阅读说明：本技术 一种半固态流变成形浆料制备及定量转运的装置与方法 (Device and method for preparing semi-solid rheoforming slurry and quantitatively transferring ) 是由 张大伟 胡凌豪 杨光灿 赵升吨 于 2020-11-19 设计创作，主要内容包括：一种半固态流变成形浆料制备及定量转运的装置与方法,包括熔化炉及其下方连接的电磁搅拌与超声振动复合室,电磁搅拌与超声振动复合室的出料口和转运设备配合,转运设备和压铸设备配合实现进料；本发明复合运用了超声振动和电磁搅拌两种方式进行浆料制备和浆料性能维持,提高并保证了金属液的质量,减少了金属液的损耗,提高了铸造件的整体性能,从而实现了半固态浆料制备、保存、转运到铸造的整个连续的工艺流程。(A device and a method for preparing semi-solid rheoforming slurry and quantitatively transferring the slurry comprise a melting furnace and an electromagnetic stirring and ultrasonic vibration compound chamber connected below the melting furnace, wherein a discharge port of the electromagnetic stirring and ultrasonic vibration compound chamber is matched with transferring equipment, and the transferring equipment is matched with die casting equipment to realize feeding; the invention compositely uses two modes of ultrasonic vibration and electromagnetic stirring to prepare the slurry and maintain the performance of the slurry, improves and ensures the quality of the molten metal, reduces the loss of the molten metal and improves the overall performance of a casting part, thereby realizing the whole continuous process flow of preparing, storing and transferring the semi-solid slurry to casting.)

一种半固态流变成形浆料制备及定量转运的装置与方法

技术领域

本发明属于半固态金属加工及铸造成形技术领域，具体涉及一种半固态流变成形浆料制备及定量转运的装置与方法。

背景技术

金属半固态成形技术(Semi-solid Metal Processing)的工艺路线主要有两种：流变成形(Rheoforming)和触变成形(Thixoforming)。在早期触变成形是应用更广泛的半固态成形方法，但是由于金属坯料需二次加热，能耗较高，坯料表面氧化较严重，坯料损耗过多，并且生产路线加长，导致总的生产成本非常大，大大影响了生产效益。半固态流变成形是将浆料直接成形，故而具有材料利用率高，流程短,生产效率高等优点,且其适用的合金种类更多，但是同时流变成形的浆液的保存困难和输送过程所需条件苛刻,给其实际生产应用带来了一定的困难，因而使得流变成形技术是未来半固态加工工艺的重要研究方向。

到目前为止，在金属半固态浆料制备技术中，电磁搅拌制浆方法占据了主导地位，它属于无接触式搅拌法，参数控制灵活方便，不对熔体产生污染，但是由于趋肤效应，导致半固态浆料组织在制浆室径向上各处组织有差别，难以均匀，且对设备要求严格。

为了克服电磁搅拌法制浆存在趋肤效应的问题，张志峰等提出了环缝式电磁搅拌(A-EMS)法制备金属半固态浆料，核心思想是将电磁搅拌装置的中心部位加冷却器，其目的为改善电磁搅拌时金属熔体的冷却条件，加快冷却速率，克服电磁搅拌时中心部位电磁场较弱的位置。但是冷却器占据了电磁搅拌器中心很大的空间，使得每次制备的浆料量相对于传统电磁搅拌法非常有限，很大程度上影响了生产速度和效率。

超声振动作用于金属熔体时，不仅能细化晶粒、均化组织，还具有除气作用，能有效提高零件的力学性能；但是超声声压随距超声头端面的距离呈现急剧衰减的趋势。对金属熔体进行超声处理时，可将变幅杆插入液面以下直接作用于金属熔体，但变幅杆容易受到腐蚀，并对金属熔体产生污染。因此可以通过变幅杆紧密接触容器壁的方式处理容器内的金属熔体，既避免了腐蚀和污染，又保证声能的利用率。

