专利名称：铝、镁合金及其复合材料连续凝固与成形一体化的装置的制作方法
技术领域：
本发明属于金属材料加工的装置，特别涉及一种用于AI、 Mg合金及其复合材料连续凝固 与成形一体化的装置。
技术背景Al、 Mg合金是汽车、航空、军工和民用的重要材料，在未来的工业发展中，具有广泛的 应用前景，Al、 Mg基复合材料综合了增强相高硬度、高弹性模量、优良的热稳定性和基体高 韧性、塑性、良好的导热性与导电性，是一种非常重要的工程结构材料。目前，Al、 Mg合金及其复合材料加工成形的传统工艺方案是金属熔炼—铸造—塑性成 形(锻造、挤压、轧制、拉拔等)。因其熔炼、制坯、加热及塑性成形四个工序是独立分开的， 具有工艺路线长，制品成材率低，能耗高，污染环境的缺点；对于复合材料，由于增强相密 度一般比A1、 Mg的大，其尺寸细小具有较大的比表面能，以及普遍存在的增强相与A1、 Mg 熔体的润湿性与相容性问题，易发生沉降和聚集现象，因而弱化了增强相的强化效应；同时， Al、 Mg基复合材料的塑性较差，加工制造成本高。因此，Al、 Mg合金及其复合材料的加工 成形存在制造成本高、制品质量差，能耗高的等突出问题。近年来，环境污染、能源与资源短缺已成为人类所共同面临的重大问题，在金属加工领 域，正朝着保护环境、提高产品质量、扩大产品品种、提高产品成材率、縮短工艺流程、节 能、节材的方向发展，新型的短流程金属成型技术受到广泛重视，成为新材料科学领域中的 前沿技术。从液态成形方面，出现连续铸轧、液态挤压、液态模锻等技术。从固态成形方面， 出现了连轧、连续挤压、无头轧制等技术。然而，这些技术都没能从根本上兼顾縮短工艺流 程，节约能源，提升制品质量的要求。就目前为止，尚未发现有一种用于铝镁合金及其复合 材料凝固与成形一体化的装置的报导。 发明内容本发明目的是针对现有技术存在的问题，为实现铝、镁合金及其复合材料熔体直接凝固， 一步成形，达到縮短流程和节约能源，提升制品质量，提供一种用于铝、镁合金及其复合材 料连续凝固与成形一体化的装置。本发明的装置，包括有电动机、减速机、弹性连轴器、机架，要点是电机通过弹性连轴 器与减速机轴一端相连，减速机轴另一端，通过弹性连轴器与由水冷轮系，固定靴座及装配 在固定靴座型腔内的模具构成的主机相连。在主机的轴头设置有一个速度和扭矩传感器。上述的水冷轮系，主要由一个转动辊，装配在空心轴上，通过压在转动辊轴向一侧的边 辊，推动件，再经液压螺母压紧固定而组成。在转动辊的辊面上有一个沟槽，转动辊辊面内 侧有辐射式环形孔，空心轴内有一个分水套；用于固定转动辊的液压螺母是由环形缸套、密 封垫和环形柱塞组成。转动辊辊面上的沟槽尺寸为10mmX 10mm至40mmX40mm。上述的固定靴座，有一个靴座体，靴座体内侧面为弧形面，在弧形面上装配有一个槽封 块，靴座体内侧面里有冷却水通道和测温孔；靴座体中部有一个用于安装模具的型腔，型腔 口下方，面向转动辊辊面处装有一个档料块；靴座体下部有一个转动轴，靴座体与液压缸保 压装置相连，靴座体的制品出口处安装有冷却水槽。挡料块与转动辊面上的沟槽采用间隙配合D4/d4。上述的液压缸保压装置是由一个液压缸与液控单向阀相连，液控单向阀与电磁阀相连组成。上述的封槽块与转动辊辊面的接触弧角是75 90。或90 140° 。本发明可选用的模具主要有空心型材模，实心型材模，包复材模或扩展成形模；模具的 材质选用热作模具钢。选用H13或3Cr2W8等。