷加热圈22、出料口转换器23；控制器1与伺服电机2连接，伺服电机2与同步齿形皮带轮Ⅰ3连接，同步齿形皮带轮Ⅰ3通过皮带4与同步齿形皮带轮Ⅱ15连接，同步齿形皮带轮Ⅱ15通过键14与传动轴13连接；传动轴13上依次设有轴承Ⅰ16、轴承Ⅱ18，传动轴13与旋压管20连接；旋压管20位于承压筒21的内部，承压筒21的外面设有陶瓷加热圈22，在旋压管20旋转过程中对金属液进行保温防止其在旋压管20激冷作用下凝固，承压筒21的筒底中心为出料口，出料口外卡有转换器23，转换器23的正下方设有成形装置8；旋压管20的外壁上半部分光滑，下半部分设有旋向向下的螺纹，进料口6与承压筒21的上端正对；传动轴13与旋压管20的内部中空并设有冷却水管17，冷却水管17分别与进水口9、出水口10连通，冷却循环水由进水口流入水管，由出水口流出；控制器1分别和陶瓷加热圈22、成形装置8、伺服电机2连接，伺服电机2、制浆装置5、进料口6均固定在支架7上。

本实施例所述成形装置8包括液压工作台、液压柱、底座组成，液压工作台可实现前后、左右、上下三个方向自由度的运动，成形装置8与控制器1连接；这些信号通过传感器采集输入控制器1，控制器1将信息反馈给工作台，在浆料制备之前，先用三维造型软件建立成形件三维模型，然后将三维模型分层处理以得到多个二维切片，浆料制备成功之后在计算机控制下进行立体成形，如图1所示。

本实施例所述冷却水导流块11通过橡胶水封12与传动轴13连接，防止冷却循环水流出；在制浆装置工作时，冷却水系统不随旋压管旋转，在开动伺服电机工作时先通入冷却水，然后将金属液倒入进料口，金属液在旋压管的旋转引力与螺纹向下旋力的共同作用下沿旋压管螺纹流动；金属液在旋压管激冷作用下快速、大量形核，同时在陶瓷加热圈保温作用下使其温度一直处于固液相之间，使半固态浆料不至因温度过低凝固。半固态浆料在旋压管向下旋压力作用下挤至出料口，出料口加置自制出料口转换器，改变出料口结构，控制所出浆料截面大小及形状，如图2所示。

本实施例所述旋压管与承压筒之间间隙距离为0.3cm。

本实施例所述装置用于制备半固态A356合金深腔壳体，包括如下步骤：

（1）用proe软件对深腔壳体进行三维实体造型，将建好的三维模型用分层软件切片，转化为平面轮廓信息，对成形过程进行编程，输入控制器1；

（2）将采用中频炉熔炼制备的A356合金低过热度熔体混合均匀；

（3）将上述低过热度熔体正对旋压管以恒定速度浇注，熔体顺着旋压管向下流动，旋压管的光滑部分给金属液一个激冷作用使其强制形核，获得由细小颗粒状初生相均匀分布的半固态浆料；

（4）上述浆料在旋压管螺纹向下的旋向压力作用下挤出至装有扁平形转换器的出料口，受到横向的约束力，排除浆料中可能存在的气体；

（4）制备成功的半固态浆料呈长条状流至基板上，在计算机控制下，沿x轴、y轴、z轴根据模型形状分层成型，对结构复杂的铸件用一些简易模具对其边界进行约束，直到整体构造结束。

实施例2

本实施例所述合金半固态旋压增材制备装置，包括控制器1、伺服电机2、同步齿形皮带轮Ⅰ3、皮带4、制浆装置5、进料口6、成形装置8，其中制浆装置5包括进水口9、出水口10、传动轴13、键14、同步齿形皮带轮Ⅱ15、轴承Ⅰ16、冷却水管17、轴承Ⅱ18、旋压管20、承压筒21、陶瓷加热圈22、出料口转换器23；控制器1与伺服电机2连接，伺服电机2与同步齿形皮带轮Ⅰ3连接，同步齿形皮带轮Ⅰ3通过皮带4与同步齿形皮带轮Ⅱ15连接，同步齿形皮带轮Ⅱ15通过键14与传动轴13连接；传动轴13上依次设有轴承Ⅰ16、轴承Ⅱ18，传动轴13与旋压管20连接；旋压管20位于承压筒21的内部，承压筒21的外面设有陶瓷加热圈22，在旋压管20旋转过程中对金属液进行保温防止其在旋压管20激冷作用下凝固，承压筒21的筒底中心为出料口，出料口外卡有转换器23，转换器23的正下方设有成形装置8；旋压管20的外壁上半部分光滑，下半部分设有旋向向下的螺纹，进料口6与承压筒21的上端正对；传动轴13与旋压管20的内部中空并设有冷却水管17，冷却水管17分别与进水口9、出水口10连通，冷却循环水由进水口流入水管，由出水口流出；控制器1分别和陶瓷加热圈22、成形装置8、伺服电机2连接，伺服电机2、制浆装置5、进料口6均固定在支架7上。

本实施例所述成形装置8包括液压工作台、液压柱、底座组成，液压工作台可实现前后、左右、上下三个方向自由度的运动，成形装置8与控制器1连接；这些信号通过传感器采集输入控制器1，控制器1将信息反馈给工作台，在浆料制备之前，先用三维造型软件建立成形件三维模型，然后将三维模型分层处理以得到多个二维切片，浆料制备成功之后在计算机控制下进行立体成形，如图1所示。

本实施例所述冷却水导流块11通过橡胶水封12与传动轴13连接，防止冷却循环水流出；在制浆装置工作时，冷却水系统不随旋压管旋转，在开动伺服电机工作时先通入冷却水，然后将金属液倒入进料口，金属液在旋压管的旋转引力与螺纹向下旋力的共同作用下沿旋压管螺纹流动；金属液在旋压管激冷作用下快速、大量形核，同时在陶瓷加热圈保温作用下使其温度一直处于固液相之间，使半固态浆料不至因温度过低凝固。半固态浆料在旋压管向下旋压力作用下挤至出料口，出料口加置自制出料口转换器，改变出料口结构，控制所出浆料截面大小及形状，如图2所示。

本实施例所述旋压管与承压筒之间间隙距离为0.4cm。

本实施例所述传动轴13与旋压管20通过销钉19连接。

本实施例所述承压筒底21呈漏斗形（承压筒底21垂直方向斜度为30°），筒底中心为出料口。

本实施例所述装置用于制备过共晶Al-25%Si合金缸套，包括如下步骤：

（1）用proe软件对缸套进行三维实体造型，将建好的三维模型用分层软件切片，转化为平面轮廓信息，对成型过程进行编程，输入控制器1；

（2）将采用中频炉熔炼制备的过共晶Al-25Si合金低过热度熔体混合均匀；

（3）将上述低过热度熔体正对旋压管以恒定速度浇注，熔体顺着旋压管螺纹向下流动，旋压管的光滑部分给金属液一个激冷作用使其强制形核，获得由细小颗粒状初生相均匀分布的半固态浆料；

（4）上述浆料在旋压管螺纹向下的旋向压力作用下挤出至装有方形转换器的出料口时，受到横向的约束力，排除浆料中可能存在的气体；

（5）制备成功的半固态浆料呈方块状流至基板上，在计算机控制下，沿x轴、y轴、z轴根据模型形状分层成型，对结构复杂的铸件用一些简易模具对其边界进行约束，直到整体构造结束。