中国专利(公开号为CN102062543B)公开了一种黑色金属半固态浆料制备的电磁搅拌与振动复合装置，其在半固态浆料送到模具进行流变成形的途中，缺乏密封运输以及浆料维持的措施，使得半固态浆料的组织不能得到很好的保障，影响后续加工零件的质量；并且其装置上的振动电机在竖直方向产生较大的激振力，首先可能会降低设备整体的使用寿命；其次激振力可能会降低搅拌室部分的电磁搅拌器的精度，影响电磁搅拌的效果。

目前关于流变成形半固态浆料制备技术，存在以下缺点：大多数制备装置采用搅拌、振动或简单复合，普遍存在搅拌头或变幅杆易腐蚀并污染熔体、声能的利用率低且振动效果不明显、趋肤效应使组织性能不均匀、装置空间大、制备浆料效率低等诸多问题；其次在流变成形浆料转运的过程中，缺少有效的浆料性能保障措施，如电磁搅拌、振动等，使得浆料组织容易产生形核减少、初生相粗大、形貌不圆整等问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种半固态流变成形浆料制备及定量转运的装置与方法，复合运用超声振动和电磁搅拌两种方式进行浆料制备和浆料性能维持，提高和保证了半固态浆料的质量，减少了损耗，提高了零件的整体性能，从而实现了半固态浆料制备、保存、转运到铸造的整个连续的工艺流程。

为了达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种半固态流变成形浆料制备及定量转运的装置，包括熔化炉Ⅰ及其下方连接的电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ，电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ的出料口和转运设备Ⅲ配合，转运设备Ⅲ和压铸设备Ⅳ配合实现进料。

所述的熔化炉Ⅰ包括熔化坩埚9，熔化坩埚9外部依次设有熔化炉保温层8和感应线圈7，感应线圈7、熔化炉保温层8和熔化坩埚9同轴安装在熔化炉底板11上，且上部加设了炉盖1；熔化坩埚9内设有第一热电偶4，第一热电偶4上端部穿过炉盖1，下端部插入熔化坩埚9中的金属液10，熔化坩埚9内左右对称设置了第一中空塞杆3和第二中空塞杆6，第一中空塞杆3和第二中空塞杆6的上端部穿过炉盖1，下端部与熔化坩埚9底部的出料口相接触配合，第一中空塞杆3、第二中空塞杆6的中心分别设有第二热电偶2、第三热电偶5，第二热电偶2和第三热电偶5上部均穿过炉盖1，下部通过熔化坩埚9的出料口，穿过整个熔化炉Ⅰ，插入搅拌坩埚12中。

所述的电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ包括搅拌坩埚12，搅拌坩埚12外部依次设有第一预热器13、保温隔热层14、第一冷却系统15、第一电磁搅拌器32和第一外壳33，第一预热器13、保温隔热层14、第一冷却系统15、第一电磁搅拌器32和第一外壳33上端部加设了盖板38，底部均安装在底板16上；在搅拌坩埚12的内部中心处设置了冷却棒34，冷却棒34下端部和搅拌坩埚12的出料口相密闭接触，其上端面轴线处加工出了一个立方体凹槽，3组超声振动头35等间距安装在第一换能器36上，且沿径向对称放置，第一换能器36上部通过第二弹簧36-1连接在熔化炉底板11上；冷却棒34的上端部沿径向对称安装了4个牵引电磁铁39，牵引电磁铁39上端与熔化炉底板11相连接，搅拌坩埚12的出料口处设置了浆料出口管道29，在浆料出口管道29上安装了翻转阀门30和高温液体流量计17。

所述的牵引电磁铁39包括第一弹簧39-1、铁芯39-2、框架及线圈39-3，铁芯39-2的下部连接有弹簧39-1，铁芯39-2的上部连接有框架及线圈39-3；牵引电磁铁39上部通过框架及线圈39-3连接在熔化炉底板11上，牵引电磁铁39下部通过第一弹簧39-1安装在冷却棒34上。

所述的3组超声振动头35中每1组包含4个超声振动头35，均沿径向对称安装。

所述的熔化炉底板11上开设了电源线通道40，在电源线通道40内部设置了销钉40-2；第一换能器36和牵引电磁铁39的所有电源线均穿过熔化炉底板11上的小孔，通过电源线通道40，与外接设备相连。