所说的扩展成形模由扩展体，分流体和成形体组成。 本发明与已有技术相比较，显著的特点(1) 应用液压螺母，提供给水冷轮系大于1000KN的装配预紧力，依靠橡胶密封技术， 解决水冷轮系在强扭矩工况条件下的稳定性和密封问题，水冷轮系中液压螺母的结构如图7所示由环形缸套、密封垫和环形柱塞组成，密封垫使环形缸套和环形柱塞密封，通过高压泵，向环形缸套内注入压力约40Mpa的液压油，驱动环形柱塞移动，推动零件使水冷轮系压 紧，便可以实现水冷轮系的永久压紧和密封。(2) Al、 Mg合金及其复合材料的连续凝固与成形过程的温度控制连续凝固/成形一体 化的水冷轮系辊表面采用辐射式冷却方式(图7中箭头部分)，以提高对金属熔体的冷却强度， 冷却水的循环由分水套实现，其外层为进水通道，内层为出水通道。同时，连续凝固与成形 冷却强度过程变量(温度、压力和流量)控制，依靠变频泵和比例减压阀，流量与压力变送 器集中控制。(3) 从浇注口到出口的固定靴座内安装有热电偶，多点实时测量连续凝固与成形过程的 各点温度。主机的输入端设置扭矩测试装置和霍尔开关式测速装置，并由碳刷将测试的电信 号从转动的主轴传输到控制系统，熔体流量、冷却强度、水冷轮系转速和制品在线冷却控制。(4)在模具中，通过增加变断面型腔，实现金属熔体的扩展成形，从而突破传统挤压技 术只能制备比坯料尺寸小制品的限制，通过优化连续凝固与成形条件，便可以生产大断面高 性能A1、 Mg合金及其复合材料制品。产生的积极效果是通过本发明装置，不仅能实施将铝镁合金及其复合材料熔体直接凝 固，实现一步成形，还可以实现Al、 Mg材料的动态结晶与流变成形；连续凝固与成形一体 化过程对熔体的强烈剪切与热扰动效应，可影响增强相的迁移与界面扩散行为，同时增强相 粒子获得一定的外来能量，具有从团簇中分散的作用，使其呈弥散分布，增加粒子相的表面 能，利于增强粒子相与A1、 Mg熔体的润湿，改善界面相容性，从而提高粒子相的强化效应； 强烈的剪切冷却效应使凝固过程中的金属基体相组织发生细化，可提高Al、 Mg基体相的强 度、断裂韧性和塑性；将Al、 Mg基材料凝固与扩展成形有机结合，实现低应力状态下的一 步成形，从而可以连续生产无限长的高性能Al、 Mg基材料大尺寸管材、线材和型材制品。 并达到节能、节材和提高制品使用价值，易于实现工业化。
图l是本发明装置视图；图2是本发明连续凝与成形基本原理图；图3是主机整体结构图；图4是固定靴座结构与水冷轮系的装配关系图； 图5液压缸保压状态液压控制图； 图6管材和空心型材制品扩展成形模结构图； 图7水冷轮系及液压螺母结构图；上述图中1电机，2弹性连轴器I， 3减速机，4弹性连轴器n， 5速度和扭矩传感器，6 主机，7转动辊，8沟槽，9固定靴座，IO槽封块，ll模具，lla微挤压筒，12环形孔，13 机架，14冷却水通道，15水冷槽，16浇注系统，17液压螺母，17a环形柱塞，17b密封垫， 17c环形缸套，18空心轴，19密封档板，20测温孔，21靴座体，22挡料块，23液压缸，24 转动轴，25液控单向阀，26电磁阀，27扩展体，28分流体，29成形体，30扩展腔体，31 分流孔，32焊合室，33滚珠轴承，34密封件，35推动件，36分水套，37边辊。
具体实施方式