所述的转运设备Ⅲ包括转运坩埚26，转运坩埚26外部依次设有第二预热器27、第一保温层28、第二冷却系统19和第二电磁搅拌器18；在转运坩埚26的底部从上而下依次设置了变幅杆25、第二换能器24和超声发生控制器23；变幅杆25的上端部嵌入转运坩埚26底部的凹槽中，转运坩埚26、第二预热器27、第一保温层28、第二冷却系统19、第二电磁搅拌器18、变幅杆25、第二换能器24和超声发生控制器23共同构成转运装置20，转运装置20底部通过轨道轮21在轨道22上实现往返运动。

所述的压铸设备Ⅳ包括储液室52，由转运装置20输送的半固态浆料41通过炉门42，浇注储存在储液室52中；在储液室52内部设有金属液加热器43，在储液室52内部设有压室45，压室45上方安装有喷射活塞44；压室45通过鹅颈管46与压铸型的浇口连通；

压铸型包括连接在定型座板47上的定模48和连接在动型座板51上的动模50，定模48和动模50配合形成型腔49，型腔49和压铸型的浇口连通；

在储液室52外层设有第二保温层53，在第二保温层53的外层设有第三电磁搅拌器54，整个储液室52外层包裹了第二外壳55。

应用一种半固态流变成形浆料制备及定量转运的装置的方法，包括如下步骤：

步骤1，将金属原材料A在熔化坩埚9里直接加热到熔融状态，温度为T₁±5℃，并采用感应线圈7进行保温均热，持续时间为t₁，其中金属熔体10温度T₁控制在金属原材料A液相线以上10～30℃；

步骤2，通过控制第一中空塞杆3、第二中空塞杆6的上下运动，熔化坩埚9底部的出料口实现开合，使金属熔体10浇注流入到已预热的搅拌坩埚12中，其中搅拌坩埚12的预热温度T₂控制在材料A液相线以下80～100℃；

步骤3，当搅拌坩埚12中的金属熔体冷却到其液相线时，根据工艺需要的频率、时间、电流参数，对搅拌坩埚12中的金属熔体启动电磁搅拌和超声振动复合制备；

步骤4，在电磁搅拌和超声作用时间达到预先设定的数值t₃后，通过牵引电磁铁39控制冷却棒34向上移动，使浆料浇注到转运装置20上已预热的转运坩埚26中，此时浆料的温度为T₃，而转运坩埚26的预热温度T₄控制在T₃以下10～30℃；根据高温液体流量计17上仪表显示的数值，及时开合翻转阀门30以及控制冷却棒34的上下运动，保证每次浆料转运的定量；

步骤5，给转运坩埚26中的半固态浆料加盖密封，根据工艺需要的频率、超声、电流、时间参数进行设定，开启第二电磁搅拌器18和超声发生控制器23，对转运坩埚26中的浆料进行电磁搅拌和间接超声振动复合，实现对半固态浆料的物理性能的维持或者继续对尚未加工完成的浆料进行加工；

步骤6，转运装置20承载转运坩埚26沿着轨道22前往压铸设备Ⅳ，当通过转运坩埚26上的热电偶测得浆料的温度为T₅时，通过第二预热器27给转运坩埚26内的浆料进行保温均热，保证浆料的组织和性能，其中浆料温度T₅维持在T₃以下5～10℃；

步骤7，打开储液室52的炉门42添加浆料41，并进行保温存储，使其温度维持在T₅±5℃；当进行生产时，压射锤头44上升，储液室52内的浆料进入到压室45中，合模后，在压射锤头44下压时，浆料沿着鹅颈管46填充至压铸模型腔49中凝固成型，压射锤头44回升，开模取出铸件，完成一个压铸循环。

本发明的有益效果为：

1.本发明在浆料制备与浆料转运中均复合运用了电磁搅拌与超声振动两种工艺，操作简便，流程简短，既避免了浆料受到污染，又提高了浆料制备的效率，保证了浆料组织性能的稳定，特别适用于流变成形工艺；

2.采用在冷却棒中添加间接超声振动，首先加强了制浆效果，其次对比环缝式电磁搅拌，最大程度上减小了冷却棒的尺寸，从而使得每次浆料的制备量得到了提升，提高了制浆效率；

3.通过牵引电磁铁控制冷却棒的上下运动实现浇注，结构简单，灵活易操作，省时省力；通过高温液体流量计和翻转阀门能够实现定量制备与转运精确，误差小；

4.在浆料转运以及压铸过程中均对半固态浆料施加了电磁搅拌和保温隔热措施，最大程度地保证整个工艺流程中浆料优异的组织性能，从而保证了加工零件的质量。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为电磁铁的工作示意图。

图3为底板的电源线通道示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细描述。

参照图1，一种半固态流变成形浆料制备及定量转运的装置，包括熔化炉Ⅰ及其下方连接的电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ，电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ的出料口和转运设备Ⅲ配合，转运设备Ⅲ和压铸设备Ⅳ配合实现进料。

参照图1，所述的熔化炉Ⅰ包括熔化坩埚9，熔化坩埚9外部依次设有熔化炉保温层8和感应线圈7，感应线圈7、熔化炉保温层8和熔化坩埚9同轴安装在熔化炉底板11上，且上部加设了炉盖1；熔化坩埚9的材料为刚玉，质地硬且耐高温；熔化坩埚9内设有第一热电偶4，第一热电偶4上端部穿过炉盖1，下端部插入熔化坩埚9中的金属熔体10，用以测量金属熔体10的温度；第一热电偶4的温控方式可采用闭环、PID控制；熔化坩埚9内左右对称设置了第一中空塞杆3和第二中空塞杆6，第一中空塞杆3和第二中空塞杆6的上端部穿过炉盖1，下端部与熔化坩埚9底部的出料口相接触配合，第一中空塞杆3、第二中空塞杆6的中心分别设有第二热电偶2和第三热电偶5，第二热电偶2和第三热电偶5上部均穿过炉盖1，下部通过熔化坩埚9的出料口，穿过整个熔化炉Ⅰ，插入搅拌坩埚12中，用以测量搅拌坩埚12中金属熔体的温度。

参照图1，所述的电磁搅拌与超声振动复合室Ⅱ包括搅拌坩埚12，搅拌坩埚12外部依次设有第一预热器13、保温隔热层14、第一冷却系统15、第一电磁搅拌器32和第一外壳33，第一预热器13、保温隔热层14、第一冷却系统15、第一电磁搅拌器32和第一外壳33上端部加设了盖板38，底部均安装在底板16上；为了减少对第一电磁搅拌器32破坏和腐蚀，需要采取隔热冷却措施，故设有隔热保温层14和第一冷却系统15，第一冷却系统15设有冷却水入口31和冷却水出口37，冷却水管道为蛇形螺旋状，能够让冷却水更好地给第一电磁搅拌器32降温；在搅拌坩埚12的内部中心处设置了冷却棒34，其采用螺杆形状，目的为克服集肤效应带来的不利影响，加强搅拌效果，使温度场和速度场更加均匀；冷却棒34下端部和搅拌坩埚12的出料口相密闭接触，其上端面轴线处加工出了一个立方体凹槽，3组超声振动头35等间距安装在第一换能器36上，且沿径向对称放置，第一换能器36上部通过第二弹簧36-1连接在熔化炉底板11上；冷却棒34的上端部沿径向对称安装了4个牵引电磁铁39，牵引电磁铁39上端与熔化炉底板11相连接，牵引电磁铁39内部的电源线通过熔化炉底板11上开设的通道40与外界设备相连；通过对牵引电磁铁39的通断电，从而带动冷却棒34的上下运动，实现搅拌坩埚12底部出料口的打开与关闭；搅拌坩埚12的出料口处设置了浆料出口管道29，在浆料出口管道29上安装了翻转阀门30和高温液体流量计17，通过读取高温液体流量计17上仪表显示的数值，及时开合翻转阀门30，实现定量浇注，减少浆料的损耗。