例1从图1所示，本发明装置由电机1选用直流电机，通过弹性连轴I2与减速机3轴的一 端相连，减速机3的另一端轴与弹性连轴器II 4相连，弹性连轴器II 4与主机的空心轴18相连，在主机轴头部位设置有一个速度和扭矩传感器5，进行力能及速度参数监测。从图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，主机6主要有一个水冷轮系，由一个空心 轴18，通过装配在空心轴18左、右两边的滚珠轴承33及其两侧的密封挡板19通过机架13 底板上的立板固定在机架13上，滚珠轴承33由密封挡板19固定和密封，空心轴18的中部 位置，装配一个转动辊7，转动辊7通过压在转动轴轴向一侧的边辊37和由推动件35，环形 缸套17c、密封垫17b、环形柱塞17a组成的液压螺母及密封件34压紧固定和密封。上述的转动辊7的辊面上有一个沟槽8,转动辊7的辊面沟槽的尺寸为10mmX 10mm。 转动辊7的辊面内侧开有辐射式环形孔12。空心轴18内装配有一个分水套36。主机6中的固定靴座9有一个靴座体21，其内侧面为弧形面，在弧形面上装配有一个槽 封块IO，槽封块10与转动辊7的辊面接触弧角，根据合金种类不同而不同。对于A1合金， 弧角选取75~90° ，对镁合金弧角选取90~140° 。在靴座体21弧形面内侧开有冷却水通道 14和测温孔20，靴座体21中部位置有一个装配模具ll的型腔，在型腔口的下方，面向转动 辊7辊面处，装有一个挡料块22，在型腔品的出料口处装配有水冷槽15;靴座体21下部端 头安装有一个转动轴24，靴座体21背向转动辊7 —侧与液压缸23相连，液压缸23与液控 单向阀25连接，液控单向阀25与电磁阔26相连《且成液压驱动保压装置。上述靴座体21上的挡料块与转动辊7辊面上的沟槽8，采用间隙配合D4/d4，其作用是 将沟槽8内的金属料挡住，使其进入微挤压筒lla (挤压模前的空腔)。模具根据成品要求进行设计，选用管材和空心型材制品扩展成形模，材质选3Cr2W8等， 其构成由扩展体27，分流体28，成形体29构成。机架13由底板和两个立板组成，底板固定在地面基础上，立板用于固定和安装轮轴承 33及其两侧的密封挡板19，同时底板用于固定靴座9的转动轴24及液压缸23。本发明装置，应用直流电机无级调速方式，电机输出的扭矩通过弹性连轴器，将动力传 至减速机进行扭矩放大，再通过弹性连轴器传至主机，驱动主机的水冷轮系工作。工作主机的基本原理如图2所示；水冷轮系的转动辊面上有沟槽，固定靴座体内装有弧 形的槽封块，转动辊面与槽封块接合形成弧形型腔，合金熔体注入弧形型腔中，转动辊面对 合金强烈的剪切/冷却作用，使A1、 Mg合金熔体经历液相凝固，半固态形变和挤压成形过程， 并在模具中塑性成形，形成制品。上述固定靴座体，是在液压缸的驱动下，绕其下部的转动辊24转动，使槽封块与转动 辊辊面结合与分离，接合时是装置的工作状态，分离时用于更换模具。为保证接合状态稳定， 液压缸采用液控单向阀进行保压，当1DT有电时，电磁阀26左位接通，液控单向阀25打开，液压缸处于分离状态；当2DT有电时，电磁阀26右位接通，液控单向阀25打开，液压缸处 于加压接合状态，此时当2DT断电时，电磁阀26处于中位，液控单向阀关闭，则液压缸处 于保压接合状态。上述转动辊压紧与密封是应用液压螺母，提供给转动辊大于1000KN的装配预紧力，依 靠橡胶密封。具体是通过高压泵，向环形套内注入压力40MPa的液压油，驱动环形柱塞移动， 推动零件，使转动辊压紧，便可实现转动辊永久压紧和密封。例2具体结构同例1，不同之处电机选用变频电机，沟槽8尺寸为40mmX40mm;模具 选用实型模，模具钢材为H13。