参照图2，所述的牵引电磁铁39包括第一弹簧39-1、铁芯39-2、框架及线圈39-3，铁芯39-2的下部连接有第一弹簧39-1，铁芯39-2的上部连接有框架及线圈39-3；牵引电磁铁39上部通过框架及线圈39-3连接在熔化炉底板11上，牵引电磁铁39下部通过第一弹簧39-1安装在冷却棒34上；当线圈通电时，铁芯39-2被磁化，继而被框架及线圈39-3内的衔铁吸合，从而带动冷却棒34向上运动，搅拌坩埚12底部的出料口打开；当线圈断电时，磁性消失，在自重、第一弹簧39-1以及第二弹簧36-1的作用下，冷却棒34向下运动，搅拌坩埚12底部的出料口关闭；在冷却棒34的内部开设了凹槽，在其内部设置了3组超声振动头35，超声振动头35端部与冷却棒34凹槽内壁紧密接触，且均等间距安装在第一换能器36上，每一组包含4个超声振动头35，均沿径向对称安装，目的为使搅拌坩埚12内的浆料在竖直方向上均受到超声振动，加强制浆效果。

参照图3，所述的熔化炉底板11上开设了电源线通道40，为了其内的电源线40-1更好地固定与安放，在电源线通道40内部设置了销钉40-2；第一换能器36和牵引电磁铁39的所有电源线均穿过熔化炉底板11上的小孔，通过电源线通道40，与外接设备相连，并且能够大大减少高温对电源线40-1的腐蚀和破坏，延长使用寿命。

参照图1，所述的转运设备Ⅲ包括转运坩埚26，转运坩埚26外部依次设有第二预热器27、第一保温层28、第二冷却系统19和第二电磁搅拌器18；在转运坩埚26的底部从上而下依次设置了变幅杆25、第二换能器24和超声发生控制器23；变幅杆25的上端部嵌入转运坩埚26底部的凹槽中，方便定位，紧密接触能大幅度地降低声波的损耗，提高能量利用率；第二预热器27、第一保温层28、第二冷却系统19均采用环绕式设置，采用第一保温层28和第二冷却系统19进行隔热冷却，减少高温对第二电磁搅拌器18的腐蚀和破坏，同时减少搅拌时间，提高加工效率；间接超声振动能够使转运坩埚26内的浆料产生上下部分的分散交换对流运动，电磁搅拌使得边缘和中间的的浆料时刻处于对流交换分散状态，二者的结合使得转运坩埚26内的浆料组织整体初生相细小、形貌圆整、分布均匀；转运坩埚26、第二预热器27、第一保温层28、第二冷却系统19、第二电磁搅拌器18、变幅杆25、第二换能器24和超声发生控制器23共同构成转运装置20，转运装置20底部通过轨道轮21在轨道22上实现往返运动。

参照图1，所述的压铸设备Ⅳ包括储液室52，由转运装置20输送的浆料41通过炉门42，浇注储存在储液室52中；在储液室52内部设有金属液加热器43，可对半固态浆料进行加热保温；在储液室52内部设有压室45，压室45上方安装有喷射活塞44；压室45通过鹅颈管46与压铸型的浇口连通；压铸型包括连接在定型座板47上的定模48和连接在动型座板51上的动模50，定模48和动模50配合形成型腔49，型腔49和压铸型的浇口连通；在储液室52外层设有第二保温层53，在第二保温层53的外层设有第三电磁搅拌器54，第三电磁搅拌器54的作用为对储液室52内的浆料进行电磁搅拌，从而维持整个半固态浆料的组织性能；整个储液室52外层包裹了第二外壳55，减少外界对第三电磁搅拌器54的碰撞。

应用一种半固态流变成形浆料制备及定量转运的装置的方法，包括如下步骤：

步骤1，将金属原材料例如A356铝合金在熔化坩埚9里直接加热到熔融状态，温度为T₁±5℃，并采用感应线圈7进行保温均热，持续时间为t₁，其中金属熔体温度T₁控制在A356铝合金液相线以上10～30℃；测量熔化坩埚9中的金属熔体10的温度可通过第一热电偶4，温控方式可采用闭环、PID控制、均热要求；

步骤2，在保温均热的同时，打开第一预热器13，将搅拌坩埚12预热到所需的温度T₂±10℃，所需时间为t₂，其中搅拌坩埚12的预热温度T₂控制在A356铝合金液相线以下80～100℃；当熔化坩埚9中的金属熔体10和搅拌坩埚12达到所需的温度后，通过移动第一中空塞杆3、第二中空塞杆6向上运动一定的距离，使熔化坩埚9底部的出料口打开，金属熔体10通过出料口浇注流入到已预热的搅拌坩埚12中，一定量后控制第一中空塞杆3、第二中空塞杆6向下运动使出料口闭合，实现密封；

步骤3，当搅拌坩埚12中的A356铝合金熔体冷却到其液相线时，根据预先设定的频率、时间、电流等参数，对搅拌坩埚12中的金属熔体启动电磁搅拌和超声振动复合制备，目的是打碎冷却过程中所产生的的初生枝晶，用以获得非枝晶细小等轴球状或近球状的微观组织；具体参数为：电磁搅拌功率W_d，电磁搅拌频率f_d、搅拌电流I_d、超声数值A_z等；

步骤4，在电磁搅拌和超声作用时间达到预先设定的数值t₃后，制备过程结束，此时获得的浆料的温度为T₃；测量搅拌坩埚12内浆料的温度可通过第二热电偶2和第三热电偶5；首先开启翻转阀门30，接着打开牵引电磁铁39，在电磁力的作用下，冷却棒34向上移动一定的距离，打开搅拌坩埚12底部的出料口，使浆料经过浆料出口管道29浇注流入到已预热的转运坩埚26中，其中转运坩埚26的预热温度T₄控制在T₃以下10～30℃，加热过程由第二预热器27完成；通过读取高温液体流量计17上仪表显示的数值，当仪表读数达到预先制定的计划和要求后，关闭牵引电磁铁39，在自身重力和弹簧力的作用下，冷却棒34向下移动，关闭搅拌坩埚12底部的出料口，当剩余的浆料全部流入到转运坩埚26后，立即关闭翻转阀门30；

步骤5，给转运坩埚26中的半固态浆料加盖密封，并施加一定大小的预紧力F，根据工艺需要的频率、超声、电流、时间等参数进行设定，开启第二电磁搅拌器18和超声发生控制器23，对转运坩埚26中的浆料进行电磁搅拌和间接超声振动复合，间接超声振动使得浆料实现上下部分的交换对流，与电磁搅拌的边缘中心浆料交换对流相结合，保证了浆料组织细小、形貌圆整，分布更加均匀，实现对半固态浆料的物理性能的维持或者实现对尚未加工完成的浆料的续加工；

步骤6，转运装置20承载转运坩埚26沿着轨道22前往压铸设备Ⅳ；当通过转运坩埚26上的热电偶测得浆料的温度为T₅时，通过第二预热器27给转运坩埚26内的浆料进行保温均热，保证浆料的组织和性能，其中浆料温度T₅维持在T₃以下5～10℃；转运装置20的运输方式可分别为车轮式或轨道式，车轮式适合自由无规则的短途运输和少量小规模生产，所需动力源来自转运装置20上的混动电池，平时可通过外接电源线进行蓄电储能，而轨道式适合大规模大型件生产，所需动力源来自外接电源线，能量稳定可靠，持续生产能力强，工作人员可根据生产条件和环境进行选择；

步骤7，当转运装置20到达压铸设备Ⅳ后，打开储液室52的炉门42添加浆料41，储液室52上部设有金属液加热器43，方便对浆料进行保温存储，使其温度维持在T₅±5℃左右；在储液室52的外围依次设有第二保温层53和第三电磁搅拌器54，目的分别是对浆料隔热保温和维持浆料的组织性能；当进行生产时，压射锤头44上升，储液室52内的浆料通过入口进入到压室45中，合模后，在压射锤头44下压时，浆料沿着鹅颈管46填充至压铸模型腔49中凝固成型，压射锤头44回升，开模取出铸件，完成一个压铸循环。