权利要求
1、铝、镁合金及其复合材料连续凝固与成形一体化的装置，包括有电机、减速机、弹性连轴器、机架，其特征在于电机通过弹性连轴器与减速机轴一端相连，减速机轴另一端通过弹性连轴器与由水冷轮系，固定靴座及装配在固定靴座型腔内的模具构成的主机相连，在主机轴头设置有一个速度和扭矩传感器。
2、 按照权利要求1所述的铝、镁合金及其复合材料连续凝固与成形一体化的装置，其特 征在于水冷轮系主要由一个转动辊，装配在空心轴上，通过压在转动辊轴向一侧的边辊，推 动件，再经液压螺母压紧固定而组成。
3、 按照权利要求2所述的铝、镁合金及其复合材料连续凝固与成形一体化的装置，其特 征在于转动辊的辊面上有一个沟槽，转动辊辊面内侧有辐射式环形孔，空心轴内有一个分水 套；液压螺母由环形缸套，密封垫和环形柱塞组成。
4、 按照权利要求3所述的铝、镁合金及其复合材料连续凝固与成形一体化的装置，其特 征在于转动辊辊面上的沟槽尺寸为10mmX 10mm至40mmX40mm。
5、 按照权利要求1所述的铝、镁合金及其复合材料连续凝固与成形一体化的装置，其特 征在于固定靴座由一个靴座体，靴座体内侧面为弧形面，在弧形面上装配有一个槽封块，靴 座体弧形面的内侧有冷却水通道和测温孔，靴座体中部有一个用于安装模具的型腔，在型腔 口下方，面向转动辊辊面处装有一个挡料块，靴座体下部有一个转动轴，靴座体与液压驱动 保压装置相连，在靴座体的制品出口处安装有冷却水槽。
6、 按照权利要求5所述的铝、镁合金及其复合材料连续凝固与成形一体化的装置，其特 征在于所述的挡料块与转动辊面上的沟槽采用间隙配合D4/d4。 .
7、 按照权利要求5所述的铝、镁合金及其复合材料连续凝固与成形一体化的装置，其特 征在于所述的液压驱动保压装置由一个液压缸与液控单向阀相连，液控单向阀与电磁阀相连 组成。
8、 按照权利要求5所述的铝、镁合金及其复合材料连续凝固与成形一体化的装置，其特 征在于所述的槽封块与转动辊辊面的接触弧角是75 90。或90 140° 。
9、 按照权利要求l所述的铝、镁合金及其复合材料连续凝固与成形一体化的装置，其特 征在于所述的模具主要有空心型材模，实心型材模，包复材模或扩展成形模；模具的材质选 用热作模具钢。
10、 按照权利要求9所述的铝、镁合金及其复合材料连续凝固与成形一体化的装置，其 特征在于扩展成形模由扩展体、分流体和成形体组成。
全文摘要
本发明涉及铝、镁合金及其复合材料连续凝固与成形一体化的装置，由电机、减速机、弹性连轴器、主机、机架构成，特征是主机主要由水冷轮系，固定靴座，装配在型腔中的模具，液压驱动保压装置及设置在主机轴头上的速度和扭矩传感器构成。水冷轮系有空心轴，其上装配转动辊，通过液压螺母压紧与密封；固定靴座有一个靴座体，其弧形面内侧装有槽封块，中间部位有装配模具的型腔，型腔口下装一个挡料块。应用本发明不仅能实现铝、镁材料的连续凝固与成形，还能提高铝、镁基体相的强度，断裂韧性和塑性；同时能实现凝固与扩展成形有机结合，连续生产无限长高性能大尺寸管材、线材和型材制品，并达到节能，节材和提高制品使用价值，并易于实现工业化。
文档编号B22D11/14GK101214535SQ200710159220
公开日2008年7月9日 申请日期2007年12月27日 优先权日2007年12月27日
发明者李英龙, 温景林, 陈彦博 申请人:东北大学